SHELL干煤粉氣化爐堵渣探析_圖文

1、SHELL 干煤粉氣化爐堵渣探析李海賓, 孫典文(中國神華煤制油鄂爾多斯分公司煤氣化生產中心, 內蒙古鄂爾多斯017209摘要:由生物質能源緊缺帶來的一系列市場反應, 使得植物質能源成為了化工界的新寵。短短幾年內國內規(guī)劃、開工了一大批的煤化工項目。而煤氣化作為煤化工的龍頭, 首當其沖的成為了人們關注的焦點。為了適應現(xiàn)在安全、環(huán)保、節(jié)能、高效這樣一個大環(huán)境的需求, 國內國外開發(fā)或升級了多種煤氣化技術。國外比較典型的有:T ex aco 、E -Gas (原Destec 等濕法進料氣流床氣化爐, K -T 爐、Shell 、Prenflo 和GSP 等干法進料氣流床氣化爐; 國內開發(fā)的有:山東省水

2、煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心開發(fā)的新型(多噴嘴對置式 氣流床干煤粉加壓氣化技術, 西安熱工院開發(fā)的兩段式干煤粉加壓氣化技術, 清華大學正在進行研究的非熔渣-熔渣分級高壓純氧干煤粉氣化技術等。新一代的煤氣化技術中現(xiàn)在尤以干煤粉氣化技術最受推崇, 而SHELL 又是其中典型代表, 但其在國內的應用過程較為曲折, 目前尤以堵渣問題最為突出。關鍵詞:氣化; SHELL ; 堵渣中圖分類號:T Q542文獻標識碼:A 文章編號:10067981(2011 08005303在煤化工興起初期, SHELL 干煤粉加壓氣化工藝作為一種新型的煤氣化工藝技術, 帶著它安全、環(huán)保、節(jié)能、高效等諸多優(yōu)點于2001

3、年6月率先沖入中國市場搶占了先機。但作為新工藝, 其應用不會是一帆風順的, 總會有意想不到的困難和問題發(fā)生。從該工藝引進并于2006年正式投料試車到現(xiàn)在這四年運行當中, 國內工藝技術人員解決了一個個技術瓶頸, 使其年運行率達到了85%以上, 但仍有一個問題困擾著各廠家堵渣。1渣的形成機理及其熔點的影響因素(理論依據(jù)煤中的灰分主要成分是各種礦物質(石英、白云石、方解石、黃鐵礦以及高嶺石等 , 其在高溫中發(fā)生環(huán)境下會發(fā)生一系列的分解、化合、聚合、熔合等化學物理反應, 最終形成各元素化合物的熔融態(tài)聚合體。由于灰中各元素的含量的不同, 最終生成物的熔點就有所不同, 最終直接影響到了氣化爐的操作溫度和掛

4、渣、排渣的情況。1. 1SiO 2的影響研究發(fā)現(xiàn)當灰中不含SiO 2時, 軟化溫度會很高, 但隨著SiO 2含量的增加, 灰的軟化溫度灰逐漸降低, 原因是在加熱時有鈣長石(CaO Al 2O 32SiO 2 產生, 鈣長石自身熔點較高, 但含鈣氧化物群與硅酸鹽礦物群會產生低共熔現(xiàn)象, 從而導致熔點降低; 隨著SiO 2含量的進一步的上升并超過一定比例時, 軟化溫度又有上升趨勢, 這說明隨著SiO 2含量的進一步的上升, 鈣長石含量增加。1. 2Al 2O 3的影響當灰中不含Al 2O 3時的軟化溫度比較高, 當Al 2O 3含量略有增加, 會促進可以產生低共熔現(xiàn)象的鈣長石的生成, 從而使灰的軟

5、化溫度降低; 當Al 2O 3含量超過一定比例后, 軟化溫度又會有上升趨勢, 這說明隨著Al 2O 3含量的進一步的上升, 鈣長石含量增加。1. 3Fe 2O 3的影響在高溫弱還原氣氛下, 部分Fe 3+離子會被還原成為Fe 2+。Fe 3+離子的極性很高, 是聚合物的構成者, 能提高灰的熔融溫度; Fe 3+離子易于和熔體網絡中位當?shù)梨I飽和的O 2-相聯(lián)接而破壞網絡結構, 降低灰的熔融溫度。同時, 二價鐵氧化物極易和CaO 、SiO 2、A l 2O 3等形成低共熔體而降低灰的軟化溫度。1. 4CaO 的影響CaO 屬于堿性氧化物, 本身熔點很高, 但它有助熔作用, 是形成低熔點共熔體的重要

6、組成部分。隨著CaO 含量的增加, CaO 、SiO 2、Al 2O 3等反應生成鈣長石, 促進了低熔點共熔體的生成, 但隨著CaO 含量的繼續(xù)增加, 超過一定比例, 有多余的CaO 存在, 則軟化溫度會有回升的趨勢。1. 5Na 2O 的影響Na 的化合物的熔點低, 易于與灰中的其他氧化物生成低熔點共熔體, 并且Na +的離子勢較低, 能破壞煤灰中的多聚物, 降低熔化溫度, 起助熔劑的作用。532011年第8期內蒙古石油化工從以上的分析可以看出, 灰分中的某些成分所占比例對灰熔點的影響并不是單向的, 隨著其比例的增加或減少, 對灰熔點的影響是雙向的。2渣的類型根據(jù)渣的形態(tài)可將渣分為三類:玻璃

7、體渣、塑性渣、結晶渣?；以谌廴谶^程中, 硅、鋁酸鹽中的Na 、K 會揮發(fā)而損失掉, 硫酸鈣會分解并以三氧化硫的形式溢出, 因此, 真正影響灰渣粘度的主要化學成分為SiO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3、CaO 、M g O 。上述成分基本可以分為兩大類:酸性成分(SiO 2、Al 2O 3 、堿性成分(Fe 2O 3、CaO 、M gO , 這兩類成分在灰分中所占比例與渣的形態(tài)是有對應關系的:(Fe 2O 3、CaO 、M gO 30%,Al 2O 24%時, 熔渣呈玻璃體; (Fe 2O 3、CaO 、M gO30%, Al 2O 3=24-30%時, 熔渣呈塑性渣;(Fe 2O3、Ca

8、O 、M g O 30%, Al 2O 24%時, 熔渣呈結晶渣。3渣的性質SHELL 干煤粉加壓氣化工藝采用的是液態(tài)排渣法, 同時它的模式水冷壁采用的以渣抗渣的理念, 這樣SHELL 煤氣化工藝當中對反應后渣的狀態(tài)就有了特殊的要求最佳的結渣性和流動性, 而渣的流動性與渣的粘度有直接的關系。下面我們就針對其灰的粘度和結渣性在生產過程中的影響逐一進行分析。在火電站和煤氣化裝置一般都用到兩個概念:渣的粘度、灰的結渣性。SHELL 煤氣化為氣流床氣化爐, 反應中心溫度高于1400, 所以為液態(tài)排渣, 同時SHELL 氣化爐水冷壁膜內表面采用以渣抗渣的方式來保護氣化爐高溫側表面, 這樣SHELL 氣化

9、爐所用的煤就需要在反應溫度下的結渣性相對高一些。通常結渣指數(shù)(Se 劃分如下:Se0. 25為低結渣性能、Se0. 45為中等結渣性能、Se 0. 65為高結渣性能、Se 0. 65為嚴重結渣性能。如果渣的結渣性太高, 對于液態(tài)排渣的SH ELL 氣化爐來說, 極易出現(xiàn)堵渣的現(xiàn)象, 而結渣性太差, 則又不會在水冷壁表面形成均勻的渣層保護層。煤灰熔體中的化學成分對粘度的影響可以表示為會中酸性氧化物與堿性氧化物之比(Al 2O 3+SiO 2 /(Fe 2O 3、CaO 、M gO (重量比 對粘滯活化能系數(shù)(B 的影響。當酸性氧化物與堿性氧化物的比值擇增加時, 形成較大的網絡陰離子團, 使粘滯活

10、化能系數(shù)(B 增加, 從而使熔體粘度增加。在氣化爐爐膛溫度下, 如果渣的粘度太高, 則表明渣的流動性差, 這樣同樣會出現(xiàn)堵渣現(xiàn)象; 反之, 如果渣的粘度太低, 也不利于氣化爐水冷壁掛渣, 形成保護層。4實際生產分析在實際生產中, 爐溫控制的高低會直接影響生產能否正常進行。通過以上的理論分析, 不難看出, 在煤質相對穩(wěn)定的前提下:爐溫相對于臨界粘度溫度偏低, 爐膛內的渣就會以結晶的形態(tài)存在, 很難在水冷壁上掛渣, 此時的渣形如下圖 :從上圖可以看出, 渣類似于魚子狀, 大部分為細小的顆粒, 推斷渣在爐膛內的物理變化過程為:煤粉在瞬間反應完后, 由于溫度偏低, 大部分沒有發(fā)生物理聚合的過程或聚合了

11、極少部分, 在隨著渣下落的過程中, 渣大部分結晶, 無液相存在或固液兩相共存, 最終通過激冷后排出的渣形就會如上圖所示。如果排出的渣, 此種形態(tài)的占絕大部分, 那么說明爐溫太過于偏低, 這是渣的粘度會很高, 導致其流動性差, , 定程度會整體掉入渣口。對于神華的煤來說, 由于其低灰熔點的特性, 這種堆積不會出現(xiàn)太大的渣塊, 但由于其流動性差, 再加上SHELL 氣化爐渣口下方的特殊結構, 極易在渣口裙邊形成大的鐘乳石狀的渣塊, 隨著生產時間的延長, 積聚的渣會越來越大。這種渣一旦斷裂就會堵塞V 1402/1403的排渣口。但如果爐溫操作相對于灰熔點偏高, 尤其是短時間爐溫波動較大, 就會使水冷

12、壁上原本已掛的且54內蒙古石油化工2011年第8期塌導致渣口堵渣。下圖為水冷壁水冷壁上垮下的渣 :這種渣如堵在氣化爐渣口是比較危險, 有可能短時間內在渣口的位置會積聚大量熔融的渣, 而隨著下層的降溫, 會形成堅固大渣塊, 如處理不及時, 只能停車進人處理了。這種渣如堵在V1402或V 1403, 就比較容易處理了, 只需簡單消架就可以處理通, 一般不會造成大的危害。5總結鑒于以上理論與實際生產相結合, 我們總結出一些生產操作經驗:在生產中我們要密切關注煤質的變化, 尤其是灰組分的變化, 這樣我們可以提前預見氣化爐工況可能的變化趨勢, 以便在發(fā)現(xiàn)工況有持續(xù)發(fā)生變化時, 正確的做出判斷, 合理調整

13、爐溫; 我們在日常操作中, 要將氣化爐的甲烷、二氧化碳、蒸汽以及渣形的變化相結合來判斷工況。尤其以渣形為例, 如下圖所示 :由于SHELL 干粉氣化爐的操作溫度較高, 爐膛內的溫度目前無法實現(xiàn)實測監(jiān)控, 我們只能通過相關參數(shù)來判斷其溫度相對于灰熔點的一個寬泛的范圍, 這樣的操作是比較粗狂的, 控制出來的爐溫波動也是比較大的, 為了減少由于相關參數(shù)的波動(如CH 4、蒸汽等由于測量導致的波動 導致操作的頻繁調整帶來的爐溫不必要的波動, 我們可以通過渣形來確定當前爐溫是否合適。如上圖所示, 排出的渣中, 魚子狀的細渣與針狀的渣都要各有少許, 二粒徑在0. 5cm -1cm 的大顆粒渣要占絕大部分, 這樣的爐溫才既有利于掛渣, 也不影響排渣。以上分析是本人鑒于SHELL 干粉氣化爐目前情況總結出來的, 由于各廠的煤質與實際運行情況的不同可能略有區(qū)別, 請大家指正。參考文獻1龔德平. 煤灰的高溫粘度模型J . 熱力發(fā)電,1989, 1:28-