鄢 僖，汪云川，唐 博，葛方秋

(呼倫貝爾東明礦業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021500)

1 前言

呼倫貝爾金新化工有限公司(以下簡稱“金新化工”)殼牌下行激冷煤氣化裝置始建于2014-05， 2016-06-18試車投產(chǎn)。煤氣化裝置采用荷蘭殼牌下行激冷粉煤加壓氣化技術(shù)，設計生產(chǎn)粗合成氣中有效氣體(CO+H2)為60 000 m3/h，為下游裝置補充合成氣。該裝置主要包括以下工藝單元及過程：原料煤預干燥、磨煤與干燥、粉煤加壓輸送、煤氣化與合成氣冷卻、除渣、濕洗、灰水處理、公用工程。

煤氣化裝置開車過程中使用N2進行粉煤加壓輸送，待負荷提高低溫甲醇洗有充足CO2產(chǎn)品氣時，將CO2產(chǎn)品氣回收代替N2來進行粉煤加壓輸送，此過程將大幅降低粗合成氣中N2含量。

2019-09起金新化工8 000 m3/h空分并氧后SHELL下行激冷煤氣化裝置氧負荷為設計負荷的93.4%(包含停車期間在內(nèi))運轉(zhuǎn)率為94.6%。

Shell下行水激冷氣化工藝以干煤粉為原料、純氧氣作為氧化劑，液態(tài)排渣，屬加壓氣流床氣化。煤粉、氧氣在氣化爐高溫加壓條件下發(fā)生碳的氧化及各種轉(zhuǎn)化反應。氣化爐溫度約1 300 ℃～1 500 ℃，爐內(nèi)的高溫粗煤氣與渣一同從氣化爐底部出來，粗煤氣和渣在下降管處利用循環(huán)的高壓灰水對其進行激冷和洗滌，粗煤氣在氣化爐渣池浸沒洗滌后，經(jīng)管道輸送至濕洗系統(tǒng)，處理后的合成氣送后續(xù)工序。

2 東明礦業(yè)煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

為精確調(diào)整金新化工SHELL下行水激冷裝置工況，呼倫貝爾東明煤礦的原料褐煤自2019-08起每天進行煤質(zhì)分析，其中截取2020-03分析數(shù)據(jù)如表1。

表1 東明煤礦褐煤分析數(shù)據(jù)Tab.1 Analysis data of lignite in Dongming Coal Mine

從表1可以看出，雖然原料均來自東明礦的露天褐煤，但仍存在較大的煤質(zhì)波動。其中對氣化爐運行影響較大的組分單周波動CaO為3.96%、Fe2O3為11.34%、Al2O3為7.31%、SiO2為9.16%、灰分為7.66%。因此，要保證氣化裝置安穩(wěn)長滿優(yōu)運行，必須保持對煤質(zhì)的高度關(guān)注并及時調(diào)整優(yōu)化操作控制及石灰石配比。

3 煤質(zhì)波動

原料褐煤煤質(zhì)波動對SHELL下行水激冷裝置的影響較大，一旦發(fā)生煤質(zhì)波動時應如何調(diào)整降低因煤質(zhì)波動而對設備造成的損害。

3.1 煤質(zhì)波動對SHELL下行水激冷氣化裝置影響

以2020-04第三周波動情況為例。由于原料煤倒堆，導致至殼牌裝置的原料煤煤質(zhì)出現(xiàn)大幅波動。這次造成殼牌裝置工況大幅波動的原因是原料煤灰分大幅上漲。具體反映到工藝參數(shù)中的表現(xiàn)是當高灰分煤入爐后，產(chǎn)生渣量急劇增加，致使氣化爐壁掛渣增厚，反應到水汽系統(tǒng)參數(shù)變化為熱負荷快速下降，為維持渣池厚度必須增加氧煤比，因此氧煤比快速增加約16%，此時CO2上漲至13% CH4下降至140 mg/kg，通過合成氣組分作為佐證說明氣化爐溫度反應已經(jīng)開始上漲并且溫度處于偏高狀態(tài)，但熱負荷上漲并不明顯。直至某一刻水汽系統(tǒng)熱負荷快速上漲，這說明掛在爐壁上過厚的掛渣瞬間垮落。后因爐壁垮渣熱負荷過于高又快速下調(diào)氧煤比，直至熱負荷穩(wěn)定，波動期間趨勢見圖1。

圖1 煤質(zhì)波動期間氣化爐工況趨勢Fig.1 Working condition trend of gasifer during coal quality fluctuation

此類波動如不及時準確調(diào)整極有可能因掛渣過厚造成其沒過燒嘴罩導流槽，最終產(chǎn)生翻渣燒損燒嘴罩導致停車。此次波動過程操作存在較大缺陷，氧煤比調(diào)整較晚，后期調(diào)整幅度過快最終導致氣化爐壁垮渣熱負荷飆升，這種氣化爐垮渣對于SHELL廢鍋流程氣化裝置會造成嚴重影響，對于SHELL下行水激冷氣化裝置影響相對較小但也存在風險，在垮渣過程中若有大量渣流流經(jīng)燒嘴罩導流槽同樣會造成翻渣燒壞燒嘴罩。

3.2 原煤波動時調(diào)整方式

最根本且有效的解決辦法是控制褐煤源頭，使其在開采倒運過程中保證煤質(zhì)相對穩(wěn)定。減少換坑、倒堆次數(shù)，每天對原料煤進行煤質(zhì)分析，做到煤質(zhì)變化早發(fā)現(xiàn)、早調(diào)整。

3.2.1 石灰石配比調(diào)整

東明煤礦輸送原料煤的在煤質(zhì)變化中，灰分、SiO2、CaO的變化對SHELL下行水激冷裝置的影響最大，根據(jù)殼牌要求雖然灰分含量控制在8%～35%之間均可以適用于SHELL下行水激冷裝置，灰分含量大或小對于殼牌氣化爐都可安全穩(wěn)定運行，但更關(guān)鍵的是入爐煤灰分含量要相對穩(wěn)定，當灰分含量波動大，氣化爐在運行過程中不做調(diào)整將非常危險?；曳趾慨惓Ｗ兇笕菀追⒁缭鼰龘p燒嘴罩，嚴重甚至堵塞渣口，灰分含量異常變小又會燒損水冷壁。所以要做到裝置安全穩(wěn)定長周期運行，就要對煤質(zhì)進行有效監(jiān)控，并及時調(diào)整石灰石添加比例。

自2019-08起對于東明礦業(yè)輸送進廠的原料褐煤進行每日煤質(zhì)分析。并根據(jù)每日的原煤分析數(shù)據(jù)及時調(diào)整石灰石添加量。石灰石添加量按照該公式進行計算。

DSP=((2.05+(Aad-11) ×0.1)-0.05)×2.1Hz

式中：DSP——石灰石添加量，%；Aad——原煤分析的灰含量,%；Hz——X1106輸入頻率。

同時從管理上提高重視，將石灰石添加納入勞動競賽嚴格按比例要求添加，確保渣分析中CaO在15%～23%之間。

3.2.2 氧煤比調(diào)整

對于原料煤質(zhì)波動，氧煤比的調(diào)整是最后一道關(guān)口，當煤質(zhì)、石灰石配比發(fā)生變化后最終進入氣化爐反應時影響到氣化爐的操作窗口，會使操作窗口改變、操作范圍變窄、容錯率降低。此時精準地調(diào)節(jié)氧煤比尤為關(guān)鍵。

在氣化爐工況正常期間，氧煤比調(diào)整按照每10 min 2%進行調(diào)節(jié)。同時參考CO2含量，應控制在9.5%～10.5%。當CO2含量在9.5%～10.5%范圍內(nèi)時按照每10 min 1%進行調(diào)節(jié)。

當氣化爐煤質(zhì)發(fā)生變化引起波動時，應在熱負荷偏離初期及時進行調(diào)整，在判斷氣化爐工況確實發(fā)生變化熱負荷顯示為“真值”時應適當加快氧煤比調(diào)節(jié)速度(但是氧煤比調(diào)整每小時調(diào)整不得超過±0.02)同時參考合成氣組分，重點參考CO2與CH4通過合成氣組分判斷氣化爐內(nèi)溫度已發(fā)生明顯變化而熱負荷變化不大時，應適當放緩氧煤比調(diào)整速度，因氣化爐內(nèi)渣層變化需要一個過程，這導致熱負荷根據(jù)渣層厚度的不同存在一定程度的滯后性。調(diào)整時需給渣層變化過程預留些時間，避免過度調(diào)整。

4 褐煤在裝置制粉加工、儲存過程中的安全風險及優(yōu)化改進

由于褐煤高揮發(fā)份、高水含量、活性高、易自燃的特點，在應用過程中存在較高的安全風險，尤其在預干燥單元存在的風險更高。由于預干燥單元的先天工藝問題在褐煤干燥過程中無法使用大量氮氣進行保護，預干燥單元在運行過程中只能依靠褐煤中蒸發(fā)出的水汽對系統(tǒng)中的空氣進行稀釋從而實現(xiàn)安全運行的目的，這對操作順序提出了一定要求，若在操作過程中出現(xiàn)錯誤極易發(fā)生重大安全事故。預干燥單元的風險控制在整個氣化過程中非常關(guān)鍵。

4.1 褐煤自燃條件

通過德國澤馬格對公司褐煤的研究，在空氣中，也就是氧含量為21%的氣氛中，金新褐煤的自燃溫度約為100 ℃；而在氧含量為13%，金新褐煤的燃點溫度至少要在330 ℃以上才自燃。并且褐煤自燃溫度其粒徑越細，自燃風險越高。氧含量越高，褐煤越容易自燃。溫度越高褐煤越容易自燃。

由于預干燥單元運行過程中只能通過褐煤蒸發(fā)的水氣對氧氣進行稀釋，在控制措施上可監(jiān)控系統(tǒng)露點，露點與系統(tǒng)氧含量的對應關(guān)系如表2。

表2 露點與氧含量對應表Tab.2 Corresponding table of dew point and oxygen content

4.2 控制措施

從表2可以看出，露點越高，預干燥濕氣中氧含量越低，系統(tǒng)越安全；但過高的露點，對應的濕氣溫度也越高，需要預干燥出口溫度越也高。這就形成了一個矛盾統(tǒng)一體；從已有的經(jīng)驗表明，在110 ℃，氧含量只要不高于16%，褐煤自燃風險是可控的?？紤]到特殊情況以及開停車波動，預干燥出口溫度按100 ℃±3 ℃控制，露點控制70 ℃～76 ℃，對應的氧含量在14.4%～12.5%之間。

當露點低于65 ℃時，濕氣氧含量理論達到15.7%，接近16%，此時須打開阻燃氮氣，降低氧含量，確保系統(tǒng)安全。

預干燥單元需嚴格進行過程控制，嚴格按照先進煤再投蒸汽，先退蒸汽再退煤的順序進行調(diào)整。

預干燥的開車過程相較于停車相對安全，但涉及到的相關(guān)重要步驟亦應嚴格按照操作標準執(zhí)行，開車預熱時，干燥機列管是空的，大量的空氣從干燥機吸入，此時干燥機出口溫度控制在50 ℃±5 ℃，等待進料，此種情況，稱為熱備。一旦確定干燥機要進行開車進料，逐步提高干燥機出口溫度，一旦干燥機出口達到75 ℃，就必須進行進料。如果干燥機出口達到80 ℃，仍不能進料，須立即切斷蒸汽，盡快降低干燥機出口溫度，視情況確定是否投用蒸汽進料還是控制50 ℃±5 ℃進行熱備。預干燥投料后，預干燥出口溫度將會下降，此時，應持續(xù)增加蒸汽加入，引風機K2002仍維持最低頻率運行，露點將會持續(xù)升高。

當露點溫度達到70 ℃～76 ℃或者預干燥機進口有大量蒸汽冒出時，方可增加引風機頻率，引風機頻率的增加，要確保露點在要求范圍內(nèi)或者預干燥機入口端有微量蒸汽外溢為最大允許的頻率。

投料后，視預干燥出口溫度下降情況增加蒸汽加入量，如果干燥機出口溫度上升較快，應增加預干燥的進煤量或者降低蒸汽加入量，逐漸將干燥機出口溫度控制在100 ℃±3 ℃，干燥機轉(zhuǎn)入正常運行狀態(tài)。此時，露點及干燥機出口溫度都在要求范圍時，可關(guān)閉防爆氮氣。

4.3 褐煤的儲存

通過殼牌裝置多次的褐煤自燃火災教訓中了解到，只要是褐煤煤粉暴露在空氣中，且堆積的煤粉存在一定厚度時幾乎必然會發(fā)生自燃。所以在殼牌裝置內(nèi)褐煤的儲存，在各個煤倉、煤粉倉內(nèi)，需始終保持其惰性化。

因計劃停車、或公用系統(tǒng)異常等原因不能保證惰性化時，應提前將煤倉、煤粉倉使用惰性氣體保壓或排空。

因惰性氣體緊急中斷且煤倉、煤粉倉無條件排空時，至少要保證其封閉，確保其無新鮮空氣進入、確保其相關(guān)伴熱全部關(guān)閉，待惰性氣體恢復后應第一時間建立惰性化狀態(tài)。

因檢修期間或平時泄漏在設備外的煤粉必須立即清理，不得存留使其暴露在空氣中。

5 結(jié)論

從目前煤質(zhì)狀況看對于SHELL下行水激冷裝置來講東明礦輸送的褐煤煤質(zhì)變化均在氣化工藝可以應用的范圍內(nèi)，但煤質(zhì)的頻繁變化、波動會對工藝操作帶來巨大困難，若調(diào)整不及時甚至方向錯誤會對設備造成極大損傷，因此，在穩(wěn)定原料煤煤質(zhì)變化、波動的同時應加強對煤質(zhì)的分析監(jiān)控，一旦發(fā)生變化應做到早發(fā)現(xiàn)早調(diào)整將損失降到最低。

褐煤具有易自燃的特性，因此在褐煤加工、儲存過程中的安全問題應時刻保持警惕。在采取合理有效的防護手段后其安全性亦可得到良好保障。