周道康

(呼倫貝爾金新化工有限公司生產(chǎn)運營中心，內(nèi)蒙古 陳巴爾虎 021506)

1 概述

BGL(碎煤熔渣氣化)技術生產(chǎn)富含甲烷的煤氣，該技術是由英國燃氣公司和德國魯奇公司在魯奇碎煤加壓氣化基礎上共同開發(fā)完成的。與傳統(tǒng)的魯奇碎煤加壓氣化技術比較，該技術顯著降低了煤氣水的產(chǎn)量，并由固態(tài)排渣改為液態(tài)排渣[1]。BGL煤氣化技術關鍵設備及氣化原理如圖1所示。

BGL煤氣化是一個復雜多相的物理、化學反應過程，主要是利用煤中的碳與氣化劑、氣化劑與生成物、生成物與生成物、碳與生成物之間的反應。粒度為6～50mm的塊煤及助溶劑從氣化爐頂部煤鎖間斷加入，進入氣化爐的塊煤自上而下依次通過干燥層、干餾層、氣化層、燃燒層、渣池等，完成氣化過程。煤中的有機質(zhì)幾乎全部轉化后被煤氣流帶出氣化爐，而煤灰分中的礦物質(zhì)在氣化爐下部燃燒區(qū)經(jīng) 2000 ℃ 左右的高溫熔化成液態(tài)，約 1400 ℃ 液態(tài)渣經(jīng)過排渣口排入激冷水形成無滲濾性的2～5 mm 的玻璃態(tài)顆粒，并由渣鎖排出[2]。BGL氣化爐內(nèi)溫度分布概況如圖2所示。

圖2 BGL氣化爐內(nèi)溫度分布概況

由于加入氣化爐的蒸汽分解率大于90%，所以氣化過程中產(chǎn)生的煤氣水主要來自于原料煤經(jīng)爐內(nèi)干燥后產(chǎn)生的蒸汽冷凝液。對含水量高達34%的褐煤來說，煤氣水產(chǎn)量將遠高于以次煙煤及煙煤為原料的同類型裝置。BGL氣化過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品經(jīng)過配套工段分離后可以得到較高附加值的焦油、中油、石腦油、酚、氨、甲烷氣等。

2 褐煤在BGL氣化爐上的應用情況

BGL煤氣化技術在次煙煤上的成功應用說明該技術是成熟的，但在低階煤褐煤的工業(yè)化應用中卻遇到嚴峻挑戰(zhàn)：在次煙煤應用中沒有出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象將會在褐煤應用中發(fā)生。褐煤在BGL氣化爐上的應用，最早是在云南解化廠。我公司也對褐煤在BGL氣化爐上的應用做了嘗試，最終氣化爐達到穩(wěn)定運行工況，單爐連續(xù)運行周期突破 262 d，每 1000 m3有效氣(H2+CO)。典型的消耗：褐煤 1350 kg，氧氣 260 m3，蒸汽 263 kg。但裝置運行初期存在的缺陷也非常明顯[3]。

2.1 工藝負荷低

單臺氣化爐穩(wěn)定情況下的工藝負荷僅能達到設計煤種下的60%，氣化爐負荷偏低，達不到配套后續(xù)工段生產(chǎn)能力的要求，只有增加氣化爐運行數(shù)量，才能解決這個瓶頸。典型的氧氣負荷及煤氣組成如表1，運行數(shù)據(jù)見表2[3-4]。

表1 氧氣負荷及煤氣組成表

2.2 粗煤氣帶塵嚴重

由于褐煤塊煤入爐后溫度急劇上升，煤中的水劇烈蒸發(fā)汽化造成煤塊爆裂產(chǎn)生大量的煤塵和碎屑。雖然爐內(nèi)氣體流速理論上比設計值低44%，但考慮到床層的空隙率和偏流問題，爐內(nèi)的實際氣體流速可能達到甚至超過了設計流速；粗煤氣中夾帶的煤塵類帶出物質(zhì)量達到了入爐煤質(zhì)量的2%～3%的范圍，帶出物中粒度在 50 μm 以下的質(zhì)量占比達到91.1%，這些煤粉對設備、管道堵塞及閥門磨損帶來嚴重影響，同時其分離和脫除難度較大，給配套裝置的運行帶來極大的困擾。

2.3 氣化爐工況控制困難

2.3.1 氣化爐床層偏燒

氣化爐發(fā)生偏燒時床層阻力降增加較多，氣流主體偏離中心區(qū)較多，氣化爐上部溫度急劇上升甚至達到聯(lián)鎖停車值。出口煤氣中的CO2含量(體積分數(shù))也會明顯高于正常的14.5%，甚至達到20%的水平。此時煤床中的燃燒反應上移或者靠近爐內(nèi)耐火磚，局部超溫后造成耐火磚燒損、煤炭結焦粘壁、內(nèi)件受損等危害。

2.3.2 排渣不暢

控制健康的渣池液位是BGL煤氣化技術的重點和難點，與氣化爐床層偏燒中的工況密切相關，其影響因素復雜，包括原料品質(zhì)、開車過程控制、煤灰粘溫特性、助溶劑添加量、汽氧比、排渣口火焰菜單設置、排渣順控的參數(shù)設置、排渣口的尺寸、事故處理及操作員經(jīng)驗等。如果造成排渣不暢，應立即根據(jù)現(xiàn)場情況盡快調(diào)整和恢復，否則渣池液位上移過高將導致偏燒及氣化爐內(nèi)件損壞；如果排渣口堵塞，將被迫停車。

3 BGL氣化爐運行控制分析

BGL煤氣化技術限制褐煤塊煤直接作為原料煤入爐運行，可以采用混煤或型煤的方式加以解決。我公司限于煤炭資源及運行成本問題，不得不采用褐煤塊煤作為入爐煤種。通過對氣化爐95臺次開停車及運行維護經(jīng)驗，在硬件和氣化爐外圍存在的問題基本解決后，裝置是否能安全穩(wěn)定長周期運行取決于對氣化爐的認識、理解和控制[3]。

3.1 BGL煤氣化原理分析

3.1.1 BGL氣化反應模型

1)渣池水平截面分布模型分析

渣池水平截面分布模型如圖3所示。

氣化劑蒸汽-氧氣混合氣經(jīng)圖3中的六支鼓風口沿水平方向19°斜角斜向下噴入氣化爐，形成六個噴射燃燒膨脹撞擊區(qū)4。區(qū)域4中的氣固相向渣池液面中心區(qū)域6/7/8噴射燃燒撞擊，形成旋流反應中間渣區(qū)，在渣池液面6/7/8上部區(qū)域連成一片。區(qū)域3內(nèi)為焦炭塊和黏度較高的液態(tài)渣混合物。區(qū)域8為鼓泡反應區(qū)。從排渣口進來的煙氣以鼓泡的形式通過中心反應區(qū)，不但可以保持排渣口上部渣溫在 1400 ℃，而且在上行鼓泡的過程中還可與殘留的焦炭塊、單質(zhì)鐵發(fā)生反應，維持中心區(qū)域液態(tài)渣的溫度和黏度穩(wěn)定，并以“以渣熔渣”的方式將區(qū)域1/2/3/4滴落、旋流或者滑落的不均勻的煤灰分、CaO融為一體成為比較均勻的流動性好的液態(tài)渣。同時，6/7/8區(qū)域內(nèi)匯聚的液態(tài)渣由于汽氧與煤焦塊反應充分，而且燃燒區(qū)4輻射過來的熱量也多，所以渣溫較高。區(qū)域7/8對應的液態(tài)渣黏度<3 Pa·s是真正的液態(tài)渣區(qū)。由于六支鼓風口噴入氣化爐的氣流會發(fā)生燃燒膨脹撞擊流，區(qū)域4中在氣流的噴射及燃燒作用下會形成一定的空腔或半空腔，健康的鼓風口外側的火焰監(jiān)視器可以檢測到連續(xù) “閃爍”或者“常亮”的燃燒火焰。燃燒區(qū)的穩(wěn)態(tài)狀況對氣化爐的連續(xù)運行至關重要。如果煤床床層不均勻、鼓風口噴射口前端有不燃物阻擋或部分堵塞鼓風口。該鼓風口噴出的部分氣化劑與煤焦發(fā)生碰撞使區(qū)域4流道發(fā)生部分偏移，或全部偏移，從而產(chǎn)生圖3中的黑色區(qū)域1/2。此時，鼓風口火焰監(jiān)視器為間斷“閃爍”狀態(tài)或者“黑管”狀態(tài)。若類似于黑色區(qū)域1的燃燒區(qū)離鼓風口過近，將會使鼓風口超溫損壞；類似于黑色區(qū)域2的鼓風口，將會使氣化劑產(chǎn)生一定的反射燒壞鼓風口頭部，而且鼓風口一旦發(fā)生黑色區(qū)域2工況時，火焰監(jiān)視器狀態(tài)為長期“黑管”，大部分的氣化劑無規(guī)則往氣化爐上部流動，并發(fā)生燃燒。此時偏移的燃燒區(qū)若靠近氣化爐耐火層，將會出現(xiàn)結焦粘結區(qū)，甚至燒壞耐火磚，繼而損壞氣化爐水夾套。所以黑色區(qū)域1/2的狀態(tài)應該控制并盡量避免。

2)渣池豎向分布模型分析

渣池豎向分布模型如圖4所示。

1.干溜區(qū)；2.氣化區(qū)；3.回火區(qū)；4.燃燒膨脹區(qū)；5.熱影響區(qū)；6.液態(tài)渣外圈；7.液態(tài)渣中區(qū)；8.液態(tài)渣中心區(qū)；

渣池完整的豎向分布模型由五部分組成：區(qū)域2所在的氣化區(qū)底部，區(qū)域3所在的回火區(qū)底部，位于渣池液面6/7/8上部的區(qū)域4所在的噴射燃燒膨脹撞擊區(qū)，渣池液面6/7/8及其下方錐形區(qū)域內(nèi)的流動性渣區(qū)，區(qū)域5所在不流動及難流動渣區(qū)。區(qū)域7/8為真正的液態(tài)渣區(qū)，其中，煙氣鼓泡區(qū)域8中通過溫度高達 1700 ℃ 富氧煙氣從排渣口下部進入渣池，在液態(tài)渣表面張力的作用下將渣托住并保持渣的溫度在 1400 ℃ 附近以維持適宜的流動性。一旦進入排渣程序，渣就會通過排渣口順暢地排出氣化爐。

在圖4渣池中，呈倒錐狀的三個區(qū)域6，7，8，其溫度從高到低順序是：8>7>6。因液態(tài)渣的黏度與溫度負相關關系，因此這三個區(qū)域每次排渣時8區(qū)流得最快(下凹得最快)，其次是7區(qū)，再其次是6區(qū)。排完一次渣后開始蓄渣進入第二個排渣循環(huán)。正常情況下，液態(tài)渣池內(nèi)6區(qū)域內(nèi)的熔渣直接接觸渣池爐膛板的耐火磚，但是渣池爐膛板內(nèi)有 35 ℃ 的冷卻水盤管，故而6區(qū)的液態(tài)渣與渣池爐膛板有一個黏度較大的過渡層(5中所示的熱影響區(qū)下段)。正常情況下，該過渡層較薄，但是由于受熱不均、物料不均等因素的影響，渣池內(nèi)渣與焦塊、難熔物或被還原出來的鐵顆粒富集，會出現(xiàn)不均勻的累積。排渣過猛或者累積較多后，會向排渣口方向滑落。當這種滑落物未到排渣口時，在高溫煙氣的攪動和反應下，這部分黏度較大的物質(zhì)被周圍正常的渣熔解吸收為正常的渣，從而恢復工況；當滑落物接近或者部分堵塞排渣口的時候，將會影響煙氣通過和下渣的流暢性，可引起排渣口下部的壓力上升和渣池液位上升，此時需要將富氧煙氣的溫度從 1700 ℃ 提高到 1800 ℃ 對其熔渣排渣，也可輔助適量降低汽氧比增加產(chǎn)渣的溫度。

同時，煤中石灰石的均勻程度以及煤粒度的大小分布情況也很重要。當氣化劑噴射時，遇到石灰石含量偏高的區(qū)域，無法融化CaO而造成氣化劑反射、偏流，無法形成適合的燃燒腔，從而造成燃燒腔靠近鼓風口及耐火磚。在 2000 ℃ 工況下，耐火材料僅能承受 5 min 就發(fā)生燒失現(xiàn)象，最后造成耐火磚燒失，夾套壁甚至承壓殼體的損壞。在燃燒區(qū)4煤粒度過小將造成床層阻力降上升，熱氣流將從阻力較低的部位通過，從而形成溝流現(xiàn)象。由于氣化劑接觸不到足夠的煤進行反應，就會造成偏燒、后燃及堵塞鼓風口的現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)生不穩(wěn)定工況而導致停車。由于爐內(nèi)的工況時時刻刻都在發(fā)生不同的變化，固體物料的特性造成氣化爐內(nèi)發(fā)生溝流偏燒是常態(tài)，要把這種狀態(tài)能維持在合理區(qū)間內(nèi)。

3.2 渣池液位建立與控制

3.2.1 建立渣池液位

建立渣池液位就是BGL氣化爐開車，按程序向氣化爐內(nèi)裝填適量石油焦作為氣化爐渣池燃料，再裝填褐煤及助溶劑混合物，裝填總量約 80 m3，再按開車程序：點火氮氣升溫→空氣升溫→投蒸汽-氧氣建立渣池液位→排渣→轉入正常生產(chǎn)控制。

氮氣升溫階段利用排渣燒嘴的高溫煙氣提供熱量，通過鼓風口加入氮氣的攪動混合將床層溫度逐步提高至300～400 ℃，同時煙氣中的余氧將下部的石油焦點燃升溫，讓火層逐漸上移到鼓風口正對的位置附近。

空氣升溫階段是射流區(qū)、撞擊區(qū)的逐步形成。將鼓風口的氮氣切換為空氣，在空氣的作用下，鼓風口周圍的石油焦逐漸燃燒并逐漸擴展燃燒區(qū)。隨著空氣量的增加，燃燒區(qū)也逐漸擴張。當空氣流量達到一定值的時候，在鼓風口的前方就會形成射流區(qū)。射流區(qū)空間繼續(xù)擴張與其它鼓風口的區(qū)域連在一片，就會形成撞擊區(qū)和中心區(qū)，此時可以觀察到六支鼓風口被“點亮”[3]。

投汽氧后渣池中心燃燒區(qū)的溫度達到1700～2000 ℃。劇烈的燃燒形成、擴展并熔渣，液態(tài)熔渣在重力的作用下匯入渣池內(nèi)集聚形成一定液位。由于液態(tài)渣密度高于煤和石油焦，在浮力及排渣口高溫煙氣的攪動作用下，渣池內(nèi)未反應的煤焦塊和石油焦會上浮。在此期間，渣池內(nèi)液態(tài)渣的液位會大幅波動，經(jīng)過2～4 h 培養(yǎng)在渣池內(nèi)將形成穩(wěn)定的液態(tài)渣液位，控制正常液位高度約 1480 mm，體積約 2.95 m3。

3.2.2 渣池液位控制

首先根據(jù)煤的灰分分析及石灰石的添加比例，計算出建立正常渣池液位需要的時間；再根據(jù)排渣壓差高低、排渣壓差穩(wěn)定性、鼓風口上部溫度是否產(chǎn)生變化，來綜合確定首次排渣的時間。通過在線視頻觀察液態(tài)渣的流動性、顏色及渣柱的粗細，據(jù)此評估排渣順控中各參數(shù)是否適應工作要求，并作出相應的調(diào)整，將氣化爐轉入正常運行狀態(tài)。

3.2.2.1 排渣控制方法

排渣由順控程序完成。禁止排渣時間T1→允許排渣時間T2→排渣時間T3→禁止排渣時間T1，完成排渣的循環(huán)。排渣順控程序設置完成后啟動程序即可實現(xiàn)排渣的自動控制。一般情況下，渣池壓差設置為 49 kPa，排渣DPIC壓差設置 18 kPa，DPIC閥位預設開度80%，T1設置100～150 s，T2設置 100 s，T3在25～45 s，負壓控制-6.9kPa。圖5表示渣池蓄渣時的參數(shù)，即T1時間內(nèi)或者T1+T2時間內(nèi)的參數(shù)。圖6表示渣池排渣時參數(shù)，即T3時間內(nèi)的參數(shù)控制情況。

當排渣禁止時間T1結束時，渣池壓差未達到 49 kPa 的設定值，程序?qū)⒗^續(xù)走T2時間，直到T2時間結束強制排渣。在T1結束時，或在程序走T2的過程中，一旦渣池壓差達到設定值，立即觸發(fā)排渣。在排渣時間T3范圍內(nèi)任一時間，排渣壓差≤-6.9 kPa時，應立即停止排渣，防止過度排渣。

圖5 渣池蓄渣工況[3] 圖6 渣池排渣工況[3]

排渣過程要觀察液態(tài)渣的性狀。一般液態(tài)渣為亮紅色較好，通過渣口的粗細程度與排渣口直徑相當。液態(tài)渣顏色暗紅表示渣溫偏低，液態(tài)渣排放形狀偏細則說明渣口上方有堵塞，或流動性好的渣量不足，應調(diào)整火焰溫度或者汽氧比恢復工況。

3.2.2.2 爐渣的黏度

爐渣黏度與其流動性互為倒數(shù)，直接影響到排渣各個環(huán)節(jié)，而影響爐渣黏度的主要因素是渣溫和渣組分。渣組分由灰組分+石灰石分解的CaO組成，東明褐煤典型的灰組分中(質(zhì)量分數(shù))SiO254.0%、Al2O317.5%、CaO 9.0%、Fe2O39.5%、MgO 1.8%、K2O 0.4%、Na2O 0.9%、P2O50.2%，在 1400 ℃ 時的黏度約 55 Pa·s。爐渣黏度控制，首先是根據(jù)灰組分計算出石灰石添加量，控制渣的熔點在1250～1350 ℃ 較為合理[3]，再計算出渣組分在 1400 ℃ 時的黏度是否在1～3 Pa·s。從圖7得出，CaO在渣中的質(zhì)量分數(shù)應在34%～45%。如果CaO在渣中的質(zhì)量分數(shù)低于34%，則渣的黏度急劇上升，必須調(diào)整。一般控制0.8

圖7 1400 ℃ Al2O3 10%條件下渣黏度與CaO-SiO2的關系圖(左)[5]和煤灰分黏溫曲線(右)[3]

BGL氣化爐渣池內(nèi)爐渣的溫度由汽氧比確定，汽氧比與渣池溫度關系如圖8。為維持渣池的相對穩(wěn)定性，一般給操作員的調(diào)整范圍較窄在0.88～0.96 kg/m3，避免過度調(diào)整。

圖8 汽氧比與渣池渣溫度關系圖

3.2.2.3 工藝負荷調(diào)整

鼓風口的流速范圍在90～225 m/s 之間，一般控制在110～160 m/s 范圍內(nèi)，過低會造成回火燒壞鼓風口頭部及耐火磚，過高則會造成狹長的燃燒帶。BGL氣化爐的工藝負荷控制要穩(wěn)定并滿足鼓風口的流速要求，以保持燃燒區(qū)的穩(wěn)定性、渣池溫度，以及產(chǎn)渣量的穩(wěn)定性，要避免大幅度的調(diào)整破壞原有的燃燒腔空間，從而惡化工況?？梢詮墓娘L口火焰監(jiān)測是否由“常亮”變成“閃爍”，或從“閃爍”變成“黑管”來判斷，還可以觀察鼓風口冷卻水溫差變大、鼓風口上部溫度上漲來判斷工況是否突變。

若工藝負荷發(fā)生了大幅調(diào)整，相應的排渣參數(shù)要重新設置保證排渣量與產(chǎn)渣量的平衡，避免渣池液面產(chǎn)生較大幅度的變化從而改變渣池的工況。

3.3 爐況判斷與處理

BGL氣化爐爐況判斷是操作員通過直接觀察和儀表監(jiān)測顯示獲得信息，然后對信息進行分析判斷爐況可能發(fā)生的波動性質(zhì)和幅度，是氣化爐是否穩(wěn)定長周期運行的重要環(huán)節(jié)。

3.3.1 正常爐況

正常爐況時，氣化爐工作均勻，煤氣分布合理，渣池溫度充沛穩(wěn)定，典型的標志如下：

1) 渣池壓差穩(wěn)定在45～49 kPa；2)鼓風口上部溫度監(jiān)測點在300～500 ℃ 范圍無異常上漲；3) 六只鼓風口火焰監(jiān)測指示為“常亮”或者連續(xù)穩(wěn)定“閃爍”；4)氣化爐中部四組壓差檢測值均<10 kPa；5)氣化爐上部溫度監(jiān)測點低于高報警值；6)各部位高壓冷卻水溫差低于高報警值；7)排出的液態(tài)渣顏色呈現(xiàn)桔紅色，流動性好，無固形物出現(xiàn)；8)排渣口火焰無異常形狀或顏色；9)排出的固態(tài)渣在2～5 mm，粉狀細渣少，渣中的鐵顆粒質(zhì)量占比<1%。

3.3.2 異常爐況

與正常爐況相比，煤氣在爐內(nèi)分布不均，渣池溫度不均，排渣壓差波動較大，采取一般措施進行糾正或者緩解。常見典型異常有:

1)渣池溫度不足，排渣顏色發(fā)暗，排渣有固形物或掛渣，排渣壓差上漲。在這種工況下，要及時采取措施：切換排渣口火焰模式，提高通過的煙氣溫度，適當調(diào)低汽氧比，分析石灰石配比是否有偏離，分析燃料氣甲烷濃度是否下降等；在適當養(yǎng)渣后，加強排渣糾正工況；若渣鎖排出的渣中鐵顆粒含量偏高，則表明是渣溫高，適當提高汽氧比、保持排渣口火焰溫度在 1700 ℃。

2)鼓風口堵塞，鼓風口變成“黑管”狀態(tài)，由于鼓風口前端有不熔物將其部分或者全部堵塞。根據(jù)該支鼓風口的流量情況將其切除，以免產(chǎn)生更大的危害。氣化爐切除1～3支鼓風口，能維持氣化爐運行。同時，應加強排渣保持渣池正常穩(wěn)定。

3)鼓風口高壓冷卻水溫差過大。表明鼓風口附近存在燃燒火焰，適當加大該支鼓風口的冷卻水量，同時加強渣池液位的控制防止其上漲帶來更大的危害。

4)高壓冷卻水泄漏。一般發(fā)生于鼓風口頭部位置，分析可能異常的鼓風口將其停運然后依次切除鼓風口根據(jù)高壓冷卻水液位變化找出泄漏位置，將其停運。

5)氣化爐夾套壓差升高。是爐內(nèi)氣體偏流分布不均帶塵量變大的信號，需要適當降低負荷和調(diào)整煤鎖下煤方式進行糾正。

3.3.3 失常爐況

由于某種原因造成的爐況波動，如果應對的不及時、不準確，就會造成爐況失常。典型的BGL氣化爐失常爐況有床層壓差上漲、熱備、ESD系統(tǒng)動作、排渣口堵塞等：

1)氣化爐床層壓差上漲。渣池壓差上漲處理不當造成渣池液位持續(xù)上升，破壞了燃燒腔室的形態(tài)，造成氧氣后燃，應降低汽氧比、提高渣口煙氣溫度，加強排渣。一旦床層壓差在 10 kPa 以上持續(xù)上漲，將導致停車，避免損壞設備。

2)熱備。主要由儀表因素造成，故障點處理完成應及時恢復投汽氧入爐，加強養(yǎng)渣和排渣，把渣池液位調(diào)整正常。

3)ESD動作。主要由儀表因素造成，立即向排渣口通入 1000 m3/h 氮氣，保持排渣口暢通，根據(jù)儀表處理進度按程序點火將氣化爐恢復至熱備狀態(tài)，然后恢復氣化爐的運行。

4)排渣口堵塞。一般由于不當?shù)呐旁蛘吲旁鼌?shù)設置不當引起，熱煙氣無法通過排渣口，渣池內(nèi)的液態(tài)渣也無法排出設備，此種情況只能停車清爐。

4 結束語

BGL氣化爐應用于低階煤(褐煤)過程中發(fā)生了設計工況下不會出現(xiàn)的問題，但經(jīng)過技術的消化吸收和改進也可以實現(xiàn)裝置的長周期運行。本文通過褐煤塊煤入爐的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，分析了BGL氣化爐運行的核心工作原理及其控制，找到了褐煤在BGL氣化爐上運行的關鍵，即控制液態(tài)渣池的穩(wěn)定性。