碎煤加压气化装置干法排渣技术初步探讨

王浩飞，朱向伟

（中海油大同煤制气项目筹备组，山西 大同 037100）

碎煤加压气化工艺能效高，技术成熟可靠，被广泛应用于煤制天然气、煤制油、煤制合成氨等产业。我国在20 世纪80 年代引进鲁奇气化技术时[1]，采用的排渣方案并非现在广泛应用的水力排渣方案，而是机械排渣方案，即气化产生的灰渣从灰锁排出后，经灰斗、螺旋输送机和皮带机离开界区，后由于螺旋输送机故障率高、设备磨损严重等原因，改造为水力排渣。

水力排渣流程简单，设备数量少，可靠性高，现有碎煤加压气化装置都采用这种方案。采用水力排渣，是综合考虑当时技术、经济和环保等因素确定的，对碎煤加压气化装置连续长周期运行发挥了重要作用。但在国家对环保要求和排放标准不断提高的时代背景下，水力排渣的劣势凸显：一是水资源耗费量大，并且产生的污水需要处理；二是热渣蕴含的能量得不到回收，灰水循环冲渣耗费大量电力；三是灰渣遇水后所含的氧化钙等活性物质发生化学反应，失去活性，综合利用价值降低；四是环保压力大，现场含灰蒸汽逸散，劳动卫生环境差。

为了解决这些问题，研究和技术开发的重点又转向干法排渣技术[2]。本文基于干法排渣技术在煤电行业的成熟应用经验，针对碎煤加压气化炉的排渣工艺和灰渣特点，初步提出碎煤加压气化装置干法排渣系统工艺流程，为碎煤加压气化炉干法排渣方案设计提供参考。

1 干法排渣技术

干法排渣技术在煤电行业已广泛应用，在节水、节能和拓宽灰渣用途等方面产生了积极作用。干法排渣系统[3]一般由灰渣冷却系统、二级输送系统、贮渣系统、卸渣系统以及电气仪表控制系统等组成，其中灰渣冷却系统包括密封装置、过渡渣仓、大渣预破碎装置、干式排渣机以及中间渣仓等，其核心设备是干式排渣机，起到将高温灰渣冷却的作用，以便于输送和综合利用。

干式排渣机主要有两种类型，一种是钢带式干式排渣机，另一种是履带式干式排渣机，两者主要区别在于结构形式和传动方式。钢带式干式排渣机输送带由耐热不锈钢带网和承载鳞板组成，滚筒摩擦传动，传送距离和提升倾角受限；履带式干式排渣机输送带采用耐热履板，耐磨链条传动，可实现长距离、大倾角输送。

煤电行业已经积累了丰富的干法排渣系统设计、设备制造、安装调试和运行维护经验，但由于碎煤加压气化炉与锅炉在排渣形式、灰渣特性等方面差异较大，所以不能简单照搬这些经验，必须充分考虑碎煤加压气化炉排渣的特点，才能提出更加适宜的碎煤加压气化炉干法排渣技术方案。

2 碎煤加压气化炉的排渣工艺和灰渣特点

碎煤加压气化炉操作压力3.0 MPa～4.0 MPa，灰渣排放需要通过灰锁来实现。气化产生的灰渣位于气化炉下部，首先经炉篦排至灰锁，当灰锁内灰渣达到一定量时，灰锁与气化炉隔离，通过灰锁膨胀冷凝器减压到常压，然后打开灰锁下阀，灰渣通过竖灰管或溜槽落入渣沟。渣沟设置一定的坡度并设有激流喷嘴，激流喷嘴喷出的冲渣水将渣沟内的渣冲入沉渣池。根据煤中灰分差异，排渣周期一般为每小时1～2 次。

碎煤加压气化炉的操作温度可达1 300 ℃以上，气化产生的高温灰渣与由氧气和蒸汽组成的气化剂逆流接触换热，气化剂温度升高，灰渣温度降低，离开气化炉的灰渣一般比气化剂温度高30 ℃～50 ℃，即在温度为350 ℃～400 ℃条件下排至灰锁。正常情况下，这种灰渣是具有一定粒度分布的颗粒状干燥固体物料，但在操作异常时，其特性也将发生变化。当操作温度较低时，灰渣中细颗粒占比增大；当操作温度较高时，有可能造成灰渣部分烧结，经炉篦破碎后，灰渣中大颗粒占比增大[1]。

3 碎煤加压气化装置干法排渣技术方案

碎煤加压气化装置干法排渣系统流程见图1（碎渣机可根据灰渣情况和去向来设置），整个系统可以分为热渣输送与冷却系统、冷渣输送与贮存系统、密封系统、卸渣系统以及电器仪表控制系统等。

图1 干法排渣系统流程示意图

3.1 热渣输送与冷却

实现碎煤加压气化炉干法排渣的关键在于高温灰渣的输送和冷却。一方面离开灰锁的灰渣是高温颗粒状固体，具有一定的磨蚀性；另一方面由于灰锁采用蒸汽充压，在降压过程中蒸汽易凝结，造成灰渣黏附性增强，附着在设备壁面或堵塞管道。因此，这种灰渣具有高温、磨蚀、易堵的特点，是干法排渣技术方案设计必须考虑的问题。

碎煤加压气化炉灰渣的输送可以根据输送距离、倾角等选用钢带式干式排渣机或履带式干式排渣机，这方面有很多成功经验[4]可供参考，在此不再赘述。

离开灰锁的灰渣应尽快冷却，以减少后续处理过程的难度。灰渣冷却方案要和能量回收利用方案综合设计。在火电行业，灰渣冷却和能量回收一般采用空气或水作为介质，采用水冷时，因灰渣温度过高，为避免结垢，通常用脱盐水或凝结水。空气或水吸收灰渣的热量后，温度升高，进入锅炉燃烧系统或锅炉水系统，达到能量回用。碎煤加压气化炉灰渣与锅炉灰渣相比，温度低约400 ℃，显热大大减少；所含的残炭接触空气后，由于温度和活性不高，发生燃烧或氧化反应的可能性较小，这部分能量也不能回收。因此，碎煤加压气化炉灰渣可以回收的能量较小，干法排渣技术方案设计的重点是灰渣冷却，是否考虑能量回收，要进行技术经济比选。灰渣冷却可以考虑采用以空气为冷却介质的干式排渣机方案，以减少系统的复杂性。

各类灰渣处理工艺都存在不同程度的磨损问题，主要通过选择耐磨性能好的材料和优化设计来解决该问题。灰锁一般每小时排灰1～2 次，单次排出的灰体积在 4 m3～6 m3，用时 2 min～5 min。短时间内大量的灰渣排出，需要采取措施减轻对灰渣输送和冷却系统的冲击，可考虑设置过渡渣斗，或者采用现有设计中的溜槽或竖灰箱等设备接收灰锁排出的灰渣后，再利用摩擦力或下灰空间限制等条件，将灰渣连续缓慢地转移到灰渣输送和冷却设备。

现有碎煤加压气化技术中，灰锁的充压都采用中压过热蒸汽，卸压时利用膨胀冷凝器接收灰锁中的蒸汽。该设计方案流程简单，不仅使卸压蒸汽中夹带的灰渣被膨胀冷凝器中的水洗涤，也很好地解决了卸压阀门、管道受带灰蒸汽冲刷磨损寿命短的问题。但是，这种充压卸压方案需要耗费大量的中压过热蒸汽和水资源，不利于节能减排，蒸汽的引入也是造成灰渣流动性降低、易黏附的重要原因。为解决这个问题，可以考虑采用CO2或N2等气体作为充压介质，设置过滤器或袋式除尘器去除卸压气体中含有的灰渣颗粒。

3.2 密封装置

作为干式灰渣处理系统，必须做好各个设备以及设备之间的密封。通过密封装置，使灰锁、过渡渣斗、干式排渣机以及后续冷渣输送、贮存系统形成一个密封体系，避免因无组织排放而产生污染，阻隔外界不受控的空气进入系统，隔绝设备的振动，使整个系统能够自由适应热膨胀。

考虑到灰锁排渣是压力交变系统，灰锁与过渡渣斗之间不宜采用水封，推荐采用机械密封，如选用非金属膨胀节结构[5]。机械密封与水封式密封相比，无水量消耗，但其非金属蒙皮和填充料易损坏，寿命在5 a 左右，且初投资较高。过渡渣斗与干式排渣机之间以及干式排渣机与后续冷渣输送、贮存之间的密封主要用于隔绝设备的振动，一般均采用非金属柔性密封。

3.3 冷渣输送与贮存

降温后的灰渣即可采用常规设备进行输送和转移，可供选择的方案和设备较多，如斗式提升机、皮带输送机以及气力输送机等。碎煤加压气化炉炉篦具有一定的破渣作用，因此不需要设置大渣破碎装置，是否设置二级破碎装置，要根据输送方案、灰渣用途等综合考虑。

为便于外运，一般需要设置渣仓，用作灰渣暂存设施，然后采用干灰卸料器，将灰渣装入罐车外运，可作为建材原料，用于制砖或生产水泥；如填埋处理，可采用湿式搅拌器，将灰渣转移至汽车或皮带外运到渣场。

4 结 语

采用干法排渣技术改造碎煤加压气化排渣方案，可以显著提升排渣系统的节能节水环保特性。碎煤加压气化炉干法排渣技术方案设计的关键在高温灰渣的输送和冷却，推荐采用以空气为冷却介质的干式排渣机方案，可考虑设置缓冲渣斗、采用CO2或N2等气体替代蒸汽为灰锁充压等方法，减轻灰渣对设备的磨损，降低能耗，提升排渣系统的稳定性。