吳同舫，熊 江，仇 鵬

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

1 概 述

我國化石能源資源稟賦是“富煤貧油少氣”，煤的清潔高效利用具有重要的戰(zhàn)略意義和環(huán)保價值，煤氣化屬于煤炭主要的清潔高效利用方式之一[1-2]；其中，水煤漿氣化工藝近年來在我國的煤化工裝置中應(yīng)用較多，是煤氣化技術(shù)發(fā)展的主流方向之一。E-Gas氣化屬于氣流床加壓氣化技術(shù)，相較于Texaco氣化、Shell氣化[3-4]有諸多的優(yōu)點或特點，如連續(xù)液態(tài)排渣、分級多噴嘴水煤漿進(jìn)料、飛灰循環(huán)、專有的渣/碳分離技術(shù)、多級熱回收、投資小(不采用水冷壁)等，具有較高的市場應(yīng)用價值。

中海油集團(tuán)下屬某公司煤制氫裝置(簡稱該項目)氣化系統(tǒng)采用E-GAS水煤漿氣化工藝，屬國內(nèi)首套運(yùn)行的E-Gas氣化系統(tǒng)，生產(chǎn)2種粗合成氣，分別用于生產(chǎn)氫氣和丁辛醇；氣化系統(tǒng)共設(shè)3臺氣化爐(兩開一備)，年運(yùn)行8 400 h，設(shè)計投煤量209.6 t/h(收到基)，系統(tǒng)產(chǎn)出用于生產(chǎn)氫氣的有效氣(CO+H2)246 356 m3/h和用于生產(chǎn)丁辛醇的有效氣(CO+H2)16 808.4 m3/h[5]。

該項目E-Gas氣化系統(tǒng)工藝流程[5]:氣化爐一段噴入水煤漿和氧氣的混合物，在此進(jìn)行部分氧化反應(yīng)(液態(tài)排渣)，產(chǎn)生的粗合成氣(主要由一氧化碳、氫氣、二氧化碳和水蒸氣組成)進(jìn)入氣化爐二段；氣化爐二段噴入水煤漿與一段來的熱合成氣，在此發(fā)生吸熱反應(yīng)和氣化反應(yīng)，以提高粗合成氣的熱值和有效氣(CO+H2)含量，并提高系統(tǒng)整體熱效率。氣化爐二段出口粗合成氣進(jìn)入合成氣冷卻器回收熱量并副產(chǎn)超高壓蒸汽，之后進(jìn)入焦過濾器干法除灰，回收的半焦殘?zhí)糠祷貧饣癄t循環(huán)利用；除灰后的粗合成氣經(jīng)多級洗滌凈化后得到制氫合成氣和丁辛醇原料氣。氣化爐所排爐渣和黑水經(jīng)減壓組件減壓后進(jìn)入渣水系統(tǒng)，渣水系統(tǒng)包括碳回收設(shè)施、渣脫水罐、沉降槽等，渣水中的含碳細(xì)灰顆粒經(jīng)沉降分離后送入固體循環(huán)槽，然后返回制漿系統(tǒng)以提高氣化系統(tǒng)的整體碳轉(zhuǎn)化率，渣水中的爐渣則經(jīng)脫水后外送處理。

2 E-Gas氣化爐二段積灰問題

該項目E-Gas氣化系統(tǒng)自首次投產(chǎn)以來陸續(xù)出現(xiàn)了焦過濾器壓差增高、氣化爐二段積灰等問題，其中焦過濾器壓差增高問題已解決，但目前氣化爐二段積灰問題仍是制約系統(tǒng)長周期運(yùn)行的主要原因。參照國外在運(yùn)E-Gas氣化系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，初步分析認(rèn)為，原料適應(yīng)性不佳可能是導(dǎo)致該項目E-Gas氣化爐二段積灰嚴(yán)重的主要原因[6-7]。如果能為E-Gas氣化爐找到適應(yīng)性良好的原料，可有效擴(kuò)大氣化爐的操作窗口，提高氣化爐的抗干擾能力，在不必對氣化爐進(jìn)行大的改造的情況下即可延長系統(tǒng)的運(yùn)行周期，降低系統(tǒng)的安全風(fēng)險、運(yùn)行成本及維修費(fèi)用。

為此，選取代號為SY2、SY2SY3、SYP2-8、SYP3-7、SYP4-6的五種混合煤焦作為研究與分析對象，通過對五種原料進(jìn)料后氣化爐二段積灰量的對比，分析氣化原料的灰分和灰熔點對氣化爐二段積灰量的影響規(guī)律，并進(jìn)一步從原料礦物成分角度關(guān)聯(lián)積灰量，得到適合E-Gas氣化系統(tǒng)的進(jìn)料原料特征，并推廣到全國乃至國外同類E-Gas氣化系統(tǒng)，以提高E-Gas氣化系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，延長其運(yùn)行周期。

3 原料的工業(yè)分析及元素分析

代號為SY2、SY2SY3、SYP2-8、SYP3-7、SYP4-6的五種混合煤焦的工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)見表1?？梢钥闯?，SYP2-8、SYP3-7、SYP4-6的空氣干燥基水分(Mad)較低，而Mad即煤焦的內(nèi)在水分，是衡量煤對水吸附能力的重要指標(biāo)，Mad低則煤種的成漿性較好，有利于水煤漿加壓氣化反應(yīng)；SYP2-8、SYP3-7、SYP4-6相較于SY2、SY2SY3來說，揮發(fā)分含量(Vad)較低、固定碳含量(FCad)較高，冷煤氣效率較高。

表1 五種混合煤焦的工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)

4 不同原料下氣化爐二段積灰的對比分析

4.1 不同原料下氣化爐二段積灰量的對比

將代號為SY2、SY2SY3、SYP2-8、SYP3-7、SYP4-6的五種混合煤焦單獨進(jìn)料，在氣化爐二段積灰導(dǎo)致二段壓差達(dá)到一定值后停工，然后實際測量氣化爐二段的積灰量：氣化原料分別采用SY2、SY2SY3、SYP2-8、SYP3-7、SYP4-6時，氣化爐二段積灰量分別為21.5 m3、27.0 m3、6.0 m3、13.7 m3、10.3 m3。

五種原料下氣化爐二段積灰量的對比表明，以代號為SYP2-8的混合煤焦為原料時氣化爐二段積灰量最少，相對來說最適宜作為E-Gas氣化爐進(jìn)料。E-Gas氣化爐內(nèi)部的流場分布和積灰過程分析如下。

4.1.1 E-Gas氣化爐一段內(nèi)部射流流場分布

E-Gas氣化爐一段噴入的水煤漿經(jīng)過汽化、熱解、半焦顆粒氣化、渣的破碎燒結(jié)熔融，灰渣的運(yùn)動狀態(tài)有下行和上行兩種方式：大部分熔融狀的渣下沉之后，經(jīng)過臥式水平段A/B兩側(cè)從下渣口以熔融態(tài)排出；少部分熔融狀灰渣液滴和一些固體細(xì)灰顆粒被粗合成氣氣流攜帶沿氣化爐豎直段軸向向上運(yùn)動，經(jīng)過縮徑處后流速加快，從變徑口至氣化爐二段煤漿燒嘴又經(jīng)過擴(kuò)徑，粗合成氣流速變慢并與2個二段煤漿燒嘴射流噴出的霧化煤漿接觸。

4.1.2 E-Gas氣化爐二段內(nèi)部射流流場分布

上行的灰渣在與2個二段煤漿燒嘴射流噴出的霧化煤漿碰撞和熱交換后，產(chǎn)生新的粗合成氣與灰渣，熔融的液態(tài)灰渣量減少、固體灰渣變多。二段混合射流使粗合成氣攜帶的灰渣流向又分為兩部分：第一部分在2個二段煤漿燒嘴口產(chǎn)生回流，流至二段激冷噴嘴附近，因二段激冷噴嘴本體以及與氣化爐內(nèi)壁連接處溫度較低，且越靠近內(nèi)壁面射流物的流速越低，熔融態(tài)的灰渣會變?yōu)檎扯容^大的固態(tài)渣，粘附在二段激冷噴嘴周圍及上部，表現(xiàn)為積灰[8-11]；另一部分灰渣沿著軸向繼續(xù)上行并與二段激冷噴嘴噴出的冷流體混合降溫，灰渣由熔融態(tài)變?yōu)槭フ承缘墓虘B(tài)，然后進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)中予以分離。

4.2 原料灰分與積灰量的關(guān)聯(lián)性對比與分析

據(jù)表1數(shù)據(jù)，將代號為SY2、SY2SY3、SYP2-8、SYP3-7、SYP4-6的五種混合煤焦的灰分含量與積灰量進(jìn)行關(guān)聯(lián)性對比與分析，見圖1?？梢钥闯?，不同原料的灰分含量與積灰量的變化趨勢基本一致。選擇低灰分含量的原料，氣化爐二段的粗合成氣攜帶的灰渣量減少，相應(yīng)地二段積灰量減少，有利于E-Gas氣化爐的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。檢修時，查看氣化爐二段內(nèi)壁的實際情況，進(jìn)料采用低灰分含量的原料，氣化爐二段易形成較長區(qū)域的氣流通道積灰形態(tài)，從而可緩解積灰惡化導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行周期短問題[12]；進(jìn)料采用高灰分含量的原料，氣化爐二段易形成短區(qū)域內(nèi)的氣流通道大量積灰形態(tài)，造成氣流通道堵塞，短時間內(nèi)導(dǎo)致氣化爐二段壓差升高乃至氣化爐熱點出現(xiàn)，最終造成氣化爐停車。簡言之，采用低灰分含量的原料，有利于減少氣化爐二段的積灰量。

4.3 原料灰熔點與積灰量的關(guān)聯(lián)性對比與分析

代號為SY2、SY2SY3、SYP2-8、SYP3-7、SYP4-6的五種混合煤焦之灰成分及灰熔點見表2，不同原料灰熔點(FT)與積灰量的關(guān)系如2。結(jié)合圖2和表2數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，灰熔點適當(dāng)高的原料有利于改善E-Gas氣化爐二段積灰情況。如果進(jìn)料采用灰熔點偏低的原料，在氣化爐一段操作溫度不變的情況下，會有更多的密度小、重量輕的熔融灰渣被粗合成氣霧沫夾帶至二段激冷噴嘴附近，更容易被射流物攜帶至靠近氣化爐內(nèi)壁而產(chǎn)生積灰；同時，進(jìn)料采用灰熔點過低的原料，熔融狀流動的灰渣對氣化爐水平段底部耐火磚的沖刷腐蝕加劇，使耐火磚使用壽命縮短，嚴(yán)重時氣化爐會出現(xiàn)熱點乃至爐壁穿孔，若降低氣化爐的操作溫度，又會造成碳轉(zhuǎn)化率降低及其他問題的出現(xiàn)。

圖1 不同原料灰分含量與積灰量的關(guān)系

表2 五種混合煤焦的灰成分及灰熔點

圖2 不同原料灰熔點(FT)與積灰量的關(guān)系

為找到E-Gas氣化爐二段積灰量—灰熔點—礦物組成的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以利從原料礦物組成角度指導(dǎo)選擇可使E-Gas氣化爐二段積灰量小的原料，進(jìn)一步考察了不同原料之灰分的酸堿比、灰分中的CaO含量與灰熔點(FT)的關(guān)系，如圖3。可以看出：SYP2-8、SYP4-6的灰熔點(FT)為1 280 ℃，為五種混合煤焦中最高，SY2SY3的灰熔點(FT)為1 160 ℃，為五種混合煤焦中最低；從灰成分之CaO含量來看，SYP2-8、SYP4-6灰成分之CaO含量分別為16.23%和16.20%，在五種混合煤焦中相對最低，而對應(yīng)的灰熔點(FT)均為1 280 ℃，為五種混合煤焦中最高；原料灰熔點和灰分酸堿比變化趨勢基本一致。分析認(rèn)為，隨著原料灰成分之CaO含量的降低，原料灰熔點會升高，這是因為CaO含量少時灰渣處于莫來石區(qū)域，故灰熔點較高；隨著原料灰成分之CaO含量的增高，CaO與煤灰中的其他物質(zhì)反應(yīng)生成鈣長石，從而降低了灰熔融溫度[13-14]。原料灰熔點和灰分酸堿比變化趨勢基本一致，這是因為隨著灰分酸堿比的提高，高熔點礦物Al2Si4O10、CaFe4O6和Al2O3會出現(xiàn)，使得灰熔融溫度升高[13，15]。結(jié)合氣化爐二段的積灰量，分析表明，原料灰分酸堿比在2.29、CaO含量在16.2%的原料較為適宜E-Gas氣化爐。這也充分表明了氣化爐二段積灰量—灰熔點—礦物組成三者的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對選擇適宜于E-Gas氣化爐的原料方案具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，且從原料的工業(yè)分析數(shù)據(jù)和灰熔點角度出發(fā)選擇原料，可節(jié)省大量的時間和經(jīng)濟(jì)成本。

圖3 不同原料礦物組成與灰熔點(FT)的關(guān)系

5 結(jié)束語

通過考察代號為SY2、SY2SY3、SYP2-8、SYP3-7、SYP4-6的五種混合煤焦作為E-Gas氣化爐進(jìn)料后的系統(tǒng)運(yùn)行情況，該項目E-Gas氣化系統(tǒng)對進(jìn)料原料作了相應(yīng)的調(diào)整。此前氣化系統(tǒng)開車后短時間內(nèi)氣化爐二段積灰嚴(yán)重，隨著進(jìn)料原料的優(yōu)化，如今氣化爐二段積灰量很少，原料優(yōu)化效果很明顯?？傮w來看，采用代號為SYP2-8的混合煤焦為原料時氣化爐二段的積灰量最少，即代號為SYP2- 8的原料適應(yīng)性最佳。

代號為SY2、SY2SY3、SYP2-8、SYP3-7、SYP4-6的五種原料礦物組成與E-Gas氣化爐二段積灰量的研究分析表明，五種原料的灰分含量與氣化爐二段積灰量的變化趨勢基本一致，五種原料的灰熔點與氣化爐二段積灰量變化趨勢則相反，五種原料的灰熔點與CaO含量變化趨勢相反、灰熔點與灰分酸堿比變化趨勢基本一致。據(jù)此關(guān)聯(lián)性，可以從原料礦物組成角度去選擇適宜于E-Gas氣化爐的原料，以減少原料優(yōu)化的時間和經(jīng)濟(jì)成本。下一步的工作是，在保證E-Gas氣化爐二段不積灰(或很少積灰)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對氣化系統(tǒng)進(jìn)料原料進(jìn)行優(yōu)化，以找到可使E-Gas氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)效益最佳的原料。