4.0 MPa碎煤加压气化炉10 000 m3/h(标态)氧负荷运行总结

赵杰丰，李英杰

(河南理工大学，河南焦作 454000)

河南晋煤天庆煤化工有限责任公司(以下简称晋煤天化)气化工艺选用鲁奇碎煤加压气化技术[1-2]，气化炉采用赛鼎工程有限公司在鲁奇炉Mark- IV型上的改进炉型，规格为Ф 4 000 mm×13 000 mm，操作压力4.0 MPa，设计5开1备。

1 煤质分析

原料煤采用晋城15#块煤，属于中灰、富硫、高发热量无烟煤，其基本煤质特征是：灰分质量分数在20%左右，硫质量分数在2.0%～2.5%，灰熔融性温度高，一般大于1 450 ℃。入炉煤质分析和灰熔点分析数据分别见表1和表2。

表1 入炉煤质分析结果

表2 灰熔点分析数据 ℃

通过前期运行，晋煤天化于2017年7月进行了气化炉单炉负荷摸高试验，最高负荷达 10 000 m3/h(标态)，气化炉试验运行稳定，各项指标正常，气体成分明显得到优化，有效气含量提高至70%，蒸汽分解率显著提高，取得了较好的效果。

2 主要数据对比

2.1 气化炉进、出主要物料参数

气化炉主要进、出物料参数的对比见表3。

由表3可以看出：氧负荷达到10 000 m3/h(标态)时，单炉粗煤气流量可达60 000 m3/h(标态)，为设计值的150%，蒸汽、煤、中低锅炉给水用量均有上涨；其中，中压锅炉给水用量上涨明显，提高了50%左右，这主要是因为单炉负荷提高，炉内反应加快，需移除热量增加而导致的。

随着负荷提高，虽然气化炉进、出物料用量增加，但粗煤气耗氧量基本保持不变，蒸汽消耗相应降低，主要是因为耗氧量与煤质的关系较大，若煤质未发生大的变化，其耗氧量基本不变；蒸汽消耗的降低，主要是随着负荷的提高，蒸汽分解率增加，从而导致了总蒸汽用量的减少[3]。

2.2 主要工艺指标

气化炉主要运行工艺指标见表4。

表3 气化炉主要进、出物料参数的对比

表4 气化炉主要运行工艺指标的对比

由表4可以看出：对于晋城15#块煤，当气化炉压力4.0 MPa、氧负荷10 000 m3/h(标态)时，汽氧比的合适值为(4.85±0.05)kg/m3(标态)，此时气化炉运行的各项指标，除灰锁温度和气化炉与夹套压差偏高外，均在正常指标控制范围内。

灰锁温度报警值为400 ℃，气化炉10 000 m3/h(标态)运行时，极易出现灰锁温度持续下降趋势。为保证气化炉稳定正常下灰，汽氧比每次调整幅度为0.05 kg/m3(标态)，正常调整幅度为0.1 kg/m3(标态)，平均炉箅转速为3 r/h(2把刮刀)。当出现灰锁温度持续下降趋势时，操作人员应及时加大炉箅转速，并拉起灰锁温度。

气化炉与夹套压差随负荷的增大而增大，正常操作值小于50 kPa，报警值为100 kPa，联锁值150 kPa。高负荷运行时，当负荷达10 000 m3/h(标态)时，需格外注意气化炉与夹套压差。

2.3 粗煤气气体成分

气化炉粗煤气气体成分对比结果见表5。

表5 气化炉粗煤气气体成分对比

由表5可知：当负荷达10 000 m3(标态)时，粗煤气中有效气成分(CO+H2)体积分数可达到70%，比设计值60%高出多于10%；CH4体积分数为8.06%，实际值比设计值高出2.29%，实际运行粗煤气中有效气成分含量大幅度提高，碳的利用率提高。因此，在条件允许的前提下，从系统节能降耗的角度出发，气化炉应尽量维持在高负荷运转。

2.4 不同负荷加煤与排灰时间间隔

高负荷下，气化炉的加煤与排灰时间必然会缩短。不同负荷下加煤与排灰时间间隔对比见表6。

表6 不同负荷下加煤与排灰时间间隔对比

由表6可知：当负荷达10 000 m3(标态)时，气化炉的加煤时间间隔明显缩短，说明该负荷下气化炉内气化剂与碳的反应加剧，速度增快，从而导致用煤量上升，但同时产气量也相应增加。

气化炉煤锁体积为18.7 m3，每次加煤充泄压需耗时6～7 min，5台炉运行时，加一次煤共需耗时30～35 min。若单炉负荷均达10 000 m3/h(标态)，加煤时间虽然缩短至40 min，但基本能保证6台炉的正常供煤。灰锁排灰的设定时间为60 min，单炉排灰充泄压需耗时15～16 min，5台炉运行时，排一次灰共需耗时75～80 min。若单炉负荷均达到10 000 m3/h(标态)，排灰时需严格控制好时间，做好排队，方可保证不会出现灰锁同时充压，并对中压蒸汽系统造成冲击等情况发生。

3 气化炉负荷上限

单炉运行负荷不可能无限提高，首先要考虑管道的承受能力，其次要考虑炉况的稳定性和工艺指标的可控性。根据GB 16912—2016《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》中，对于奥氏体不锈钢管道，当工作压力大于3.0 MPa、小于10 MPa时，管道流速要求撞击场合P×v≤45 MPa·m/s，一般选取氧气流速不超过9 m/s。

在本装置中，气化炉单炉的氧气管径为DN 100 mm，当单炉负荷达10 000 m3/h(标态)、气化炉压力4.0 MPa时，根据管道流量计算公式：

Q=vA

式中：Q——氧气流量；

v——氧气流速；

A——管道面积。

根据计算，当单炉负荷达到10 000 m3/h(标态)时，氧气管道流速为9.45 m/s，P×v=37.8 MPa.m/s。其中，氧气流速已经超出正常选取值，管道流速要求撞击场合值已经十分接近临界值；同时，高负荷时，炉况虽然稳定，但灰锁温度不易控制，波动较大，因此，在该装置的管道配置下，设定单炉最大氧负荷为10 000 m3/h(标态)。

3 结语

在上述装置的配置条件下，从安全和经济两个方面考虑，单台气化炉的最高负荷设定为10 000 m3/h(标态)，高负荷以9 000～9 500 m3/h(标态)为宜。在实际运行中，应严格按照表4中工艺指标控制操作，尤其是气化炉出口温度、灰锁温度、气化炉与夹套压差等3个指标。当气化炉负荷超过9 000 m3/h(标态)后，由于物料反应加快，加煤、排灰频率加快，炉箅转速相应提高，需要操作人员精心操作，及时预判，避免因操作延误而导致炉况恶化。

当气化炉高负荷运行时，汽氧比处在较低水平，炉内气化层反应迅速，反应温度与灰熔点接近，如果操作稍有不慎，将会导致炉况迅速恶化，因此，必须保证入炉原料煤、气化剂(蒸汽、氧气)的相对稳定。同时，加强员工的操作培训，提高员工在高负荷状态下的应急处置能力，才可保证气化炉在高负荷下的稳定运行。

参考文献

[1] 付国忠，朱继承.鲁奇FBDB煤气化技术及其最新进展[J].中外能源，2012，17(1)：5- 13.

[2] 贾春友，魏利梅.鲁奇加压气化工艺优化设计[J].煤化工，2003，31(5)：30- 35.

[3] 盖丽芳.碎煤加压气化技术的应用现状及发展趋势[J].化肥工业，2015，42(4):72- 74.