鲁奇碎煤加压气化工艺分析

鲁奇碎煤加压气化工艺分析一、鲁奇加压气化发展史鲁奇炉是德国鲁奇煤气化公司研究生产的一种煤气化反应器。该炉型的发展经历了漫长的过程，其发展过程可分为三个阶段。1、第一阶段：任务是证明煤炭气化理论在工业上实现移动床加压气化。1936年至1954年，鲁奇公司进行了34次试验。在这基础上设计了MARK—Ⅰ型气化炉。该炉型的特点是炉内设有耐火砖，灰锁置于炉侧，气化剂通过炉篦主轴通入炉内。炉身较短，炉径较小。这种炉气化强度低，产气量仅为4500~8000Nm3/h，而且仅适用于褐煤气化。2、第二阶段：任务是扩大煤种，提高气化强度。为此设计出了第二代气化炉，其特点是（1）改进了炉篦的布气方式。（2）增加了破粘装置，灰锁置于中央，炉篦侧向传动，(3)去掉了炉膛耐火砖。炉型有MARK—Ⅱ型与MARK—Ⅲ型。单台炉产气量为14000~17000Nm3/h。3、第三阶段：任务是继续提高气化强度和扩大煤种适用范围。设计了MARK—Ⅳ型炉,内径3.8米，产气量35000~50000Nm3/h，其主要特点是：（1）增加了煤分布器，改进了破粘装置，从而可气化炼焦煤以外的所有煤。（2）设置多层炉篦，布气均匀，气化强度高，灰渣残炭量少。（3）采用了先进的制造技术与控制系统，从而增加了加煤排灰频率，运转率提高到80%以上。4、第四代加压气化炉：第四代加压气化炉是在第三代的基础上加大了气化炉的直径（达Ф5m），使单炉生产能力大为提高，其单炉产粗煤气量可达75000m3（标）/h（干气）以上。目前该炉型仅在南非sasol公司投入运行。今后鲁奇炉的发展方向：（1）降低汽氧比，提高气化层温度,扩大煤种适用范围，灰以液态形式排出，从而提高蒸汽分解率，增加热效率，大幅度提高气化强度，气化强度可由2.4t/m2h提高到3-5t/m2h.煤气中的甲烷可下降到7%以下。（2）提高气化压力，根据鲁尔—100型炉实验，当压力由2.5Mpa提高到10.0Mpa,煤的转化率及气化强度可成倍增加，氧与蒸汽的消耗减少，煤的粒度也可以减少。煤气中甲烷含量增加到16%，适用于代用天然气的制造。二、鲁奇炉的特点鲁奇加压气化炉与常压气化炉相比具有：（1）煤气中甲烷含量高，粗煤气净化后热值高达3000—4000Kcal,而常压气化炉生产的煤气热值最高只有2500Kcal。(2)气化强度高，加压气化炉的气化强度是常压气化炉气化强度的倍，设备金属耗量低，制造费用远低于常压气化装置。（3）可气化灰分和水分含量高的煤，生产出优质的煤气。（4）可气化弱粘结性煤，近年来经过改进的炉子甚至可气化粘结性较高的煤。（5）可气化灰熔点较低的煤。（6）对煤的机械强度和热稳定性要求不高。（7）生产的煤气作为城市煤气时可远距离输送，而常压气化炉生产的煤气只有加压后才能输送，动力消耗大。（8）可连续生产，实现过程的自动化控制。（9）副产品多，可生产出焦油、酚、氨、硫磺、石脑油、液态甲烷等十分有价值的产品。（10）可大规模的实现城市煤气联产甲醇、合成氨、发电，且成本低。三、煤气化工艺技术选择煤气化工艺有十几种，在工业上大量采用的也就是几种，可分为固定床、流化床、气流床三种类型。煤气化工艺选择原则是：（1）根据煤质选择相适应的煤气化工艺；（2）根据煤气加工的产品及用途选择煤气化工艺；（3）装置规模的大型化。依据上述三个原则，流化床气化工艺比较适应年轻褐煤气化，但气化压力＜1MPa，飞灰太多且含碳高，碳转化率、气化效率较低，在装置大型化方面还存在一定问题，BGL固定床液态排渣加压气化，虽然较好适应高水份褐煤气化，且有蒸汽消耗低，煤气中甲烷含量高的特点，但该技术目前在国内外没有工业化成功运行的先例，还有待开发研究。因此苏新能源有限公司煤制天然气项目可供选择的气化工艺有GSP、Texcao、Shell干粉煤、Lurgi碎煤固定床干法排灰压力气化。为此对GSP、Lurgi、Shell三种气化工艺进行详细的比较如下：GSP、Shell、碎煤加压气化三种气化工艺比较名称GSPShell碎煤加压气化原料要求（1）褐煤→无烟煤全部煤种，石油焦、油渣、生物质；（2）粒径250μm～500μm含水2%干粉煤（褐煤8%）；（3）灰熔融性温度＜1500℃；（4）灰分1%～20%（1）褐煤→无烟煤全部煤种；（2）90%＜100目含水2%干粉煤（褐煤8%）；（3）灰熔融性温度＜1500℃；（4）灰分8%～20%除主焦煤外全部煤种，5-50mm碎煤，含水35%以下，灰25%以下，灰熔点≥1200℃气化温度/℃1450～15501450～1550取决煤灰熔点，在DT-ST间操作气化压力/MPa4.04.03-4.0气化工艺特点干粉煤供料，顶部单喷嘴，承压外壳内有水冷壁，激冷流程，由水冷壁回收少量蒸汽，除喷嘴外材质全为碳钢干粉煤供料，下部多喷嘴对喷，承压外壳内有水冷壁，废锅流程，充分回收废热产蒸汽，材质碳钢、合金钢、不锈钢粒状煤供料，固体物料和气化剂逆流接触，煤通过锁斗加入到气化炉，通过灰锁斗将灰排出炉外，气化炉由承压外壳、水夹套、转动炉篦组成，炉内物料明显分为干燥、干馏、煤气化洗涤除焦油/尘后进入废锅。材质为碳钢投煤2000t/d，单台气化炉尺寸/mmφ内=3500H-17000φ内=4600（投煤2300t/d）H=31640φ内=4000H=11000投煤量800-1000t/d耐火砖或水冷壁寿命/a2020喷嘴寿命10a，前端部分1a1a～1.5a冷激室或废锅尺寸/mm冷激室φ内=3500约为2500除尘冷却方式分离+洗涤干式过滤+洗涤洗涤去变换温度/℃22040180～185建筑物（不包括变换）装置占地：9000m2高约55m（气化部分）装置占地：9000m2高约85m～90m（气化部分）40m标煤消耗t/106KJ（包括干燥）34.2（包括干燥）34.2（包括焦油等副产品）33氧耗Nm3/106KJ（99.6%）292910（包括焦油热值）蒸汽消耗kg/106KJ（包括造气变换副产的中低压蒸汽）0-3.60电耗KW/106KJ3.65.80.3碳转化率%999999（包括焦油等副产品）冷气效率%808080（包括焦油等副产品）气化热效率%909690（包括焦油等副产品）由上表可知：（1）三种煤气化工艺在消耗指标上，消耗高水份原料煤基本一样，差别最大的是氧气消耗原料煤Shell、GSP气化是碎煤加压气化2.9倍。电：Shell是碎煤加压气化19倍，GSP是碎煤加压气化12倍。蒸汽：GSP、碎煤加压气化比Shell每106KJ多消耗3.5kg。包括焦油等副产品在内，三种气化工艺的碳转化率、气化效率、气化热效率基本一样。（3）三种煤气化投资相差很大。Shell投资是碎煤加压气化的2.6倍，GSP是碎煤加压气化的2倍。造成投资大的主要原因除气化装置外，空分装置影响更大。煤气化、空分比较结果还不能代表全部工艺的比较结果，对于以煤为原料生产合成天然气，碎煤加压气化生产煤气中按热值分布，焦油约占煤总热值的10%，甲烷热值约占煤气总热值30%。H2、CO约占60%。因此采用碎煤加压气化工艺合成天然气与采用Shell、GSP煤气化工艺合成天然气相比，变换、低温甲醇洗净化装置、甲烷化装置等后系统的处理量大大减少，消耗、投资大大降低。（4）鲁奇（BGL）碎煤加压熔渣气化液态排渣技术90年代初，英国煤气公司投资2亿英镑进行煤气化研究，1975年开始，该公司与德国鲁奇能源与环境公司合作，利用英国煤气公司技术在德国鲁奇公司（BGL）气化炉进行试验，1990年，在英国贸工部的支持下，利用（BGL）气化炉制得的经过净化的燃气在发电方面的性能进行了示范。示范装置运行了15000小时，气化了177000多吨煤炭。试验表明，BGL气化技术煤气转化率高；比干灰气化炉产气量大；炉灰由不可渗滤性的玻璃质固体所取代，灰渣含炭量在0.5%以下，产生的污水量也较少。试验取得相关的试验数据如下：试验气体成份：（%）H2:30.8CO:57.2CH46.2CO2:4.9其它碳氧化合物：0.4不可燃物质：0.5BGL熔渣气化技术的特点a与其它氧气为主的气化技术相比，BGL气化炉耗氧量较低，从而总效率明显提高；b煤料床顶部的气化温度一般为450℃，因而不需用要昂贵的热回收设备；c气体出口处凝结的焦油油类副产品可保护炉壁金属表面使之不受腐蚀，炉壁可使用低成本的碳钢；d灰渣是质地紧密的固体物质，封存了微量元素。灰渣无害并具非浸溶性，适于作建筑材料；e气化过程中无飞灰产生,f气体成分中CO2含量低；f煤中90%以上的能量被转化成可利用的燃料气；g原煤可被气化，粉煤可另加工成型煤投入或从喷嘴喷入；h气体出口温度低，提高了工艺效率，并可灵活选择气化炉场地。从云解化、金新化工、中煤图克试运行的结果看还存在一定的问题，需要进一步完善。BGL气化技术对煤质要求较高，从降低苏新能源项目投资和运营风险性考虑，本项目不选择该气化工艺。（5）德士古气化技术的特点a德士古煤气化技术，是将原料煤制成水煤浆，以喷流雾化的形式进入气化炉进行高温气化，对原料煤的特性(如粒度、成浆性能、灰熔点等)均有较严格要求，故适用煤种较窄。因其可使用小颗粒粉煤，故煤的利用率高。b采用湿法磨煤，水煤浆供料安全可靠。但要求煤的成浆性好，煤浆浓度在60%—65%（wt）。c气化炉为钢制外壳，内衬耐火砖，炉体结构简单，无传动设备，运行稳定。但耐火砖寿命较短，最多为一年，喷嘴仅60天左右，设备运行周期较短。对煤的灰熔点要求1350℃左右，灰小于15%。d气化过程可在高压（最高可达8MPa）下完成，降低了合成气压缩功耗，同时使单台炉产气量比较大。e气化炉操作温度高，煤在气化炉中数秒内几乎全部气化，碳转化高可达96%～98%以上。煤气中甲烷含量低，仅在0.1%左右，有效气体（H2+CO）含量比较高，在80%左右，有利于作为合成气使用。f生产的粗煤气不含焦油、萘、酚等杂质，对粗煤气的净化及污水的处理流程简单，不污染环境。g灰渣成玻璃状，不污染，易堆放，可做水泥的配料。h操作弹性大，可以快速转变。由于采用喷流式气化，负荷从50%到100%的大范围变动，可在极短的时间内完成。i与其它煤气化工艺相比，德士古气化工艺氧耗高，煤气化效率相对较低，对耐火材料的要求较高，操作周期短，管理水平、维护水平要求高。对于本项目目标产品为天然气，采用碎煤加压气化工艺与德士古气化工艺有以下优点：1)项目的投资增加：a备煤工段的投资与能耗增加5倍以上。b空分的的投资与能耗增加3倍以上。c变换、甲烷化工段的投资与能耗增加1.5倍以上。2)副产品减少：众所周知碎煤加压气化工艺在气化过程中生成大量的煤焦油、石脑油、粗酚、液氨。这些副产品可以抵扣产品天然气的成本，使本项目更具有经济性。从以上两点来看如采用德士古气化工艺本项目的经济性很难通过。综上所述苏新煤制气项目选用碎煤加压气化非常合适。四、鲁奇加压气化工艺原理在加压气化过程中，高温的碳在压力下受到氧和水蒸气、二氧化碳的作用，发生多种多样的反应。可把它归纳为碳与氧、碳与水蒸气及甲烷生成三类反应。1、碳与氧的反应高温的碳受到氧气的作用发生下列四个反应：[1]C+O2=CO2+97800千卡/公斤分子[2]C+CO2=2CO-38400千卡/公斤分子[3]2C+O2=2CO+97800千卡/公斤分子[4]2CO+O2=2CO2+136200千卡/公斤分子由于上述反应在气化和燃烧中所具有的重要性，许多年以来已受到广泛深入的研究。反应机理：第一种解释，是所谓的二氧化碳说。这种学说认为，二氧化碳依照反应[1]由碳与氧分子直接结合而生成，而一氧化碳则为生成二氧化碳后与氧之间的第二次反应，即C+CO2=2CO。第二种解释，是所谓的一氧化碳说，它与第一种解释相反，认为碳与氧首先依照反应[3]生成一氧化碳，然后一氧化碳再与氧化合而生成二氧化碳，即2CO+O2=2CO2。通过实验和研究发现作为一级反应的2C+O2=2CO的反应的活化能极高，在较低的温度下（<800℃）,实际是可以不考虑的。那么，CO的生成反应主要为C+CO2=2CO这个反应。对这个反应的平衡状态研究后发现，在压力不变的情况下，随着温度的上升，平衡组分中CO含量大幅度上升，而CO2含量大幅度下降。在温度不变的情况下，随着压力的升高CO含量降低，CO2含量升高。在实际的气化炉操作中，当生产稳定后，压力波动不大，可看作衡压操作，当温度升高时CO2含量明显下降，CO明显上升。所以气化炉出口粗煤气中的CO2含量，也是我们判断反应层温度的一个重要指标。（1）温度对反应速度的影响二氧化碳的还原反应进行得比较缓慢，为了达到反应平衡，就需要一段较长的时间。反应的温度愈高，反映的速度将愈快，其达到平衡所需的时间就愈短。而在较低的温度时反应速度较慢，达到平衡的时间就需要几分钟甚至几小时。在一定的反应温度下，若二氧化碳与炽热的碳的接触时间愈长，则生成一氧化碳的量就愈多。另一方面，在同一接触时间下，若进行反应的温度愈高，则二氧化碳还原就越快。（2）燃料的性质对反应速度的影响经过大量实验和研究，发现参加气化反应的燃料的性质，对二氧化碳还原成一氧化碳的反应的速度有很大的影响，随着原料的活性的提高，反应速度提高。那么气化活性相对差的煤时炉内气化层的温度应该高一些。2、碳与水蒸气的反应高温的碳受到水蒸气的作用，所进行的反应主要为：[5]C+H2O=CO+H2-28150千卡/公斤分子[6]C+2H2O=CO2+2H2-17900千卡/公斤分子[7]CO+H2O=CO2+H2+10250千卡/公斤分子反应机理：第一种解释，认为二氧化碳是碳与水蒸气反应的初级产物，即反应[6]为第一反应，而一氧化碳的生成则为生成的二氧化碳与碳之间的第二反应：C+CO2=2CO。第二种解释，认为一氧化碳是初级氧化物，即反应五为第一反应，而二氧化碳的生成，则是反应[7]的产物。第三种说法，认为碳与水蒸气作用时，[5]、[6]两反应同时进行，在气化炉中同时得到一氧化碳和二氧化碳。通过对[5]、[6]的研究发现，在温度较低时，反应[6]的反应速度常数比反应[5]大，而在温度较高时反应[5]的反应速度常数比反应[6]的大，这就是说温度较低，对于生成CO是不利的，所以提高温度可以相对的降低二氧化碳而提高一氧化碳的含量。通过对[7]的研究发现，在该平衡组分中，随着温度的上升二氧化碳含量降低，一氧化碳的含量升高，反之则一氧化碳降低，二氧化碳含量升高。这就是说，在低温时有利于二氧化碳的生成，高温时有利于一氧化碳的生成。要进行一氧化碳变换不能在过高的温度下进行。3、甲烷的生成反应在加压气化炉中，一般认为主要是由于下列反应生成甲烷：[9]2H2+C=CH4+20870千卡/公斤分子[10]CO+3H2=CH4+H2O+49250千卡/公斤分子[11]2CO+2H2=CH4+CO2+59100千卡/公斤分子[12]CO2+4H2=CH4+2H2O+38900千卡/公斤分子反应机理：有人认为，甲烷主要是燃料中的挥发分分离后被加氢而生成，即反应[9]是主要反应。由氢和一氧化碳或二氧化碳生成的合成甲烷反应[10]、[11]、[12]虽然属于均相反应，其反应速度理应比多相反应[9]大。但是由于反应[10]、[11]、[12]需要有4个或5个分子的互相作用，在没有催化剂的作用下，很难进行。因此被认为加压气化炉中，甲烷的生成反应主要是反应[9]所至。燃料中灰分的某些组分，对甲烷的生成起到了催化作用。（1）2H2+C=CH4的反应，是个放热反应，所以在压力不变的情况下，随着温度的上升，反应向吸热方向进行，H2气含量明显增加，CH4含量明显降低。（2）2H2+C=CH4的反应，是个体积缩小的反应，当温度一定时，增加压力时，平衡体系中甲烷含量升高，反之甲烷含量降低。曾有人研究过焦炭的加氢反应，得出如下结论，在较低的压力下，氢与焦炭的反映在500~550℃的范围内进行的最快，而在较高的压力下，则在900~950℃的范围内进行的最快。在900~950℃和50个大气压下的条件下，由焦炭制得的气体，甲烷含量最大。但在实际生产中，甲烷的生成多少，与气体中氢、一氧化碳含量并不完全成正比，而主要与煤种有关。甲烷含量主要跟煤的反应能力有关，即反应能力大者，在相同的气化条件下，生成的甲烷量就多。所以，有人认为，甲烷的生成可能按[13]（2C+2H2O=CH4+CO2）的反应进行。这个反应并无体积的变化，主要是当蒸汽的浓度或压力增加时（压力的提高还是变向的增加浓度）甲烷的生成反应速度加快。从上述讨论中可以看出，[13]才是甲烷生成的一个主要反应，在制取合成原料气时，为降低甲烷的含量，可以采取较低的气化压力，选择较高的反映温度，同时，还要采用较小的汽氧比。相反，在制取甲烷合成气时，要增加甲烷的含量就要采用较高的汽化压力和较大的汽氧比，选择较低的反应温度。四、鲁奇加压气化工艺流程碎煤加压气化装置由气化炉及加煤煤锁和排灰灰锁组成，煤锁和灰锁均直接与气化炉相联接。装置运行时，煤经由自动操作的煤锁加入气化炉，入炉煤从煤斗通过溜槽由液压系统控制充入煤锁中。煤斗的容量可供四小时用，它装有料位测量装置。装满煤之后，对煤锁进行充压，从常压充至气化炉的操作压力。在向气化炉加完煤之后，煤锁再卸压至常压，以便开始下一个加煤循环过程。这一过程实施既可用自动控制，也可使用手动操作。用来自煤气冷却装置的粗煤气和来自气化炉粗煤气使煤锁分两步充压；煤锁卸压的煤气收集于煤锁气气柜，并由煤锁气压缩机送往变换冷却装置。减压后，留在煤锁中的少部分煤气，用喷射器抽出。经煤尘旋风分离器除去煤尘后排入大气。气化剂——蒸汽、氧气混合物，经安装在气化炉下部的旋转炉蓖喷入，在燃烧区燃烧一部分煤，为吸热的气化反应提供所需的热。在气化炉的上段，刚加进来的煤向下移动，与向上流动的气流逆流接触。在此过程中，煤经过干燥、干馏和气化后，只有灰残留下来，灰由气化炉中经旋转炉蓖排入灰锁，再经灰斗排至水力排渣系统。灰锁也进行充压、卸压的循环。灰锁拥有可编程控电子程序器，也可手动操作。充压用过热蒸汽来完成。为了进行泄压，灰锁接有一个灰锁膨胀冷凝器，其中充有来自循环冷却水系统的水。逸出的蒸汽在水中冷凝并排至排灰系统。气化所需蒸汽的一部分在气化炉的夹套内产生，从而减少了中压蒸汽的需求。为此向气化炉夹套中加入中压锅炉给水，气化炉中产生的蒸汽经汽／液分离器送往气化剂系统，蒸汽／氧气在此按比例混合好喷射入气化炉。离开气化炉的粗煤气以CO、H2、CH4、H2O和CO2为主要组分。还有CnHm、N2、硫化物(H2S)、焦油、油、石脑油、酚和氨等众多气体杂质。气化炉为带夹套的Φ4000型，每台气化炉有一台煤锁、一台灰锁、一台洗涤器和一台废热锅炉与之配套。煤锁和灰锁装卸料的频率取决于产气量。离开气化炉的煤气首先进入洗涤冷却器，在此，煤气用循环煤气水加以洗涤并使其饱和。洗涤冷却器的用途首先是将煤气温度降至200℃左右，其次是除去可能夹带的大部分颗粒物。饱和并冷却后的煤气进入废热锅炉，通过生产0.5MPa(表压)低压蒸汽来回收一部分煤气中蒸汽的冷凝热。在废热锅炉下部收集到的冷凝液的一部分，用洗涤冷却器循环泵送出。多余的煤气水送往煤气水分离装置。离开气化工段的粗煤气在压力3910kpa(g)、温度180℃饱和状况下，通过粗煤气总管进入煤气变换冷却工段。煤锁气回收系统供所有气化炉系列所用。来自气化炉的煤锁气送到文氏管洗涤器，在此与由煤锁气分离器来的洗涤水接触，洗涤水由煤锁气洗涤泵进行循环。煤锁气柜用于平衡，收集不稳定的煤锁气，这些煤锁气收集后经压缩送往主系统。分离后一部分煤气水排往煤气水分离装置，所需的补充水为来自煤气水分离装置的喷射煤气水。在开停车和事故操作期间，来自碎煤加压气化的煤气进入火炬系统。这些粗煤气含有杂质和冷凝液（煤气水），首先在开车煤气洗涤器用来自开车煤气分离器的煤气水，靠开车煤气洗涤水泵循环洗涤。开车煤气洗涤器和开车煤气分离器所用的低压喷射煤气水均来自煤气水分离工段，过量的煤气水将用泵送回煤气水分离工段。通过火炬气气液分离器的火炬气将通过火炬筒，在火炬头部用导燃器点火燃烧，火炬采用分子封作为火焰挡板，并连续不断地向火炬筒注入氮气，供吹扫用。五、加压气化工艺指标分析（以苏新能源是烧煤种为分析依据）1、消耗指标及吨煤产气量随着气化压力的提高，氧气消耗有所减少但总体变化不大，而水蒸气消耗提高，单位合成气煤耗增大。甲烷的生成反应为放热反应，随着气化压力的提高，甲烷生成量增加，反应所放出的热量亦增加，即相对减少了耗氧的燃烧热，从苏新能源三个煤样试烧结果，赛尔4#汽氧比最低，100kg原煤消耗197kg蒸汽及59Nm3氧气。图5-1赛尔4#及红山气化剂消耗随气化压力的变化情况图5-2赛尔4#、红山矿及嘎顺消耗一览2、蒸汽分解率及煤气热值图5-3赛尔4#及红山矿蒸汽分解率随气化压力变化图5-4赛尔4#及红山煤气热值及有效气组分随压力变化图5-5苏新能源试烧煤种蒸汽分解率及冷凝水产率一览由图5-3、5-4、5-5气化压力的提高使蒸汽分解率降低，煤气热值增大。气化压力的提高使煤气热值增大，有效气体含量降低。这是因为虽然H2和CO含量降低而CH4含量增高，而甲烷热值约是H2和CO热值的3倍，因此使煤气热值提高。从上分析知道随着压力的增大，CO和H2含量降低，因此煤气中有效气体组分含量降低。从污水处理角度看，嘎顺矿酚水量较少，嘎顺3.0Mpa冷凝水产率为115kg/100kg原煤，三种煤样3.0Mpa蒸汽分解率相差不大均在30%左右。3、煤气产率图5-6赛尔4#及红山矿煤气产率随气化压力的变化情况图5-7赛尔4#、红山及嘎顺吨煤产气率从上图可以看出，随着气化压力的增大煤气产率下降。煤气产率与煤中惰性成分和固定碳含量有关系，灰分和水分越低、固定碳含量越高，那么煤气产率就会越高。煤中的挥发分对煤气产率的贡献较小，大部分挥发份在干燥干馏段裂解后再次聚合成焦油，与气化段产生的大量气化煤气相比占的比例较小。苏新能源三种煤样吨煤产气量为赛尔4#最优，在3.0MPa下达到1.6-1.7Nm3/kg原煤。4、煤气组成图5-8赛尔4#及红山矿煤气组成随气化压力的变化情况从上图可以看出，随着气化压力的增大H2和CO双原子气体含量减小，而多原子气体CH4、CO2含量随着压力的增大而增大。随着气化压力的增大，汽氧比增大，水蒸汽分解率下降水蒸汽分解量增大。压力增大水蒸汽消耗量的增大致使燃烧层的温度下降，因此CO2还原反应和水蒸汽分解反应的条件变坏，生成的CO减少，此时灰渣中的碳含量将会随着气化压力的增大而增加。同时，煤气产率会随着灰渣含碳量的增大而降低，因此冷煤气效率降低。5、灰渣含碳鲁奇气化炉灰渣一般控制在5%左右。随着气化压力的提高，汽氧比提高，燃烧层温度下降，会使灰渣含碳量的增大。6、气化特性试烧数据表明，苏新能源煤样赛尔4#矿3.0Mpa最优汽氧比为6.22kg/Nm3左右，煤气产率为1.69Nm3/kg原煤，焦油产率为1.46kg/100kg原煤，有效气体为65.25%左右。预测4.0Mpa最优汽氧比为7.22kg/Nm3，煤气产率为1.69Nm3/kg原煤，焦油产率为1.40kg/100kg原煤，有效气体为64.36%左右。苏新能源煤样红山矿3.0Mpa最优汽氧比为6.52kg/Nm3左右，煤气产率为1.53Nm3/kg原煤，焦油产率为2.00kg/100kg原煤，有效气体为66.05%左右。预测4.0Mpa最优汽氧比为7.50kg/Nm3，煤气产率为1.52Nm3/kg原煤，焦油产率为1.80kg/100kg原煤，有效气体为64.87%左右。对于煤气成分及消耗指标，操作压力升高，气化强度增加，煤气中CH4和CO2含量增加，H2和CO含量有所降低。随着压力提高，单位蒸汽消耗增加，水蒸气的分解率下降。本实验炉料层厚度小于工业炉，CH4相对偏低，根据以往数据追踪，预计3.0Mpa工业气化本煤种工业气化炉CH4组分为10-12%左右。苏新能源煤样的粗煤气中的硫化物含量较高，赛尔4#气体成分中H2S含量约5000-7000ppm。红山矿5000ppm左右。根据工业化加压固定床气化炉（鲁奇气化炉）的性能和本实验煤种的特性，工业气化炉3.0MPa运行时的赛尔4#气化强度约为3000－3500kg/m2h，氧气负荷为6000-7000m3/h。红山矿气化强度约为3500－4000kg/m2h，氧气负荷为5500-6000m3/h左右。六、煤质对鲁奇气化炉的经济运行分析1、煤质分析1）灰熔点的影响鲁奇气化炉的操作温度介于煤的T1(煤灰变形温度)和T2(煤灰软化温度)之间，入炉煤灰熔点高，则操作时就要适当降低汽氧比，相应提高炉温，蒸汽分解率增加，煤气水产量低，气化反应完全，有利于制气。但是受气化炉原设计制约，蒸汽也不能无限制降低，否则可能会烧损炉篦及内件，因此受设备材质影响，灰熔点不能太高，一般控制在1150℃≤T2≤1250℃为宜。反之，煤的灰熔点低，则操作时就要适当提高汽氧比，相应降低炉温(防止低灰熔点的煤在炉内结渣，造成排灰困难)，蒸汽分解率降低，煤气水产量增加，气化反应速度减缓，不利于制气，运行非常不经济。因此入炉煤灰熔点要尽可能控制在一定范围内，不能变化太大。在实际生产过程中，入炉煤存在多样性，入炉煤的灰熔点也就各不相同;因此，有一个最佳汽氧比的选择，即控制气化炉内的反应温度，既不能因汽氧比高造成灰细导致排灰困难，也不能因汽氧比低造成结渣而无法排灰。若入炉煤灰熔点相差较大，就无法选择最佳汽氧比，从而造成灰熔点低的煤易结渣，容易出现气化炉工况恶化，另外还有可能达到T3温度(煤灰熔融性流动温度)，熔融部分将灰熔点高的煤包裹，阻碍了其与气化剂接触，不利于完全反应，导致碳流失，表现为炉渣中的黑核现象。相反，按照低灰熔点煤选择汽氧比，则高灰熔点的煤表现为灰细，不利于排灰和制气，同时增加煤气水产量，加大了污水处理费用。2）挥发分的影响挥发分一般理解为烃类，是煤中有机质加热到一定温度挥发出的气态及蒸汽产物，它是反映煤的变质程度的重要标志，随着变质程度的提高，煤的挥发分逐渐降低。气化炉用煤中挥发分含量的多少与煤气用途有一定的关系。当煤气用作甲烷合成气时，要求甲烷含量高、热值大，则可选用挥发分较高的煤做原料，所得煤气中甲烷含量较大。当煤气用作工业生产的合成气时，一般要求使用低挥发分、低硫的无烟煤、半焦或焦炭。另外，变质程度轻的煤种，生产的煤气焦油产率高，焦油容易堵塞管道和阀门，给焦油分离带来一定困难，同时也增加了含酚废水的处理量。更重要的是，对合成气来讲，甲烷可能成为一种不利的气体。例如，合成氨中要求氢气含量高，而这时甲烷却变成了一种杂质，含量不能太大，故要求挥发分小于10%。一般来说，煤的挥发分对鲁奇气化炉运行工况影响不是很大。煤中挥发分变高，能造成副产品焦油和中油的产率增大，煤气水分离处理困难，粗煤气产率下降，加煤频繁，粗煤气耗块煤的单耗随之增加。煤中挥发分低，煤气产率增加，气化炉运行更为经济。3）灰分及矸石的影响煤中矸石含量及灰分增加时，一是矿物质燃烧灰化时要吸收热量，大量排渣要带走热量，因而降低了煤的发热量;二是为防止气化炉结渣，要适当提高汽氧比，降低了气化炉的操作温度，影响了气化强度，蒸汽分解率降低，煤气水的产量提高，粗煤气产量减少。同时，随着煤中矸石含量及灰分增加，煤灰中FeO、CaO、MgO、K2O作为助熔剂，对结渣起到促进作用，加剧了设备磨损，一是炉篦刮刀、护板等部件，二是煤灰锁上下阀运转周期缩短，设备检修频次增加，开停车频繁。灰分过高时，影响气态反应物，反应产物扩散速度和热量的传递速度，使气化反应总反应处于扩散状态，阻碍了固体表面和内部气化反应的有效进行，碳核也会进入灰区，导致灰锁温度升高，严重时导致各反应层紊乱，造成气化炉工况恶化。4）水分的影响加压气化炉对炉温的要求比常压气化炉低，而炉身一般比常压气化炉高，能提供较高的干燥层，允许进炉煤的水分含量高。适量的水分对加压气化是有好处的，水分高的煤，往往挥发分较高，在干馏阶段，煤半焦形成时的气孔率大，当其进入气化层时，反应气体通过内扩散进入固体内部时容易进行。因而，气化的速度加快，生成的煤气质量也好。煤种的内在水分属固有特性，但外在水分对气化炉经济运行影响较大。水分过高时，影响主要有以下几个方面:①水分过大，会导致筛分效果不好，堵塞筛板，且块煤表面黏附末煤入炉后影响气化炉工况，还容易造成煤锁膨料、挂壁，加煤不畅;②煤中水分过大，蒸发汽化所需热量增加，造成氧耗一定程度增加;③原料煤雨雪季节防护不利，水分过高时，还可使煤气水产量增加，增加污水处理费用。5）煤的粒度的影响鲁奇气化工艺属于碎煤气化，对粒度要求较高(5～50mm碎煤)粒度大小和范围不同，会造成气化炉同一床层截面的煤的比表面积不同，而在同一床层截面上，气化剂的分布是均匀的，比表面积大的接触的氧气就多，若粒度大小和范围不同，就会造成气化炉同一床层的反应速度不同，而向下排灰拉动床层下移却是均匀的，这样就可能会导致气化炉内床层紊乱，比表面积小的煤(大粒度)，因反应不完全和灰渣一起排出，碳在灰锁中继续反应使灰锁温度也升高，同时灰中残炭量升高，因碳流失从而使产气率下降，块煤单耗升高。实际生产经验告诉我们，鲁奇气化中若用煤中大于50mm粒度的煤偏多，易造成气化反应不完全;而小于13mm的煤偏多，容易产生小粒度填充大粒度间隙的现象，同时还会出现大粒度遍布气化炉床层四周，而小粒度集中于中央，引起床层不均，局部阻力增大，气化剂通过床层时会出现阻力小的部位通过的气化剂量多，阻力大的部位通过的气化剂量小，不但影响气化炉的产量和气体质量，而且易出现气化炉局部过热结渣、结大块，造成气化炉工况恶化。通过多年来对粒度大小和粒度范围的分析，得出鲁奇气化煤粒度控制范围如下:5～13mm，＜10%;13～25mm，30%左右;25～50mm，30%左右;＞50mm，30%左右;同时需避免出现大于100mm的煤。6）固定碳含量的影响影响煤的发热量的主要因素是固定碳，固定碳含量提高，则灰分、挥发分等相应含量下降，有效成分增加，有利于煤制气。但随着固定碳含量的升高，煤在鲁奇炉内就需要更多的氧气参与反应，若气化反应氧气量一定且与煤的发热量不匹配时，由于固定碳含量升高，参与反应的氧气不足，会造成炉内反应速度减慢，煤在炉内停留时间增长，导致各层拉长，干馏层缩短，干燥层缩短或消失。气化炉的工况表现为:粗煤气出口温度高，在450～490℃;灰锁温度高，在330～380℃;在此温度下，煤中的挥发分在干馏层生成焦油的成分多(煤焦油生产约在320℃开始，在430℃达到最大值)，焦油产量增加，剩余半焦减少，进入气化层后，生成CO、CO2、H2、CH4的有效成分减少，导致块煤单耗出现拐点。也就是说并不是煤中固定碳越高越好，固定碳的含量相对应气化负荷等因素应有一个合理的区间。2、气化炉稳定经济运行的煤质建议及措施1）煤炭采购中应将灰熔点作为一项主要的控制指标，尽可能集中采购灰熔点相近的煤种。在煤场中应据煤质、灰熔点等分类堆放，入炉前应将灰熔点相近的煤合理搭配。尽量避免在气化炉上频繁切换使用不同灰熔点的煤，以利气化炉操作时最佳汽氧比的选择和经济运行。2）灰分和矸石无任何利用价值，增加了运输成本，矸石含量过高严重影响设备运行周期，造成设备检修频次增加，开停车频繁，煤炭公司应增加原煤预选装置，减少原煤的矸石含量，以保证气化炉长周期稳定运行带来更好的经济效益。3）合理选择发热量保证用煤粒度煤炭采购中要严格控制块煤下限率，末煤含量尽可能少，同时在原煤运输、装卸、进入气化炉过程中尽量减少不必要的碰撞和挤压，降低块煤粉化率。此外，煤厂还应加强雨雪季节原料煤防水，可利用加盖遮雨布或存于煤棚中，避免入厂干煤二次受水，满足气化炉的稳定运行。七、鲁奇加压气化现状分析鲁奇气化炉引进国内几十年了，工艺日趋成熟，虽然在煤气水处理问题上制约鲁奇工艺曾经的瓶颈，在义马气化厂、潞安煤制油项目、新疆庆华煤制气项目已经得到妥善解决，目前对鲁奇工艺影响最大集中在气化炉内壁腐蚀、煤尘带出物过多、气化炉内结渣的问题，以下主要针对这三个方面进行分析。1、鲁奇气化炉内壁腐蚀问题分析1）新疆广汇新能源项目气化炉腐蚀原因分析

新疆广汇煤化工项目气化炉的腐蚀主要发生在脚踏护板往上大概2.5厘米左右处28毫米厚的20R板材腐蚀比较严重，氧化区和还原区之间的腐蚀严重，腐蚀主要发生在人孔右手侧80度，左手侧70度的这150度区域。腐蚀机理经过反复挂片试验，最终确定主要是高温卤化腐蚀机理，得到了氯离子是主要腐蚀的证据。在确定腐蚀机理的情况下，通过采用镍基合金，问题可得到解决。由此看来，找到腐蚀机理十分关键。气化炉修复之后，经过1年的运行试验，气化炉内壁堆焊镍基合金没有发生腐蚀，仅出现了一点瑕疵，堆焊层表面发生轻微裂纹，初步推断是堆焊层在高温高压环境里面，不同材质的膨胀系数不同，导致了堆焊层表面裂纹。

2）大唐克旗项目气化炉腐蚀原因分析

内蒙古大唐国际克旗煤制天然气项目采用蒙东胜利煤田的褐煤为原料。2014年1月6日，大唐克旗煤制天然气项目的工艺人员发现221#气化炉运行参数出现异常。通过专家们的认真论证和考究，发现该煤灰中的氧化钠、氧化钾含量偏高，其硫酸盐是夹套内壁减薄的主要原因，钒含量也偏高。同时夹套板底部32毫米的15CrMo板减薄部位出现规律性竖向沟流槽，有可能是气化剂布气不均，局部出现煤灰流化磨蚀导致减薄。找到了问题的根源，专家们给出了修复意见：将下部15CrMoR板割除，更换为32毫米的Q245R带极堆焊3～5毫米的inconel625材料；原20R夹套腐蚀减薄部分，手工或自动堆焊3～5毫米的inconel625材料。

由此看来，无论是新疆广汇还是大唐克旗的气化炉出现腐蚀的原因，都是原料煤质的问题。其中煤灰成分中各种元素或金属离子的含量是造成气化炉腐蚀的主要原因。目前在气化炉内壁堆焊一层3～5毫米厚的inconel625合金可以解决气化炉腐蚀问题，根据设计煤种和未来煤种可能存在差异，提前在制造气化炉时候进行对焊inconel625合金可以防患于未然。2、带出物过多原因分析造成带出物过多的情况主要是由原煤热稳定性和机械性能决定，热稳定性差的煤遇热后则迅速碎裂成小块和粉末。对于移动床气化炉来说，热稳定性差的煤将会增加炉内阻力和带出物量，降低气化效率。一般热稳定性≥70％为宜。移动床气化所用的原料煤一般要求机械强度大于65％。在操作过程中气化炉和后系统压差过大也会造成带出物量增多多。带出物增多会直接影响影响煤气水处系统分离困难，严重会影响酚氨回收和变换冷却装置的正常运行，新疆庆华煤制气项目也是近年来因带出物太大影响生产的典型案例。新疆庆华煤制气项目自2013年7月开车以来，由于在设计过程中忽略了煤长途运输的粉化率，在设计中为了节约资金和有效的利用空间，运煤通道过筛分后由二期再返回一期，运输距离大大增长，导致煤粉化率严重，进入气化炉后气化带出物量太大，废锅底部集水槽、变换冷却装置洗涤系统和煤气水系统堵塞严重，焦油因和尘无法分离未能产出，平均每天焦油尘产量大约480吨,煤气水分离装置平均出水指标为:COD:9500mg/l,油含量:＜4