张福亭，裴栓宝，杨振林
（伊犁新天煤化工有限责任公司，新疆 伊宁835000）
［摘 要］国内某20×108 m3/a煤制天然气装置于2017年3月投产，其气化系统配套有设计操作压力3.3～4.0 MPa的22台Φ4 000 mm碎煤加压气化炉。汽氧比是碎煤加压气化炉最重要的操作指标之一，其调整目标主要是控制气化炉炉温，防止燃烧层出现结渣现象。为更好地优化汽氧比的操作范围，分析与探讨原料煤灰熔点、氧气纯度、气化剂温度等对汽氧比及气化炉运行的影响，总结汽氧比调整的原则及方法、不同汽氧比下气化炉运行参数的变化。总体而言，需定期查看灰样和原料煤煤质分析数据，据灰渣形状与原料煤灰熔点调整汽氧比；在一定范围内汽氧比越低，越有利于气化炉的安全、稳定、优质运行。该公司通过不断地摸索与调整，将汽氧比由设计值7.5 kg/m3逐步降至6.5～7.0 kg/m3，成效明显。
［关键词］碎煤加压气化炉；汽氧比；调整原则；影响因素；原料煤灰熔点；氧气纯度；气化剂温度
［中图分类号］TQ546 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）02-0008-04
0 引 言
国内某20×108 m3/a煤制天然气装置于2017年3月投产，总体运行情况较好。其气化系统采用赛鼎工程有限公司设计研发的碎煤加压气化工艺，配套有22台设计操作压力3.3～4.0 MPa的Φ4 000 mm气化炉（原设计气化炉20台运行、2台备用），单台气化炉耗氧量为6 314 m3/h（标态，下同）。汽氧比是碎煤加压气化炉最重要的操作指标之一，其调整目标主要是控制气化炉炉温，防止燃烧层出现结渣现象，可通过定期查看灰样和原料煤煤质分析数据，据灰渣形状与原料煤灰熔点调整汽氧比，从而控制气化反应温度。汽氧比对碎煤加压气化炉的蒸汽消耗、粗煤气产率、原料煤消耗、天然气（SNG）产量、气化废水（煤气水）产量有着明显影响，故在一定范围内选择合适的汽氧比，可使气化炉处于一个相对稳定的运行状态，利于气化系统的节能降耗与安全稳定运行。以下基于该公司的实际生产情况，就汽氧比对碎煤加压气化炉运行的影响及其优化调整等作一分析与探讨。
1 碎煤加压气化炉各床层简述
碎煤加压气化炉属固定床逆流自热式反应炉，在高温高压下，碎煤加压气化炉内上升的气化剂（水蒸气、氧气）与下降的原料煤逆向接触过程中完成复杂多相的物理变化与化学反应，由于原料煤床层温度不同和所发生物理、化学变化不同，气化炉内原料煤床层自下而上分为燃烧层、气化层、干馏层、干燥层。该公司碎煤加压气化炉各床层高度（炉箅以上起算）分别为灰层0～300 mm、燃烧层300～600 mm、气化层600～2 200 mm、干馏层2 200～2 700 mm、干燥层2 700 mm以上。
碎煤加压气化炉各床层温度分别为灰层450 ℃、燃烧层1 000～1 200 ℃、气化层550～1 000 ℃、干馏层350～550 ℃、干燥层350 ℃。各床层主要反应：① 燃烧层，C+O2====CO2［反应（1）］，2C+O2====2CO［反应（2）］；② 气化层，C+H2O====CO+H2［反应（3）］，C+2H2O====CO2 + 2H2［反应（4）］，CO+H2O====CO2+H2［反应（5）］，C+CO2====2CO［反应（6）］，C+2H2====CH4［反应（7）］，CO+3H2====CH4+H2O［反应（8）］；③ 干馏层，挥发分中含有的焦油、油和少量的H2、CO、CO2、H2S、NH3、CH4、C2 以上烃类物从煤中热解出来，干馏所需热量来自燃烧层；④ 干燥层，床层内煤的表面水分和吸附水分被完全蒸发出来。
2 汽氧比的定义与控制
所谓汽氧比（水蒸气/氧气），就是气化炉入炉蒸汽量与氧气量的比值，气化炉入炉蒸汽与氧气混合后的气体习称为气化剂。汽氧比是碎煤加压气化炉最重要的操作指标之一，也是影响气化炉正常运行的关键参数。实际生产中，气化炉采用同一原料煤煤种，汽氧比不一定相同，但操作（调控）范围大致相同；不同原料煤煤种，汽氧比的操作范围一般不同，采用褐煤时汽氧比一般控制在6～8 kg/m3（标态，下同），采用烟煤时汽氧比一般控制在5～7 kg/m3，采用无烟煤时汽氧比一般控制在4.5～6.0 kg/m3。实际生产中，一般根据煤燃烧后的灰渣状态进行汽氧比的调整，在灰不熔融成渣的前提下，保证整个气化过程中煤能够有足够的温度实现完全气化。
3 原料煤灰熔点变化对汽氧比的影响
煤的灰熔点又叫煤的灰熔融性，是指煤在燃烧过程中，煤中的灰随燃烧温度增加而发生的变形、软化、半球及流动温度。煤的灰熔点与煤的灰分有直接关系，煤的灰分是煤完全燃烧后的剩余物，是煤中矿物质受热分解所剩余的灰渣，当煤中的SiO2、Al2O3、P2O5等酸性物质含量偏高时，灰熔点较高；当煤中Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O等碱性物质含量偏高时，灰熔点偏低。若煤的灰熔点偏低，在碎煤加压气化炉燃烧层容易形成熔融状的灰渣，若灰渣结成大渣块，会导致床层透气性变差，造成气化剂在气化炉内分布不均匀，气化炉内工况恶化，各床层紊乱，粗煤气组分波动大，严重时会造成粗煤气中氧含量超标，此时只能停炉处理；同时，大灰渣形成过程中，容易将未参与反应的炭包裹起来，随灰渣排出炉外，造成灰渣残炭偏高——该煤制天然气装置气化系统灰渣中有大渣块时，灰渣残炭一般在3.2%左右，结渣严重时残炭量会更高，而正常生产时灰渣残炭一般在1%～2%，气化系统满负荷运行时，灰渣残炭每增加1%，要多消耗原料煤约16 t/d。为降低燃烧层温度，防止灰渣熔融形成大渣块而影响气化炉的安全稳定运行，一般通过调整（增大）汽氧比，增大气化炉入炉蒸汽流量，以带走燃烧层多余的热量，同时将燃烧层温度控制在DT（变形温度）与HT（半球温度）之间，保证气化炉正常熔渣、排渣。
该煤制天然气装置气化炉所用原料煤来自于上游配套煤矿和周边煤矿，配套煤矿煤（简称煤矿煤，皮带输送）与周边煤矿配煤（简称汽运煤）质量比为3：1。实际生产中，原料煤正常配比时其灰熔点稳定，汽氧比一直控制在7.1 kg/m3左右；当配套煤矿因设备检修或其他原因供煤量减少时，为维持正常生产只能增大汽运煤用量，一般将配套煤矿煤与汽运煤配比调整为2：1，混煤灰熔点升高，汽氧比调整为6.8 kg/m3左右；当汽运煤供应量减少时，配套煤矿煤与汽运煤配比调整为5：1，混煤灰熔点降低，汽氧比一般控制在7.5 kg/m3左右。不同（原料煤）灰熔点与汽氧比的对应关系如表1。
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