楊 路

(寧波中金石化有限公司 浙江鎮(zhèn)海 315203)

0 前言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國煉油企業(yè)的原油加工能力迅速增加，相應(yīng)的石油焦產(chǎn)量也快速增加，10年間(2001—2011年)全國石油焦產(chǎn)量增加了2.6倍，僅2011年全國石油焦產(chǎn)量就達(dá)到了17 564 kt[1]。石油焦的處理已經(jīng)成為當(dāng)下亟待解決的問題，金陵石化、齊魯石化、安慶石化相繼在氣化裝置中摻燒石油焦，以實(shí)現(xiàn)石油焦的清潔利用。寧波中金石化有限公司的氣化裝置是首套采用低壓(1.5 MPa,表壓)多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)的裝置，針對(duì)該裝置在摻燒石油焦期間出現(xiàn)的問題剖析如下。

1 摻燒石油焦對(duì)爐壁掛渣的影響

無論是采用耐火磚還是水冷壁，其目的均是為了降低氣化爐爐壁外部溫度。由于氣化爐內(nèi)溫度較高，耐火磚或水冷壁直接接觸高溫會(huì)導(dǎo)致氣化爐筒體的損壞，因此在氣化爐內(nèi)部的耐火襯里或水冷壁上須有足夠厚度的渣層，以此來保護(hù)耐火襯里或水冷壁，延長其使用壽命。

由表1可以看出，摻燒石油焦期間氣化爐的爐壁溫度明顯高于單獨(dú)使用煙煤的工況，其主要原因是爐內(nèi)渣膜厚度存在差異。煙煤的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5.0%，而石油焦的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般低于0.5%，因此摻燒石油焦后形成的渣量明顯少于煙煤，導(dǎo)致?lián)綗徒沟谋壤蕉?，燃燒后形成的渣膜越薄，?duì)降低氣化爐的爐壁溫度產(chǎn)生不利影響。

表1 2種工況爐壁溫度對(duì)照

位置爐壁溫度/℃全煤摻燒石油焦拱頂194213九樓239253八樓227243A215221B217233C203215D203230

由圖1可看出：渣層表面溫度和厚度分別為1 500 ℃和8 mm時(shí)，SiC耐火材料最高溫度可達(dá)1 271 ℃，最低溫度為1 158 ℃，平均溫度為1 233 ℃；隨著渣層厚度的增加，SiC耐火材料溫度快速下降，渣層厚度達(dá)到20 mm時(shí)，最高和最低溫度分別降為1 038 ℃和948 ℃，平均溫度也降至1 007 ℃，說明渣層厚度對(duì)爐壁溫度的影響較大[2]。

圖1 SiC耐火材料的溫度分布

在摻燒石油焦期間，煤漿中細(xì)粒子數(shù)量與同類型氣化裝置存在較大差異(表2)。細(xì)粒子多更容易形成飛灰，不容易被壁面捕捉，而粗粒子更容易被壁面捕捉，因此摻燒石油焦時(shí)不容易形成足夠厚度的渣膜，在碳轉(zhuǎn)化率處于較低工況時(shí)，壁面捕捉飛灰的效果更差。通過對(duì)圓球狀渣樣進(jìn)行分析，其含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2%，而圓球狀渣是處于熔融狀態(tài)的灰分在到達(dá)渣口處成滴狀留下形成的，因此石油焦摻燒比例高，灰分含量就低，導(dǎo)致渣膜對(duì)耐火磚的保護(hù)減弱。

表2 煤漿粒度分布質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2 石油焦摻燒比例對(duì)氣化爐操作溫度的影響

由于石油焦的反應(yīng)活性差，在高比例摻燒石油焦期間，需要添加助溶劑以提高石油焦的反應(yīng)效果。石油焦的著火溫度也比煙煤低，處于煙煤和無煙煤之間，因此在燒嘴形成的黑區(qū)與單獨(dú)使用煙煤有一定的差別。石油焦的摻燒比例不能無限制提高，特別是石油焦中的釩(V)元素加劇對(duì)耐火磚的侵蝕。因此，國內(nèi)大多采用煙煤與石油焦按一定比例混合以提高氣化反應(yīng)效率，降低氣化爐的操作溫度。本裝置在摻燒石油焦的運(yùn)行初期，僅因操作溫度過高導(dǎo)致裝置停車每月就達(dá)3次之多。

氣化反應(yīng)是在管流區(qū)進(jìn)行的，此處是有效氣的重要來源，同時(shí)氣化反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)，因此氣化爐下半部分溫度相對(duì)較低。運(yùn)行期間應(yīng)關(guān)注氣化爐渣口處高溫?zé)犭娕嫉闹甘局?，不僅可避免操作溫度過低而出現(xiàn)渣口堵塞問題，而且可以間接反映出溫度對(duì)氣化效率的影響，即溫度越高，碳轉(zhuǎn)化率也越高。控制渣口溫度就應(yīng)關(guān)注氣化爐上部溫度，但燃燒區(qū)的溫度控制得過高，如氣化爐上部溫度控制在1 450 ℃以上，會(huì)對(duì)燒嘴產(chǎn)生較大的破壞，造成燒嘴以及耐火磚的燒蝕，工藝燒嘴的使用壽命一般在30 d左右，耐火磚的使用壽命大大縮短。雖然提高氣化爐操作溫度有利于提高石油焦的反應(yīng)活性，但是操作溫度不宜控制得過高，因?yàn)槭徒沟姆磻?yīng)活性在1 300 ℃時(shí)達(dá)到最大化，再持續(xù)提高溫度會(huì)堵塞微孔，造成氣化效率下降，反而不利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行。

孫鐘華[3]以石油焦?jié){為原料，模擬得到了氣化爐x-y平面的溫度分布與組分濃度分布。石油焦揮發(fā)分少，入口氧氣主要被回流的高溫一氧化碳和氫氣所消耗，形成射流火焰，在撞擊區(qū)內(nèi)CO2和H2O含量最高，溫度達(dá)到2 200 ℃。進(jìn)入折返流區(qū)，石油焦迅速為氣化反應(yīng)所消耗，沿著氣化爐軸向中心線向上到氣化爐拱頂處，CO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)從22%提高至43%，H2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)從12%增加至24%，而H2O物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)從50%下降至20%，CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)從23%下降至11%。由于石油焦氣化活性較差，拱頂氣相處溫度為1 428 ℃，而以煙煤為原料時(shí)拱頂氣相處的溫度只有1 280 ℃。因此，在實(shí)際運(yùn)行過程中應(yīng)密切注意高溫氣體對(duì)拱頂耐火磚的侵蝕狀況，確保氣化爐長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

3 摻燒石油焦對(duì)氣化裝置經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響

在摻燒石油焦期間，氣化細(xì)灰沒有返回氣化爐進(jìn)行二次反應(yīng)，氣化裝置生產(chǎn)1 000 m3(標(biāo)態(tài))有效氣(CO+H2)的氧耗由380 m3(標(biāo)態(tài))上升至400 m3(標(biāo)態(tài))；碳轉(zhuǎn)化率由完全以煙煤為原料時(shí)的97%降至95%以下，且隨著石油焦摻燒比例的不同，碳轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定在90%～95%。由于石油焦的反應(yīng)活性差，摻燒石油焦后的碳轉(zhuǎn)化率都低于全量使用煙煤的工況，但本裝置的碳轉(zhuǎn)化率更低，主要原因在于氣化爐操作壓力低、氣化爐直徑大(Ф 3 800 mm)。

在設(shè)計(jì)之初，增大氣化爐直徑的目的是增大燃燒室空間，以延長物料的停留時(shí)間，促進(jìn)氣化反應(yīng)的進(jìn)行。但通過實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，效果并不理想。首先，由于氣化爐直徑大，燃燒室的表面積相應(yīng)增大，要維持較高的溫度就需要加入更多的氧，以此來控制二次反應(yīng)區(qū)的溫度。其次，氣化爐操作壓力較低，單位面積的耐火磚上所進(jìn)行的燃燒反應(yīng)減少，燃燒熱相應(yīng)減少，同時(shí)二次反應(yīng)區(qū)的面積也相應(yīng)增大，需要消耗更多的熱量來維持一次反應(yīng)區(qū)和二次反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)溫度，由于反應(yīng)熱的過度消耗，使二次反應(yīng)區(qū)的溫度下降，最終導(dǎo)致碳元素不能最大限度地進(jìn)行氣化反應(yīng)。最后，由于有過多的焦炭顆粒未參與反應(yīng)，氣相流速過快，也會(huì)帶走一部分反應(yīng)熱，最終導(dǎo)致氣化爐燃燒區(qū)無法達(dá)到較高的溫度，即使通過增加氧氣提溫的效果也不明顯，這也是本裝置比氧耗較高的重要原因之一。

要獲得較高的碳轉(zhuǎn)化率，主要措施是提高氣化爐的操作溫度，而且圓球狀渣樣越多表明氣化爐的操作溫度越高。對(duì)圓球狀渣樣進(jìn)行取樣分析，其含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本在3%～7%，與高壓氣化爐相比高出3～5倍。其原因首先是氣化爐爐壁上的熔渣反應(yīng)后流動(dòng)至氣化爐錐底處流速變慢，由于錐底處向下氣化爐的直徑逐漸變小，氣流攜帶未反應(yīng)的碳在此處聚集而發(fā)生自由沉降，被熔融狀的灰渣捕捉，然后被包裹，最后離開氣化爐。其次，摻燒石油焦期間，氣化爐下部操作溫度比全部使用煙煤時(shí)低，壁面捕捉效果下降，當(dāng)二次反應(yīng)區(qū)內(nèi)未反應(yīng)的碳聚集至一定程度后，反而會(huì)將顆粒排斥出，以避免捕捉效果大幅下降。再者，由于后系統(tǒng)原因，氣化裝置長時(shí)間處于1.0 MPa(表壓)低壓下運(yùn)行，顆粒之間的碰撞減弱，容易形成氣流斷路，不利于碳轉(zhuǎn)化率的提高。

4 結(jié)語

(1)由于石油焦灰分含量少、反應(yīng)活性差，在摻燒石油焦的工況下，應(yīng)注意拱頂溫度的變化，避免因拱頂溫度過高而影響裝置的正常運(yùn)行。

(2)摻燒石油期間，應(yīng)控制石油焦的摻燒比例穩(wěn)定、焦?jié){粒度合適，避免出現(xiàn)操作溫度大幅波動(dòng)的情況。

(3)要解決摻燒石油焦出現(xiàn)的比氧耗升高、碳轉(zhuǎn)化率降低的問題，應(yīng)關(guān)注當(dāng)前煤質(zhì)下的石油焦摻燒比例，避免出現(xiàn)因摻燒比例不合適而影響裝置的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。