SHELL干煤粉气化炉堵渣探析_图文

1、SHELL 干煤粉气化炉堵渣探析李海宾, 孙典文(中国神华煤制油鄂尔多斯分公司煤气化生产中心, 内蒙古鄂尔多斯017209摘要:由生物质能源紧缺带来的一系列市场反应, 使得植物质能源成为了化工界的新宠。短短几年内国内规划、开工了一大批的煤化工项目。而煤气化作为煤化工的龙头, 首当其冲的成为了人们关注的焦点。为了适应现在安全、环保、节能、高效这样一个大环境的需求, 国内国外开发或升级了多种煤气化技术。国外比较典型的有:T ex aco 、E -Gas (原Destec 等湿法进料气流床气化炉, K -T 炉、Shell 、Prenflo 和GSP 等干法进料气流床气化炉; 国内开发的有:山东省水

2、煤浆气化及煤化工国家工程研究中心开发的新型(多喷嘴对置式 气流床干煤粉加压气化技术, 西安热工院开发的两段式干煤粉加压气化技术, 清华大学正在进行研究的非熔渣-熔渣分级高压纯氧干煤粉气化技术等。新一代的煤气化技术中现在尤以干煤粉气化技术最受推崇, 而SHELL 又是其中典型代表, 但其在国内的应用过程较为曲折, 目前尤以堵渣问题最为突出。关键词:气化; SHELL ; 堵渣中图分类号:T Q542文献标识码:A 文章编号:10067981(2011 08005303在煤化工兴起初期, SHELL 干煤粉加压气化工艺作为一种新型的煤气化工艺技术, 带着它安全、环保、节能、高效等诸多优点于2001

3、年6月率先冲入中国市场抢占了先机。但作为新工艺, 其应用不会是一帆风顺的, 总会有意想不到的困难和问题发生。从该工艺引进并于2006年正式投料试车到现在这四年运行当中, 国内工艺技术人员解决了一个个技术瓶颈, 使其年运行率达到了85%以上, 但仍有一个问题困扰着各厂家堵渣。1渣的形成机理及其熔点的影响因素(理论依据煤中的灰分主要成分是各种矿物质(石英、白云石、方解石、黄铁矿以及高岭石等 , 其在高温中发生环境下会发生一系列的分解、化合、聚合、熔合等化学物理反应, 最终形成各元素化合物的熔融态聚合体。由于灰中各元素的含量的不同, 最终生成物的熔点就有所不同, 最终直接影响到了气化炉的操作温度和挂

4、渣、排渣的情况。1. 1SiO 2的影响研究发现当灰中不含SiO 2时, 软化温度会很高, 但随着SiO 2含量的增加, 灰的软化温度灰逐渐降低, 原因是在加热时有钙长石(CaO Al 2O 32SiO 2 产生, 钙长石自身熔点较高, 但含钙氧化物群与硅酸盐矿物群会产生低共熔现象, 从而导致熔点降低; 随着SiO 2含量的进一步的上升并超过一定比例时, 软化温度又有上升趋势, 这说明随着SiO 2含量的进一步的上升, 钙长石含量增加。1. 2Al 2O 3的影响当灰中不含Al 2O 3时的软化温度比较高, 当Al 2O 3含量略有增加, 会促进可以产生低共熔现象的钙长石的生成, 从而使灰的软

5、化温度降低; 当Al 2O 3含量超过一定比例后, 软化温度又会有上升趋势, 这说明随着Al 2O 3含量的进一步的上升, 钙长石含量增加。1. 3Fe 2O 3的影响在高温弱还原气氛下, 部分Fe 3+离子会被还原成为Fe 2+。Fe 3+离子的极性很高, 是聚合物的构成者, 能提高灰的熔融温度; Fe 3+离子易于和熔体网络中位当道键饱和的O 2-相联接而破坏网络结构, 降低灰的熔融温度。同时, 二价铁氧化物极易和CaO 、SiO 2、A l 2O 3等形成低共熔体而降低灰的软化温度。1. 4CaO 的影响CaO 属于碱性氧化物, 本身熔点很高, 但它有助熔作用, 是形成低熔点共熔体的重要

6、组成部分。随着CaO 含量的增加, CaO 、SiO 2、Al 2O 3等反应生成钙长石, 促进了低熔点共熔体的生成, 但随着CaO 含量的继续增加, 超过一定比例, 有多余的CaO 存在, 则软化温度会有回升的趋势。1. 5Na 2O 的影响Na 的化合物的熔点低, 易于与灰中的其他氧化物生成低熔点共熔体, 并且Na +的离子势较低, 能破坏煤灰中的多聚物, 降低熔化温度, 起助熔剂的作用。532011年第8期内蒙古石油化工从以上的分析可以看出, 灰分中的某些成分所占比例对灰熔点的影响并不是单向的, 随着其比例的增加或减少, 对灰熔点的影响是双向的。2渣的类型根据渣的形态可将渣分为三类:玻璃

7、体渣、塑性渣、结晶渣。灰在熔融过程中, 硅、铝酸盐中的Na 、K 会挥发而损失掉, 硫酸钙会分解并以三氧化硫的形式溢出, 因此, 真正影响灰渣粘度的主要化学成分为SiO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3、CaO 、M g O 。上述成分基本可以分为两大类:酸性成分(SiO 2、Al 2O 3 、碱性成分(Fe 2O 3、CaO 、M gO , 这两类成分在灰分中所占比例与渣的形态是有对应关系的:(Fe 2O 3、CaO 、M gO 30%,Al 2O 24%时, 熔渣呈玻璃体; (Fe 2O 3、CaO 、M gO30%, Al 2O 3=24-30%时, 熔渣呈塑性渣;(Fe 2O3、Ca

8、O 、M g O 30%, Al 2O 24%时, 熔渣呈结晶渣。3渣的性质SHELL 干煤粉加压气化工艺采用的是液态排渣法, 同时它的模式水冷壁采用的以渣抗渣的理念, 这样SHELL 煤气化工艺当中对反应后渣的状态就有了特殊的要求最佳的结渣性和流动性, 而渣的流动性与渣的粘度有直接的关系。下面我们就针对其灰的粘度和结渣性在生产过程中的影响逐一进行分析。在火电站和煤气化装置一般都用到两个概念:渣的粘度、灰的结渣性。SHELL 煤气化为气流床气化炉, 反应中心温度高于1400, 所以为液态排渣, 同时SHELL 气化炉水冷壁膜内表面采用以渣抗渣的方式来保护气化炉高温侧表面, 这样SHELL 气化

9、炉所用的煤就需要在反应温度下的结渣性相对高一些。通常结渣指数(Se 划分如下:Se0. 25为低结渣性能、Se0. 45为中等结渣性能、Se 0. 65为高结渣性能、Se 0. 65为严重结渣性能。如果渣的结渣性太高, 对于液态排渣的SH ELL 气化炉来说, 极易出现堵渣的现象, 而结渣性太差, 则又不会在水冷壁表面形成均匀的渣层保护层。煤灰熔体中的化学成分对粘度的影响可以表示为会中酸性氧化物与碱性氧化物之比(Al 2O 3+SiO 2 /(Fe 2O 3、CaO 、M gO (重量比 对粘滞活化能系数(B 的影响。当酸性氧化物与碱性氧化物的比值择增加时, 形成较大的网络阴离子团, 使粘滞活

10、化能系数(B 增加, 从而使熔体粘度增加。在气化炉炉膛温度下, 如果渣的粘度太高, 则表明渣的流动性差, 这样同样会出现堵渣现象; 反之, 如果渣的粘度太低, 也不利于气化炉水冷壁挂渣, 形成保护层。4实际生产分析在实际生产中, 炉温控制的高低会直接影响生产能否正常进行。通过以上的理论分析, 不难看出, 在煤质相对稳定的前提下:炉温相对于临界粘度温度偏低, 炉膛内的渣就会以结晶的形态存在, 很难在水冷壁上挂渣, 此时的渣形如下图 :从上图可以看出, 渣类似于鱼子状, 大部分为细小的颗粒, 推断渣在炉膛内的物理变化过程为:煤粉在瞬间反应完后, 由于温度偏低, 大部分没有发生物理聚合的过程或聚合了

11、极少部分, 在随着渣下落的过程中, 渣大部分结晶, 无液相存在或固液两相共存, 最终通过激冷后排出的渣形就会如上图所示。如果排出的渣, 此种形态的占绝大部分, 那么说明炉温太过于偏低, 这是渣的粘度会很高, 导致其流动性差, , 定程度会整体掉入渣口。对于神华的煤来说, 由于其低灰熔点的特性, 这种堆积不会出现太大的渣块, 但由于其流动性差, 再加上SHELL 气化炉渣口下方的特殊结构, 极易在渣口裙边形成大的钟乳石状的渣块, 随着生产时间的延长, 积聚的渣会越来越大。这种渣一旦断裂就会堵塞V 1402/1403的排渣口。但如果炉温操作相对于灰熔点偏高, 尤其是短时间炉温波动较大, 就会使水冷

12、壁上原本已挂的且54内蒙古石油化工2011年第8期塌导致渣口堵渣。下图为水冷壁水冷壁上垮下的渣 :这种渣如堵在气化炉渣口是比较危险, 有可能短时间内在渣口的位置会积聚大量熔融的渣, 而随着下层的降温, 会形成坚固大渣块, 如处理不及时, 只能停车进人处理了。这种渣如堵在V1402或V 1403, 就比较容易处理了, 只需简单消架就可以处理通, 一般不会造成大的危害。5总结鉴于以上理论与实际生产相结合, 我们总结出一些生产操作经验:在生产中我们要密切关注煤质的变化, 尤其是灰组分的变化, 这样我们可以提前预见气化炉工况可能的变化趋势, 以便在发现工况有持续发生变化时, 正确的做出判断, 合理调整

13、炉温; 我们在日常操作中, 要将气化炉的甲烷、二氧化碳、蒸汽以及渣形的变化相结合来判断工况。尤其以渣形为例, 如下图所示 :由于SHELL 干粉气化炉的操作温度较高, 炉膛内的温度目前无法实现实测监控, 我们只能通过相关参数来判断其温度相对于灰熔点的一个宽泛的范围, 这样的操作是比较粗狂的, 控制出来的炉温波动也是比较大的, 为了减少由于相关参数的波动(如CH 4、蒸汽等由于测量导致的波动 导致操作的频繁调整带来的炉温不必要的波动, 我们可以通过渣形来确定当前炉温是否合适。如上图所示, 排出的渣中, 鱼子状的细渣与针状的渣都要各有少许, 二粒径在0. 5cm -1cm 的大颗粒渣要占绝大部分, 这样的炉温才既有利于挂渣, 也不影响排渣。以上分析是本人鉴于SHELL 干粉气化炉目前情况总结出来的, 由于各厂的煤质与实际运行情况的不同可能略有区别, 请大家指正。参考文献1龚德平. 煤灰的高温粘度模型J . 热力发电,1989, 1:28-