煤质变化对四喷嘴气化炉运行的影响及防范措施.pdf

四喷嘴气化炉是目前国内煤化工装置中主流工艺，其特点是生产负荷大、反应速度快、碳转换率高，且易于实现自动化控制，被广泛应用于煤制氢、煤制合成氨、煤制甲醇、甲醇制烯烃等煤化工装置。四喷嘴气化炉在运行过程中的关键环节是：原料煤质量的稳定；气化炉渣口压差的稳定；气化炉内温度的稳定；氧煤比的稳定；气化炉操作压力的稳定。其中，原料煤质量稳定性是保证四喷嘴气化炉运行过程中顺利进行的重要条件。由于我国煤炭资源分布不均，煤炭质量差异较大，因此煤质变化对四喷嘴气化炉运行带来一定的影响。其中，对气化炉运行影响最大的是原料煤中的灰分，其含量越高，气化炉内渣量越大，合成气产量低。对气化炉运行有利的是灰分含量低的原料煤，其灰分含量越低，渣量越少，因此，在实际生产中要根据不同的煤种采取不同的煤质稳定操作措施，以保证四喷嘴气化炉长周期运行，从而提高其运行可靠性。1 保障四喷嘴气化炉正常运行的重要性1）在气化过程中，四喷嘴气化炉是核心设备，它的运行状况直接关系到整个工艺的稳定。而气化炉内氧煤比、温度、合成气产量等参数都与原料煤的性质有关，因此原料煤的性质稳定性是保证四喷嘴气化炉正常运行的重要条件。2）四喷嘴气化炉内气流速度稳定与否，决定着气化反应速率，进而决定着合成气产量。而合成气产量又直接关系到煤制氢装置的产量，影响企业效益。因此，为了保证四喷嘴气化炉正常运行，必须保障原料煤质量稳定。3）四喷嘴气化炉操作压力和氧煤比的变化也直接影响着合成气产量、合成气有效气含量等指标，进而影响着煤制氢装置的稳定运行。4）在气化过程中，四喷嘴气化炉的操作压力和氧煤比的变化是影响气化炉运行稳定性的关键因素。若气化炉压力升高，则会使氧煤比发生波动进而影响气化炉温度和气化炉渣口压差；若气化炉压力降低，则会使氧煤比降低，气化炉温度降低，气化炉渣口压差升高。因此，保证四喷嘴气化炉操作压力和氧煤比的稳定是至关重要的。摘要：四喷嘴气化工艺是目前煤化工生产的主流工艺，因其运行周期长、可靠性高，一直以来在煤化工领域占据着举足轻重的地位。气化炉是煤制氢、煤制合成氨、煤制甲醇、甲醇制烯烃等煤化工装置中重要的核心设备，其正常稳定运行直接关系到整个煤化工装置能否安全稳定运行。因此在实际生产中需要对其进行精心维护和管理。但在实际运行中，由于煤质变化引起的原料煤质量不稳定会对气化炉的正常运行造成影响，导致气化炉运行负荷波动，严重时甚至会造成系统停车。因此，对四喷嘴气化炉出现的问题进行了总结并提出了相应的防范措施。关键词：煤质；气化炉；四喷嘴；防范措施中图分类号：TQ545文献标志码：A文章编号：10036490（2023）07001303The Impact of Coal Quality Changes on the Operation of Four Nozzle Gasifiers and Preventive MeasuresWang Zhi-gangAbstract:Thefournozzlegasificationprocessiscurrentlythemainstreamprocessincoalchemicalproduction.Duetoitslongoperatingcycleandhighreliability,ithasalwaysplayedapivotalroleinthefieldofcoalchemicalindustry.The gasifier is an important core equipment in coal chemical plants such as coal to hydrogen,coal to synthetic ammonia,coal to methanol,and methanol to olefins.Its normal and stable operation directly affects the safe and stable operation of the entire coal chemical plant.Therefore,in actual production,it needs to be carefully maintained and managed.However,in actual operation,the unstable quality of raw coal caused by changes in coal qualitycanaffectthenormaloperationofthegasifier,leadingtofluctuationsintheoperatingloadofthegasifier,andeven causing system shutdown in severe cases.Therefore,this article summarizes the problems that occur in the four nozzlegasifierandproposescorrespondingpreventivemeasure.Keywords:coalquality;gasifier;fournozzles;preventivemeasures煤质变化对四喷嘴气化炉运行的影响及防范措施王志刚（中海油惠州石化有限公司，广东惠州 516086）收稿日期：20230415作者简介：王志刚（1987），男，吉林农安人，助理工程师，主要研究方向为煤化工。煤化工与甲醇化 工 设 计 通 讯Coal Chemical MethanolChemical Engineering Design Communications14 第49卷第7期2023年7月5）四喷嘴气化炉是一个多变量控制系统，其运行状况直接影响着煤制氢装置的稳定运行。其中，原料煤性质变化对四喷嘴气化炉运行的影响最大，因此原料煤质量控制也是保证四喷嘴气化炉正常运行的重要条件。2 煤质变化对四喷嘴气化炉运行的影响2.1 灰分灰分主要指煤中所含的不溶性矿物质，它是煤燃烧时的最终产物，它对气化炉的影响非常重要，主要是因为灰分在高温下，特别是在气化过程中，会引起焦炭发生炭化，从而会使焦炭之间的孔隙变大，而且还会降低焦炭的强度。灰分太高会影响气化炉的操作，特别是对四喷嘴气化炉来说，如果灰分含量偏高，气化炉排渣会面临一定风险，对炉内燃烧室反应产生的合成气组分有较明显变化，同时影响气化炉生产效率甚至影响四喷嘴气化炉的稳定运行。本装置四喷嘴水煤浆气化灰分控制在小于10%，过多的灰分会带走大量的反应热量，并对耐火砖有一定的侵蚀作用，也不是越低越好，如果灰分太低，耐火砖上挂不上渣，就起不到保护耐火砖的作用。2.2 灰熔点灰熔点是衡量煤化学活性的一个重要指标，它是煤中可挥发分与灰分含量的比值。灰熔点最重要的是流动温度，用以指导气化炉操作温度。水煤浆气化一般要求煤的灰熔点控制在1 300以下，最好控制在1 230左右，黏度一般在30 Pa s 左右，一般认为煤灰成分中酸碱比决定煤的灰熔点，比值尽量低些来降低灰熔点，硅铝比决定煤的操作窗口温度高低，正常要求碱酸比1.85左右，硅铝比大于1.7较为合适。灰熔点越高，表明煤中挥发分含量越高，灰分含量也就越低。在气化过程中，随着煤的灰熔点升高，为保证气化炉顺利排渣，需要提高炉温保证运行，提高炉温耗氧量随之增加，煤气中 CO2含量升高，CH4含量减少。在气化炉运行中，气化炉温度与煤的灰熔点有着密切的关系，灰熔点越高，则所需气化炉操作温度越高，对耐火砖冲刷严重，降低使用寿命；灰熔点越低，则所需气化炉操作温度越低。2.3 灰渣的流动性气化炉运行过程中，灰渣的流动性对气化炉运行的影响较大，灰渣流动性的好坏直接影响着气化炉的运行。灰渣流动性是指在一定温度下，灰渣中不同大小颗粒之间的相互流动情况。一般灰渣中的大颗粒为硬块，小颗粒为软块，不同颗粒的灰渣在气化炉内流动时，受其自身大小及惯性的影响，其运动速度与温度有关。炉温升高，灰渣流动性变好，排渣更顺利；炉温降低，灰渣流动性变差，颗粒间黏结严重，影响其流动速度和渣口压差。2.4 气化炉结渣情况四喷嘴气化炉的结渣情况主要与气化炉温度有关。在正常操作条件下，气化炉温度低，炉渣中含有较多的细灰，炉渣具有较高的黏度，炉渣中含有丝状玻璃碴。当炉温较低且相对接近灰渣的熔点时，容易造成渣口压差增大，出现渣口堵塞现象，直至完全堵塞。渣中也有较多的灰渣，特别是低温运行后，温度升高时更容易造成大渣块的熔化。低炉温情况下煤气中带灰会加剧造成后系统初级净化和洗涤系统堵灰和出现大量的浮灰。而当气化炉内温度比较高时，会多产生粒状粗灰，其中夹杂部分细灰和炭黑被大量激冷水冲洗带至闪蒸系统，随后至沉降槽，最后沉降底部的浓液进入离心式压滤机变为较干的细渣。表1 选用某种煤原料性质见表分析项目变形温度软化温度半球温度流动温度氢%硫含量%指标1 1551 1651 1751 1954.200.55分析项目全水分%灰分%挥发分%固定碳%高位发热量 MJ/kg低位发热量MJ/kg指标16.08.2031.6055.5028.3023.70从表1煤的分析数据来看，比较符合四喷嘴对煤种选择的设计要求，操作窗口温度在流动温度的50100。总之，煤的灰分含量、灰熔点高低，直接影响煤气化效率和装置能耗。四喷嘴气化炉在生产运行中，煤种的选择应根据气化工艺和气化炉的设计情况确定，煤种应尽量选用灰分较低、灰熔点适中煤种，同时考虑到灰分对气化过程的影响，还应注意灰分与硫分之间的平衡问题。3 煤质变化对四喷嘴气化炉运行影响的防范措施3.1 加强煤质分析，确保气化原料煤的质量（1）加强煤质分析，定期分析原料煤样。日常生产中，做好煤质分析工作，及时跟踪煤样各参数的变化情况，做到煤质分析的及时性和准确性。（2）根据煤质分析结果，及时调整气化炉操作指标，尤其是原料煤灰熔点变化，在生产过程中要及时干预，确保原料灰熔点稳定，发热量一般要求在25.12 MJ 以上。3.2 稳定气化炉操作，提高气化炉长周期运行水平（1）严格控制水煤浆浓度稳定。在长周期运行过程中，煤浆浓度的稳定对气化炉温度的影响较为突出。尤其是对炉膛温度异常升高等异常情况，应及时分析原因，采取应对措施。（2）氧煤比控制在合理范围是气化炉经济性的体现。氧煤比的高低直接影响气化炉温度，炉温太高，合成气组分中有效气含量降低，并且对耐火砖使用寿命有一定的影响。因此，合理的氧煤比是经济运行的必然要求。煤化工与甲醇化 工 设 计 通 讯Coal Chemical MethanolChemical Engineering Design Communications 15第49卷第7期2023年7月（3）稳定工艺指标，优化操作。四喷嘴气化炉的运行过程中应根据负荷情况调整工艺指标。如负荷增加，水煤浆和氧气接触时间减少，造成气化反应不充分，会导致炉温下降，影响碳转化率。当负荷调整时，应及时调整工艺指标，保证气化炉各项指标的稳定。3.3 优化工艺操作，降低“三废”排放（1）定期排放灰渣由于四喷嘴气化炉在生产运行过程中，原料煤中的灰分、硫分等杂质含量变化较大，不稳定的煤质将对气化炉运行带来不利影响。为保证煤质稳定，对进料量及温度进行控制，定期对原煤进行化验分析，保证原煤质量。（2）稳定烧嘴燃烧工况，提高碳转化率。针对四喷嘴气化炉运行过程中煤质变化较大的问题，及时调整烧嘴燃烧工况，确保煤种适应性。当煤种变化较大时，及时调整氧煤比等操作参数。当原料煤中含有硫等杂质时，要根据原料煤煤质及含硫量进行合理调整，确保气化炉稳定运行。入炉煤中含硫量过高，会导致气化炉结焦和积灰，影响气化炉的稳定运行。3.4 加强环保管理，落实环保措施根据国家相关环保法律法规的要求，生产过程中产生的废气、废水、废渣必须达标排放，不得随意排放，并依法缴纳相关排污费。对于违反环保法律法规的行为，坚决予以处罚。因此，各生产企业必须加强环保管理，落实环保措施，保护生态环境。加强对气化装置的环保管理，实现生产工艺与环保设施一体化、同步化，减少污染物的排放。加强对环保设备的管理，如废水处理系统中的各种管道及阀门等，确保其运行状况良好。做好气化炉内部检查维护工作，并做好相关记录。对气化炉炉底灰进行定期清理，防止炉底灰中有颗粒状物质进入排渣系统中。加强环保设施的运行管理，加强对“三废”的处理和排放工作。加强环保知识的培训和宣传，提高员工环保意识和责任意识，积极配合相关部门做好废气排放工作，如在废气排放过程中遇到特殊情况及时向相关部门反映。3.5 加强岗位培训，提高人员业务素质四喷嘴气化炉的操作对整个系统的稳定运行有着重要作用，同时也需要操作人员具有过硬的业务素质，因此，必须加强岗位培训，提高操作人员的业务素质，可以从以下几方面入手：加强专业知识培训，使操作人员熟知气化炉各部位的作用和操作原则，掌握气化炉各部位的操作要点和注意事项。加强理论学习，提高自身的理论水平。四喷嘴气化炉具有运行复杂、流程长、控制系统多、联锁保护多等特点，在生产运行中要想保证系统安全稳定运行，就必须认真学习相关的理论知识。加强技能培训和经验积累。另外，四喷嘴气化炉运行过程中可能会出现各种各样的问题和困难，这就需要操作人员进行处理。通过对四喷嘴气化炉系统的学习，可以提高操作人员的操作技能和事故处理能力，当出现事故时，要按照规范和规程进行处理，处理不了的要及时上报相关部门。加强现场操作和应急演练。现场操作和应急演练可以让操作人员对系统有一个全面了解，在遇到突发情况时，能够做到临危不乱、从容应对，确保系统安全稳定运行。加强管理人员与操作人员之间的沟通。操作人员是整个系统的核心，与其他部门之间有着很大的联系，要想保证整个系统稳定运行，必须加强对操作人员的管理和监督，要让操作人员在思想上高度重视并主动参与到日常的管理工作中。4 结论煤质是四喷嘴气化炉稳定运行的基础，煤质变化对气化炉的影响主要体现在对气化炉燃烧效率的影响和炉膛内壁的影响以及对气化炉出口气体成分的影响，其中煤灰熔点变化对气化炉的影响最为突出。煤质变化对气化炉的影响是一个动态的过程，需要根据煤质变化情况及时调整操作，才能保证气化炉运行的安全和稳定。为降低煤质变化对气化炉带来的波动，建议其一需从源头抓起，精细管控煤质，稳定原料灰熔点，稳定煤浆浓度。其二就是备用煤种黏温特性、灰熔点、工业分析、元素分析、配煤等情况，一旦煤种突然有变化，可以从容地找到替代煤种。气化炉是煤化工装置中重要的核心设备之一，在实际生产中需要对其进行精心维护和管理，总结生产问题，仔细分析并查找问题原因，确保气化炉安全稳定高效运行。参考文献1 李爱云.影响四喷嘴气化炉运行的因素及应对策略 J.煤化工,2019,10(2):17-18.2 徐晓军.煤化工装置中的四喷嘴气化炉及其关键技术研究 D.西安:西北工业大学,2018.3 张强.四喷嘴水煤浆气化炉的安全稳定运行 以山西潞安煤制甲醇项目为例 J.山西经济日报,2019,32(5):67-68.4 韩小虎.煤制天然气装置四喷嘴水煤浆气化炉运行的总结与建议 J.煤炭加工与利用,2019,5(3):17-19.5 周志敏.煤炭气化过程中的关键技术及其应用 J.煤炭加工与利用,2020(8):831-840.6 王正才.煤气化炉安全稳定运行的控制策略及应用技术研究 J.中国科学,2015(1):26-30.7 李爱云,徐晓军.煤制天然气装置四喷嘴水煤浆气化炉运行经验分享 J.煤炭加工与利用,2018(1):25-26.8 李莉.煤气化炉运行中的常见问题及处理措施 J.煤化工,2018(6):46-48.9 徐晓军,朱永胜,王泽霖.煤化工装置中的四喷嘴气化炉运行维护 J.中国化工信息,2020(5):49-53.