郭德铭,郭会敏
(河南能源化工集团中原大化公司甲醇事业部,河南濮阳 457000)
壳牌气化炉配煤研究
郭德铭,郭会敏
(河南能源化工集团中原大化公司甲醇事业部,河南濮阳 457000)
阐述壳牌气化炉配煤的原则及其重要性,满足气化炉的高负荷稳定运行。
配煤;灰熔点;积灰;排渣
壳牌气化炉采用粉煤加压,合成气激冷以及废锅回收热量的技术,提高了碳的转化率和热量利用率。具有产品气体有效气(H2+CO)组分高,高达90%-93%,氧耗低等优点。但是运行过程中,常出现因原料煤煤质不合适引起堵渣或者积灰的问题。为了气化炉的长周期高荷运行,我们需要经过配煤来解决上述问题。
1.1 合成气冷却器入口积灰
积灰的机理:中压蒸汽过热器是合成气的第一个冷却器,过热器中央设有冷却盖板,飞灰容易从盖板径向和垂直方向扩展。在入口,靠近气化炉侧为合成气流速的低速区,对面为高速区,低速区容易先积灰,向高速区径向发展。过热器积灰后,过热蒸汽的热通量下降,因过热器为盘管结构,在入口处堵塞,也将会减少其换热面积。合成器入口温度一般控制在680℃,因为合成气是还原性环境,煤中的灰组分将会以单质形式存在,其中钾和钠在高于680℃以气态存在,在低于这个温度会以固态形式存在。通用的一般按照灰熔点×2/3-150℃来控制。上述两个温度取低者作为合成器入口温度的控制指标。
1.2 除渣系统出现的问题
除渣系统常出现的问题就是垮渣及堵渣。排渣系统要求渣的粘度在5-25泊,在这个黏度区间分别对应一个温度,我们称之为T5和T25,如果渣的黏度过小,将出现气化炉内壁无法挂渣,内壁暴露在1450~1550℃的环境下,直接威胁气化炉内件的安全。同时还有可能出现垮渣,此时高温液态渣大量进入渣池,瞬间产生大量蒸汽,称为蒸汽爆炸,整个气化炉内件会受力上移,对气化炉造成灾难性破坏。如果渣黏度过大,渣在遇到极冷环喷出的水时,渣块无法炸开,形成大块渣,在破渣机上部和渣锁斗处形成堵渣,渣无法排出,造成装置停车。我们监护下渣是否顺利,通过监护渣口压差以及破渣机上部温度,破渣机上部温度指示了渣带到下渣系统热量的多少以及渣的形态,在同等负荷下,在煤中的灰组分不发生改变的情况下,如果形成的细渣较多,那么这个温度会上升,如果形成的大块渣多,温度下降,这也间接反映了炉温的变化。
当渣系统需要的温度和合成器入口的温度发生矛盾时,我们就需要通过配煤调整原料煤的特性解决问题。配煤无法改变所配煤种的气化温度,只是改变了渣里矿物质的组分,从而调整渣的黏度。煤的气化温度由煤阶决定,煤阶其实就是煤的年龄,其最重要的表征是挥发份。一般来说,无烟煤的挥发份为8%-22%,其气化温度一般在1600-1620℃,烟煤的挥发份在22%-32%,其气化温度一般在1 480-1 580℃,而褐煤的挥发份在14%-19%,其气化温度在1 400℃以下。所以在配煤时,我们无法改变煤种的气化温度,在A煤和B煤配煤制成煤粉时,这只是一个物理过程,它们在进入气化炉进行气化反应时,各自性质无法改变,因为它的煤阶没有发生变化,但是气化反应后,在膜式壁上流动的渣的组分发生了变化,这里我们要引入一个概念那就是液化温度,简称Tliquidous及Tliq,液化温度是由渣组分和相图决定。此外,渣组分也决定了气化炉的操作窗口。渣组分中最重要的指标是硅铝比,硅铝比是添加石灰石的一个指针,硅铝比高,说明我们添加助溶剂石灰石改变渣的低温共融不敏感,也就是说改变渣的液化温度不明显,硅铝比高,我们需要添加更多的石灰石。所以配煤只是改变了液化温度,对气化温度没有影响。
我们要求所配煤种的煤阶尽量相近,不推荐煤的气化温度相差超过150℃的煤种进行配煤,因为这样极易造成气化反应后移,气化温度低的煤先进行气化反应,然后气化温度高的煤种在火焰的后部反应,所以在发生气化反应的过程中,两种煤的矿物质发生了分离,或者说混合的不均匀,改变了渣中矿物质组分的变化,矿物质组分直接影响了渣的液化温度。还有就是可能造成煤反应不完全,渣残碳较高,有时会高达9%,并且气化炉工况波动较大,存在堵灰或者堵渣的风险。汽包的大室和小室的液位差常出现大幅波动,其也真实的反映出气化反应出现了后移,气化区温度变化较大。下表1,表3分别为褐煤和无烟煤的配比,我们选用的煤为煤种A和煤种B以1∶0.5的配比,石灰石添加2%。
表1 褐煤配比
气化炉工况如下:
表2 气化炉工况
以下为我们选择同是某无烟煤的煤种C和 煤种D以1:1配比的数据,石灰石添加5%。
表3 无烟煤配比
气化炉工况如下:
表4 气化炉工况
通过上诉比较,明显可以看出,当选用煤阶较近的煤进行配煤时,气化炉炉温可以控制在此种煤阶气化温度相近就行,此时煤的热效率也较高。如果煤阶差别大,我们要根据所配煤种的煤阶,确定那个煤种需要最高的气化温度,气化炉炉温必须小于这个温度。如果发现渣里的残碳高,可以通过加入缓蚀剂来调整,一般加入水蒸汽或者二氧化碳。
配煤仅存在当煤的气化温度和液化温度发生矛盾时,我们通过配煤改变煤的矿物质组分,改变渣的液化温度,让它来适应我们的气化温度。如果所配煤种的气化温度差别大,高的激冷比有助于气化炉工况的稳定。
Shell gasifier of coal blending
Guo De-ming,Guo Hui-min
(Henan energy chemical group,Puyuan Henan 457000,China)
This paper describes the principle and importance of Shell gasifier of coal blending,meet the stable operation of high load gasification furnace.
coal blending;ash melting point;ash;slag
TG44
B
1003-6490(2015)03-017-02
2015-03-25
郭德铭(1971—),男,河南濮阳人,化工工艺工程师,1994年毕业于河南省化工学校,现为河南能源化工集团中原大化公司甲醇事业部副总经理。