褐煤在BGL气化炉上的应用及控制分析

2022-04-13周道康

云南化工 2022年3期

周道康

(呼伦贝尔金新化工有限公司生产运营中心，内蒙古陈巴尔虎 021506)

1 概述

BGL(碎煤熔渣气化)技术生产富含甲烷的煤气，该技术是由英国燃气公司和德国鲁奇公司在鲁奇碎煤加压气化基础上共同开发完成的。与传统的鲁奇碎煤加压气化技术比较，该技术显著降低了煤气水的产量，并由固态排渣改为液态排渣[1]。BGL煤气化技术关键设备及气化原理如图1所示。

BGL煤气化是一个复杂多相的物理、化学反应过程，主要是利用煤中的碳与气化剂、气化剂与生成物、生成物与生成物、碳与生成物之间的反应。粒度为6～50mm的块煤及助溶剂从气化炉顶部煤锁间断加入，进入气化炉的块煤自上而下依次通过干燥层、干馏层、气化层、燃烧层、渣池等，完成气化过程。煤中的有机质几乎全部转化后被煤气流带出气化炉，而煤灰分中的矿物质在气化炉下部燃烧区经 2000 ℃ 左右的高温熔化成液态，约 1400 ℃ 液态渣经过排渣口排入激冷水形成无渗滤性的2～5 mm 的玻璃态颗粒，并由渣锁排出[2]。BGL气化炉内温度分布概况如图2所示。

图2 BGL气化炉内温度分布概况

由于加入气化炉的蒸汽分解率大于90%，所以气化过程中产生的煤气水主要来自于原料煤经炉内干燥后产生的蒸汽冷凝液。对含水量高达34%的褐煤来说，煤气水产量将远高于以次烟煤及烟煤为原料的同类型装置。BGL气化过程中产生的副产品经过配套工段分离后可以得到较高附加值的焦油、中油、石脑油、酚、氨、甲烷气等。

2 褐煤在BGL气化炉上的应用情况

BGL煤气化技术在次烟煤上的成功应用说明该技术是成熟的，但在低阶煤褐煤的工业化应用中却遇到严峻挑战：在次烟煤应用中没有出现的问题和现象将会在褐煤应用中发生。褐煤在BGL气化炉上的应用，最早是在云南解化厂。我公司也对褐煤在BGL气化炉上的应用做了尝试，最终气化炉达到稳定运行工况，单炉连续运行周期突破 262 d，每 1000 m3有效气(H2+CO)。典型的消耗：褐煤 1350 kg，氧气 260 m3，蒸汽 263 kg。但装置运行初期存在的缺陷也非常明显[3]。

2.1 工艺负荷低

单台气化炉稳定情况下的工艺负荷仅能达到设计煤种下的60%，气化炉负荷偏低，达不到配套后续工段生产能力的要求，只有增加气化炉运行数量，才能解决这个瓶颈。典型的氧气负荷及煤气组成如表1，运行数据见表2[3-4]。

表1 氧气负荷及煤气组成表

2.2 粗煤气带尘严重

由于褐煤块煤入炉后温度急剧上升，煤中的水剧烈蒸发汽化造成煤块爆裂产生大量的煤尘和碎屑。虽然炉内气体流速理论上比设计值低44%，但考虑到床层的空隙率和偏流问题，炉内的实际气体流速可能达到甚至超过了设计流速；粗煤气中夹带的煤尘类带出物质量达到了入炉煤质量的2%～3%的范围，带出物中粒度在 50 μm 以下的质量占比达到91.1%，这些煤粉对设备、管道堵塞及阀门磨损带来严重影响，同时其分离和脱除难度较大，给配套装置的运行带来极大的困扰。

2.3 气化炉工况控制困难

2.3.1 气化炉床层偏烧

气化炉发生偏烧时床层阻力降增加较多，气流主体偏离中心区较多，气化炉上部温度急剧上升甚至达到联锁停车值。出口煤气中的CO2含量(体积分数)也会明显高于正常的14.5%，甚至达到20%的水平。此时煤床中的燃烧反应上移或者靠近炉内耐火砖，局部超温后造成耐火砖烧损、煤炭结焦粘壁、内件受损等危害。

2.3.2 排渣不畅

控制健康的渣池液位是BGL煤气化技术的重点和难点，与气化炉床层偏烧中的工况密切相关，其影响因素复杂，包括原料品质、开车过程控制、煤灰粘温特性、助溶剂添加量、汽氧比、排渣口火焰菜单设置、排渣顺控的参数设置、排渣口的尺寸、事故处理及操作员经验等。如果造成排渣不畅，应立即根据现场情况尽快调整和恢复，否则渣池液位上移过高将导致偏烧及气化炉内件损坏；如果排渣口堵塞，将被迫停车。

3 BGL气化炉运行控制分析

BGL煤气化技术限制褐煤块煤直接作为原料煤入炉运行，可以采用混煤或型煤的方式加以解决。我公司限于煤炭资源及运行成本问题，不得不采用褐煤块煤作为入炉煤种。通过对气化炉95台次开停车及运行维护经验，在硬件和气化炉外围存在的问题基本解决后，装置是否能安全稳定长周期运行取决于对气化炉的认识、理解和控制[3]。

3.1 BGL煤气化原理分析

3.1.1 BGL气化反应模型

1)渣池水平截面分布模型分析

渣池水平截面分布模型如图3所示。

气化剂蒸汽-氧气混合气经图3中的六支鼓风口沿水平方向19°斜角斜向下喷入气化炉，形成六个喷射燃烧膨胀撞击区4。区域4中的气固相向渣池液面中心区域6/7/8喷射燃烧撞击，形成旋流反应中间渣区，在渣池液面6/7/8上部区域连成一片。区域3内为焦炭块和黏度较高的液态渣混合物。区域8为鼓泡反应区。从排渣口进来的烟气以鼓泡的形式通过中心反应区，不但可以保持排渣口上部渣温在 1400 ℃，而且在上行鼓泡的过程中还可与残留的焦炭块、单质铁发生反应，维持中心区域液态渣的温度和黏度稳定，并以“以渣熔渣”的方式将区域1/2/3/4滴落、旋流或者滑落的不均匀的煤灰分、CaO融为一体成为比较均匀的流动性好的液态渣。同时，6/7/8区域内汇聚的液态渣由于汽氧与煤焦块反应充分，而且燃烧区4辐射过来的热量也多，所以渣温较高。区域7/8对应的液态渣黏度<3 Pa·s是真正的液态渣区。由于六支鼓风口喷入气化炉的气流会发生燃烧膨胀撞击流，区域4中在气流的喷射及燃烧作用下会形成一定的空腔或半空腔，健康的鼓风口外侧的火焰监视器可以检测到连续 “闪烁”或者“常亮”的燃烧火焰。燃烧区的稳态状况对气化炉的连续运行至关重要。如果煤床床层不均匀、鼓风口喷射口前端有不燃物阻挡或部分堵塞鼓风口。该鼓风口喷出的部分气化剂与煤焦发生碰撞使区域4流道发生部分偏移，或全部偏移，从而产生图3中的黑色区域1/2。此时，鼓风口火焰监视器为间断“闪烁”状态或者“黑管”状态。若类似于黑色区域1的燃烧区离鼓风口过近，将会使鼓风口超温损坏；类似于黑色区域2的鼓风口，将会使气化剂产生一定的反射烧坏鼓风口头部，而且鼓风口一旦发生黑色区域2工况时，火焰监视器状态为长期“黑管”，大部分的气化剂无规则往气化炉上部流动，并发生燃烧。此时偏移的燃烧区若靠近气化炉耐火层，将会出现结焦粘结区，甚至烧坏耐火砖，继而损坏气化炉水夹套。所以黑色区域1/2的状态应该控制并尽量避免。

2)渣池竖向分布模型分析

渣池竖向分布模型如图4所示。

1.干溜区；2.气化区；3.回火区；4.燃烧膨胀区；5.热影响区；6.液态渣外圈；7.液态渣中区；8.液态渣中心区；

渣池完整的竖向分布模型由五部分组成：区域2所在的气化区底部，区域3所在的回火区底部，位于渣池液面6/7/8上部的区域4所在的喷射燃烧膨胀撞击区，渣池液面6/7/8及其下方锥形区域内的流动性渣区，区域5所在不流动及难流动渣区。区域7/8为真正的液态渣区，其中，烟气鼓泡区域8中通过温度高达 1700 ℃ 富氧烟气从排渣口下部进入渣池，在液态渣表面张力的作用下将渣托住并保持渣的温度在 1400 ℃ 附近以维持适宜的流动性。一旦进入排渣程序，渣就会通过排渣口顺畅地排出气化炉。

在图4渣池中，呈倒锥状的三个区域6，7，8，其温度从高到低顺序是：8>7>6。因液态渣的黏度与温度负相关关系，因此这三个区域每次排渣时8区流得最快(下凹得最快)，其次是7区，再其次是6区。排完一次渣后开始蓄渣进入第二个排渣循环。正常情况下，液态渣池内6区域内的熔渣直接接触渣池炉膛板的耐火砖，但是渣池炉膛板内有 35 ℃ 的冷却水盘管，故而6区的液态渣与渣池炉膛板有一个黏度较大的过渡层(5中所示的热影响区下段)。正常情况下，该过渡层较薄，但是由于受热不均、物料不均等因素的影响，渣池内渣与焦块、难熔物或被还原出来的铁颗粒富集，会出现不均匀的累积。排渣过猛或者累积较多后，会向排渣口方向滑落。当这种滑落物未到排渣口时，在高温烟气的搅动和反应下，这部分黏度较大的物质被周围正常的渣熔解吸收为正常的渣，从而恢复工况；当滑落物接近或者部分堵塞排渣口的时候，将会影响烟气通过和下渣的流畅性，可引起排渣口下部的压力上升和渣池液位上升，此时需要将富氧烟气的温度从 1700 ℃ 提高到 1800 ℃ 对其熔渣排渣，也可辅助适量降低汽氧比增加产渣的温度。

同时，煤中石灰石的均匀程度以及煤粒度的大小分布情况也很重要。当气化剂喷射时，遇到石灰石含量偏高的区域，无法融化CaO而造成气化剂反射、偏流，无法形成适合的燃烧腔，从而造成燃烧腔靠近鼓风口及耐火砖。在 2000 ℃ 工况下，耐火材料仅能承受 5 min 就发生烧失现象，最后造成耐火砖烧失，夹套壁甚至承压壳体的损坏。在燃烧区4煤粒度过小将造成床层阻力降上升，热气流将从阻力较低的部位通过，从而形成沟流现象。由于气化剂接触不到足够的煤进行反应，就会造成偏烧、后燃及堵塞鼓风口的现象发生，产生不稳定工况而导致停车。由于炉内的工况时时刻刻都在发生不同的变化，固体物料的特性造成气化炉内发生沟流偏烧是常态，要把这种状态能维持在合理区间内。

3.2 渣池液位建立与控制

3.2.1 建立渣池液位

建立渣池液位就是BGL气化炉开车，按程序向气化炉内装填适量石油焦作为气化炉渣池燃料，再装填褐煤及助溶剂混合物，装填总量约 80 m3，再按开车程序：点火氮气升温→空气升温→投蒸汽-氧气建立渣池液位→排渣→转入正常生产控制。

氮气升温阶段利用排渣烧嘴的高温烟气提供热量，通过鼓风口加入氮气的搅动混合将床层温度逐步提高至300～400 ℃，同时烟气中的余氧将下部的石油焦点燃升温，让火层逐渐上移到鼓风口正对的位置附近。

空气升温阶段是射流区、撞击区的逐步形成。将鼓风口的氮气切换为空气，在空气的作用下，鼓风口周围的石油焦逐渐燃烧并逐渐扩展燃烧区。随着空气量的增加，燃烧区也逐渐扩张。当空气流量达到一定值的时候，在鼓风口的前方就会形成射流区。射流区空间继续扩张与其它鼓风口的区域连在一片，就会形成撞击区和中心区，此时可以观察到六支鼓风口被“点亮”[3]。

投汽氧后渣池中心燃烧区的温度达到1700～2000 ℃。剧烈的燃烧形成、扩展并熔渣，液态熔渣在重力的作用下汇入渣池内集聚形成一定液位。由于液态渣密度高于煤和石油焦，在浮力及排渣口高温烟气的搅动作用下，渣池内未反应的煤焦块和石油焦会上浮。在此期间，渣池内液态渣的液位会大幅波动，经过2～4 h 培养在渣池内将形成稳定的液态渣液位，控制正常液位高度约 1480 mm，体积约 2.95 m3。

3.2.2 渣池液位控制

首先根据煤的灰分分析及石灰石的添加比例，计算出建立正常渣池液位需要的时间；再根据排渣压差高低、排渣压差稳定性、鼓风口上部温度是否产生变化，来综合确定首次排渣的时间。通过在线视频观察液态渣的流动性、颜色及渣柱的粗细，据此评估排渣顺控中各参数是否适应工作要求，并作出相应的调整，将气化炉转入正常运行状态。

3.2.2.1 排渣控制方法

排渣由顺控程序完成。禁止排渣时间T1→允许排渣时间T2→排渣时间T3→禁止排渣时间T1，完成排渣的循环。排渣顺控程序设置完成后启动程序即可实现排渣的自动控制。一般情况下，渣池压差设置为 49 kPa，排渣DPIC压差设置 18 kPa，DPIC阀位预设开度80%，T1设置100～150 s，T2设置 100 s，T3在25～45 s，负压控制-6.9kPa。图5表示渣池蓄渣时的参数，即T1时间内或者T1+T2时间内的参数。图6表示渣池排渣时参数，即T3时间内的参数控制情况。

当排渣禁止时间T1结束时，渣池压差未达到 49 kPa 的设定值，程序将继续走T2时间，直到T2时间结束强制排渣。在T1结束时，或在程序走T2的过程中，一旦渣池压差达到设定值，立即触发排渣。在排渣时间T3范围内任一时间，排渣压差≤-6.9 kPa时，应立即停止排渣，防止过度排渣。

图5 渣池蓄渣工况[3] 图6 渣池排渣工况[3]

排渣过程要观察液态渣的性状。一般液态渣为亮红色较好，通过渣口的粗细程度与排渣口直径相当。液态渣颜色暗红表示渣温偏低，液态渣排放形状偏细则说明渣口上方有堵塞，或流动性好的渣量不足，应调整火焰温度或者汽氧比恢复工况。

3.2.2.2 炉渣的黏度

炉渣黏度与其流动性互为倒数，直接影响到排渣各个环节，而影响炉渣黏度的主要因素是渣温和渣组分。渣组分由灰组分+石灰石分解的CaO组成，东明褐煤典型的灰组分中(质量分数)SiO254.0%、Al2O317.5%、CaO 9.0%、Fe2O39.5%、MgO 1.8%、K2O 0.4%、Na2O 0.9%、P2O50.2%，在 1400 ℃ 时的黏度约 55 Pa·s。炉渣黏度控制，首先是根据灰组分计算出石灰石添加量，控制渣的熔点在1250～1350 ℃ 较为合理[3]，再计算出渣组分在 1400 ℃ 时的黏度是否在1～3 Pa·s。从图7得出，CaO在渣中的质量分数应在34%～45%。如果CaO在渣中的质量分数低于34%，则渣的黏度急剧上升，必须调整。一般控制0.8

图7 1400 ℃ Al2O3 10%条件下渣黏度与CaO-SiO2的关系图(左)[5]和煤灰分黏温曲线(右)[3]

BGL气化炉渣池内炉渣的温度由汽氧比确定，汽氧比与渣池温度关系如图8。为维持渣池的相对稳定性，一般给操作员的调整范围较窄在0.88～0.96 kg/m3，避免过度调整。

图8 汽氧比与渣池渣温度关系图

3.2.2.3 工艺负荷调整

鼓风口的流速范围在90～225 m/s 之间，一般控制在110～160 m/s 范围内，过低会造成回火烧坏鼓风口头部及耐火砖，过高则会造成狭长的燃烧带。BGL气化炉的工艺负荷控制要稳定并满足鼓风口的流速要求，以保持燃烧区的稳定性、渣池温度，以及产渣量的稳定性，要避免大幅度的调整破坏原有的燃烧腔空间，从而恶化工况。可以从鼓风口火焰监测是否由“常亮”变成“闪烁”，或从“闪烁”变成“黑管”来判断，还可以观察鼓风口冷却水温差变大、鼓风口上部温度上涨来判断工况是否突变。

若工艺负荷发生了大幅调整，相应的排渣参数要重新设置保证排渣量与产渣量的平衡，避免渣池液面产生较大幅度的变化从而改变渣池的工况。

3.3 炉况判断与处理

BGL气化炉炉况判断是操作员通过直接观察和仪表监测显示获得信息，然后对信息进行分析判断炉况可能发生的波动性质和幅度，是气化炉是否稳定长周期运行的重要环节。

3.3.1 正常炉况

正常炉况时，气化炉工作均匀，煤气分布合理，渣池温度充沛稳定，典型的标志如下：

1) 渣池压差稳定在45～49 kPa；2)鼓风口上部温度监测点在300～500 ℃ 范围无异常上涨；3) 六只鼓风口火焰监测指示为“常亮”或者连续稳定“闪烁”；4)气化炉中部四组压差检测值均<10 kPa；5)气化炉上部温度监测点低于高报警值；6)各部位高压冷却水温差低于高报警值；7)排出的液态渣颜色呈现桔红色，流动性好，无固形物出现；8)排渣口火焰无异常形状或颜色；9)排出的固态渣在2～5 mm，粉状细渣少，渣中的铁颗粒质量占比<1%。

3.3.2 异常炉况

与正常炉况相比，煤气在炉内分布不均，渣池温度不均，排渣压差波动较大，采取一般措施进行纠正或者缓解。常见典型异常有:

1)渣池温度不足，排渣颜色发暗，排渣有固形物或挂渣，排渣压差上涨。在这种工况下，要及时采取措施：切换排渣口火焰模式，提高通过的烟气温度，适当调低汽氧比，分析石灰石配比是否有偏离，分析燃料气甲烷浓度是否下降等；在适当养渣后，加强排渣纠正工况；若渣锁排出的渣中铁颗粒含量偏高，则表明是渣温高，适当提高汽氧比、保持排渣口火焰温度在 1700 ℃。

2)鼓风口堵塞，鼓风口变成“黑管”状态，由于鼓风口前端有不熔物将其部分或者全部堵塞。根据该支鼓风口的流量情况将其切除，以免产生更大的危害。气化炉切除1～3支鼓风口，能维持气化炉运行。同时，应加强排渣保持渣池正常稳定。

3)鼓风口高压冷却水温差过大。表明鼓风口附近存在燃烧火焰，适当加大该支鼓风口的冷却水量，同时加强渣池液位的控制防止其上涨带来更大的危害。

4)高压冷却水泄漏。一般发生于鼓风口头部位置，分析可能异常的鼓风口将其停运然后依次切除鼓风口根据高压冷却水液位变化找出泄漏位置，将其停运。

5)气化炉夹套压差升高。是炉内气体偏流分布不均带尘量变大的信号，需要适当降低负荷和调整煤锁下煤方式进行纠正。

3.3.3 失常炉况

由于某种原因造成的炉况波动，如果应对的不及时、不准确，就会造成炉况失常。典型的BGL气化炉失常炉况有床层压差上涨、热备、ESD系统动作、排渣口堵塞等：

1)气化炉床层压差上涨。渣池压差上涨处理不当造成渣池液位持续上升，破坏了燃烧腔室的形态，造成氧气后燃，应降低汽氧比、提高渣口烟气温度，加强排渣。一旦床层压差在 10 kPa 以上持续上涨，将导致停车，避免损坏设备。

2)热备。主要由仪表因素造成，故障点处理完成应及时恢复投汽氧入炉，加强养渣和排渣，把渣池液位调整正常。

3)ESD动作。主要由仪表因素造成，立即向排渣口通入 1000 m3/h 氮气，保持排渣口畅通，根据仪表处理进度按程序点火将气化炉恢复至热备状态，然后恢复气化炉的运行。

4)排渣口堵塞。一般由于不当的排渣或者排渣参数设置不当引起，热烟气无法通过排渣口，渣池内的液态渣也无法排出设备，此种情况只能停车清炉。