固定床煤氣化技術(shù)討論

固定床煤氣化技術(shù)討論（一）杜始南江西化工設(shè)計(jì)院昌昱造氣技改設(shè)計(jì)所2011.5.1我國(guó)的常壓固定床煤氣化技術(shù)水平可以說(shuō)是代表了世界的。但目前看來(lái)設(shè)備結(jié)構(gòu)差別不少，工藝操作各有說(shuō)法，消耗水平和發(fā)氣能力差距極大，技術(shù)改造的方向又眾說(shuō)紛紜。茲將固定床氣化技術(shù)的幾個(gè)工藝設(shè)備問(wèn)題，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)進(jìn)行簡(jiǎn)單地分析，以供大家討論時(shí)參考。1、高徑比的問(wèn)題。造氣爐引進(jìn)高徑比概念來(lái)指導(dǎo)造氣爐的設(shè)備制造和工藝操作，實(shí)際上是很牽強(qiáng)的，有些人甚至鼓吹高徑比應(yīng)超過(guò)2。更有甚者，儼然以專家權(quán)威自居，說(shuō)是φ2.8造氣爐2.2:1的高徑比是標(biāo)準(zhǔn)。顯然，這些人是忘記了固定床的床層是固定的這一前提了。因?yàn)槊旱臍饣磻?yīng)只在高溫區(qū)發(fā)生，煤的溫度在900°以下時(shí)，煤氣化反應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中已經(jīng)沒(méi)有實(shí)際效果。根據(jù)固定床煤氣化技術(shù)原理,固定床的氣化火層最高溫度區(qū)不會(huì)超出爐蓖風(fēng)帽頂100-200高，你把爐子做得那么高，不是給氣化火層往上移創(chuàng)造條件了么。氣化火層上移，煤氣帶出熱增多，煤耗會(huì)急劇上升。有人說(shuō)氣化爐高度提高，單爐貯煤容積增加，可以相應(yīng)增加碳層高度和渣層厚度，有利降低造氣爐的煤氣溫度、提高蒸汽分解率，對(duì)造氣爐的負(fù)荷、消耗和氣質(zhì)均有利。這些說(shuō)法不是很準(zhǔn)確的。因?yàn)椋?）碳層高度和渣層厚度增加對(duì)降低煤氣溫度作用甚微，原因是煤和渣的導(dǎo)熱系數(shù)都只有零點(diǎn)幾，而氣體的導(dǎo)熱系數(shù)則只有零點(diǎn)零幾靠氣固兩相對(duì)流傳熱，交換不了多少熱量。（2）蒸汽的分解只在高溫的氣化火層有效進(jìn)行，熱碳層和灰渣層再高再厚對(duì)它起作用甚微。（3）由于碳層高度和渣層厚度增加造成氣化劑進(jìn)出氣化火層的阻力增大，對(duì)造氣爐的負(fù)荷只會(huì)不利不會(huì)有利。（4）由于給氣化火層上移創(chuàng)造了條件，使得煤耗只會(huì)增加。（5）氣質(zhì)還有可能降低，比如，對(duì)間歇?dú)饣鞒虂?lái)說(shuō)，提高造氣爐的高度會(huì)引起吹風(fēng)氣中一氧化碳含量的升高。制氣時(shí)還會(huì)造成煤氣中甲烷含量的增加。當(dāng)然，從爐體尺寸對(duì)比中，肯定可以得到高徑比這個(gè)數(shù)值。也就是說(shuō)，爐體結(jié)構(gòu)是有這么個(gè)高徑比的數(shù)據(jù)的。單看數(shù)據(jù)的話，人們其實(shí)可以很容易地發(fā)現(xiàn)爐膛直徑越大，高徑比數(shù)值越小。知道固定床煤氣化原理的人，頭腦里馬上就會(huì)理解，這正是固定床氣化火層的床層特點(diǎn)，不是因?yàn)槟惆褷t膛直徑加大，氣化火層厚度就會(huì)變高的。遺憾的是，我國(guó)那么多的煤氣化專家不這么認(rèn)為。據(jù)說(shuō)是他們的共識(shí)，專家們一致認(rèn)為造氣爐三個(gè)高徑比（爐體高徑比、夾套高徑比、容炭高徑比）都得按標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)也不能差，據(jù)說(shuō)這牽涉到高蓄熱量和高氣化強(qiáng)度。其中爐體高徑比還是采購(gòu)造氣爐的標(biāo)準(zhǔn)。爐子愈高，氣化火層會(huì)愈厚，但只是900℃以下溫度的碳層厚，高溫氣化火層的厚度是不以爐膛高度的加高而變厚的。高爐體能多裝炭是最直接的結(jié)果。各位不妨去問(wèn)問(wèn)實(shí)實(shí)在在操作著的工人，爐體改高了，碳層加高沒(méi)有？是什么原因不能把碳層加起來(lái)？2、固定床爐系統(tǒng)的中氮流程和小氮流程哪種好？從大的范圍講，煤氣化流程其實(shí)只有一種，那就是煤在氣化爐里利用燃燒自身發(fā)熱形成高溫炭分解水蒸氣、還原二氧化碳，即通常說(shuō)的煤氣化產(chǎn)生高溫含塵的粗煤氣，高溫含塵粗煤氣經(jīng)除塵、換熱、洗滌即降溫凈化獲得常溫干凈的冷煤氣?，F(xiàn)在意義上的中氮流程指有燃燒室、三通閥、洗氣箱、高煙囪和傾斜廢熱鍋爐的，原化工部4.5萬(wàn)噸/a合成氨造氣車間定型設(shè)計(jì)。而小氮流程指的是裝置配置在小型基礎(chǔ)上造氣爐爐膛卻已改大，配套管道閥門相應(yīng)變得比較緊湊，吹風(fēng)煙氣二次燃燒搬到了吹風(fēng)煙氣余熱回收工號(hào)的，氣化后除塵、降溫配置簡(jiǎn)單化了的并且已全盤學(xué)來(lái)了中氮自動(dòng)化程度高的那部分技術(shù)的優(yōu)化流程。的短截。隨機(jī)堆積的結(jié)果是孔隙阻力大，爐出口煤氣溫度易于控制，灰渣排出未燒透的小短截煤棒不多。顯然煤棒爐比煤球爐好操作得多。這恐怕是應(yīng)著了水至清則無(wú)魚(yú)那句話了。順便說(shuō)一句，書(shū)上說(shuō)的以及一直沿用至今的固定床造氣爐適合燒25-75的塊度的說(shuō)法，即使這里的原料是只指焦炭，我認(rèn)為其實(shí)也是不合適的。生產(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)表明，恐怕改成25-40，甚至15-30會(huì)更合適一些。因此，燒煤球、燒煤棒、燒塊煤、燒焦炭各有各的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，總體看來(lái)，塊度不能大。而煤球則摻燒小粒煤才好燒。煤球的直徑，如果將壓球機(jī)的球模改成20-35，各家的煤耗將會(huì)有明顯的下降。6、渣是工藝造的，渣層的穩(wěn)定高于一切。氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)低耗的根本。但影響固定床氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵是什么呢？毫無(wú)疑問(wèn)，是爐內(nèi)結(jié)大塊。入爐煤塊度均勻、大小顆粒度配比合理、含粉少，氣化劑入爐流量平穩(wěn)，爐篦布風(fēng)均勻、爐條機(jī)排灰能力適當(dāng)，恰當(dāng)?shù)陌俜直龋侠淼呢?fù)荷和上下吹比例，合適的蒸汽用量都是保證氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件。操作運(yùn)行當(dāng)中，固定床碳層高度和氣化渣層厚度的穩(wěn)定是氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的首要問(wèn)題。特別是渣層穩(wěn)定，影響著全局。渣層好壞就是指有沒(méi)有大塊。最好的灰渣層指灰渣的粒度和入爐煤塊一樣大小一樣均勻，都是熔渣卻極少殘?zhí)康哪欠N。這樣，氣化火層和爐篦層面有相當(dāng)?shù)陌踩嚯x，同時(shí)入爐的氣化劑能得到均勻的分布和預(yù)熱，但問(wèn)題是我們無(wú)法直接觀察渣層和去測(cè)量其厚度，這就是渣層控制的實(shí)際困難。雖然爐條溫度計(jì)安裝在爐蓖第一層縫隙處，應(yīng)當(dāng)說(shuō)和渣層溫度存在著一定的相關(guān)性。但由于時(shí)下?tīng)t條溫度計(jì)是高溫?zé)犭娕迹饕獪y(cè)量得到的是氣流流動(dòng)帶出熱，等測(cè)量到氣化火層輻射熱時(shí)，它跟爐蓖一樣已經(jīng)被燒壞了。所以我們測(cè)得的爐條溫度數(shù)值，往往跟下行溫度差不了多少就是這個(gè)緣故。許多小氮廠并不安裝爐條溫度計(jì)也就是這個(gè)緣故。渣層的厚度，渣層的灰渣塊的大小和均勻度，關(guān)系著造氣爐的負(fù)荷量，關(guān)系著灰渣殘?zhí)苛?。其操作控制主要靠操作工的?zé)任心和爐況判斷能力及爐情處置能力。不僅僅是通過(guò)調(diào)整爐條機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變排灰量和渣層的厚度。重要的是對(duì)全局的分析判斷。有人提出了爐蓖造渣的“工藝造渣理論”反對(duì)工藝造渣的理念。他們認(rèn)為渣塊的大小是爐條機(jī)的運(yùn)動(dòng)決定的，換句話說(shuō)，是爐蓖造渣。并且自詡為提出了“工藝造渣理論”，而且是一種微型改造發(fā)明。在一篇報(bào)道改進(jìn)氨廠造氣傳統(tǒng)的工藝與操作的文章中是這么說(shuō)的：正像鍋爐鏈條爐排一樣，煤燃盡又達(dá)到成渣溫度，由于爐排的轉(zhuǎn)動(dòng)，作用于熔融發(fā)粘的薄渣層，使松動(dòng)裂成碎塊。同理造氣爐工藝造渣就是由于爐條機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)才能波及到成渣區(qū)，使熔融狀態(tài)的渣，在爐條機(jī)的波動(dòng)下，熔融發(fā)粘的薄渣層松動(dòng)、分裂成為小碎塊。每個(gè)循環(huán)的吹風(fēng)空氣和上吹蒸汽又容易直接竄入熔融的成渣區(qū)，故形成了蜂窩狀的小碎塊。固定床煤氣化原理告訴我們，氣化火層高溫炭的溫度必須達(dá)到該炭的最高點(diǎn)，煤的氣化效率最高。而該炭最高溫度是其灰熔點(diǎn)。到了灰熔點(diǎn)時(shí)炭里的灰就熔融。氣化劑到達(dá)氣化火層跟高溫炭反應(yīng)消耗了高溫炭和熔融灰的熱量，熔融灰被降溫到灰熔點(diǎn)以下。灰熔點(diǎn)以下的灰就結(jié)成塊。你看碳只有跟空氣里的氧反應(yīng)才能獲取高溫。高溫炭和熔融灰只有跟氣化劑接觸才能產(chǎn)生煤氣同時(shí)產(chǎn)生灰渣。同樣，氧多則高溫炭多、熔融灰也多氣化劑消耗多、煤氣產(chǎn)量多、灰渣塊產(chǎn)生大而且多?？諝獾倪M(jìn)送，氣化劑的進(jìn)送不都是工藝嘛。這造渣的功勞不歸工藝，還能歸屬給別的嗎。千萬(wàn)要明白，爐內(nèi)的渣塊大小、多少都是被操作工藝控制著的。并不是靠爐蓖控制的。爐蓖只能實(shí)施正常的布風(fēng)排灰。爐內(nèi)正常生產(chǎn)是必須有渣塊的，沒(méi)有渣塊是生產(chǎn)不正常的表現(xiàn)。當(dāng)然太大的大塊是工藝操作指標(biāo)與入爐原料品質(zhì)不匹配造成，是氣化劑進(jìn)出量不穩(wěn)定造成的，是工藝操作參數(shù)在操作中被控制失誤造成的。渣層的穩(wěn)定，靠操作指標(biāo)合理靠操作工的操作控制責(zé)任心和技術(shù)水平。渣層的穩(wěn)定之所以這么重要是因?yàn)樵鼘铀幍奈恢檬种匾?。在這個(gè)位置上，由它控制著氣化劑、煤氣在爐下部進(jìn)出氣化火層的路徑。它讓你進(jìn)你才能進(jìn)，它不讓你進(jìn)，你就進(jìn)不去，它的顆粒均勻，你能均勻進(jìn)出，它的顆粒不均勻，你進(jìn)出氣化火層就均勻不了，吹翻漏碳全由它決定。渣層的穩(wěn)定高于一切。還用再解析嗎。7、氣化爐負(fù)荷的控制。氣化爐的負(fù)荷能力對(duì)應(yīng)著一定品種品質(zhì)的原料是肯定的。隨著氣化爐負(fù)荷的提高，首先是吹風(fēng)煙氣帶出熱增加，煤氣爐出口煤氣帶出熱上升，蒸汽用量會(huì)以比負(fù)荷提高更大的比例增加，煤氣和未反應(yīng)的蒸汽帶走的熱量相應(yīng)以非想象比例增加。同樣截面爐膛氣流速度加快，氣化劑在氣化火層停留時(shí)間縮短，蒸汽分解率下降、二氧化碳還原率下降，煤氣有效成分降低，綜合煤耗將急劇上升。原因是，讓氣化爐負(fù)荷提高，我們的本意是讓吹風(fēng)進(jìn)去的氧提高。而氧提高的同時(shí)不得不跟著進(jìn)去4倍氧體積的氮。這些氮進(jìn)爐帶出氣化火層的熱量、大大提高氣化火層中氣相體積使氣流速度增加減少氣固接觸時(shí)間。多大爐截面的煤氣爐，燒什么樣的原料煤，只能生產(chǎn)它能夠生產(chǎn)出的煤氣。你讓它多產(chǎn)是要付出高煤耗的代價(jià)的。因此氣化爐的出口煤氣溫度（包括吹風(fēng)煙氣溫度）對(duì)蒸汽分解率的影響是十分明顯的。氣化爐出口的煤氣溫度（包括吹風(fēng)氣溫度）和蒸汽分解率對(duì)氣化爐的消耗水平和發(fā)氣量關(guān)系極大。同樣的設(shè)備、同樣的煤種、同樣的負(fù)荷，爐出口煤氣溫度越低，蒸汽分解率越高，煤氣和未反應(yīng)的蒸汽帶走的顯熱越少，則煤耗越低、煤氣中有效成分愈高，反之亦然。當(dāng)然，建造煤氣爐是為了生產(chǎn)煤氣的，你也不可能為了低煤耗就降低生產(chǎn)負(fù)荷是不是。8、加壓夾套鍋爐問(wèn)題造氣爐的夾套鍋爐是保護(hù)造氣爐爐壁不被燒壞用的。因?yàn)樵鞖鉅t氣化火層位置在造氣爐爐蓖附近，其炭溫度高達(dá)1300°。沒(méi)有水夾套鋼鐵會(huì)被燒壞，如果該處也采用耐火材料做襯里，則灰渣肯定要掛壁。夾套的用途是保護(hù)氣化火層處的爐壁鋼板不被燒壞，同時(shí)保持氣化火層熱量不過(guò)多損失。當(dāng)然，如采用特殊材料比如河南新鄉(xiāng)的中科化工，用黏貼新密瓷磚取代水夾套不是不可以，甚至像國(guó)外的氣流床那樣在夾套爐膛側(cè)內(nèi)部水冷壁管外再搞SiC涂層也行，但成本高，而且經(jīng)常結(jié)渣、掛渣難處理。為了這點(diǎn)小事折騰，何必呢。所以我覺(jué)得做水夾套已是最佳選擇。個(gè)別廠，比如河南安陽(yáng)的幾臺(tái)一氧化碳煤氣爐以及大多數(shù)燃?xì)鈿饣癄t采用全夾套造氣爐結(jié)構(gòu)。我認(rèn)為也是沒(méi)有必要的。因?yàn)闅饣饘泳湍敲匆稽c(diǎn)高度。煤氣化爐夾套的高度值一般是等于爐膛直徑值，這是指小型爐。正確設(shè)計(jì)不是這么隨便說(shuō)的。為了適應(yīng)寶塔爐蓖創(chuàng)建的氣化火層的位置。夾套高度是這樣設(shè)計(jì)計(jì)算來(lái)確定的。首先，寶塔爐蓖確定計(jì)算總傾角，一般是45度。然后，氣化火層上限位確定計(jì)算值，一般視所燒原料煤的粒度特性分析計(jì)算而得，最大不超過(guò)1.5米。因此，寶塔爐蓖爐的夾套高度總是二分之一爐膛內(nèi)徑另加約1.0-1.5米。每臺(tái)煤氣化爐應(yīng)該有獨(dú)立的一個(gè)汽包，夾套鍋爐的汽包應(yīng)該獨(dú)立放置到比夾套鍋爐高的位置，汽包升降管不得安裝任何閥門。這些是國(guó)家鍋爐安全監(jiān)察規(guī)程為了鍋爐運(yùn)行安全規(guī)定的。固定床煤氣化爐夾套鍋爐應(yīng)該按蒸汽用途的工藝需要確定控制壓力。許多廠一味地追求加壓夾套。以為蒸汽壓力高蒸汽品質(zhì)就好、可以克服造氣爐冷壁效應(yīng)多產(chǎn)煤氣、可以減少氣化火層跟夾套鍋爐水的溫差降低氣化火層熱損失。這些說(shuō)法并不科學(xué)。因?yàn)椋?）蒸汽品位是依附于蒸汽的用途的。（2）冷壁效應(yīng)的概念在固定床造氣爐并不適用，因?yàn)闅饣饘游恢玫膫鳠嶂饕鹱饔玫氖禽椛鋫鳠岫皇菍?duì)流傳熱，更不是靠接觸傳遞導(dǎo)熱。在1300℃情況下，連對(duì)流給熱都是被忽略了的。君不見(jiàn)氣流床水冷壁管的管壁還要掛熔渣呢。（3）生產(chǎn)蒸汽為目的的夾套鍋爐拿走熱量的多少，不是以氣化火層給出熱量多少為依據(jù)的，而是以蒸汽想拿走多少熱量來(lái)衡量的，要讓氣化火層減少一些熱損失，那得少向它要些熱量。（4）事實(shí)上，夾套鍋爐壓力提高后鍋爐水的溫度提高，對(duì)周圍環(huán)境散熱增加，浪費(fèi)的熱量更多。當(dāng)然必須讓造氣爐夾套鍋爐生產(chǎn)高壓蒸汽才能將蒸汽送到使用的地方時(shí)，造氣爐夾套鍋爐還是應(yīng)當(dāng)采用加壓夾套的，否則，夾套蒸汽怎么送過(guò)去呢。目前的問(wèn)題是，有的廠思想觀念有些問(wèn)題。他們不僅想采用加壓夾套來(lái)提高夾套內(nèi)的水溫，從而減少氣化火層熱損失；還想用提高夾套制造的壓力等級(jí)來(lái)避免夾套鍋爐的爆炸損壞。造氣爐的夾套是受火的，并不是普通壓力容器。制造實(shí)踐中是相當(dāng)嚴(yán)格的。但即使這樣，夾套爆炸的事件仍時(shí)有發(fā)生。安徽華爾泰、湖北金源和楚星、福建三明等等多家在用造氣爐的加壓夾套鍋爐，幾乎沒(méi)有一家是控制在設(shè)計(jì)規(guī)定壓力以上才爆炸的。在不到設(shè)計(jì)規(guī)定的操作壓力情況下就爆炸了，爆炸的原因要認(rèn)真分析。缺水時(shí)，內(nèi)筒受火鋼板燒變形拉裂焊縫內(nèi)筒爆炸。現(xiàn)在一些廠甚至夾套外筒也爆炸，是不是都是操作失誤—缺水造成的呢？從預(yù)防缺水這一點(diǎn)出發(fā)，每個(gè)夾套配一臺(tái)汽包，每個(gè)汽包配兩套液位計(jì)是必要的。要知道，一旦它要爆炸起來(lái)，夾套鍋爐設(shè)計(jì)成再高壓力等級(jí)也是不抵事的。另外造氣爐的夾套內(nèi)筒在采用大的總傾斜角度的塔型爐蓖時(shí)，是很快要被磨損應(yīng)定期更換的，尤其是內(nèi)筒的底下1m，采用造氣爐設(shè)備時(shí)一定不能忘記考慮。9、爐頂閥問(wèn)題從前是沒(méi)有爐頂閥的。原因1、是造氣爐的單爐消耗問(wèn)題沒(méi)有被很重視，2、造氣爐的煤耗跟爐上溫度的關(guān)系沒(méi)有被充分認(rèn)識(shí)，所以造氣爐工藝指標(biāo)的爐上溫度比較高，3、造氣車間的固定床煤氣爐操作水平還沒(méi)有達(dá)到能將爐上溫度降低到≦300℃的程度。煤價(jià)在不斷上漲，化肥價(jià)已經(jīng)很難提高、甲醇價(jià)則受石油價(jià)格的制約捉摸不定。固定床煤制氣的許多廠，要是沒(méi)能掛靠有煤礦的公司，真不知道能活到哪一天。固定床煤氣化現(xiàn)在正面對(duì)大規(guī)模流化床、氣流床煤氣化的競(jìng)爭(zhēng)性壓力。要生存下去，只有一條路，那就是降低單爐消耗。現(xiàn)在是不用提醒，誰(shuí)家也已經(jīng)非常重視了。造氣車間的領(lǐng)導(dǎo)權(quán)已逐漸落到對(duì)固定床煤氣化原理更了解的人的手里，他們清楚煤氣和吹風(fēng)煙氣從氣化火層里出來(lái)時(shí)不僅有效氣帶出顯熱，那些氮?dú)?、二氧化碳?xì)狻⑽幢环纸饣蛭幢贿€原的氣化劑等等都要將氣化火層熱量以顯熱方式帶出，固定床造氣爐爐上溫度高和爐下溫度高都是煤耗高的主要原因。三高一低、三低一高、……等一窩蜂式的群眾運(yùn)動(dòng)已經(jīng)被明白人摒棄。造氣爐爐上溫度和爐下溫度指標(biāo)已經(jīng)被定到300℃以下。上行閥的閥門結(jié)構(gòu)