兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)在300 kt/a甲醇裝置中的應用

史 亮

(內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗世林化工公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯017300)

兩段式干煤粉加壓氣化爐是內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗世林化工公司(以下簡稱世林化工公司)煤制甲醇的核心裝置，采用水冷壁結(jié)構(gòu)及以渣抗渣原理，該裝置無耐火磚襯里，運轉(zhuǎn)周期長，無需備爐。該氣化爐采用干煤粉加壓進料方式，對稱布置4只煤燒嘴，單爐投煤量1 000 t/d，以純氧為氣化劑，干煤粉被惰性氣體(氮氣或二氧化碳)攜帶，同氧化劑(氧氣和蒸汽)一起通過煤粉噴嘴進入氣化爐，氣化爐爐膛溫度高達1 400～1 600 ℃，壓力4.0 MPa，碳轉(zhuǎn)化率高達99%以上，噸精甲醇比氧耗620 m3(標態(tài))，冷煤氣效率達90%，液態(tài)排渣，所產(chǎn)粗煤氣比較潔凈，粗煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數(shù)達85%～90%(干基)、CO2體積分數(shù)在5%～8%，副產(chǎn)中壓蒸汽經(jīng)過熱后并網(wǎng)或自用。

1 氣化工藝原理

兩段式干煤粉加壓氣化爐采用干法進料氣流床氣化工藝，煤炭在高溫下發(fā)生熱化學反應。由于在氣化爐內(nèi)高溫條件下發(fā)生多相反應，反應過程極為復雜，可能進行的化學反應很多。在高溫條件下，生成的粗煤氣中主要含CO，H2，CO2，H2O，N2和少量的H2S，COS，CH4等。在粉煤氣流床氣化爐中進行的氣化反應過程及反應方程可概括如下。

(1)煤的干燥及裂解與揮發(fā)物的燃燒氣化。由于氣流床氣化反應溫度很高，煤粉受熱速度極快，可認為煤粉中的殘余水分瞬間快速蒸發(fā)，同時發(fā)生快速的熱分解脫除揮發(fā)分，生成半焦和氣體產(chǎn)物(CO，H2，CO2，H2S，N2，CH4和其他碳氫化合物CmHn)。在富含氧氣的條件下，生成的氣體產(chǎn)物中的可燃成分(CO，H2，CH4，CmHn)迅速與O2發(fā)生反應，并放出大量的熱，使粉煤夾帶流溫度急劇升高，并維持氣化反應的進行。

(2)固體顆粒與氣化劑(氧氣和蒸汽)之間的反應。脫除揮發(fā)分的粉煤固體顆?；虬虢怪械墓潭ㄌ荚诟邷貤l件下與氣化劑進行氣化反應。

(3)揮發(fā)分的燃燒反應。剩余的氧與碳發(fā)生燃燒和氣化反應，使氧消耗怠盡，熾熱的半焦與水蒸氣進行還原反應，生成CO和H2。

(4)與固體顆粒間的反應。高溫的半焦顆粒，除與氣化劑(蒸汽和氧氣)進行氣化反應外，與反應生成氣也存在氣化反應。在高溫還原性氣體存在的條件下，煤中的硫與H2和CO反應生成H2S和COS。

(5)反應生成氣體彼此間進行的反應。在高溫條件下，氣化反應生成的氣體活性很強，在它們自身被生成的同時，其相互之間也存在著可逆反應。上述反應按熱效應分2種形式：①放熱反應，即C-O2反應、CO-O2反應、H2-O2反應、水煤氣變換反應、甲烷的生成反應等；②吸熱反應，即C-CO2反應及C-H2O反應等。

2 工藝單元

(1)原料煤在磨煤單元經(jīng)研磨、干燥、分離等工序制成合格煤粉，然后送至煤粉輸送單元，并根據(jù)氣化爐負荷相應調(diào)整磨煤系統(tǒng)負荷；若2套鎖斗加壓輸送系統(tǒng)用煤量出現(xiàn)偏差時，及時將數(shù)控程序改為手動操作，實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟穩(wěn)定運行。

(2)煤粉輸送單元由2套完全相同的鎖斗加壓輸送系統(tǒng)組成，將磨煤單元送來的煤粉經(jīng)鎖斗加壓送往氣化爐的4只煤燒嘴。

(3)煤氣化單元將經(jīng)加壓后的粉煤與氧氣通過2對對稱布置的煤燒嘴送入氣化爐，在極為短暫的時間內(nèi)完成升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒及轉(zhuǎn)化等一系列物理和化學過程，產(chǎn)生粗煤氣；粗煤氣在氣化爐二段經(jīng)減溫噴淋冷卻水激冷至800～900 ℃，使其中夾帶的熔融態(tài)灰渣顆粒固化，粗煤氣離開氣化爐進入激冷罐，在激冷罐內(nèi)與水發(fā)生傳熱、傳質(zhì)后送至濕法洗滌單元。另外，氣化爐副產(chǎn)的中壓蒸汽經(jīng)過熱后并入管網(wǎng)或自用。

(4)除渣單元將氣化爐渣口流出的液態(tài)渣冷卻、?；缓笸ㄟ^撈渣機和渣皮帶輸送機送往渣場。

(5)濕法洗滌單元將經(jīng)過除塵后的粗煤氣在文丘里洗滌器和濕洗塔內(nèi)洗滌激冷，以脫除粗合成氣中所含的氯化氫、氫氟酸和微量固體，洗滌后的煤氣中含有一定量的蒸汽，有利于后續(xù)的變換反應。

(6)灰水處理單元將除渣單元、濕法洗滌單元及其他單元送來的廢水進行閃蒸處理，再回收、循環(huán)利用。

(7)公用工程單元包括高壓氮氣系統(tǒng)、低壓氮氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、蒸汽/冷凝液系統(tǒng)，為其他各單元提供服務，滿足各單元對氮氣、各種工藝水及蒸汽的需要。

3 氣化爐開車情況

3.1 系統(tǒng)開車情況

2012年8月5日18:20，煤氣化裝置電氣、儀表及公用工程管網(wǎng)具備條件，進入開車階段。該氣化裝置使用內(nèi)蒙古當?shù)氐土蚍趾透邠]發(fā)分原料煤，磨煤單元將煤粉粒徑(d)工藝標準控制在≤90.0 μm的煤粉量占質(zhì)量分數(shù)>90%，d≤5.0 μm的煤粉量占質(zhì)量分數(shù)<10%；水汽系統(tǒng)升溫至135 ℃，煤粉加壓倉充壓介質(zhì)和煤線煤粉輸送介質(zhì)均為經(jīng)二氧化碳壓縮機壓縮后的中壓氮氣(6.5 MPa)，空分裝置產(chǎn)的6.5 MPa和8.1 MPa中壓氮氣進行補充；系統(tǒng)投料為數(shù)控控制，55%負荷下投料；4條煤線的煤粉流動速度均控制在6.5～7.5 m/s，煤粉密度均控制在290～305 kg/m3。2012年8月6日16:00氣化爐投料成功。

煤質(zhì)成分分析(質(zhì)量分數(shù))：全水3.86%，灰分14.54%，揮發(fā)分32.26%，硫1.42%，固定碳49.32%。灰熔點：DT 950 ℃，ST 1 200 ℃，HT 1 210 ℃，F(xiàn)T 1 240 ℃(分析時間2012年8月5日20:00)。煤粉粒徑分布及累計其質(zhì)量分數(shù)(分析時間2012年8月6日01:30)見表1。

粗煤氣成分(體積分數(shù))：H236.19%,CO51.80%,CO26.83%,N24.27%,O2+Ar0.01%,總硫0.22%,CH4未檢出(分析時間2012年8月6日16:35)。

氣化爐爐渣成分(質(zhì)量分數(shù))：內(nèi)水0.33%，灰分98.68%，揮發(fā)分0.29%，固定碳0.70%(分析時間2012年8月6日17:15)。

從以上開車數(shù)據(jù)可看出：煤粉粒度控制達到工藝標準，氣化爐溫度控制在1 150～1 200 ℃，粗煤氣經(jīng)過激冷溫度降至670～700 ℃，粗煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數(shù)達87.99%，CO2體積分數(shù)<7%。爐渣中揮發(fā)分和固定碳總質(zhì)量分數(shù)<1%，爐渣中可燃物少，碳轉(zhuǎn)化率高。

表1 煤粉粒徑分布及其累計質(zhì)量分數(shù)

3.2 主要問題及解決措施

(1)煤線密度計和速度計多次出現(xiàn)波動，煤粉在流動性和輸送穩(wěn)定性方面暴露出問題,進氣化爐氧碳比難以控制。采取的措施：磨煤機出口物料溫度控制在85～90 ℃；煤粉中內(nèi)水質(zhì)量分數(shù)嚴格控制在1%～2%；保證煤粉管線伴熱正常投用；煤粉加壓系統(tǒng)充壓時要穩(wěn)定；經(jīng)調(diào)整，氧碳比能夠穩(wěn)定控制在0.80～0.85。

(2)根據(jù)對國內(nèi)煤粉氣化爐的調(diào)研，點火燒嘴、開車燒嘴易被損壞。采取的防范措施：注意點火燒嘴和開工燒嘴的安裝,防止燒嘴機械性損傷或使氣化爐水冷壁損壞；保持點火燒嘴和開工燒嘴通道清潔；氣化爐55%負荷下投料，提高氧壓并保持煤線密度計和速度計穩(wěn)定，首先用手動控制將距離開工燒嘴最近的1只煤燒嘴進行投運，然后投運其對稱的第2只煤燒嘴，再依次將剩余的2只煤燒嘴投運(一般4只對稱布置的燒嘴中，有2只煤燒嘴距離開工燒嘴最近，然后根據(jù)煤線密度計和速度計的運行指標，選擇投運其中1只煤燒嘴，然后依次投運剩余煤燒嘴)。4只煤燒嘴運行穩(wěn)定后，系統(tǒng)進入加負荷階段，氣化爐負荷控制系統(tǒng)由手動控制模式轉(zhuǎn)換至自動控制模式。

(3)中壓循環(huán)水泵入口濾網(wǎng)抽癟，運行穩(wěn)定性差。采取的措施：改進中壓循環(huán)水泵入口過濾器濾網(wǎng)，有效控制了有效過濾面積、濾網(wǎng)孔徑和阻力；保證汽包水質(zhì),避免結(jié)垢而引起水冷壁管損壞和中壓循環(huán)水泵損壞；在設(shè)備制造、管道安裝、單體試車期間，注意保持系統(tǒng)的潔凈性,以防止激冷環(huán)堵塞。

(4)防止煤燒嘴冷卻套和膨脹節(jié)損壞。采取的措施：裝配時，在煤燒嘴罩上進行雙面焊，作防護；用耐火材料填充膨脹節(jié)；在煤燒嘴冷卻水入口和出口處增設(shè)溫度計,以便對煤燒嘴冷卻套進行實時監(jiān)控。

(5)防止煤燒嘴罩損壞。采取的措施：嚴格控制煤燒嘴伸入氣化爐內(nèi)的長度；適當加大燒嘴罩冷卻水流量；穩(wěn)定磨煤單元操作，保證進爐氧碳比穩(wěn)定；嚴格監(jiān)控煤的品質(zhì)，包括固定碳、水分、揮發(fā)分含量和灰熔點，若更換煤種,必須及時調(diào)整各相關(guān)工藝控制參數(shù)；根據(jù)煤灰熔點，嚴格控制爐溫和適當降低氧碳比。

(6)防止黑水和灰水管線堵塞。采取的措施：穩(wěn)定爐溫；更換煤種時，應檢測灰分含量,防止生成大渣塊,保證黑水管線循環(huán)正常；均勻平穩(wěn)添加絮凝劑，注意閃蒸系統(tǒng)水的黏度和密度變化,適當加大循環(huán)水排放量,以防止因沉降效果減弱導致水中雜質(zhì)過多而堵塞管道系統(tǒng)。