碎煤加压气化的工艺运行与技术改造

杜阮（内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司，内蒙古 赤峰 025350）

1 前言

我国是一个煤炭资源相对丰富的国家，根据“十二五”期间能源产业统计数据，煤炭能源消耗占全社会能源消耗的70%，为我国的经济建设做出了重要贡献。

相对而言，我国的石油和天然气资源明显不足，长期单一的煤炭资源应用模式，无法满足社会日益强烈的能源多样性需求，必须寻求新的途径。而所谓“能源多样性需求”是指在社会发展过程中，不同能源类型的总体需求量上升，由此所引发的一系列能源供求失衡问题。如随着汽车工业的发展，石油燃料的需求日益旺盛，而随着我国城市化进程的加快，天然气资源的需求不断提高。

“煤气化”是煤化工业的重要组成部分，指的是煤炭在高温环境下与气化剂（空气、水蒸气等）反应生成煤气的过程；从煤炭到煤气的转变，就完成了能源形式变化的目的。而“碎煤加压气化工艺”顾名思义，是指原煤经过粉碎之后（最大粒度50毫米）通过一系列的高压、高温、化合反应，生成所需要的煤化气资源。

以鲁奇炉为例，从工艺流程角度来说，碎煤加压气化首先要进行煤粒筛选程序，符合碎煤标准的物料通过鲁奇炉顶部的闸斗仓进入加压气化炉；这一过程中需要加入气化剂、催化剂和结渣剂等，碎煤在气流的作用下在气化炉中不断运动，最终被干燥并脱除挥发分、进一步气化。

鲁奇炉是典型的固定床加压气化炉，从上世纪80年代引入我国之后，在碎煤加压气化工艺的应用方面取得了较大的成就。根据国内实际生产需要，经过改进的鲁奇炉装置更加稳定、高效。以下碎煤加压气化工艺的分析均以鲁奇炉作为参考。

2 碎煤加压气化工艺运行问题分析

碎煤加压气化工艺在我国经历了三十多年的发展，虽然技术层面已经相对成熟，但依然存在一些无法彻底根除的问题。这些问题有的是工艺设计固有缺陷造成的，也有设备和原料原因造成的，针对这些问题进行分析，结合鲁奇炉的特点寻求工艺技术改造策略。

2.1 气化炉炉壁腐蚀

在碎煤加压气化工艺的运行过程中，气化炉炉壁腐蚀是常见的问题，这主要和我国的煤炭品质与工艺操作手段有较大的关系。导致腐蚀的主要物质是碱性金属和卤素，如：锂、钠、钾、铷、是氟、氯、溴、碘，等等。煤炭本身所蕴含的大量杂质，在水分子的作用下容易发生电化学反应，加上碎煤颗粒的磨蚀和各种腐蚀性细菌作用。

2.2 气化灰层建立难度大

气化灰层的作用是保护炉箅，控制炉箅上方灰层高度为150mm左右，但由于气化原料煤灰分低、刮刀数量多等原因，气化灰层建立十分困难。

2.3 粗煤气带出物过多

由于气化原料煤的机械强度较低、热稳定性差、入炉过程中携带煤粉过多等原因，粗煤气带出物过多会堵塞后系统，所以气化原料煤应该尽量选择一些机械强度高的、热稳定性强的，同时加强碎煤筛选过程，降低炉内气体的流动速度，由此可以减少带出物。

2.4 粗煤气中有效成分少

粗煤气中一氧化碳含量过低，气化炉内汽氧含量过高，甚至整个反应低于设计下限的数值，由此造成原材料浪费、煤制气质量低下等问题。

3 碎煤加压气化工艺技术改造策略

3.1 煤锁改造

鲁奇气化炉上部的煤锁功能是将煤仓内的物料间歇式加入气化炉，是一种典型的压力容器，正常情况下的压力承受上限是4MPa。煤锁上部与煤仓相联，下部与气化炉法兰相联，类似于碎煤缓冲装置；煤锁下部设置有下阀口，也是气化炉装置的重要组成部分；煤锁改造包括三个部分，分别是煤锁检修方式改造、煤锁下阀传动轴改造和灰锁锥阀改造。

第一，煤锁检修方式改造。传统的检修方式依赖起重机将煤锁转移到地面，检修不仅消耗大量的人工和时间，同时也容易造成安全事故。经过改造的煤锁检修方式是，在设备两侧的支耳处应用千斤顶，悬空煤锁设备之后利用支撑梁作为滑道；检查的过程中将滑道上移动煤锁，即可实现现场检修作业，减少人力物力和时间成本的消耗。

第二，煤锁下阀传动轴改造。下阀传动轴是煤锁下阀的重要组成部分，依靠液压驱动装置作为动力来源，在外摆杆、传动轴、内摆杆、阀杆等作用下，实现下阀的开关功能。由于联动装置的反复使用容易造成传动轴与垫环的磨损，进而发生填料泄露等事故，影响气化炉的稳定；改造措施是优化传动轴外端，通过添加止推轴承，方便定位和调整横向、纵向开槽的移动，有效减少位移。

第三，灰锁锥阀。灰锁锥阀的材质需要耐热钢或合金，改造方向是减小碳化钨晶体，提高碳化钨圈中钴元素的含量，有效降低了硬度，提高了韧性。同时，需要确保导向筒的对中性。

3.2 点火方式改造

碎煤加压气化炉是一个高温、高压环境，煤炭颗粒在其中发生一系列的物理和化学变化，从化学原理上分析，主要是碳、氧、水蒸气等之间的反应；煤炭的燃烧即碳元素的燃烧，但这种燃烧是挥发性的；煤炭中的有机物成分是碳氢化合物，在高压状态下，浓度达到一定极限（存在一定温度），氧化作用会自动发生。但是，气化炉内的煤制气产生必须以燃烧形式进行，前提条件是进行点火引发。

传统的点火方式是利用富氧空气引发，一次点火时间长达十几个小时，不仅浪费资源影响生产，也容易发生安全事故；故此，点火方式的改造升级是十分有意义的。

改造优化的点火方式主要以氧气为气化剂，其步骤包括气化炉预热、氧气点火、气化炉升压升温、并网操作等内容。氧气点火环节中，要向气化炉中实现输入水蒸气和纯氧。

3.3 操作控制方式改造

首先，在操作方面，以鲁奇炉为基础的研究中，碎煤加压气化工艺中煤炭添加、排灰等过程都是间歇性的操作，需要通过煤锁阀门来实现。根据现实情况，不可能专门派人值守这一岗位，而每次定期攀登进行泄压十分繁琐，操作中容易发生更危险；通过自动化装置技术，配合监事系统，将以往的手动泄压方式改为远程自动控制方式。在中心控制室中可以完成加煤、排灰等工作；此外，针对碎煤加压气化炉的手动注油方式，也可以借鉴远程泄压方式，实现自动化操作。

其次，在控制方面，碎煤加压气化炉内的负荷控制一般由进入炉内参与反应的物料来决定，参考因素是气化量的比例；改变气化量的比例，也就改变了气化炉的符合，实现整体的控制效果。但是这种方式只有在供气稳定的状态下才能够实现，且比例调节单一，缺乏对实际工矿的考虑；改造的方式是采用串联式比例调节，将出口温度、灰锁温度、气化炉压力（实时）等归纳到一个框架中来，借助仪表设定的方式，制定一个合理的控制数值域。

4 结语

从我国能源利用形势出发，煤化工产业具有广阔的发展前景，相对应地在煤制气应用方面，碎煤加压气化工艺的不断改造、优化和升级，将有助于提高煤化工产品的品质，以及满足能源多样性的需求。文中作者从煤锁装置、点火方式、生产能力等方面提出了改造建议，还有其他方面的问题存在，亟待寻求更优秀的技术要点指导；总体而言，以鲁奇炉为基础的碎煤加压气化工艺技术改进，对提高气化炉生产效率、节能减排和可持续性发展有重要意义。

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