U－GAS气化装置试烧兖矿兴隆烟煤情况总结

俎 宇，薛莹莹，樊凤升

（兖矿峄山化工有限公司，山东邹城 273500）

1 背 景

U－GAS气化技术是由美国气体技术研究所自主研发的，属于单段循环流化床粉煤气化工艺，采用灰团聚的方式操作，目前由美国综合能源系统有限公司（SES）获得该技术的使用权。2008年2月枣庄投煤量为400t／d的U－GAS气化示范装置建成投运，从三年来的运行情况来看，该气化方式对原料煤的要求相对宽松，可以气化高灰分、高硫分、高水分和低发热量的劣质烟煤，只要满足发热量大于12MJ／kg就可以使用，装置可实现长周期稳定运行，无特殊要求装备，全部设备均为国产化设备。2009年11月通过了山东省科技厅组织的科技成果鉴定。峄化公司项目相关人员于2010年底开始对该技术进行考察，经过多次论证，认为需要使用兖矿本地煤在示范装置上进行工业气化实验。公司领导决定委托SES公司对兖矿兴隆矿混煤在枣庄的U－GAS气化装置上进行工业气化实验，以检验本地煤炭对UGAS气化装置的适用性以及实际运行效果。

2 气化实验过程

2.1 气化实验工艺流程

2.1.1 U－GAS气化技术简介

U－GAS气化装置的核心设备是鼓泡流化床粉煤气化炉，气化装置主要包括原料煤的破碎、干燥及输送系统、气化炉本体、旋风分离系统、余热锅炉、布袋除尘器、冷却、排灰、公用工程等。U－GAS气化炉的外壳是用锅炉钢板焊制的压力容器，内衬耐火材料。气化炉底部是一个中心开孔的气体分布板，气化剂分两处进入反应器，一部分由分布板进入，维持床内物料流化；另一部分从炉底文丘里管进入，这部分气体氧／蒸汽比较大，气化过程中在文丘里管上方形成温度较高的灰团聚区，温度略高于灰的软化点（ST），灰粒在此区域软化后团聚长大，到不能被上升气流托起时灰粒从床层中分离出来。排渣量的多少由中心管的气流速度来控制。

2.1.2 工艺流程简述

原料煤首先经过破碎和干燥，按要求被破碎到6mm以下，表面水分含量小于4%。气化过程需要的氧气来自空分装置，气化剂分两处进入到气化炉，在气化炉中和加入的煤粉发生气化反应，分为破粘、脱挥发分、热裂解、气化、灰团聚、灰渣分离等几个环节。粗煤气从气化炉的顶部引出，进入一二级旋风分离器，除灰后，送往余热锅炉系统进行余热回收并副产气化过程中需要的水蒸气。回收余热后的煤气经过布袋除尘器、水洗塔进一步除尘降温后送往净化系统。一二级旋风分离器捕捉到的飞灰返回到气化炉，三级旋风分离器捕捉到的飞灰直接排到灰仓，不再返回气化炉。流程示意见图1。

图1 工艺流程图

2.2 原料煤指标

原煤要求破碎到6mm以下，而且0.15mm以下的煤粉不得超过10%（以质量计），表面水分含量不得超过4%，灰渣特性不大于5。峄山试烧煤原煤分析数据见表1。

表1 峄山试烧原煤分析数据表

2.3 气化实验过程

2.3.1 试烧前的准备工作以及煤种置换

根据提前制定的试烧计划，运行部门在8月7日0：00前，清空100＃、200＃煤仓，开始加工煤样，气化仍使用缓冲斗的本地原料煤。8月7日7：00，实验用煤入炉，开始进行系统置换工作，并根据分析结果及时对气化炉各项参数进行优化调整，置换期间气化炉按照用户用气情况保持稳定运行。

2.3.2 50%负荷试烧试验

试烧工作从8月9日8：00正式开始，8月9日8：00至8月10日8：00进行50%负荷试烧试验。进煤量控制在6.0～6.5t／h，气化炉温度控制在（1 020±5）℃，气化炉压力控制在215～225kPa。此种操作条件下，平均有效气（CO＋H2）量在7 846m3／h左右，有效气量随时间变化曲线见图2。

图2 50%负荷净合成气流量随时间变化曲线（8月9日08：00到8月10日08：00）

2.3.3 80%负荷试烧试验

8月10日7：40对气化炉各运行参数进行调整，进煤量调整为9.5～10t／h，气化炉温度控制在（1 015±5）℃，气化炉压力控制在215～225kPa。此种操作条件为气化炉的80%负荷，由8月10日8：00至8月11日8：00进行，平均有效气（CO＋H2）量在1 0651m3／h左右，有效气量随时间变化曲线见图3。

图3 80%负荷净合成气流量随时间变化曲线（8月10日08：00到8月11日08：00）

2.3.4 100%负荷试烧试验

8月11日7：40对气化炉运行参数进行调整，进煤量调整为10.5～11.0t／h，气化炉温度控制在（1 025±5）℃，气化炉压力控制在215～225kPa。此种操作条件为气化炉的100%负荷，由8月11日8：00至8月12日8：00进行，平均有效气（CO＋H2）量在12 271m3／h左右，有效气量随时间变化曲线见图4。

图4 100%负荷净合成气流量随时间变化曲线（8月11日08：00到8月12日08：00）

3 试验结果及分析

3.1 气化炉原始数据

3.1.1 净化后合成气的组成（表2）

表2 净合成气组成

3.1.2 实验中气化炉操作参数（表3）

由于实验所用煤种的发热量较低，气化反应活性偏低（1 000℃下二氧化碳活性仅为50%左右），灰熔点在1 350℃左右，所以试烧期间的气化炉操作温度将直接影响碳转换率、冷煤气效率等经济指标。根据U－GAS流化床气化炉的技术特点，流化床密相段的中心区温度较其他区域的温度高，所以气化炉的操作温度（气化炉内壁最高温度）在试验的第一阶段（50%负荷）控制在1 020℃左右。由于示范装置采用的是返粉系统，试验在50%负荷阶段碳转化率达到98.5%。为了研究温度对碳转化率的影响，试验在80%负荷阶段时，将温度控制在（1 015±5）℃，此时碳转换率降至95%以下。基于此确定气化炉最佳操作温度应控制在1 020℃以上，试烧试验才能达到比较满意的技术经济指标，于是在100%负荷阶段时，又把操作温度提高到（1 025±5）℃范围，实验证明碳转化率又有所提高。

表3 气化炉操作参数

3.2 试验中存在的问题

（1）U－GAS气化炉要求入炉煤破碎到6mm以下，而且0.15mm以下的煤粉不得超过10%（以质量计），表面水分含量不得超过4%。在试验过程中，出现了布袋除尘堵塞的情况，分析认为0.15mm以下的煤粉比例过大，在煤破碎时如何有效控制0.15mm以下煤粉的比例是一个需要解决的问题。该气化炉除尘设计是布袋除尘方式，考虑到布袋对温度的承受能力较低（不能超过230℃），反吹阀已发生故障，且合成气温度较低时易结露堵塞布袋，可以借鉴壳牌粉煤气化除尘方式，选择更加可靠的陶瓷过滤除尘方式，合成气尘含量可以降到5mg／m3以下。

（2）U－GAS气化炉的排渣系统出现了问题，使气化炉内灰渣不能连续排放，从而导致气化炉床层高度不稳定，给气化炉操作带来一定的难度。排渣系统是影响气化炉操作稳定的关键因素之一，所以排渣系统的优化是亟需解决的问题。该气化炉排渣设计为螺旋冷渣机排渣方式，压力提高后密封问题和停车后重新启动困难问题需要解决，可以借鉴鲁奇炉刮刀固态排渣方式，估计较为理想。

4 结 论

兖矿混煤在U－GAS气化炉上气化的整个工艺流程基本满足要求。煤的干燥和输送系统正常，输送系统的输送量、回转窑出口的外水含量均能达到设计要求。单台冷渣机正常排渣亦可满足满负荷工况下气化炉排渣要求。

兖矿混煤在U－GAS气化炉试烧满负荷运行时，有效气（CO＋H2）含量达72%以上，比氧耗为300m3，比煤耗为0.91t（收到基），碳转化率达到96%以上，冷煤气效率达到81.54%，装置无三废排放，各项技术指标理想，符合预期。

因此通过本次试烧证明兖矿混煤在U－GAS气化炉上不仅能够在满负荷下长期、稳定运行，而且操作灵活简便，负荷调节能力强，气体成分等各项技术经济指标较好。表明该气化技术煤种适应性广，对原料煤要求宽松，可以使用高灰熔点、高灰分、高硫、低发热量的劣质烟煤，只要发热量大于12MJ／kg、粒度6mm以下均可使用，因此完全适应于改造峄化固定床气化炉，真正实现原料煤本地化，彻底解决原料来源的问题，可以实现较好的经济效益和社会效益。

由于U－GAS气化技术工业示范装置的气化压力目前只有0.22MPa，与峄化现有合成氨系统的匹配性较差，能耗偏高。如果气化压力提高到1.0MPa，与合成氨系统的匹配更加合理，能耗将大幅度降低，合成氨成本会更低，因此，该技术的市场前景广阔。