石油焦在多喷嘴对置式水煤浆气化装置上的应用

2018-04-15王德胜

氮肥与合成气 2018年4期

杨路，王德胜

(宁波中金石化有限公司，浙江镇海 315203)

随着国内煤浆气化的日渐成熟，具有国内自主知识产权的气化技术受到众多企业的青睐，因此国内的气化技术的发展取得了空前的成就。石油焦作为一种高效利用的能源也在水煤浆气化上取得了一席之地。通过对掺烧石油焦的气化炉装置中出现的问题进行分析，以此来达到稳定生产的目的。

石油焦在多喷嘴对置式水煤浆气化装置上的应用在宁波中金石化有限公司(以下简称中金石化)属首次应用，虽然在GE气化装置上也有掺烧石油焦装置的工业应用业绩，但是所公开的有关掺烧石油焦的相关数据及文献较少，并没有多少可以参考的经验。在中金石化掺烧的石油焦装置上出现了较以往气化装置异常的现象，渣的分布出现了异常变化，在对工况的判断上可能出现诱导，同时气体成分以及壁温的控制上较使用烟煤的气化装置出现了明显差异。因此，充分了解上述异常现象对装置的稳定运行有较大的指导意义。

1 对渣性质的影响

气化渣作为气化反应的产物，对指导生产具有较高的参考价值。一般来讲，正常的渣样为较均匀的细粒，粗、细渣的比例一般为7∶3或者6∶4。在当渣中圆球状渣比例减少、出现纤维状渣时，气化炉运行已经出现问题。

对渣的影响主要体现在渣中残碳含量升高，粗渣中水含量增多、细渣比例较多。首先，现场环境太差，由于粗渣中细渣含量较多，导致渣的含水量增多，细渣与水在斜坡段分离不彻底，渣与水的混合物在进入渣车后还会继续进行分离，部分细渣随水流至地面，对现场环境影响较大。

粗渣中细渣多的主要原因在于煤浆的粒度分布较差，一定规格比例的细粒子较其他厂家要多1～2倍，虽然细粒子多对气化反应有利，有利于提高碳的转化率，但该气化装置使用的是7∶3的石油焦，石油焦的反应活性较烟煤差很多。同时，该装置使用的是特低灰煤种，灰分含量较一般使用的煤种低许多；但是细灰较难被壁面捕捉，不容易形成较大颗粒，被壁面所能够捕捉的熔融灰颗粒会更少[1]。

从渣的形成考虑，一般使用烟煤作为原料的气化装置，熔融的灰分和部分碳在被壁面捕捉以后向下流动；由于渣有一定的黏度，在流经渣口处以滴状落下，被激冷水淬冷后变形成圆球状渣。如果温度低于熔融温度，最初状态下细灰含量会增多，在增加氧气提温后会出现不规则形状且尺寸较大的块渣，形成的圆球状渣的可燃物几乎没有。

在对捞渣机处渣样分析后发现：在以往的6.5 MPa 气化炉运行捞渣机处渣样锁斗排渣结束后，于其前5 min发现几乎为圆球状的渣样，且对圆球状渣样进行分析时发现，渣中碳质量分数基本都<2%，因此可以证明圆球状基本是灰分。而在掺烧石油焦的装置运行过程中，发现锁斗排渣结束后1～2 min为一些大颗粒渣，没有发现圆球状渣，且在对圆球状渣进行分析时发现渣中碳质量分数基本为5%～10%。造成此种现象的主要原因在于锁斗排渣结束后，由于石油焦的密度远远低于烟煤的密度，且煤浆以及石油焦的细粒子较多。在锁斗排渣后由于大量大细颗粒在水中沉降速度较慢，会阻碍圆球状渣的沉淀，故在锁斗排渣结束后捞渣机首先捞出一些粗颗粒渣，然后才是圆球渣。因此，在掺烧石油焦装置上对渣样的判断应与掺烧烟煤的装置加以区分。而造成圆球状渣中碳含量高的主要原因就是在于气化炉操作压力偏低，水煤气的流速过高会有部分碳元素不能得到反应就会离开气化炉。而圆球状渣的碳元素含量高的主要原因在于，煤浆中的灰分在反应过后被气化炉的炉壁捕捉到炉壁之上，一方面气体流速过高，会阻碍碳元素的非均相反应；另一方面，石油焦的反应活性较差，不易进行反应，而被壁面捕捉后与烟煤的灰分混合形成圆球状的渣。因此，在掺烧石油焦的气化装置上圆球状渣的碳含量偏高。

特别是在德士古气化装置中1.5 MPa之前混合器的补水阀时常不打开的，此时水煤气流速是正常流速的2倍左右，证明气化炉内的流速也是比较快的，因此在气化炉刚投料以后气化炉的CO2含量是高的，圆球渣的数量也不是特别多，水煤气中的CO2含量特别高，比装置正常运行多1%～2%。随着气化炉压力的提高，不提负荷只提压，气化炉内的温度上升，CO2的含量下降，渣中圆球渣的数量增多。

2 气体成分异常

比较使用石油焦以及烟煤的装置发现，石油焦的CO含量略高于烟煤的CO含量，但是该装置在全煤工况运行的过程中CO2质量分数基本处于18%～19%，比同类型四喷嘴装置多2%～4%，导致此种现象发生的主要原因在于煤浆的浓度低，平时只有58%，较其他同类型装置要低4%～5%。

由于石油焦中的碳质量分数较多(达86%)，而煤中的碳质量分数只有70%，当掺烧石油焦以后，由于碳元素的增加，C+CO2=2CO以及C+H2O=CO+H2反应生成更多的CO，但是中金石化气化装置的CO含量较其他装置低3%左右，原本应该多生成CO，但现在反而减少，其主要原因在于煤浆浓度低。虽然C与O2生成了较多的CO2，但是石油焦的反应活性较差，同时还有大部分被水煤气直接带走生成CO2，气化炉燃烧室内的碳含量相对较少，导致生成CO2后又没有足够的碳元素与CO2反应生成CO，并且水蒸气分压增加反应速率加快，而在掺烧石油焦的过程中不能加太多氧煤比，最终导致水煤气中CO2较烟煤装置多[2-3]。

3 壁温异常变化

在使用烟煤的气化装置上，煤浆和氧气进入气化炉反应后产生水煤气，其中心火焰的温度在2 150 ℃，氧气主要在一次反应区消耗殆尽。二次反应主要是吸热反应，进入折返流区后温度快速下降至1 400 ℃，由于在折返流区也进行吸热反应，到达拱顶温度下降至1 280 ℃。由于炉膛内部温度相对较低，因此气化炉炉壁基本处于200 ℃。同时，由于使用烟煤，反应过后炉壁上挂渣相对较多，热量传导至耐火砖上就会下降一些。一般容易被捕捉的部位在拱顶和筒体的连接处、烧嘴处、烧嘴下部的筒体处以及渣口处。因此，在使用烟煤作为原料时炉壁温度相对低一些。

在该气化装置掺烧石油焦后发现，壁温比单独使用烟煤原料时的壁温要高。石油焦的反应活性较烟煤差许多，想要获得较高的碳转换率，必须控制较高的氧煤比；而且由于石油焦的活性较差，烧嘴的雾化黑区较烟煤雾化黑区短，在靠近拱顶部分还会进行一次反应，而拱顶处的碳也会有部分未与氧气反应。因此，在掺烧石油焦的装置上拱顶气相温度高达1 428 ℃，故在掺烧石油焦的过程中应严格控制氧煤比。