石油焦对低压多喷嘴 对置式水煤浆气化炉运行的影响

杨 路

(宁波中金石化有限公司 浙江镇海 315203)

0 前言

进入21世纪以来，我国炼油企业的原油加工能力迅速增加，相应的石油焦产量也快速增加，10年间(2001—2011年)全国石油焦产量增加了2.6倍，仅2011年全国石油焦产量就达到了17 564 kt[1]。石油焦的处理已经成为当下亟待解决的问题，金陵石化、齐鲁石化、安庆石化相继在气化装置中掺烧石油焦，以实现石油焦的清洁利用。宁波中金石化有限公司的气化装置是首套采用低压(1.5 MPa,表压)多喷嘴对置式水煤浆气化技术的装置，针对该装置在掺烧石油焦期间出现的问题剖析如下。

1 掺烧石油焦对炉壁挂渣的影响

无论是采用耐火砖还是水冷壁，其目的均是为了降低气化炉炉壁外部温度。由于气化炉内温度较高，耐火砖或水冷壁直接接触高温会导致气化炉筒体的损坏，因此在气化炉内部的耐火衬里或水冷壁上须有足够厚度的渣层，以此来保护耐火衬里或水冷壁，延长其使用寿命。

由表1可以看出，掺烧石油焦期间气化炉的炉壁温度明显高于单独使用烟煤的工况，其主要原因是炉内渣膜厚度存在差异。烟煤的灰分质量分数在5.0%，而石油焦的灰分质量分数一般低于0.5%，因此掺烧石油焦后形成的渣量明显少于烟煤，导致掺烧石油焦的比例越多，燃烧后形成的渣膜越薄，对降低气化炉的炉壁温度产生不利影响。

表1 2种工况炉壁温度对照

位置炉壁温度/℃全煤掺烧石油焦拱顶194213九楼239253八楼227243A215221B217233C203215D203230

由图1可看出：渣层表面温度和厚度分别为1 500 ℃和8 mm时，SiC耐火材料最高温度可达1 271 ℃，最低温度为1 158 ℃，平均温度为1 233 ℃；随着渣层厚度的增加，SiC耐火材料温度快速下降，渣层厚度达到20 mm时，最高和最低温度分别降为1 038 ℃和948 ℃，平均温度也降至1 007 ℃，说明渣层厚度对炉壁温度的影响较大[2]。

图1 SiC耐火材料的温度分布

在掺烧石油焦期间，煤浆中细粒子数量与同类型气化装置存在较大差异(表2)。细粒子多更容易形成飞灰，不容易被壁面捕捉，而粗粒子更容易被壁面捕捉，因此掺烧石油焦时不容易形成足够厚度的渣膜，在碳转化率处于较低工况时，壁面捕捉飞灰的效果更差。通过对圆球状渣样进行分析，其含碳质量分数约为2%，而圆球状渣是处于熔融状态的灰分在到达渣口处成滴状留下形成的，因此石油焦掺烧比例高，灰分含量就低，导致渣膜对耐火砖的保护减弱。

表2 煤浆粒度分布质量分数 %

2 石油焦掺烧比例对气化炉操作温度的影响

由于石油焦的反应活性差，在高比例掺烧石油焦期间，需要添加助溶剂以提高石油焦的反应效果。石油焦的着火温度也比烟煤低，处于烟煤和无烟煤之间，因此在烧嘴形成的黑区与单独使用烟煤有一定的差别。石油焦的掺烧比例不能无限制提高，特别是石油焦中的钒(V)元素加剧对耐火砖的侵蚀。因此，国内大多采用烟煤与石油焦按一定比例混合以提高气化反应效率，降低气化炉的操作温度。本装置在掺烧石油焦的运行初期，仅因操作温度过高导致装置停车每月就达3次之多。

气化反应是在管流区进行的，此处是有效气的重要来源，同时气化反应是一个吸热反应，因此气化炉下半部分温度相对较低。运行期间应关注气化炉渣口处高温热电偶的指示值，不仅可避免操作温度过低而出现渣口堵塞问题，而且可以间接反映出温度对气化效率的影响，即温度越高，碳转化率也越高。控制渣口温度就应关注气化炉上部温度，但燃烧区的温度控制得过高，如气化炉上部温度控制在1 450 ℃以上，会对烧嘴产生较大的破坏，造成烧嘴以及耐火砖的烧蚀，工艺烧嘴的使用寿命一般在30 d左右，耐火砖的使用寿命大大缩短。虽然提高气化炉操作温度有利于提高石油焦的反应活性，但是操作温度不宜控制得过高，因为石油焦的反应活性在1 300 ℃时达到最大化，再持续提高温度会堵塞微孔，造成气化效率下降，反而不利于气化反应的进行。

孙钟华[3]以石油焦浆为原料，模拟得到了气化炉x-y平面的温度分布与组分浓度分布。石油焦挥发分少，入口氧气主要被回流的高温一氧化碳和氢气所消耗，形成射流火焰，在撞击区内CO2和H2O含量最高，温度达到2 200 ℃。进入折返流区，石油焦迅速为气化反应所消耗，沿着气化炉轴向中心线向上到气化炉拱顶处，CO物质的量分数从22%提高至43%，H2物质的量分数从12%增加至24%，而H2O物质的量分数从50%下降至20%，CO2物质的量分数从23%下降至11%。由于石油焦气化活性较差，拱顶气相处温度为1 428 ℃，而以烟煤为原料时拱顶气相处的温度只有1 280 ℃。因此，在实际运行过程中应密切注意高温气体对拱顶耐火砖的侵蚀状况，确保气化炉长周期稳定运行。

3 掺烧石油焦对气化装置经济指标的影响

在掺烧石油焦期间，气化细灰没有返回气化炉进行二次反应，气化装置生产1 000 m3(标态)有效气(CO+H2)的氧耗由380 m3(标态)上升至400 m3(标态)；碳转化率由完全以烟煤为原料时的97%降至95%以下，且随着石油焦掺烧比例的不同，碳转化率稳定在90%～95%。由于石油焦的反应活性差，掺烧石油焦后的碳转化率都低于全量使用烟煤的工况，但本装置的碳转化率更低，主要原因在于气化炉操作压力低、气化炉直径大(Ф 3 800 mm)。

在设计之初，增大气化炉直径的目的是增大燃烧室空间，以延长物料的停留时间，促进气化反应的进行。但通过实际运行发现，效果并不理想。首先，由于气化炉直径大，燃烧室的表面积相应增大，要维持较高的温度就需要加入更多的氧，以此来控制二次反应区的温度。其次，气化炉操作压力较低，单位面积的耐火砖上所进行的燃烧反应减少，燃烧热相应减少，同时二次反应区的面积也相应增大，需要消耗更多的热量来维持一次反应区和二次反应区的反应温度，由于反应热的过度消耗，使二次反应区的温度下降，最终导致碳元素不能最大限度地进行气化反应。最后，由于有过多的焦炭颗粒未参与反应，气相流速过快，也会带走一部分反应热，最终导致气化炉燃烧区无法达到较高的温度，即使通过增加氧气提温的效果也不明显，这也是本装置比氧耗较高的重要原因之一。

要获得较高的碳转化率，主要措施是提高气化炉的操作温度，而且圆球状渣样越多表明气化炉的操作温度越高。对圆球状渣样进行取样分析，其含碳质量分数基本在3%～7%，与高压气化炉相比高出3～5倍。其原因首先是气化炉炉壁上的熔渣反应后流动至气化炉锥底处流速变慢，由于锥底处向下气化炉的直径逐渐变小，气流携带未反应的碳在此处聚集而发生自由沉降，被熔融状的灰渣捕捉，然后被包裹，最后离开气化炉。其次，掺烧石油焦期间，气化炉下部操作温度比全部使用烟煤时低，壁面捕捉效果下降，当二次反应区内未反应的碳聚集至一定程度后，反而会将颗粒排斥出，以避免捕捉效果大幅下降。再者，由于后系统原因，气化装置长时间处于1.0 MPa(表压)低压下运行，颗粒之间的碰撞减弱，容易形成气流断路，不利于碳转化率的提高。

4 结语

(1)由于石油焦灰分含量少、反应活性差，在掺烧石油焦的工况下，应注意拱顶温度的变化，避免因拱顶温度过高而影响装置的正常运行。

(2)掺烧石油期间，应控制石油焦的掺烧比例稳定、焦浆粒度合适，避免出现操作温度大幅波动的情况。

(3)要解决掺烧石油焦出现的比氧耗升高、碳转化率降低的问题，应关注当前煤质下的石油焦掺烧比例，避免出现因掺烧比例不合适而影响装置的经济运行。