煤质对鲁奇气化炉的影响

煤质对鲁奇气化炉的影响

义马气化厂是生产城市煤气联产甲醇、 二甲醚等化工产品的企业， 采用鲁奇(Lurgi)加压气化的造气工艺。该自 20 世纪 70 年代引进以来［1 ］ ， 国内对该技术的掌握和应用已有了长足的发展。其Lurgi 气化炉对煤种和煤质有一定的要求， 这是气化炉能够长周期稳定运行的关键性因素。近年来， 随着煤炭价格的不断攀升， 以及冬季用煤紧张等因素，该厂原料煤已达十余种， 煤质的不稳定给装置生产能力及长周期稳定运行带来了很大的困难。本文通过对煤质中不同因素对 Lurgi 气化炉经济运行的分析， 提出了一些针对性建议及措施， 以供参考。

1 煤质对鲁奇气化炉的经济运行分析 1． 1 灰熔点的影响

鲁奇气化炉的操作温度介于煤的 T 1 (煤灰变形温度)和 T 2 (煤灰软化温度)之间， 入炉煤灰熔点高，则操作时就要适当降低汽氧比， 相应提高炉温， 蒸汽分解率增加， 煤气水产量低， 气化反应完全， 有利于制气。但是受气化炉原设计制约， 蒸汽也不能无限制降低， 否则可能会烧损炉篦及内件， 因此受设备材质影响， 灰熔点不能太高， 一般控制在 1 150 ℃≤T 2≤1 250 ℃。反之， 煤的灰熔点低， 则操作时就要适当提高汽氧比， 相应降低炉温(防止低灰熔点的煤料在炉内结渣， 造成排灰困难)， 蒸汽分解率降低，煤气水产量增加， 气化反应速度减缓， 不利于制气，运行非常不经济。因此入炉煤灰熔点要尽可能控制在一定范围内， 不能变化太大。

在实际生产过程中， 入炉煤存在多样性， 入炉煤的灰熔点也就各不相同;因此， 有一个最佳汽氧比的选择， 即控制气化炉内的反应温度， 既不能因汽氧比高造成灰细导致排灰困难， 也不能因汽氧比低造成结渣而无法排灰。若入炉煤灰熔点相差较大， 就无法选择最佳汽氧比， 从而造成灰熔点低的煤易结渣，容易出现气化炉工况恶化， 另外还有可能达到 T 3 温度(煤灰熔融性流动温度)， 熔融部分将灰熔点高的煤包裹， 阻碍了其与气化剂接触， 不利于完全反应， 导致碳流失， 表现为炉渣中的黑核现象。相反， 按照低灰熔点煤选择汽氧比， 则高灰熔点的煤表现为灰细， 不利于排灰和制气， 同时增加煤气水产量， 加大了污水处理费用。 1． 2 挥发分的影响

挥发分一般理解为烃类， 是煤中有机质加热到一定温度挥发出的气态及蒸汽产物， 它是反映煤的变质程度的重要标志， 随着变质程度的提高， 煤的挥发分逐渐降低。各种煤的挥发分产率如表 1 所示。 表1不同煤种的挥发分

煤种 泥炭 褐煤 长焰煤 气煤 肥煤 焦煤 瘦煤 贫煤 无烟煤 挥发分产率/% 接近 70 41 ～67 ≥42 35 ～44 26 ～35 18 ～26 12 ～18 ≤17 2 ～10 气化炉用煤中挥发分含量的多少与煤气用途有一定的关系。当煤气完全用作燃气时， 要求甲烷含量高、 热值大， 则可选用挥发分较高的煤做原料， 所得煤气中甲烷含量较大。当煤气用作工业生产的合 成气时， 一般要求使用低挥发分、 低硫的无烟煤、 半焦或焦炭。另外， 变质程度轻的煤种， 生产的煤气焦油产率高， 焦油容易堵塞管道和阀门， 给焦油分离带来一定困难， 同时也增加了含酚废水的处理量。更重要的是， 对合成气来讲， 甲烷可能成为一种不利的 气体。例如， 合成氨中要求氢气含量高， 而这时甲烷却变成了一种杂质， 含量不能太大， 故要求挥发分小于 10%。

总体来讲， 煤的挥发分对鲁奇气化炉运行工况影响不是很大。煤中挥发分变高， 能造成副产品焦油和中油的产率增大， 粗煤气产率下降， 粗煤气耗块煤的单耗随之增加。表 2 为义马气化厂 2010 年 6、 8 月份气化炉采用不同煤种， 其挥发分与焦油产量、粗煤气标煤单耗的比较， 可以看到， 8 月份煤的挥发分高于 6 月份煤的挥发分， 其对应的 8 月份焦油产率高， 粗煤气折标煤的单耗也增加。可见， 煤中挥发分低， 煤气产率增加， 气化炉运行更为经济。

1． 3 灰分及矸石的影响

煤中矸石含量及灰分增加时， 一是矿物质燃烧灰化时要吸收热量， 大量排渣要带走热量， 因而降低了煤的发热量;二是为防止气化炉结

渣， 要适当提高汽氧比， 降低了气化炉的操作温度， 影响了气化强度， 蒸汽分解率降低， 煤气水的产量提高， 粗煤气产量减少。 同时， 随着煤中矸石含量及灰分增加， 煤灰中FeO、 CaO、 MgO、 K２O 作为助熔剂 ［2 ］ ， 对结渣起到促进作用， 加剧了设备磨损， 一是炉篦刮刀、 护板等部件， 二是煤灰锁上下阀运转周期缩短， 设备检修频次增加， 开停车频繁。灰分过高时， 影响气态反应物，反应产物扩散速度和热量的传递速度， 使气化反应总反应处于扩散状态， 阻碍了固体表面和内部气化反应的有效进行， 碳核也会进入灰区， 导致灰锁温度升高， 严重时导致各反应层紊乱， 造成气化炉工况恶化。 1． 4 水分的影响

加压气化炉对炉温的要求比常压气化炉低， 而炉身一般比常压气化炉高， 能提供较高的干燥层， 允许进炉煤的水分含量高。适量的水分对加压气化是有好处的， 水分高的煤， 往往挥发分较高， 在干馏阶段， 煤半焦形成时的气孔率大， 当其进入气化层时，反应气体通过内扩散进入固体内部时容易进行。因而， 气化的速度加快， 生成的煤气质量也好。煤种的内在水分属固有特性， 但外在水分对气 化炉经济运行影响较大。水分过高时， 影响主要有以下几个方面:①水分过大， 会导致筛分效果不好，堵塞筛板， 且块煤表面黏附末煤入炉后影响气化炉工况， 还容易造成煤锁膨料、 挂壁， 加煤不畅;②煤中水分过大， 蒸发汽化所需热量增加， 造成氧耗一定程度增加 ［3 ］ ;③原料煤雨雪季节防护不利， 水分过高时， 还可使煤气水

产量增加， 增加污水处理费用。 1． 5 煤的粒度的影响

鲁奇气化工艺属于碎煤气化， 对粒度要求较高(5 ～50 mm 碎煤)， 粒度大小和范围不同， 会造成气化炉同一床层截面的煤的比表面积不同， 而在同一床层截面上， 气化剂的分布是均匀的， 比表面积大的需要的氧气多， 若粒度大小和范围不同， 就会造成气化炉同一床层的反应速度不同， 而向下排灰拉动床层下移却是均匀的， 这样就可能会导致气化炉内床层紊乱， 比表面积大的煤(小粒度)， 因反应不完全和灰渣一起排出， 碳在灰锁中继续反应使灰锁温度也升高， 同时灰中残炭量升高， 因碳流失从而使产气率下降， 块煤单耗升高。

实际生产经验告诉我们， 鲁奇气化中若用煤中大于 50 mm 粒度的煤偏多， 易造成气化反应不完全;而小于 13 mm 的煤偏多， 容易产生小粒度填充大粒度间隙的现象， 同时还会出现大粒度遍布气化炉床层四周， 而小粒度集中于中央， 引起床层不均，局部阻力增大， 气化剂通过床层时会出现阻力小的部位通过的气化剂量多， 阻力大的部位通过的气化剂量小， 不但影响气化炉的产量和气体质量， 而且易出现气化炉局部过热结渣、 结大块， 造成气化炉工况恶化。通过多年来对粒度大小和粒度范围的分析，我们得出鲁奇气化煤粒度控制范围如下:5 ～ 13mm，＜ 10%;13 ～ 25 mm， 30% 左右;25 ～ 50 mm，30%左右; ＞ 50 mm， 30% 左右;同时需避免出现大于 100 mm 的煤。表 3 为(该厂规范煤粒度后)2010年 1 ～9 月份送入气化炉煤粒度分析结果， 相对于往年有更好的气化炉运行状况和粗煤气

耗块煤单耗， 这也证明了我们总结的经验值的正确性。

1． 6 固定碳含量的影响

影响煤的发热量的主要因素是固定碳， 固定碳含量提高， 则灰分、 挥发分等相应含量下降， 有效成分增加， 有利于制气。但随着固定碳含量的升高， 在鲁奇炉内就需要更多的氧气参与反应， 若气化反 应氧气量一定且与煤的发热量不匹配时， 由于固定碳含量升高， 参与反应的氧气不足， 会造成炉内反应速度减慢， 煤在炉内停留时间增长， 导致各层拉长，干馏层缩短， 干燥层缩短或消失。气化炉的工况表现为:粗煤气出口温度高， 在 450 ～490 ℃;灰锁温度高， 在 330 ～380 ℃;在此温度下， 煤中的挥发分在干馏层生成焦油的成分多(煤焦油生产约在 320 ℃开始， 在 430 ℃ 达到最大值)， 焦油产量增加， 剩余半焦减少， 进入气化层后， 生成 CO、 CO 2 、 H 2 、 CH 4 的有效成分减少， 导致块煤单耗出现拐点。图 1 为 2010 年 1 ～8 月份煤中固定碳、 挥发分与粗煤气耗块煤单耗情况图。

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