(河南煤業(yè)化工集團煤氣化公司，河南鄭州 450001)

義馬氣化廠建于1997年，是較早引進德國魯奇造氣工藝的廠家之一，其引進爐型為第三代Mark－Ⅳ魯奇爐。因魯奇氣化爐在各種氣化爐中運行實績較好［1］，近年來受到越來越多國內(nèi)企業(yè)的使用與關注，其在生產(chǎn)城市煤氣、合成氣制甲醇以及煤制天然氣項目中被廣泛引用，國外還將其應用于各種廢棄物氣化的商業(yè)裝置［2］。2008年我廠受內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰旗煤制天然氣項目籌建處委托，決定在魯奇氣化裝置上對內(nèi)蒙古大唐國際錫盟東勝利2#褐煤進行試燒，其采集數(shù)據(jù)為煤制天然氣項目的設計工作提供依據(jù)。

1 東勝利褐煤特點及煤質(zhì)分析

位于內(nèi)蒙古錫林浩特盟境內(nèi)的東勝利2#煤屬于年老褐煤［3］，是四大煤種之一，其性質(zhì)接近于煙煤中的長焰煤，該煤種變質(zhì)程度較淺，固定碳含量低，揮發(fā)分含量高，水分含量高，灰熔點低，活性高，塊煤強度較低，與義馬長焰煤(我廠魯奇爐設計原料煤為義馬長焰煤)相比性質(zhì)又有所不同，在魯奇爐內(nèi)的氣化特性應與長焰煤較為接近。

東勝利煤煤質(zhì)工業(yè)分析(空氣干燥基)見表1;元素分析見表2;焦渣特性(CRC)，1;高位發(fā)熱量，1 750 kJ;灰熔點見表3;煤灰成分見表4;熱穩(wěn)定性，TS+6，36.5%，TS6－3，54.8%，TS－3，8.7%;黏結(jié)指數(shù)，0;坩堝膨脹序數(shù)，0。

表1 東勝利煤工業(yè)分析(附義馬煤) %

表2 東勝利煤元素分析(附義馬煤) %

表3 東勝利煤的灰熔點(附義馬煤) ℃

表4 東勝利煤灰成分(附義馬煤) %

2 預計試燒工藝指標調(diào)整范圍

由于煤質(zhì)的差異，東勝利煤在魯奇爐內(nèi)反應速度應快于義馬煤，各反應層縮短，初步預估氣化爐的工況控制范圍:粗煤氣出口溫度，230～350℃;灰鎖溫度，300～350℃;灰外觀，灰疏松;爐篦轉(zhuǎn)速，1～2 r/h;汽氧比，7.5 ±0.5。

操作初期粗煤氣中CO2含量按33% ～36%控制，汽氧比從8.0調(diào)整，然后據(jù)爐篦電流及排出灰的顏色、粒度，逐步摸索最佳汽氧比。

3 東勝利煤試燒全過程

按預定計劃，在我廠2#、3#氣化爐上展開試燒，其試燒分5個階段進行，即單爐試燒階段(找最佳汽氧比階段);在最佳汽氧比條件下雙爐滿負荷穩(wěn)定運行72 h試燒階段;CO2返爐試驗階段;點火試驗和超負荷試驗。試驗從2008年6月3日9:50開始至2008年6月8日9:47時結(jié)束，前后歷時5 d，共計120 h，鑒于東勝利煤的高活性及煤鎖加煤量的局限，6月5日雙方試燒指揮部同意調(diào)整試燒方案，決定不再做點火試驗和高負荷試驗。

3.1 單爐試燒階段

2008年6月3日9:50時，2#氣化爐在煤倉料位指示47%時，加進東勝利煤，氣化爐負荷維持7 000 Nm3/h，汽氧比由義馬煤的汽氧比6.5調(diào)整為8.0，至12:00時煤進入氣化爐頂部，出口溫度由410℃降低至370℃。至13:00時粗煤氣半分析，CO2，35.2%;O2，0.4%，表明東勝利煤已達爐反應層。緩慢降負荷，煤鎖溫度和下法蘭溫度上升較快，煤鎖加煤頻次加快，最高達7鎖/h，煤鎖加煤自動程序不得不切換為手動。氣化爐負荷被迫降至5 000 Nm3/h，至14:00時煤鎖下法蘭溫度和煤鎖溫度仍超過報警值，煤鎖加煤次數(shù)為5鎖/h，加煤頻次較義馬煤最高負荷操作還快，負荷進一步降至4 500 Nm3/h，穩(wěn)定2 h后，汽氧比由8.0逐漸降至7.0。17:20時逐漸加負荷至4 600 Nm3/h，此后灰鎖溫度逐漸上漲接近400℃，爐篦維持最小轉(zhuǎn)速，時轉(zhuǎn)時停。通過階段的運行，我們充分認識到東勝利煤在負荷超過4 500 Nm3/h時維持穩(wěn)定運行是困難的，一個重要原因就是煤鎖加煤跟不上。至6月4日9:00氣化爐工況好轉(zhuǎn)，灰鎖溫度終低于390℃，且呈逐漸下降趨勢。

2008年6月3日22:00時3#爐煤倉料位為73.4%時加入東勝利煤，期間由于有了2#氣化爐的操作經(jīng)驗，3#氣化爐負荷維持在4 000 Nm3/h，根據(jù)觀察灰況逐漸調(diào)整汽氧比至6.1，粗煤氣半分析中CO2控制在33% ～35%，3#氣化爐比原計劃提前5 h投入試燒。通過雙爐驗證:東勝利褐煤由于煤質(zhì)年輕，煤堆密度小，在我廠氣化爐煤鎖容積條件下，氣化爐正常負荷為4000～4200Nm3/h，增加負荷至4 500 Nm3/h時，氣化爐將難以維持穩(wěn)定運行。

3.2 雙爐滿負荷穩(wěn)定運行階段

這一時段從2008年6月4日16:00時至6月6日24:00時結(jié)束，氣化爐負荷基本維持在4000～4 200 Nm3/h，2#爐汽氧比控制在 7.1，3#爐汽氧比控制在 6.1，2#爐粗煤氣出口溫度 198 ～212 ℃，3#爐粗煤氣出口溫度為215～236℃，2#爐灰鎖溫度330～360℃，3#爐灰鎖溫度350～380℃，2#爐爐篦電流18 ～20 A;3#爐爐篦電流在14.5 ～16.5 A，兩爐篦轉(zhuǎn)速都不超1.4 r/h，時轉(zhuǎn)時停，粗煤氣半分析中CO2含量33% ～35%，排出灰顏色、渣塊適中，灰中殘?zhí)苛可?，認為是東勝利煤在魯奇爐上穩(wěn)定運行階段。

3.3 CO2返爐試驗階段

應大唐國際的要求，我們作了CO2返氣化爐試燒試驗。2008年6月7日9:55時～6月8日9:40時開始在3#氣化爐進行24 h CO2返爐試驗，該次返爐試驗是建立在我廠之前曾對CO2返爐已取得試燒相關經(jīng)驗的基礎上進行的(已申請專利)。氣化爐壓力維掛在2.8 MPa，氣化爐負荷控制在4 000 Nm3/h，通入的CO2流量控制在2 000 Nm3/h左右，產(chǎn)生的粗煤氣并入系統(tǒng)。試驗再次證明，CO2返爐后，在汽氧比調(diào)整到位時，蒸汽耗量減少，粗煤氣中CO含量增加(約 2%)、H2含量降低(約 1.8%)。CO2返爐替代了部分蒸汽參與氣化反應，既節(jié)約了蒸汽，煤氣水產(chǎn)量降低，又實現(xiàn)了CO2的再利用。這同時也驗證了CO2返爐后在還原層C與CO2大部分被還原成CO理論上的正確性。這可作為高氫煤氣調(diào)節(jié)H/C比，用于滿足后續(xù)工藝的一種兩全其美的方法。

4 東勝利煤試燒結(jié)果

東勝利煤試燒技術經(jīng)濟指標。整個試燒過程我們做了詳細的運行數(shù)據(jù)記錄，如下頁表5操作指標，下頁表6試燒各項單耗;并對粗煤氣、凈煤氣及副產(chǎn)物的產(chǎn)率、氣化效果進行了分析計算，如下頁表7產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)率及氣化效果。東勝利煤試燒后，粗凈煤氣中的有效氣(CO+H2)含量分別為54.58%、79.88%，其均低于義馬煤粗凈煤氣中有效氣含量，詳見下頁表8、表9。

5 對試燒結(jié)果的評價

5.1 備煤系統(tǒng)

表5 操作指標

表6 試燒各項單耗(以kNm3粗煤氣耗原料量)

表7 產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)率及氣化效果

表8 東勝利煤粗煤氣組成 %

本次試燒由于東勝利褐煤機械強度較差，進廠原煤細粉較多，造成經(jīng)破碎和篩分后塊煤利用率低，僅有41.9%，在工程設計中，建議考慮在煤礦對原煤進行初選，選擇合理的破碎塊度及工藝，減少粉煤和大塊煤進廠量，以避免大塊煤堵塞卸煤設施和篩分后粉煤過多造成系統(tǒng)塊粉比失衡，粉煤過剩。此外，東勝利褐煤全水較高，存放過程中易自然干燥造成塊煤失水后風化，一方面使粉煤量增加，塊煤利用率降低;另一方面易造成原煤自燃。建議考慮合理的存放時間和存放地點，既要滿足生產(chǎn)用煤，又要使存放的煤先到先用，減少自燃和風化。

表9 東勝利煤凈煤氣組成

5.2 氣化系統(tǒng)

5.2.1 加煤頻次

由于東勝利褐煤堆密度較低，平均650 kg/m3，造成氣化爐氧負荷為4 000 Nm3/h時加煤頻率達到4～5次，試燒期間加煤自動程序被迫改用手動操作，正常生產(chǎn)中要長期維持如此高的加煤頻率是不現(xiàn)實的，這將影響氣化爐負荷的進一步提高?？紤]到多臺氣化爐充泄壓排隊，合理的加煤頻率應按3次/h設計，設計中應考慮適當加大煤鎖容積，以滿足氣化爐滿負荷生產(chǎn)的煤量核定煤鎖容積。

5.2.2 氣化爐氧負荷

本次試燒單爐最大氧負荷短時達4 500 Nm3/h，正常氧負荷為單爐4 000～4 200 Nm3/h，主要是受加煤次數(shù)制約。預計煤鎖容積加大后，單爐負荷可能提高到6 000 Nm3/h。單爐最高氧負荷可在試生產(chǎn)時逐步探索。但東勝利煤的活性較高，提高氧負荷要格外謹慎，嚴防局部燒穿導致氧含量超標而造成事故。

5.2.3 氣化爐排灰

我廠氣化爐爐篦裝有三把排灰刮刀。試燒東勝利褐煤灰分平均為13.29%，而義馬煤實際生產(chǎn)中灰分為23%左右，故而試燒時爐篦排灰轉(zhuǎn)速為1～1.5 r/h，魯奇氣化爐主要靠爐篦勻速轉(zhuǎn)動達到排灰和均勻布氣調(diào)整工況的目的，所以爐篦轉(zhuǎn)速太低不利于工況調(diào)整和均勻布氣。據(jù)試燒煤的灰分并考慮留有一定余量，建議爐篦初期按一把刮刀安裝，試生產(chǎn)中若煤中灰分增加，可考慮再安裝第二把刮刀。

5.2.4 汽氧比

本次試燒2#爐平均汽氧比為 7.1 kg/Nm3，3#爐較低，主要原因是蒸汽流量表誤差，我們校核后3#爐平均汽氧比為7.1 kg/Nm3，與2#爐基本相同，按排出的灰渣粒度、顏色判斷，汽氧比仍有下調(diào)空間。建議設計中物料平衡按試燒期間平均汽氧比7.0 kg/Nm3進行設計，將來在實際生產(chǎn)中再進一步優(yōu)化。

5.2.5 溫度控制

通過試驗氣化粗煤氣出口溫度應控制在200～230℃，不宜超過240℃，閥下溫度應嚴格控制。出口溫度低造成夾套耗水的減少，氣化劑溫度宜控制在350℃(相對應汽氧比為7.1)附近。此外，煤鎖氣壓縮系統(tǒng)應按試燒結(jié)果重新核算煤鎖氣量，以便最大限度回收煤鎖氣。

6 結(jié)論

①利用東勝利褐煤在義馬氣化廠兩臺直徑3.8 m Mark－IV型氣化爐上進行完全工業(yè)化試燒，所有數(shù)據(jù)采集階段運行相對穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性好，可作為大唐國際煤制天然氣項目的設計依據(jù)。試燒證明，東勝利褐煤用于魯奇氣化爐原料是可行的。②試燒還表明，我廠現(xiàn)有工藝流程能夠適合東勝利褐煤氣化后煤氣的脫硫脫碳、煤氣水處理、硫回收等技術要求。③東勝利煤生產(chǎn)的凈煤氣中氫碳比在2.17～2.29之間，用于新鮮氣甲醇合成時稍高一些。但CO2的返爐試燒表明用CO2返爐可適當降低氫碳比至2.05～2.10，同時還可減少氣化蒸汽耗量，減少煤氣水產(chǎn)率，回收利用CO2。

［1］羅承先，周韋慧.煤的氣化技術及其應用［J］.中外能源，2009，14(1):28－35.

［2］王 鵬，張科達 .碎煤加壓固定床氣化技術進展［J］.煤化工，2010，(1):12－16.

［3］趙振新，朱書全，馬名杰，等.中國褐煤的綜合優(yōu)化利用［J］.潔凈煤技術，2008，14(1):28－31.