1、2023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1doi:10.3969/j.issn.1004-275X.2023.01.28劣质褐煤在碎煤熔渣气化炉上的应用探讨马志伟(云南先锋化工有限公司技术部，云南寻甸655200)摘要:褐煤应用于碎煤熔渣气化炉，出现了一些影响生产运行的问题。基于碎煤熔渣气化炉就是一个不加入铁矿石的炼铁炉的认识，引入炼铁炉长期实践得出的理论，对碎煤熔渣气化炉进行初浅的和定性的对照分析，得出褐煤应用于碎煤熔渣气化炉部分问题的原因所在和相应的解决问题的方法思路。这些方法和思路部分已得到
2、了实践验证，可为碎煤熔渣气化炉今后发展完善提供有益借鉴和参考。关键词:碎煤;熔渣;褐煤;气化炉中图分类号:TQ54文献标识码:A文章编号:1004 275X(2023)01 0104 06Application of Inferior Lignite in Crushed Coal Alag GasifierMa Zhiwei(Technology Department of Yunnan Xianfeng Chemical Co，Ltd，Yunnan，Xundian 655200，China)Abstract:The application of lignite in crushed coa
3、l slag gasifier has caused some problems affecting production and operation Based on crushedcoal slag gasifier is a no iron ore blast furnace understanding，the introduction of blast furnace long term practice theory，for the crushedcoal slag gasifier shallow and qualitative comparison analysis，conclu
4、ded that lignite application to crushed coal slag gasifier part of the problemand the corresponding way to solve the problem Some of these methods and ideas have been verified by practice It can provide useful referencefor the future development and perfection of crushed coal slag gasifierKey words:
5、crushed coal;slag;lignite;gasifier碎煤熔渣气化技术是在鲁奇碎煤加压气化技术基础上发展而来的一种液态排渣移动床气化技术。与传统的碎煤加压气化炉相比，其具有:气化效率高，气化强度大，碳的转化率高、煤气水少。气化排渣由传统的固态排渣变为液态排渣。设备结构简单，炉内没有传统的炉篦子等结构复杂的大型转动机构。其主要的设备结构原理如图 1 所示:1.煤箱;2.上部传动装置;3.喷冷器;4.布煤器;5.搅拌器;6.炉体;7.喷嘴;8.排渣口;9.熔渣急冷箱;10.灰箱图 1碎煤熔渣气化炉结构原理示意图1 在炉内，原料煤加装有一定的床层高度，水蒸汽和氧气组成的气化剂从炉子下部
6、进入，与煤进行激烈的燃烧和气化反应，形成的高温煤气，自下而上，通过上部煤层中的孔隙。同时发生相应的气化反应，最后以粗煤气从炉子上部离开气化炉。煤从炉子上部进入，在炉内自上而下，缓慢移动的同时，与炉子下部上升的气体接触，发生复杂的气、固、液三相间、两相间和同相间的物理化学反应，床层形成了干燥区、干馏区、还原区、燃烧区和炉底的渣池。在燃烧区，因燃烧反应的强度和温度高，煤中不可气化的灰份，以高温熔化的液态汇集到炉底形成渣池。高温液态的渣，通过炉底的排渣口，间歇排出气化炉。与传统的碎煤加压气化相比，其突出的特征为燃烧区的温度高，在 2000 2400，即在煤的灰熔点以上操作。这一特征，使碎煤熔渣气化技
7、术具有了气化效率高，气化强度大，碳的转化率高、煤气水少、气化排渣由传统的固态排渣变为液态排渣等特点。1褐煤在碎煤熔渣气化上的应用情况基于碎煤熔渣气化技术的应用，目前在国内主要有三家，分别是云南解化清洁能源开发有限公司、呼伦贝尔金新化工有限公司、中煤鄂尔多斯能源化工有限公司。应用情况充分说明了优质煤在碎煤熔渣气化技术上的应用是成熟的、成功的。但劣质褐煤在碎煤熔渣气化技术上的应用，表现出在应用优质煤时和上一代碎煤加压气化技术时不曾出现的问题，突出表现为:床层的稳定性差，工艺负荷低，带尘严重，排渣不畅，炉内耐火内衬和喷嘴损坏严重等。使得碎煤熔4012023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50
8、 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1渣气化技术在褐煤上的应用效果不理想，设备运行周期短，严重影响了工厂的实际生产运行。2炉内正常运行状态碎煤熔渣气化炉内的运行状态，通过十多年的实践应用，有一个业内普遍接受的结论:碎煤熔渣气化炉就是一个不加入铁矿石的炼铁炉，其铁矿成分仅为原料煤中所含的氧化铁。正常运行的炉内，一定高度的煤床，自上而下缓慢移动，与炉下部上升的高温煤气逆向接触，形成典型的床层温度分布如图2 所示。对应不同的床层温度形成了不同状态的区带，其正常运行各区带分布状态如图3 所示。以下对照炼铁炉对气化炉内各区带正常运行的状态进行粗浅的和定性
9、的分析描述:图 2气化炉内温度分布示意图图 3气化炉内各区带示意图2.1散料层散料层由炉上部干燥、干馏和部分还原区组成。床层温度在软化温度以下，物料内还未出现液相成分，以固态形式存在，形成炉子上部的散料层。散料层中的物料缓慢向下移动，炉子下部的气体通过料层的空隙上升，之间进行着传热传质，固体物料温度逐渐上升。同时，固体物料逐渐破碎，颗粒变小。煤粒发生热解，逐渐变成半焦颗粒。散料层形成了相应孔隙率，孔隙率 的大小与所使用的煤种的热稳定直接相关。炼铁炉上总结的炉气通过散料层的阻力经验计算式如表达式 13:V2gP=k31 (1)Vg煤气流速;P散料层压力降;k常数;床层孔隙率。其几乎只与床层的孔隙
10、率 相关，确定了气化炉基础负荷。散料层孔隙率 只会比下部床层的孔隙率大。因此，正常运行状态下，能通过下部床层，经下部床层进行了二次分布的上升炉气，能正常通过上部散料层。所以，炼铁炉有个总结:上部调节的作用小于下部调节2。2.2软熔带散料层之下的床层，煤焦颗粒的温度逐渐上升到软化温度，料层中开始出现液相成分，此为床层中软熔带上界面。至此往下直到炉底的床层，与之上的散料层相比，明显的特征是床层中含有了液相成分，因此，也由此将床层分为上部的散料层和下部的含渣层。从软熔带上界面继续向下，煤焦颗粒的温度继续上升到熔化温度处，颗粒内可熔化部分完全转化成液相，但煤焦颗粒形态仍然存在，此为软熔带的下界面。其中
11、产生的液相成分即为初渣。软熔带是炼铁炉中对应铁矿石的软化温度和熔化温度形成的区带。气化炉内没有铁矿石的参与。所以，没有软熔带中铁矿石产生的滴落和下流的液相渣铁，而为煤灰形成初渣，它与下部的滴落带自然过渡溶合成了一个区带。2.3滴落带从软熔带之下到喷嘴喷口位置之上的区域，炼铁炉内称为滴落带。在气化炉内，滴落带的主体仍然由煤焦颗粒组成，因温度已较高，煤焦颗粒有一定的软化，在上部床层的重力作用下，会有一定的压缩，滴落带床层的孔隙率会进一步减小，气化炉的基础负荷也会进一步减小。炉气在煤焦颗粒间隙之间上升流动，同时初渣在煤焦颗粒间隙之间向下流动，不能流动的渣则在煤焦颗粒表面附着滞留。由于没有铁矿石的参与
12、，因此，气化炉内没有源于软熔带滴落或流下的液相渣铁与初渣进行混合互熔作用，而仅有煤焦颗粒内灰分形成的渣以及局部煤焦颗粒与助熔剂接触形5012023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1成的渣。因此，滴落带中的渣的成分变化非常复杂。但总体而言，自上而下，渣量逐渐增多，渣成分特性逐渐从初渣向渣池中的终渣方向发展变化，发展变化过程复杂。这里的渣被称为中间渣。炼铁炉上是将这个复杂过程，转换为对滴落带内床层滞渣量(床层中滞留的渣的含量)的研究。炼铁炉上总结的炉气通过滴落带的阻力经验计算式如表达式 23:PH=k
13、1(1 +h)2d2u+k21 +hd(h)3u2(2)P散料层压力降;H床层高度;k1、k2透气阻力系数;床层孔隙率;h床层滞渣量;d煤焦颗粒与液渣的调和直径;u煤气流速;渣的粘度;渣的密度。可以看到，其除了与床层孔隙率 有关外，还与床层厚度 H、床层中滞渣量 h、渣的密度和粘度 和 以及炉气的流速 u 有关。炼铁炉长期实践研究结果表明:在上述各因素中，滞渣量是影响滴落带阻力特性的重要因素，而滞渣量又与渣的流动性指标粘度 和炉气的流速 u 密切相关。在气化炉某一特定负荷的情况下，炉气的流速范围也基本一定，滞渣量主要与渣的流动性指标粘度密切相关。渣的流动性好(即渣的粘度低)，侧能流走通过滴落带
14、的渣多，滞渣量小，反之，侧滴落带中滞渣量将增大。可以看到，炉气通过滴落带的阻力远比通过散料层的阻力大，能正常通过滴落带的炉气，即能正常通过上部散料层。而当滞渣量增加到一定程度时，床层阻力会急剧升高，破坏床层的正常运行状态，产生偏流、沟流、管道、鼓泡等失常炉况，破坏炉气的二次分布。经炼铁炉长时间实践的总结:要控制滞渣量的大小，即为控制渣的粘度。炼铁炉内渣的流动性可接受的指标是:终渣在1400 时的粘度 2 Pa.s，极限为粘度 3 Pa.s2。在气化炉内，因床层孔隙率更小，渣的流动性可接受的指标应考虑比上述值更小。滞渣量是滴落带产生煤气阻力的主要因素，同时，滴落带产生的煤气阻力也是整个床层煤气阻
15、力的主要组成部分。根据炼铁炉实测数据，软熔带及其以下含渣层的煤气压差大约为全部压差的 60%80%。另外，滴落带中，客观存在煤焦颗粒和助熔剂分布的不均匀，如果再叠加原料成分的波动，由于灰成分的不同，渣的熔化温度、密度、粘度、热容等物化参数都会变化，会加大滴落带内中间渣粘度的波动和分布的不均匀性，也就造成滴落带阻力特性的波动和不均匀，波动和不均匀大到一定程度时，同样会破坏炉内的正常运行状态，产生偏流、沟流、管道、鼓泡等失常炉况，破坏炉气的二次分布。炼铁炉上的总结:中间渣能否顺利通过滴落带料层，取决于原料成分稳定和炉温的稳定2。在气化炉内，由于没有铁矿石的参与，软熔带与滴落带之间自然过渡，没有明确
16、的界线，可认为是同一特性的区带。本文将软熔带和滴落带合并称为软熔滴落带。正常运行情况下，与该区带特性相适应量的炉气能通过滴落带和软熔带，并在上升过程中形成对炉气的二次分布。2.4风口循环区(风口回旋区)在滴落带下沿的区域内，气化剂由喷口喷入，形成炉内喷嘴前方的含氧燃烧区，该区域内，因气化剂高速喷入(150 m/s 左右)，喷射动能可推动喷嘴前滴落带和部分死料堆内的物料运动，同时，气化剂与煤焦颗粒发生激烈燃烧反应，产生高温煤气，煤焦颗粒中的灰分和中间渣也能在这里与助熔剂较充分地混合熔化，灰渣特性较接近终渣，在喷嘴喷射力作用下，主体流入风口循环区前方和下方的死料堆里。煤焦颗粒的燃烧和灰渣的流走，让出新的空间，上部滴落带的煤焦颗粒、中间渣和助熔剂可不断落入燃烧区反应，最终在喷嘴前形成风口循环区。风口循环区是炉内热量和初始煤气的主要源点，其有一定的形状、大小和位置，初始煤气由此向周边扩散，形成炉内的一次布气。炼铁炉上用循环区的长度 D 和高度 H 来表征风口循环区的形状特征，总结的风口循环区形状特征经验计算式如表达式 3、式 4、式 53:E=12mv2ot(3)D=0.88+0.000092