中能公司关于降低粗渣残碳量的探究

中能公司关于降低粗渣残碳量的探究

牛勇

安徽晋煤中能化工股份有限公司  安徽临泉 236400

摘要：以煤种的稳定性，配煤掺烧的数据分析，烧嘴问题，工艺控制及甲烷优化问题对如何降低粗渣中的残碳进行了深入分析，提出了可行的方案，降低了粗渣中的含碳量，提高了积极效益。

关键词：原煤成分;气化炉;烧嘴；渣口；粉煤粒度；粗渣残炭；甲烷控制；煤炭利用率

1、工艺概述：

航天炉气化技术又称HT-L粉煤加压气化技术，由中国航天科技集团公司下属北京航天石化技术装备工程公司开发，该项目技术是结合国内外煤化工的现状，独自研发的拥有自主知识产权的粉煤加压气化技术，打破了国外对该技术的垄断。

中能公司252万Nm3（CO+H2）/日原料路线改造工程，根据当时航天院第一代试验炉100万Nm3（CO+H2）/日炉型的工艺生产情况，在与北京航天万源煤化工工程技术有限公司沟通后，本着风险共担，利益共享的原则，共同合作建设，设计生产能力为252万Nm3（CO+H2）/日的粉煤加压气化装置，单炉日处理原煤1600吨，运行压力4.0MPa,该炉型的燃烧室为3.2米，激冷室为3.8米，同时渣水增加旋风分离器，低压闪蒸系统，改善水质的同时提高了合成气温度，节能性和原煤适应性得到了很大的提高。

中能公司航天炉装置从2017年7月开工建设，2019年1月进入设备安装阶段，2019年11月开始单体试车，2020年3月开始系统联动试车，2020年5月31日气化炉一次投料开车成功，此次中能公司三期航天炉的投产，提高了公司的生产能力及产品结构，使企业抗风险能力进一步加强，竞争优势更加明显。通过2年来对装置的不断探索、不断总结、不断优化、不断创新，航天炉装置运行的稳定性、经济性得到不断地发挥，目前已经连续运行550多天未检修，再次证明了该装置的稳定性和先进性，为公司创出了宝贵的业绩。

2、航天炉技术特点

（1）干煤粉进料：20 ～90微米煤粉颗粒惰性气体输送：氮气或二氧化碳高压气化炉：2.0～4.0MPa。其优点表现在：⑴干煤粉进料气化效率高严格控制进料煤粉的水含量。与湿法比较，1Kg水煤浆可以减少蒸发0.35Kg水，节约～2600KJ的能量，折算标煤0.113Kg（5500Kcal/Kg），占进煤量的17％。粉煤气化比水煤浆气化：冷煤气效率提高10％，氧耗量降低15～25％。有效气产量提高6％。⑵先进成熟的干煤粉密相输送技术悬浮速度7～10m/s，固气比480Kg/m3，载气量少。⑶强化燃烧，提高了单位体积的产气率，气化强度高在同样生产能力下，与常压炉相比，设备尺寸最小，结构紧凑，占地面积小，燃烧效率提高。

（2）气化炉膛允许操作温度：1400 ～1700℃，其优点表现在：⑴煤种适应性范围广煤的灰熔点可选范围宽（1250 ～1650℃），气化原料可选范围广；⑵碳转化率高、粗合成气品质好，CH4含量低碳转化率设计值≥99.5%，出口合成气有效气体(CO+H2)体积≥90%，CH4体积≤300PPm。⑶提高反应速率，可缩短反应停留时间高温、高压提高反应速率。与水煤浆气化工艺比，更容易达到平衡状态。平均炉内停留时间10S。⑷干煤粉纯氧燃烧，提高火焰中心温度，火焰短燃烧器火焰的中心温度：1800～2150℃。

（3）单烧嘴顶烧组合燃烧器优点：⑴燃烧火焰、炉内物料流场与炉膛结构有较好的符合炉内煤粉热解区、火焰燃烧区、烟气射流区、烟气回流区以及二次反应区分布合理。反应停留时间满足气化要求⑵燃烧负荷调节范围大负荷调节范围：60%～120 %⑶燃烧器结构设计合理、具有良好的燃烧性能中心氧与旋流煤粉混合充分，煤粉反应完全；火焰形状、稳定性好；⑷安装、调试、维护方便集高能电点火装置、液化气(柴油）点火烧嘴、火检为一体，独立冷却水外盘管，拆装维护方便。⑸精良的加工制造工艺关键材料采用进口材料或同类特制国产材料，焊接和组装工艺严格按规范执行，整体热处理消除热应力。⑹烧嘴的设计寿命大大延长水冷夹套式烧嘴冷却方案，可保证烧嘴长周期运行稳定可靠。设计寿命20年，烧嘴头部局部维护时间6月一次。

（4）密闭式盘管水冷壁辐射室结构，设计寿命20年优点：⑴水流量分布均匀“六进六出”结构可以保证管程流阻分布均匀。⑵控制盘管内水汽化率，调节炉内热平衡水汽化率6.5%，蒸汽产量～42000Kg/H（满负荷）。⑶盘管焊接接头少单根直管可达12m。⑷盘管轴向热膨胀量较小盘管热应力分析表明，径向热膨胀量6mm。⑸多组冷却水盘管便于维护和更换烧嘴盘管、渣口盘管分别进水，易于调节和更换⑹制造加工工艺成熟专用盘管热弯、焊接、组装、检验生产线。

（5）“自我修复式”耐火材料结构，维护量少优点：⑴“自我修复式”耐火材料结构，提高材料的使用寿命水冷壁外可以形成稳定的固渣层3～5mm，“以渣抗渣”，抵抗气体和熔渣的冲刷和磨损⑵水冷壁降低耐火材料的蚀损率保证SiC材料的使用温度＜1400℃，保证高温强度不降低⑶耐火材料的组合结构，降低炉膛散热损失炉内向外依次有液渣、固渣、SiC耐火材料、水冷壁、惰性气体保护层、高铝不定型耐火材料、外保温层，散热损失小⑷耐火材料的选材具有低的气孔率、较高的高温强度、较好的热稳定性不定型耐火材料最大粒径小于4mm，高温耐压强度≥85N/mm2，永久热变形≤0 .73%，有效的不定型结构设计⑸耐火材料的施工、养护、维护和更换方便，价格低

（6）燃烧效率高、环保性能好优点：⑴冷煤气效率、热效率都高于湿法工艺控制煤粉进料水含量降低能量消耗，冷煤气效率比湿法提高10％，热效率提高6％⑵高温煤气化，C转化率高于湿法工艺C转化率≥99.5%，比湿法工艺提高1%，降低固渣排放⑶纯氧燃烧，比常压炉降低空气排烟损失额定工况热效率不小于95%⑷盘管冷却水副产中压蒸汽回收炉内燃烧热量3~5%⑸控制N2进炉量，可以降低NOx的排放固气比达12:1，载气量较少⑹废水有害成分极少，生化处理后可直接排放；固渣捕集完全，可用做建筑材料或深埋，对环境无其他污染。

4、运行问题分析

通过对实际操作中的工况进行分析，召开专题讨论会，集思广益，总结出影响灰渣残炭和煤炭利用率的因素有以下几个方面：

（1）航天炉对原煤的指标数据要求：

目前三期航天炉试烧煤种为红柳林、华煜隆、大砭窑、海湾、九州、金铭神木、新能、神木盛源、神木富鑫等，通过运行总结及数据分析得知，稳定的掺烧比例为红柳林和类似煤种≤70%，神木煤系比例≥30%运行较为稳定。

（2）粉煤烧嘴存在不合理性：由于粉煤烧嘴结构保密，在烧嘴头部粉煤和氧通道

有变化时，很难通过工艺控制一次性找到最合理的操作点，导致在以工艺适应烧嘴的过程中煤炭利用率低，灰渣中残炭高，2021年5月1日停车时发现两处裂纹，通过更换烧嘴，目前运行稳定。

（3）运行指标的工艺优化控制：通过对运行数据及气体成分的分析，当甲烷控制偏低时，有效气成分含量偏高，炉温容易波动，当甲烷控制偏高时，渣和滤饼残碳高，粉煤无法完全参与反应，加重灰水负担，粉煤粒度是否合格也是影响转化率的重要因素。

3、方法总结

（1）在车间的组织协调下，新来原煤和转来的原煤有序存放，通过和安徽理工大学合作，对原煤组分分析数据进行分析梳理，有计划的掺烧，调节不同煤种的流温区间和渣的黏温特性，使其符合航天炉的燃煤指标，确保挂渣稳定，流温区间合理。避免了因对原煤数据分析的不了解而被动盲目掺烧局面，在原煤煤方面，通过加强了煤场输煤的管理，使其有序堆放，也使得配煤相对稳定。

（2）烧嘴泄漏后，蒸汽入炉量增加，同时影响烧嘴的旋流雾化效果，造成粉煤偏流，燃烧不充分。2021年5月1日利用检修对粉煤烧嘴进行更换，解决了烧嘴问题影响装置的稳定运行。

（3）粉煤粒度的高低对于煤炭利用率的影响不容忽视，因此在日常的操作中，我们通过磨辊加载力的优化控制，把正作用力控制在8-10MPa，反作用力控制在2.5---3.5 MPa，磨煤机旋转分离器转速控制在80---100转/分，循环风量根据负压控制在-2.5----3.5KPa，可以保证粉煤粒度合格。同时我们避免磨机大幅的负荷调整，在保证废料的前提下减小循环风量，通过自身的不断努力，将粉煤粒度提高到指标范围内并争取找到粒度的最佳控制点。

（4）工艺指标的控制，通过2年来的运行总结，并结合现场渣样，化验室渣饼数据分析的研究，当甲烷控制在400-700PPm较为合理，水氧比控制在0.09-0.11较为合理，有效气体成分含量达到90%以上。

4，实施效果

通过对工艺设备的技术革新，装置的不断优化，，残炭含量降到了4个百分点一下，基本维持在百分之三左右，节约了煤炭，产量不断得到提升，为公司取得了可观的经济效益。

5，参考文献：

【1】航天科技集团煤化工事业部培训教材；

【2】许祥静，刘军，煤炭气化工艺.2007：化学工业出版社；

【3】胡瑞生，李玉林，白雅琴，现代煤化工基础.2012：化学工业出版社；

【4】郭树才，胡浩权煤化工工艺学.2012：化学工业出版社；