劣质褐煤在碎煤熔渣气化炉上的应用探讨

2023-02-23马志伟

云南化工 2023年1期

马志伟

(云南先锋化工有限公司技术部，云南寻甸 655200)

碎煤熔渣气化技术是在鲁奇碎煤加压气化技术基础上发展而来的一种液态排渣移动床气化技术。与传统的碎煤加压气化炉相比，其具有：①气化效率高，气化强度大，碳的转化率高、煤气水少。②气化排渣由传统的固态排渣变为液态排渣。③设备结构简单，炉内没有传统的炉篦子等结构复杂的大型转动机构。其主要的设备结构原理如图1所示：

1.煤箱；2.上部传动装置；3.喷冷器； 4.布煤器；5.搅拌器； 6.炉体；7.喷嘴；8.排渣口；9.熔渣急冷箱；10.灰箱图 1 碎煤熔渣气化炉结构原理示意图[1]

在炉内，原料煤加装有一定的床层高度，水蒸汽和氧气组成的气化剂从炉子下部进入，与煤进行激烈的燃烧和气化反应，形成的高温煤气，自下而上，通过上部煤层中的孔隙。同时发生相应的气化反应，最后以粗煤气从炉子上部离开气化炉。煤从炉子上部进入，在炉内自上而下，缓慢移动的同时，与炉子下部上升的气体接触，发生复杂的气、固、液三相间、两相间和同相间的物理化学反应，床层形成了干燥区、干馏区、还原区、燃烧区和炉底的渣池。在燃烧区，因燃烧反应的强度和温度高，煤中不可气化的灰份，以高温熔化的液态汇集到炉底形成渣池。高温液态的渣，通过炉底的排渣口，间歇排出气化炉。

与传统的碎煤加压气化相比，其突出的特征为燃烧区的温度高，在2000～2400 ℃，即在煤的灰熔点以上操作。这一特征，使碎煤熔渣气化技术具有了气化效率高，气化强度大，碳的转化率高、煤气水少、气化排渣由传统的固态排渣变为液态排渣等特点。

1 褐煤在碎煤熔渣气化上的应用情况

基于碎煤熔渣气化技术的应用，目前在国内主要有三家，分别是云南解化清洁能源开发有限公司、呼伦贝尔金新化工有限公司、中煤鄂尔多斯能源化工有限公司。应用情况充分说明了优质煤在碎煤熔渣气化技术上的应用是成熟的、成功的。但劣质褐煤在碎煤熔渣气化技术上的应用，表现出在应用优质煤时和上一代碎煤加压气化技术时不曾出现的问题，突出表现为：床层的稳定性差，工艺负荷低，带尘严重，排渣不畅，炉内耐火内衬和喷嘴损坏严重等。使得碎煤熔渣气化技术在褐煤上的应用效果不理想，设备运行周期短，严重影响了工厂的实际生产运行。

2 炉内正常运行状态

碎煤熔渣气化炉内的运行状态，通过十多年的实践应用，有一个业内普遍接受的结论：碎煤熔渣气化炉就是一个不加入铁矿石的炼铁炉，其铁矿成分仅为原料煤中所含的氧化铁。正常运行的炉内，一定高度的煤床，自上而下缓慢移动，与炉下部上升的高温煤气逆向接触，形成典型的床层温度分布如图2所示。对应不同的床层温度形成了不同状态的区带，其正常运行各区带分布状态如图3所示。以下对照炼铁炉对气化炉内各区带正常运行的状态进行粗浅的和定性的分析描述：

图2 气化炉内温度分布示意图

图3 气化炉内各区带示意图

2.1 散料层

散料层由炉上部干燥、干馏和部分还原区组成。床层温度在软化温度以下，物料内还未出现液相成分，以固态形式存在，形成炉子上部的散料层。散料层中的物料缓慢向下移动，炉子下部的气体通过料层的空隙上升，之间进行着传热传质，固体物料温度逐渐上升。同时，固体物料逐渐破碎，颗粒变小。煤粒发生热解，逐渐变成半焦颗粒。散料层形成了相应孔隙率ε，孔隙率ε的大小与所使用的煤种的热稳定直接相关。炼铁炉上总结的炉气通过散料层的阻力经验计算式如表达式1[3]：

(1)

Vg—煤气流速;ΔP—散料层压力降;k—常数;ε—床层孔隙率。

其几乎只与床层的孔隙率ε相关，确定了气化炉基础负荷。散料层孔隙率ε只会比下部床层的孔隙率大。因此，正常运行状态下，能通过下部床层，经下部床层进行了二次分布的上升炉气，能正常通过上部散料层。所以，炼铁炉有个总结：上部调节的作用小于下部调节[2]。

2.2 软熔带

散料层之下的床层，煤焦颗粒的温度逐渐上升到软化温度，料层中开始出现液相成分，此为床层中软熔带上界面。至此往下直到炉底的床层，与之上的散料层相比，明显的特征是床层中含有了液相成分，因此，也由此将床层分为上部的散料层和下部的含渣层。

从软熔带上界面继续向下，煤焦颗粒的温度继续上升到熔化温度处，颗粒内可熔化部分完全转化成液相，但煤焦颗粒形态仍然存在，此为软熔带的下界面。其中产生的液相成分即为初渣。软熔带是炼铁炉中对应铁矿石的软化温度和熔化温度形成的区带。气化炉内没有铁矿石的参与。所以，没有软熔带中铁矿石产生的滴落和下流的液相渣铁，而为煤灰形成初渣，它与下部的滴落带自然过渡溶合成了一个区带。

2.3 滴落带

从软熔带之下到喷嘴喷口位置之上的区域，炼铁炉内称为滴落带。在气化炉内，滴落带的主体仍然由煤焦颗粒组成，因温度已较高，煤焦颗粒有一定的软化，在上部床层的重力作用下，会有一定的压缩，滴落带床层的孔隙率会进一步减小，气化炉的基础负荷也会进一步减小。炉气在煤焦颗粒间隙之间上升流动，同时初渣在煤焦颗粒间隙之间向下流动，不能流动的渣则在煤焦颗粒表面附着滞留。由于没有铁矿石的参与，因此，气化炉内没有源于软熔带滴落或流下的液相渣铁与初渣进行混合互熔作用，而仅有煤焦颗粒内灰分形成的渣以及局部煤焦颗粒与助熔剂接触形成的渣。因此，滴落带中的渣的成分变化非常复杂。但总体而言，自上而下，渣量逐渐增多，渣成分特性逐渐从初渣向渣池中的终渣方向发展变化，发展变化过程复杂。这里的渣被称为中间渣。炼铁炉上是将这个复杂过程，转换为对滴落带内床层滞渣量(床层中滞留的渣的含量)的研究。炼铁炉上总结的炉气通过滴落带的阻力经验计算式如表达式2[3]：

(2)

ΔP—散料层压力降;H—床层高度;k1、k2—透气阻力系数;ε—床层孔隙率;h—床层滞渣量;d—煤焦颗粒与液渣的调和直径;u—煤气流速;μ—渣的粘度;ρ—渣的密度。

可以看到，其除了与床层孔隙率ε有关外，还与床层厚度H、床层中滞渣量h、渣的密度和粘度ρ和μ以及炉气的流速u有关。

炼铁炉长期实践研究结果表明：在上述各因素中，滞渣量是影响滴落带阻力特性的重要因素，而滞渣量又与渣的流动性指标粘度μ和炉气的流速u密切相关。在气化炉某一特定负荷的情况下，炉气的流速范围也基本一定，滞渣量主要与渣的流动性指标粘度密切相关。渣的流动性好(即渣的粘度低)，侧能流走通过滴落带的渣多，滞渣量小，反之，侧滴落带中滞渣量将增大。可以看到，炉气通过滴落带的阻力远比通过散料层的阻力大，能正常通过滴落带的炉气，即能正常通过上部散料层。而当滞渣量增加到一定程度时，床层阻力会急剧升高，破坏床层的正常运行状态，产生偏流、沟流、管道、鼓泡等失常炉况，破坏炉气的二次分布。经炼铁炉长时间实践的总结：要控制滞渣量的大小，即为控制渣的粘度。炼铁炉内渣的流动性可接受的指标是：终渣在 1400 ℃ 时的粘度μ<2 Pa.s，极限为粘度<3 Pa.s[2]。在气化炉内，因床层孔隙率更小，渣的流动性可接受的指标应考虑比上述值更小。

滞渣量是滴落带产生煤气阻力的主要因素，同时，滴落带产生的煤气阻力也是整个床层煤气阻力的主要组成部分。根据炼铁炉实测数据，软熔带及其以下含渣层的煤气压差大约为全部压差的60%～80%。

另外，滴落带中，客观存在煤焦颗粒和助熔剂分布的不均匀，如果再叠加原料成分的波动，由于灰成分的不同，渣的熔化温度、密度、粘度、热容等物化参数都会变化，会加大滴落带内中间渣粘度的波动和分布的不均匀性，也就造成滴落带阻力特性的波动和不均匀，波动和不均匀大到一定程度时，同样会破坏炉内的正常运行状态，产生偏流、沟流、管道、鼓泡等失常炉况，破坏炉气的二次分布。炼铁炉上的总结：中间渣能否顺利通过滴落带料层，取决于原料成分稳定和炉温的稳定[2]。

在气化炉内，由于没有铁矿石的参与，软熔带与滴落带之间自然过渡，没有明确的界线，可认为是同一特性的区带。本文将软熔带和滴落带合并称为软熔滴落带。正常运行情况下，与该区带特性相适应量的炉气能通过滴落带和软熔带，并在上升过程中形成对炉气的二次分布。

2.4 风口循环区(风口回旋区)

在滴落带下沿的区域内，气化剂由喷口喷入，形成炉内喷嘴前方的含氧燃烧区，该区域内，因气化剂高速喷入(150 m/s 左右)，喷射动能可推动喷嘴前滴落带和部分死料堆内的物料运动，同时，气化剂与煤焦颗粒发生激烈燃烧反应，产生高温煤气，煤焦颗粒中的灰分和中间渣也能在这里与助熔剂较充分地混合熔化，灰渣特性较接近终渣，在喷嘴喷射力作用下，主体流入风口循环区前方和下方的死料堆里。煤焦颗粒的燃烧和灰渣的流走，让出新的空间，上部滴落带的煤焦颗粒、中间渣和助熔剂可不断落入燃烧区反应，最终在喷嘴前形成风口循环区。风口循环区是炉内热量和初始煤气的主要源点，其有一定的形状、大小和位置，初始煤气由此向周边扩散，形成炉内的一次布气。

炼铁炉上用循环区的长度D和高度H来表征风口循环区的形状特征，总结的风口循环区形状特征经验计算式如表达式3、式4、式5[3]：

(3)

D=0.88+0.000092E-0.00031×Pc/n

(4)

(5)

E—鼓风动能;Vot—风口风速;Pc—喷煤量;n—风口数量;D—风口循环区长度;H—风口循环区高度;g—重力加速度;d—煤焦颗粒平均粒度。

其受风口结构尺寸、周边物料的透气性和透液性影响。正常的风口循环区形状是喷嘴喷射前方与喷射锥内接的圆球形，圆球形在喷射锥上方。在喷射前方的床层物料的透气性和透液性好和喷射动能大时，圆球形会向长轴与喷射方向平行的椭球形发展，这时的初始煤气向炉中心发展。反之，在喷射前方的床层物料的透气性和透液性差和喷射动能小时，圆球形会向长轴为垂直方向的椭球形发展，这时的初始煤气向边缘发展。正常运行的气化炉内的风口循环区，应具有足够的长度，使一次布气能适当的向中心部位发展，尽量减小边缘发展，避免炉墙烧损，使炉内获得较均匀的一次布气效果。

2.5 死料堆

喷口位置之下到液态渣池的渣面之上的区域即为炼铁炉所称的死料堆区域,该区域由未完全消耗完的煤焦颗粒堆积组成并漂浮在液态渣池之上。由于气化炉直径远比炼铁炉小，死料堆中心区堆积凸起部位较小，主体位置绝大部分处于风口循环区之下(如图3)，死料堆内流动的煤气量已较少，床层透气性对炉况的影响已较小。但因组成死料堆的煤焦颗粒是漂浮在液态渣池之上，颗粒间隙里混有渣池里的渣或上方软熔滴落带和风口循环区流下的渣，因此，死料区是炉内固体床层中含渣量较高的区带，要求灰渣的粘度小流动性要好，死料堆的透液性好，以使灰渣能在死料堆内顺畅流动。由于气化炉还设有排渣口，不排渣时，燃烧器产生的高温过氧的烟气从排渣口鼓入炉内，搅动渣池的同时，也能带动死料堆中心区煤焦颗粒运动，同时，过氧烟气中所含的氧也能与死料堆中心区的煤焦颗粒发生反应并放出热量，形成炉内另一个燃烧区并加快了死料堆中心区物料的置换。因此，气化炉中的死料堆的中心部位比炼铁炉内活跃的多，所以，我们在气化炉内看不到明显的死料堆存在。

2.6 渣池

上部炉子运行过程中产生的渣，最后在炉底部汇集，形成渣池，它是气化炉内唯一主体是液态渣的区域。同样，由于气化炉还设有排渣口，不排渣时，燃烧器产生的高温过氧的烟气从排渣口鼓入炉内，其对渣池中的渣具有加热作用，使渣能保持一定温度，有利于维持其流动性。同时，对渣池内的渣也有搅动作用，有利于维持其化学成分的均匀性。这里的渣是终渣。渣池内所存渣的总量也应有一定的要求，以保证在渣池上部汇集来不同温度和不同成分的渣时，不对渣池内的渣的温度和成分产生过大的影响。渣池内的渣要间断排出，这会使渣池的渣位变动，而带动死料堆内物料的置换。正常运行的气化炉对渣池的要求是：渣池内的渣，温度、化学成分稳定，保证渣粘度足够小，流动性好，渣能顺畅排出炉外，不发生渣池堆渣(炼铁炉称炉缸堆积)的状况。

气化炉内的整个床层，由上述各区带组成。整个床层(含下部含渣层)的透气性要好，能使煤气顺畅上升通过床层，床层表现为气体流动阻力小。下部含渣层的透液性要好，表现为渣在含渣层中的滞渣量小，床层煤气阻力小的同时，含渣层内的渣能顺畅下流通过床层汇集到渣池。渣池内的渣成分稳定，流动性好，能顺畅排出炉外。炉内上述各区带有机稳定地组合在一起，是气化炉正常运行的基本条件。

3 使用褐煤时炉内运行失常分析

当褐煤应用于碎煤熔渣气化炉上时，由于褐煤含水高、挥发份高、热稳定性差、反应活性高、灰成分变化大等原因，将直接影响气化炉内各区带的正常特性，甚至打破各区带自身和相互之间的平衡，导致炉内不能顺运，炉况失常。

3.1 对散料层的影响：

因褐煤的特性，原料煤进入炉内后，在干燥、干馏发展成半焦的过程中，极易破碎成为小颗粒。会使散料层的孔隙率变得相对更小，使床层能通过的煤气量减小，从而影响了气化炉的负荷能力。在二次布气不正常时，由于气流向局部某区域集中，极易发生鼓泡、偏流、沟流、管道等失常炉况。在失常炉况时，煤因受热不均、碰撞摩擦程度加大等原因，更容易破碎，颗粒变得更小，散料层将处于恶性循环状态，床层孔隙率将进一步恶化。

3.2 对软熔滴落带的影响：

使用褐煤时，当煤焦颗粒进入软熔滴落带后，温度已上升到软化温度以上，煤焦颗粒开始软化，在上部床层重力的压缩作用下，孔隙率将进一步减小。同时，床层中开始出现了初渣。以先锋煤为例，先锋褐煤的典型灰成分(Si-Ca-Mg-Al四元圆整后)为：CaO 17.4%、MgO 1.9%、Al2O329.1%、SiO251.6%。从Si-Ca-Al三元相图(如图4中A点，)上可以看出：这样的初渣粘度较高，大约为：1400 ℃ 时 100 Pa.s 左右，流动性较差，甚至不流动。初渣出现后开始了与助熔剂接触而发生互熔，但因床层中助熔剂的分布客观上存在不均匀，初渣与助熔剂的接触并不充分。因此，在床层向下移动过程中，中间渣的成分发展变化也是不充分的。若此时助熔剂的调配不合理，如先锋助熔剂调配的典型终渣(Si-Ca-Mg-Al四元圆整后)为：CaO 30.4%、MgO 4.1%、Al2O324.7%、SiO240.8%，如图4中B点，这样的渣的粘度大约是 1400 ℃ 时3～5 Pa.s，流动性是不理想的，这种情况下，中间渣粘度和流动性更是不能发展到理想状态。再加上原料煤成分的波动(如图4为先锋褐煤原料煤成分和炉渣成分在三元相图中的分布情况，可见其分布比较发散)，必将加大中间渣的灰渣特性的波动和不均匀。

这样的灰渣状态，已严重偏离了软熔滴落带内灰渣的理想状态，发生失常炉况将是必然。

图4 先锋褐煤原料成分及炉渣成分分布[2]

3.3 对风口循环区的影响：

风口循环区的大小、形状受鼓风动能、风口结构以及周边床层的透气性和透液性影响。炼铁炉内风口循环区的长度一般在1.5～2米。但在使用裼煤的气化炉内，因炉内颗粒小、喷口直径小(φ16 mm 左右)，周边床层常因灰渣特性原因，透气和透液性能并不理想，据此估算的炉内风口循环区长度在0.8米或更小的范围内。另外，气化炉内喷头向下倾斜的角度19度，更多地喷向死料堆，死料堆内渣含量是较多的，喷射阻力较大，在滴落带的灰渣发展和调配不理想时，喷射阻力将会更大，这会进一步压缩风口循环区的长度，迫使风口循环区一次布气的结果为：煤气不容易向中心发展而更容易向边缘发展(如图5中右侧所示)。

同时，从上部软熔滴落带进入风口循环区煤焦颗粒灰渣特性不理想时，如上述先锋煤的初渣粘度为 100 Pa.s，这是一种非常粘稠的渣，它将包裹煤焦颗粒，影响燃烧的过程，造成会有剩余的氧随边缘发展的气流到达炉墙而增加炉墙热负荷，炉墙容易烧损。

在这种一次布气的状态下，滴落带中心活跃度将下降，炼铁炉称这种状态为中心冷炉。

3.4 对死料堆的影响：

褐煤的使用，对死料堆的影响，主要是在灰成分的波动和助熔剂的调配不合理时，渣的流动性不好，死料堆透液性差，造成死料堆内甚至死料堆上积渣，破坏风口区的一次布气效果，甚至造成风口区位置变化，上部软熔滴落带煤焦颗粒不能顺利进入风口区。

3.5 对渣池的影响：

褐煤的使用，对渣池的影响，主要也是在灰成分的波动和助熔剂的调配不合理时，而使流向渣池和汇集到渣池内的终渣本身波动大，这种波动表现在温度和灰渣成分上。温度和灰渣成分的波动容易造成渣池中铁的凝固和渣流动性下降，从而极易造成渣池堆渣(炼铁炉称为炉缸堆积)。堆渣除影响渣池自身的正常运行，同时，也将影响之上的风口循环区和软熔滴落带的正常运行。

碎煤熔渣气化炉使用褐煤时，表现出：床层的稳定性差，工艺负荷低，带尘严重，排渣不畅，炉内耐火内衬和喷嘴损坏严重，运行周期短等问题现象，正是气化炉运行处于炉况失常状态的具体表现。

4 解决问题方法思路

通过对褐煤应用于碎煤熔渣气化炉的炉内运行状况的分析，造成问题的主要原因可归结为以下几点：

4.1 褐煤的热稳定性。

褐煤的热稳定性差，造成炉内整个床层孔隙率相对一般情况都要小，床层透气性相对差，气化炉整体负荷能力下降。在下部含渣层，侧造成床层透气性差的同时透液性也相对差，使下部含渣层的滞渣量的冗余极限下降，含渣层容易发生偏流、沟流、管道等失常炉况。通过选择热稳定性好的原料褐煤或通过提升煤热稳定性的提质预处理可以改善床层孔隙率，从而有利于气化炉的运行状况。

4.2 灰渣特性。

灰渣特性的影响，表现为原料煤的成分的稳定和助熔剂的合理调配两方面。从以上褐煤应用于碎煤熔渣气化炉的炉内运行状况的分析，可以看到，灰渣特性的影响表现在气化炉整个含渣层的各个区带里，是破坏炉子正常运行，造成炉况失常的重要因素。因此，保证原料煤的成分的稳定和助熔剂的合理调配，以保证灰渣的粘度，应该给予足够的重视。

1)首先是原料煤成分的稳定。稳定的原料煤成分，可减小因原料煤成分的波动造成的炉内软熔滴落带灰渣特性的波动和不均匀，减小渣池终渣成分和温度的波动和不均匀，从而减小软熔滴落带运行失常和渣池堆渣的风险。但原料煤成分的稳定，与企业的采购、储运和生产调度相关，应在条件具备的情况下给予保证。炼铁炉上实践有效的方法：“平铺直取”[2]是其中一种有益的参考。

2)其次，通过配煤和助熔剂调配等手段，按照Si-Ca-Al系三元相图和Si-Ca-Mg-Al系四元相图反映出的灰渣内在规律调配合理的灰渣成分，保证终渣的粘度μ<2 Pa.s，使渣池、死料堆、风口循环区以及软熔滴落带等各区带的渣能顺畅流动。才能最后保证气化炉的正常运行，提升气化炉的运行周期。如不要只使用单一的石灰石做助熔剂，而用硅灰石+白云石等复合助熔剂。硅灰石熔点较低(约 1500 ℃)，可加快软熔滴落带内中间渣的发展。不同的原料煤种，可使用不同的助剂方案，如配煤、直接使用石灰(减小石灰石在炉内分解对炉温的影响)、加CaF、镁渣等。

4.3 气化炉结构

1)喷嘴喷射角下倾19度(原设计状态)的情况下，喷嘴喷射的正前方是死料堆(如图5右侧)，死料堆内灰渣含量是较高的，透气性并不好，对喷射形成的风口循环区的形状会产生压缩阻挡作用，一次布气不能向中心发展而更多的形成边缘发展。调整喷嘴下倾喷射角，比如调整至5度(如图5左侧)，使喷嘴喷射的正前方更多的避开死料堆，同时，相较喷射角下倾19度时喷射动能的水平分量增加，有利于加大风口循环区的长度，使一次布气相对容易向中心发展以改善一次布气的均匀性。另外，调整喷嘴下倾喷射角至5度后，喷口的位置相对19度上移，也为下一步扩大渣池容积提供了空间。

2)调整扩大渣池容积。碎煤熔渣气化炉应用褐煤时，最终汇集到渣池的渣的温度和灰渣成分存在较大波动的可能，扩大渣池容积，可以减小新汇集入渣池的渣的温度和灰渣成分波动对渣池中原有的渣的温度和灰渣成分的干扰，提升渣池的稳定性，减少堆渣发生，为渣池的稳定运行提供更好的基础。

设备结构的调整，可以辅助提升上述灰渣特性调整的效果，为其提供一个更好的设备基础平台。

4.4 操作调整

增加排渣口烟气的氧含量。烟气氧含量的增加，死料堆中心区的燃烧反应加强，可加快死料堆中心区的物料置换。在加大死料堆中心区的活跃度的同时，可使中心区之上软熔滴落带内物料下移的速度加快，促进区域内中间渣向终渣方向发展的速度，从而有利于改善死料堆中心区和中心区之上软熔滴落带的透气性和透液性。甚至可调整设备，加长单只或两只喷嘴，专门负责活跃气化炉中心区域。