煤质对鲁奇气化炉的影响

煤质对鲁奇气化炉的影响义马气化厂是生产城市煤气联产甲醇、二甲醚等化工产品的企业，采用鲁奇(Lurgi)加压气化的造气工艺。该自20世纪70年代引进以来［1］，国内对该技术的掌握和应用已有了长足的发展。其Lurgi气化炉对煤种和煤质有一定的要求，这是气化炉能够长周期稳定运行的关键性因素。近年来，随着煤炭价格的不断攀升，以及冬季用煤紧张等因素，该厂原料煤已达十余种，煤质的不稳定给装置生产能力及长周期稳定运行带来了很大的困难。本文通过对煤质中不同因素对Lurgi气化炉经济运行的分析，提出了一些针对性建议及措施，以供参考。1煤质对鲁奇气化炉的经济运行分析1．1灰熔点的影响鲁奇气化炉的操作温度介于煤的T1(煤灰变形温度)和T2(煤灰软化温度)之间，入炉煤灰熔点高，则操作时就要适当降低汽氧比，相应提高炉温，蒸汽分解率增加，煤气水产量低，气化反应完全，有利于制气。但是受气化炉原设计制约，蒸汽也不能无限制降低，否则可能会烧损炉篦及内件，因此受设备材质影响，灰熔点不能太高，一般控制在1150℃≤T2≤1250℃。反之，煤的灰熔点低，则操作时就要适当提高汽氧比，相应降低炉温(防止低灰熔点的煤料在炉内结渣，造成排灰困难)，蒸汽分解率降低，煤气水产量增加，气化反应速度减缓，不利于制气，运行非常不经济。因此入炉煤灰熔点要尽可能控制在一定范围内，不能变化太大。在实际生产过程中，入炉煤存在多样性，入炉煤的灰熔点也就各不相同;因此，有一个最佳汽氧比的选择，即控制气化炉内的反应温度，既不能因汽氧比高造成灰细导致排灰困难，也不能因汽氧比低造成结渣而无法排灰。若入炉煤灰熔点相差较大，就无法选择最佳汽氧比，从而造成灰熔点低的煤易结渣，容易出现气化炉工况恶化，另外还有可能达到T3温度(煤灰熔融性流动温度)，熔融部分将灰熔点高的煤包裹，阻碍了其与气化剂接触，不利于完全反应，导致碳流失，表现为炉渣中的黑核现象。相反，按照低灰熔点煤选择汽氧比，则高灰熔点的煤表现为灰细，不利于排灰和制气，同时增加煤气水产量，加大了污水处理费用。1．2挥发分的影响挥发分一般理解为烃类，是煤中有机质加热到一定温度挥发出的气态及蒸汽产物，它是反映煤的变质程度的重要标志，随着变质程度的提高，煤的挥发分逐渐降低。各种煤的挥发分产率如表1所示。表1不同煤种的挥发分煤种挥发分产率/%泥炭接近70褐煤41～67长焰煤≥42气煤35～44肥煤26～35焦煤18～26瘦煤12～18贫煤≤17无烟煤2～10气化炉用煤中挥发分含量的多少与煤气用途有一定的关系。当煤气完全用作燃气时，要求甲烷含量高、热值大，则可选用挥发分较高的煤做原料，所得煤气中甲烷含量较大。当煤气用作工业生产的合成气时，一般要求使用低挥发分、低硫的无烟煤、半焦或焦炭。另外，变质程度轻的煤种，生产的煤气焦油产率高，焦油容易堵塞管道和阀门，给焦油分离带来一定困难，同时也增加了含酚废水的处理量。更重要的是，对合成气来讲，甲烷可能成为一种不利的气体。例如，合成氨中要求氢气含量高，而这时甲烷却变成了一种杂质，含量不能太大，故要求挥发分小于10%。总体来讲，煤的挥发分对鲁奇气化炉运行工况影响不是很大。煤中挥发分变高，能造成副产品焦油和中油的产率增大，粗煤气产率下降，粗煤气耗块煤的单耗随之增加。表2为义马气化厂2010年6、8月份气化炉采用不同煤种，其挥发分与焦油产量、粗煤气标煤单耗的比较，可以看到，8月份煤的挥发分高于6月份煤的挥发分，其对应的8月份焦油产率高，粗煤气折标煤的单耗也增加。可见，煤中挥发分低，煤气产率增加，气化炉运行更为经济。1．3灰分及矸石的影响煤中矸石含量及灰分增加时，一是矿物质燃烧灰化时要吸收热量，大量排渣要带走热量，因而降低了煤的发热量;二是为防止气化炉结渣，要适当提高汽氧比，降低了气化炉的操作温度，影响了气化强度，蒸汽分解率降低，煤气水的产量提高，粗煤气产量减少。同时，随着煤中矸石含量及灰分增加，煤灰中FeO、CaO、MgO、K２O作为助熔剂［2］，对结渣起到促进作用，加剧了设备磨损，一是炉篦刮刀、护板等部件，二是煤灰锁上下阀运转周期缩短，设备检修频次增加，开停车频繁。灰分过高时，影响气态反应物，反应产物扩散速度和热量的传递速度，使气化反应总反应处于扩散状态，阻碍了固体表面和内部气化反应的有效进行，碳核也会进入灰区，导致灰锁温度升高，严重时导致各反应层紊乱，造成气化炉工况恶化。1．4水分的影响加压气化炉对炉温的要求比常压气化炉低，而炉身一般比常压气化炉高，能提供较高的干燥层，允许进炉煤的水分含量高。适量的水分对加压气化是有好处的，水分高的煤，往往挥发分较高，在干馏阶段，煤半焦形成时的气孔率大，当其进入气化层时，反应气体通过内扩散进入固体内部时容易进行。因而，气化的速度加快，生成的煤气质量也好。煤种的内在水分属固有特性，但外在水分对气化炉经济运行影响较大。水分过高时，影响主要有以下几个方面:①水分过大，会导致筛分效果不好，堵塞筛板，且块煤表面黏附末煤入炉后影响气化炉工况，还容易造成煤锁膨料、挂壁，加煤不畅;②煤中水分过大，蒸发汽化所需热量增加，造成氧耗一定程度增加［3］;③原料煤雨雪季节防护不利，水分过高时，还可使煤气水产量增加，增加污水处理费用。1．5煤的粒度的影响鲁奇气化工艺属于碎煤气化，对粒度要求较高(5～50mm碎煤)，粒度大小和范围不同，会造成气化炉同一床层截面的煤的比表面积不同，而在同一床层截面上，气化剂的分布是均匀的，比表面积大的需要的氧气多，若粒度大小和范围不同，就会造成气化炉同一床层的反应速度不同，而向下排灰拉动床层下移却是均匀的，这样就可能会导致气化炉内床层紊乱，比表面积大的煤(小粒度)，因反应不完全和灰渣一起排出，碳在灰锁中继续反应使灰锁温度也升高，同时灰中残炭量升高，因碳流失从而使产气率下降，块煤单耗升高。实际生产经验告诉我们，鲁奇气化中若用煤中大于50mm粒度的煤偏多，易造成气化反应不完全;而小于13mm的煤偏多，容易产生小粒度填充大粒度间隙的现象，同时还会出现大粒度遍布气化炉床层四周，而小粒度集中于中央，引起床层不均，局部阻力增大，气化剂通过床层时会出现阻力小的部位通过的气化剂量多，阻力大的部位通过的气化剂量小，不但影响气化炉的产量和气体质量，而且易出现气化炉局部过热结渣、结大块，造成气化炉工况恶化。通过多年来对粒度大小和粒度范围的分析，我们得出鲁奇气化煤粒度控制范围如下:5～13mm，＜10%;13～25mm，30%左右;25～50mm，30%左右;＞50mm，30%左右;同时需避免出现大于100mm的煤。表3为(该厂规范煤粒度后)2010年1～9月份送入气化炉煤粒度分析结果，相对于往年有更好的气化炉运行状况和粗煤气耗块煤单耗，这也证明了我们总结的经验值的正确性。1．6固定碳含量的影响影响煤的发热量的主要因素是固定碳，固定碳含量提高，则灰分、挥发分等相应含量下降，有效成分增加，有利于制气。但随着固定碳含量的升高，在鲁奇炉内就需要更多的氧气参与反应，若气化反应氧气量一定且与煤的发热量不匹配时，由于固定碳含量升高，参与反应的氧气不足，会造成炉内反应速度减慢，煤在炉内停留时间增长，导致各层拉长，干馏层缩短，干燥层缩短或消失。气化炉的工况表现为:粗煤气出口温度高，在450～490℃;灰锁温度高，在330～380℃;在此温度下，煤中的挥发分在干馏层生成焦油的成分多(煤焦油生产约在320℃开始，在430℃达到最大值)，焦油产量增加，剩余半焦减少，进入气化层后，生成CO、CO2、H2、CH4的有效成分减少，导致块煤单耗出现拐点。图1为2010年1～8月份煤中固定碳、挥发分与粗煤气耗块煤单耗情况图。