气流床气化炉操作温度的探讨贺根良门长贵（西北化工研究院，西安７１０６００）
收稿日期：
２００７－０３－０８
作者简介：贺根良（１９６８—），男，１９９２年毕业于华东理工大学能源化工系煤化工专业，高级工程师，现从事煤的湿法、干法气流床气化技术的开发和管理工作。
摘要通过探讨气化炉操作温度的影响因素，建议依据气化炉型、煤质、目标产物煤气组成等主要因素，
建立气流床气化炉操作温度评价模型，为气化炉运行提供直接的适宜的操作温度，旨在延长气化炉的运行周期和使用寿命，提高气化装置运行的经济性。
关键词气流床气化气化炉操作温度煤质
文章编号：１００５－９５９８（２００７）－０４－０００８－０４中图分类号：ＴＱ５４文献标识码：
Ａ
１概述先进的煤气化技术是公认的最基础的煤洁净利用单元技术。以煤为原料，经气化可制备以ＣＯ和Ｈ２为主要组成的粗煤气，这种粗煤气可作为燃气、合成气、还原性气体使用，在大型的煤化工装置如甲醇、醋酸、二甲醚、氨、低碳烯烃、煤制油、电力生产等多联产系统有着广泛的应用市场。可见，以煤为原料的项目，选择成熟可靠的气化技术至关重要，将直接影响整体生产装置的长周期、稳定、经济运行。煤的气流床气化技术因其技术先进、气化指标好、节能高效、环境友好性，成为煤化工项目首选的气化技术［１］。目前，先进的气流床气化工艺主要有料浆进料的湿法气化工艺和干煤粉进料的干法气化工艺，其中，气流床气化炉是煤化工生产装置的关键设备之一，气化炉的操作温度是气化炉长周期、稳定、经济运行的主要控制参数。气流床气化炉的操作温度是在基于考虑气化炉型、煤质（煤的发热量、灰分、灰组成、灰熔融性温度、灰黏度等）、目标产物煤气组成以及气化技术特征要求等影响因素的前提条件下，根据经验确定的。气流床气化工艺为了保证气化炉顺利排渣，通常采用熔渣气化，根据工业化气化炉型的运行经验，气化炉操作温度要高于灰熔融性温度ＦＴ（流动温度），气化炉操作温度过高，意味着气化装置原料消耗（原料煤、氧气等）会增加，气化炉的内件（进料喷嘴、气化炉内衬、渣口耐火材料、熔渣的激冷设备和排放设备）的运行周期和使用寿命缩短，所以确定合适的气化炉操作温度是维持气化装置长周期、稳定、经济运行的关键所在。
２气流床气化炉操作温度的影响因素２．１气化炉型气流床气化炉型通常为圆柱型筒体，在气化炉的顶部或在气化炉侧加料，生成的粗煤气在气化炉侧或在气化炉顶部送出，产生的大部分灰渣在气化炉底的排渣系统排出。气流床气化炉的操作温度控制在其灰熔融性温度以上，气化温度高，碳的转化率较高，但维
持气化炉的高温需要消耗较多的氧气，煤中较多的碳转化成ＣＯ／ＣＯ２，伴生的灰渣以液态的方式排出气化炉
膛，基于气化炉膛为非等温场，气化炉的渣口常常采用缩口的办法，以维持灰渣在较高的温度条件，使灰渣具有适中的流动性，便于灰渣汇集且能顺利排出，
然后被急速冷却。工业化气化炉运行实践表明：气化操作温度对气化炉及其附属内件的使用性能和使用寿命产生直接的影响，气化炉的内件如喷嘴、炉内衬及渣口耐火材料、激冷设备及材质等对炉温的选择亦有限定要求。
２．２煤质气流床气化炉由于采用高温气化，从化学反应性上看，原料煤种的适应性应较广，但发热量、可磨性、
水分、灰分、挥发分等一些关键理化特性的要求仍有
第４期（总第１３１期）２００７年８月
煤化工ＣｏａｌＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＮｏ．４（ＴｏｔａｌＮｏ．１３１）
Ａｕｇ．２００７２００７年８月局限性，从气化装置的技术经济角度考虑，对煤种还是有一定的要求。一般情况下，煤质稳定、低水分、高挥发分、高活性、高发热量、可磨性适中、灰分适中、灰熔融性温度低的煤种选用气流床气化工艺生产粗煤气是有利的。煤种特性参数如煤的灰分及组成、灰熔融性温度、灰黏度、煤灰的酸碱比等与煤气化炉和相关设备的设计及操作密切相关。煤质的变化对气化、排渣装置等过程产生较大的影响，气流床气化工艺技术对原料煤质及稳定性有一定的要求。２．２．１灰分煤的灰产率仅代表煤的灰分产率（在氧化氛围下测定），并非煤的灰分真实含量［２］，其含量的高低对气化性能、装置的生产能力、排渣及灰处理系统影响较大。工业化运行装置表明：在同样的反应条件下，灰分每增加１％，氧气消耗要增加０．７％￣０．８％，煤耗增加１．３％～１．５％。煤的灰含量的高低对气流床气化炉的操作温度影响较小［３］。２．２．２灰熔融性温度灰熔融性温度是确定气流床气化炉操作温度的主要参数，也是煤种选择的重要依据。实验室测定的灰熔融性温度（还原氛围下测定）实质上是煤产出灰分的熔点，在实际运行的气化炉内，灰渣中含有未反应的碳（碳含量约５％￣３０％），灰中残碳的存在对灰的熔融特性产生影响［４］。可见实验室测定的灰熔融性温度并不能较为准确地反映气化炉灰渣的熔融性，亦有根据煤灰组成［５］计算灰熔融温度ＦＴ的一些经验公式。但这些经验公式计算的ＦＴ值同一般的实测值之差约１００℃，对确定工业化气化炉的操作温度的指导有限。为保证气化炉能顺利排渣，气化操作温度要高于灰熔融性温度ＦＴ（流动温度）约５０℃￣１００℃［６］。如灰熔融性温度过高，势必要求提高气化操作温度，从而影响气化炉运行的经济性。对高灰熔融性温度煤，一般可以通过添加助熔剂来改变煤灰的熔融特性，以保证气化炉的正常运转。但气化装置的消耗增加，气化性能变差，经济效益下降。２．２．３煤灰组成煤灰组成实质上是煤高温氧化状态下取得的灰组成的一种表达，主要是ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ２及Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ等。煤灰组成中某些组分含量过高，会影响煤灰的熔融特性，造成气化炉渣口排渣不畅或渣口堵塞。对于高灰熔融性温度的煤种，常用添加助熔剂的方法或配煤的方法降低其灰熔融性温度，助熔剂及加入量的选择，应结合煤灰组成，调整煤灰的相对组成，以改善灰的熔融特性。添加助熔剂将增加运行成本和建设投资。这些费用的增加可以通过降低气化操作温度，节约氧耗和煤耗来补偿。２．２．４煤灰的酸碱值煤灰中酸性组分有ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２等，碱性组分有Ｆｅ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ等。通常煤灰酸性组分和碱性组分的比值越大，灰熔融性温度越高。煤灰中碱性组分（Ｆｅ２Ｏ３＋ＣａＯ＋ＭｇＯ＋Ｎａ２Ｏ）占煤灰４０％￣５０％时，煤灰易形成低熔点熔融体，应结合不同煤种的煤灰组成和添加物的成本，通过配煤或添加某些组分，调整煤灰的酸碱值，以改善灰的熔融特性。２．２．５灰黏度灰黏度是确定气化操作温度的主要参照因素，但是实验室测定的灰黏度实质上是煤在氧化氛围下取得的灰分在还原氛围、恒温熔化状态下的流动状态的重要指标，如前所述，由于实际运行的气化炉内灰渣中携带有一定数量的未反应的碳，且在气化炉内建立的灰渣流动层内存在一定的温度梯度分布，并非温度恒定，所以，实验室测定的灰黏度并不能真实反映气化炉灰渣的熔融性。煤灰的黏度一般随温度的升高而降低，为保证气化炉能顺利排渣，根据经验，气化操作温度要高于煤灰的流动温度，维持煤灰的流动时，黏度在２５Ｐａ・ｓ￣４０Ｐａ・ｓ。２．３气化温度气化原料煤中含有一定的灰分，其灰的组成、灰熔融性温度、灰温度－黏度特性和煤种关系密切。在气流床气化过程中，为了使灰渣顺利地以液态的形式排出气化炉，通常根据经验，将气化炉的操作温度控制在其灰熔融性温度以上，而煤的气流床气化过程并不需要如此高的温度条件。以陕西神府煤为例，表１给出了一种典型的湿法气流床气化方法操作温度对气化性能的影响结果（此结果由西北化工研究院根据煤的气化反应热力学平衡及湿法加压气化中试装置试烧数据，以ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６．０语言为基础，开发的气化评价模型计算出的）。图１￣图３分别示出了气化操作温度对气化指标、气体组成和主要气化原料消耗的影响。可见，在其他条件不变的情况下，气流床气化炉随操作温度的提高，氧气的消耗提高，煤气中ＣＯ２含量提高，Ｈ２含量降低，碳的转化率提高，在１２８０℃￣１３８０℃范围，煤耗随温度的增加逐渐减少，在１３８０℃￣１４００℃范围，煤耗随温度的增加而增加，这和文献［７］报道的试验结果相一致，可见，选择适宜的气化温贺根良等：气流床气化炉操作温度的探讨９－－２００７年第４
期煤化工
表１气化操作温度对气化性能的影响气化温度／℃１２８０１３００１３５０１３８０１４００碳转化率／％９５．８７９６．６８９７．９７９８．５７９８．８０冷煤气效率／％６８．９７６８．７４６８．２２６８．０７６８．００ＣＯ／％４５．５１４５．６５４５．９６４６．０５４６．０９ＣＯ２／％１９．１２１９．１７１９．３０１９．３４１９．３６Ｈ２／％３４．７１３４．５２３４．０８３３．９４３３．８９氧耗／ｍ３・［１０００ｍ３（ＣＯ＋Ｈ２）］－１４０２．９４０５．４４１１．８４１３．０４１４．０煤耗／ｋｇ・
［１０００ｍ３（ＣＯ＋Ｈ２）］－１
６０３．６６０１．３５９８．５５９６．０６０３．３
图２气化温度对气体组成的影响图３气化温度对原料消耗的影响度，可获得较优的气化指标。
气化炉在较低温度下操作，气化炉内灰渣黏度偏高，极易引起渣口的堵塞而造成排渣困难，形成的大渣块对气化炉的排渣通道产生堵塞和损坏，导致气化炉停车。气化炉在较高温度下操作，气化炉内灰渣黏度偏低，在炉内不能形成稳定的流动的黏性保护膜，灰渣中侵蚀性元素活动活跃，在耐火层形成相互的渗透体，煤灰中的元素渗透进入耐火层，耐火材料会慢慢溶解扩散进入流动的煤灰中而排出气化炉，这将加速耐火层的侵蚀，缩短气化炉内耐火层的运行周期。在适宜的气化炉操作温度下，煤灰在熔融状态表现出合适的流动性，在炉内形成稳定的流动的黏性保护膜，减轻高温熔渣对耐火层的侵蚀，延长气化炉的运行周期及其内件的使用寿命。工业化的气化炉运行实践表明：气化炉操作温度每提高１００℃，单位产品合成气（ＣＯ＋Ｈ２）的氧耗约增加６％￣７％，相应的煤耗亦要增加；气化炉操作温度每提高４４℃，耐火砖的侵蚀速度增加１倍。国内目前运行的湿法气流床气化炉的耐火材料每炉价值约５００万元，由此可见，气化炉的操作温度对气化炉的运行周期和使用寿命起决定性的作用。对高灰熔融性温度的煤，气化炉亦可采用固态排灰的方法进行操作［８］。浙江巨化股份有限公司合
成氨厂年产６万ｔ原油气化装置采用多元料浆气化技术改造后，原料煤灰熔融性温度（ＦＴ）１４１０℃，气化温度１２８０℃￣１３３０℃，气化炉采用固态排灰的方法进行
操作，氧耗低，但碳转化较低（９２％￣９５％），碳的一次利用率下降。这种固态排灰的气化方式，灰含碳量相对偏高，灰渣可作为锅炉的原料。
１０－－