影响壳牌气化炉经济效益的因素分析

高进(鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

0 引言

煤炭在相当长时期内仍将在中国能源生产和消费中占有重要作用，因此发展洁净煤技术在我国具有重要的战略意义和现实意义。煤气化技术作为煤炭清洁利用的关键技术之一，壳牌干粉气化技术作为第二代煤气化技术在煤质要求、碳转化率、氧耗、环保排放等方面具有显著的优势，其安全、环保的设计理念已经在工业生产中得到验证。本文将结合实际运行情况对日处理量为2t壳牌气化炉的经济性影响因素及提高气化炉经济性的方法及解决措施进行探讨。

1 影响壳牌气化经济性因素

1.1 煤质影响

壳牌煤气化工艺中进料包括干煤粉、氧气、水蒸气，其中氧气及水蒸气对气化炉运行影响较小。煤粉由于受到煤源、磨煤工艺、运输、储存等因素影响，品质波动较大，其中煤灰分、灰熔点、粒度、水分等对气化炉运行有直接影响。

1.2 气化炉运行稳定性

在我国壳牌气化技术经过十年的发展，运行状况已经发生了质的变化，但仍然存在制约问题，主要体现在煤线波动、烧嘴罩及烧嘴头的泄漏、“十字吊架”积灰等。因此如何优化操作条件、提高单位时间处理效率是保障气化炉运行稳定的重要手段。

1.3 运行维护成本

壳牌气化工艺具有一次投资大、无备炉的特点，因此造成停工维修成本较高，停工风险大，对经济效益影响巨大。见表1。

表1 壳牌气化合成气成本计算

1.4 其他因素

公用工程物料消耗主要涉及到电、氮气、氧气、蒸汽、仪表风等，其中氮气作为煤粉保护气及煤粉输送载体，消耗较大。主要公用工程动力成本中，氮气占37.64%；氧气占36.45%，除氧水占11.10%；电占7.32%，循环水占7.24%，燃料气占4.24%。

由以上数据可以计算出生产合成气(有效气CO+H2)成本大约0.47元/Nm3，其中原煤、公用工程动力成本占比绝大部分。公用工程动力成本主要集中在氧气及氮气的消耗。

壳牌气化炉日常化工三剂消耗年总费用约29万元，每天药剂成本不足900元。

2 提高气化炉经济性的方法及具体措施

2.1 提高气化炉经济性的方法

2.1.1 稳定原煤质量的要求

水分对于煤粉的输送、储存具有较大影响，原煤水分一般控制在14%以内。煤中水分偏高，极易导致粉煤在储运过程中在储仓内壁形成架桥；同时会显著增加磨煤单元能耗；高水分的粉煤输送不均匀，还会导致煤线发生波动，从而影响煤烧嘴及烧嘴罩的使用寿命。一般情况下经过磨煤干燥后粉煤水分可以控制在3%左右。

合理的粉煤粒度可以保障煤粉的均相、稳定输送，有助于煤耗的控制，减少炉渣中未反应的生煤粉量。煤粉的粉化使得颗粒的比表面积大大增加，从而有利于挥发分的析出与煤颗粒的非均相着火，煤中含无机硫的矿物质的解离度更大，可有效地改善其着火与燃烧过程。

灰分是煤中的惰性物质，不参与气化反应，其含量和组成影响煤在气化过程中产生的灰渣量和形态，并且反应过程会带走部分反应热降低煤的热效率。煤中灰分含量越高，对原煤运输成本，煤耗、氧耗都是负面的，同时会增加气化炉和灰渣处理系统运行负荷，影响气化炉的正常高效运行。灰分会影响煤的发热量，且灰分为主要驱动因素[1]，一般情况要求原煤灰分含量≤12%。

灰熔点主要取决于煤中的矿物质成分、氧化物组成和相互比例及燃烧气氛等。在壳牌气化技术在设计中为保证灰渣能以熔融状排出。为实现液态排渣的目的，所以反应炉温控制要比灰熔点高100～150℃左右，以达到液态渣的最佳流动温度，该条件下炉壁上形成厚度均匀的渣层。渣层过厚容易形成大块渣，造成排渣系统的堵塞，严重时造成停车；渣层过薄则容易损坏炉壁内耐火层造成水冷壁的损坏。

灰分中氧化物的某些成分所占比例对灰熔点的影响并不是单向的，随着其酸碱比比例的增加或减少，对灰熔点的影响是双向的。西北化工研究通过对154个煤样的灰成分进行分析，研究煤灰中酸碱比对灰熔融性的影响，通过煤灰的化学成分及酸碱比可以预测煤灰熔融特性温度。当酸碱比接近1.7时FT较低[2]。根据上述理论，可以从灰成分预测灰熔点从而指导煤质控制及气化炉操作。实际生产中对原煤选择、配煤比例有着重要意义，经验得出经过配比的入炉煤粉灰熔点一般控制在1300～1350℃左右。

2.1.2 优化配煤方案

实现最佳的配煤需要3个条件：需要有足够理想的储存空间；有大量科学严谨的分析数据支撑；有强大的配煤设备做保障。首先根据原煤的储存空间规划不同煤种的安全存放；通过科学合理的采样方法及大量准确的分析数据，建立健全煤质档案数据库；再通过强大的机械设备实现不同煤种按比例均匀配置。

2.2 提高气化炉稳定运行的具体措施

2.2.1 影响因素分析

目前影响气化炉稳定运行的因素主要是气化炉烧嘴头烧嘴罩泄漏、煤线波动频繁、关键设备及仪表可靠性差、合成气冷却器积灰等问题。

(1)造成烧嘴头泄漏的原因有烧嘴安装位置不佳、局部高温破坏、烧嘴冷却水系统故障、煤线波动等。由于煤烧嘴的结构特殊，粉煤通过中间圆形通道喷出，氧气走外围环形通道，在气化炉内受高温火焰长时间烧蚀，形成裂纹，导致泄漏。烧嘴罩泄漏主要是在气化炉水冷壁渣层覆盖不均匀的情况下，火焰的水平喷射与液态渣的垂直流动在烧嘴罩周围形成局部高温湍流区，长时间高温辐射的影响。

(2)造成煤线波动的因素较多，主要受煤粉物性，煤线仪控系统、煤粉输送载气的稳定性等影响。

(3)十字吊架积灰主要与煤质、炉温控制、激冷气量等相关。当合成气冷却器入口温度低于(2/3FT-150)度时，积灰的风险较低。但一般当气化炉运行时间超过120d时，合成气冷却器十字开始积灰，其直接影响气化炉负荷及长周期运行，目前这一问题没有从根本上解决。

2.2.2 应对措施

(1)由于煤粉与氧气在入炉前未经过混和，因此火焰中心会形成“黑区”，最主要的是在火焰根部的“黑区”温度较低，可以起到保护喷嘴头部免受高温烟气辐射作用，延长喷嘴的使用寿命[3]。因此确保烧嘴头及烧嘴罩稳定运行最主要的是要保证气化炉低温运行及煤线的均匀稳定。

(2)煤线稳定的措施包括：引入煤质在线分析设备，提高自动化水平，根据煤质波动情况及时调整煤线控制；采取前馈控制，稳定煤粉仓压力，减少煤粉输送系统压力波动对煤线的影响；煤粉输送系统增加除杂器，避免杂物堵塞角阀等。

(3)通过改造激冷气压缩机可以达到增加激冷气量的目的，同时优化激冷气压缩机出入口管线配置，降低管线阻力，从而缓解十字吊架积灰的速率和程度。但激冷气的增加量要考虑气化炉内壁的磨蚀，以及增加飞灰过滤器的负荷等综合因素，以确定最佳的激冷气量。

2.3 提高单位时间内运行效率措施

原设计煤粉输送到煤粉入炉大约需要45min。如提高煤粉输送效率，增加单位时间内的入炉煤量，可以提高炉实际运行负荷及效率。通过调整原程控中时间控制改为重量控制、优化氮气冲压效率等一系列手段将煤粉入炉时间由45min减少到40min。理论上可以提高11%的煤负荷，按满负荷测算，每天可以多加工222t原煤，吨煤产有效合成气按1453Nm3(实际产量及原煤消耗的平均值)计算，每天可多产合成气32万m3。

2.4 严格控制维保及其他成本

气化炉检修费用与气化炉运行周期有直接关系，经统计年平均维修成本在6千万元左右，主要通过加强日常维护管理、精细化操作等手段减低检修费用。

气化废水采用絮凝沉降+气浮+活性污泥的处理工艺，处理成本5元/t，小时量85t，年处理费用约320万元，每减少一吨每年即可节省2.72万元费用。可以采用积极的水处理措施，以达到降低运行成本的目的。

3 建议

为提高气化炉运行效率，实现高负荷长周期稳定运行，针对目前尚未有效解决的十字吊架积灰问题。建议可以联合专业的科研院所，通过大数据分析，建立系统的数字模型，模拟炉内合成气及飞灰的速度场和温度场，进行气固煤粒流场分布的专项研究，发现积灰问题的本质原因和形成过程，从而有针对性的增改吹灰设施，消除或减缓积灰现象的发生，进一步提高气化炉运行的经济性。

4 结语

提高壳牌气化炉运行的经济效益，核心是控制并提高原料即入炉煤的质量，在原煤质量控制、配煤系统优化方面做好源头控制，提高碳的利用率，提高气化炉稳定运行周期。同时降低原料成本及动力成本，并从设备日常维护、精细化操作等全方位管理。消除气化炉烧嘴头烧嘴罩泄漏、煤线波动频繁、合成气冷却器积灰等瓶颈问题，提高单位时间内的效益，减少废水排放等节能减排工作，最终实现气化炉经济效益最大化。