碎煤加壓氣化工藝改進思路

李斌，王忠浩

（天津渤化永利化工煤化工事業(yè)部，天津 300000）

碎煤加壓氣化工藝改進思路

李斌，王忠浩

（天津渤化永利化工煤化工事業(yè)部，天津 300000）

本文介紹了碎煤加壓氣化在運行中出現(xiàn)的問題，提出了碎煤加壓氣化工藝改進思路：驗證了爐型擴大、提高氣化爐操作壓力和使用CO2作為氣化劑返爐的可行性；提出了煤鎖氣沖壓優(yōu)化、入爐煤粒徑控制的改進方案；提出了入爐煤中微量元素（主要是氯元素和氟元素）露點腐蝕是氣化爐夾套減薄的主要原因。

碎煤加壓氣化；工藝改性；氣化爐型

1 碎煤加壓氣化介紹

國內運行的煤制氣項目除匯能外大部分選用碎煤加壓氣化工藝路線，主要原因是碎煤加壓氣化工藝具有工藝成熟、總體能效高、甲烷含量高，煤種適應性廣、建設周期短和投資低的優(yōu)勢。該技術在主流煤氣化工藝中引進和使用時間最長，相對而言積累了較豐富的運行經驗。

國內碎煤加壓氣化的項目全部采用了?4.0m爐型，但是由于各地區(qū)煤種的不同，幾個項目都出現(xiàn)了不同的問題，給煤制氣項目蒙上了一層陰影。這些問題主要包括：氣化爐夾套腐蝕嚴重、氣化爐運行工況差不能實現(xiàn)高負荷生產、粗煤氣帶粉嚴重造成油水分離困難，酚氨水入口水指標不合格且裝置設計能力不夠等。工藝相同出現(xiàn)的問題卻大相徑庭，究其原因還是對煤的認識不夠充分，對不同特性的煤種未能進行個性化設計。以下是對這些問題的簡單描述。

水夾套的腐蝕問題曾經嚴重影響某裝置的運行，氣化爐運行不足兩個月便出現(xiàn)了深度腐蝕夾套漏水的問題。經過對煤質全面分析后，發(fā)現(xiàn)Cl%達到0.12%,F含量也高達136ug/g，損壞原因是超高的鹵素在氣化爐內壁上形成了露點強酸腐蝕。該問題現(xiàn)在已經通過內壁堆焊或內襯inconel625材料得到有效解決。

某項目氣化爐工況波動大單爐負荷不足60%，主要原因是原料煤機械強度差且熱穩(wěn)定性RW+6僅有30%，床層內大量碎化的原料嚴重地影響了氣化劑均布，爐況惡化負荷受限。另外隨粗煤氣帶出的大量細粉物嚴重地影響了油水分離裝置的正常運行，導致酚氨水入口水中油含量大幅度超標。如此影響下工序的處理能力也在情理之中，現(xiàn)在已通過增加前置篩分措施使問題得到有效緩減。

還有的企業(yè)氣化煤質含油較高，氣化過程中大量熱解油進入粗煤氣中，油水分離裝置能力不足導致出口油超標，酚氨水裝置工況惡化，不僅影響了萃取的效果而且還使換熱器頻繁堵塞，同時也增加了日常檢修工作量。出現(xiàn)這個問題的根本原因還是油水分離裝置未按該煤種進行個性化設計。

綜上所述，國產碎煤氣化工藝出現(xiàn)的問題都是可以解決的，在優(yōu)化設計后可以滿足中小型企業(yè)裝置的生產需求。但同時也要看到由于單爐生產能力偏小，實際最大產氣量也僅為4萬Nm3/h,與大型化裝置的配套還存在氣化爐數(shù)量多、占地面積大和管理難度大的問題。

2 碎煤加壓氣化工藝改進

2.1 爐型擴大

氣化爐產能的大型化是行業(yè)發(fā)展的一個大方向，以粉煤氣化爐為例，從第一代的700～1000 t/d的工業(yè)爐型，經過十年的發(fā)展，現(xiàn)在2000～2700 t/d的爐型已經成為市場主流，最近4000～5000 t/d的超大型爐型已被開發(fā)有望近年投運。而這些年國內碎煤加壓氣化爐在產能上卻停滯不前，在市場競爭中明顯處于劣勢。

爐型擴大后能否實現(xiàn)高效平穩(wěn)運行，關鍵是要保證床層內氣體分布的均勻性，這里包含三個要素：床層阻力、爐篦布風和爐頂靜壓力的分布均一性。

首先料徑和布煤方式決定了床層阻力分布，爐膛內水平橫截面布煤的均一性是保證床層阻力均勻的關鍵。由于不同粒徑煤的安息角不同，布煤過程中粒徑大的煤會沿落點向四周散落，與半徑成正態(tài)分布，這樣在爐內其阻力隨落點半徑也呈正態(tài)分布，而爐篦布風卻很難與之變化相適應，有時甚至相差很大，這就使氣化劑達不到均勻分布，成為爐況變差的最大元兇。布煤方式的選擇是改善床層阻力不均的手段之一，特別是對大爐膛氣化爐，需選用專用的布煤器設計，原則上爐內煤層高不超過300mm為宜。

其次要保證爐篦內膛各出風口處的靜壓能相當，同時考慮不同原料的反應活性、形變方式和反應比表面積的因素。在調整爐篦各層出風口大小時，不僅要依據(jù)冷態(tài)風速流場模擬結果，還要結合實際使用的原料特點進行。在爐篦的設計上，筆者認為寶塔爐型爐篦在配套大直徑氣化爐時應進行結構上的優(yōu)化，要適當提高高徑比，目的是保證各層的排料效率相當，避免中心料區(qū)在爐內停留時間過長。另外嘗試六層結構，并適當調整布煤落點半徑區(qū)的布風面積，以最大限度與床層阻力相適應。最后要保證爐頂區(qū)域靜壓力的均布，防止流速不均引起的高流速區(qū)域帶出物多和低流速區(qū)域氣化強度不夠，這個問題可通過對稱布置氣體出口的方式加以解決。

2.2 操作壓力提升

過去由于材料密封和設備的限制，加壓碎煤氣化爐操作壓力維持在30bar或者更低,這也是其產能停滯不前的原因之一。隨著新材料的成功應用，煤鎖和灰鎖閥門的密封已經完全能夠適應更高壓力等級。壓力提高后會對氣化有諸多有利因素，如操作壓力從3.0MPa提高到5.0MPa，系統(tǒng)會發(fā)生如下積極影響：

1）全系統(tǒng)合成氣壓縮功可降低12%左右；氣化壓力的提高可有效降低后序合成的壓縮功，減少壓縮規(guī)模的投入和動力蒸汽的消耗。

2）反應推動力的增加可提高氣化反應進程，由于高溫氣化反應區(qū)屬于動力學控制模式，壓力的提高對氣化劑的微觀擴散有促進作用。宏觀體現(xiàn)在蒸汽分解率提高約4%～7%，氣化爐產氣量增加30%左右。

3）粗煤氣中CH4含量上升1%～2%,尤其適合煤制天然氣項目，可降低合成一次性投資。

當然壓力提高后也會帶來一些負面的影響，特別是有些項目使用的原料煤熱穩(wěn)定性不好，這種情況應謹慎選擇高壓模式，防止氣化爐出口粗煤氣帶出物多，影響下游油水分離系統(tǒng)的分離效果。

為了控制帶出物含量理論上要求爐頂合成氣的速度要小于氣體微塵的懸浮平衡速度（不同性質的煤懸浮速度一般為0.15～0.25m/s）。影響懸浮平衡速度有二個因素：微塵粒徑、比重。年輕和熱穩(wěn)定性差的煤在受熱后要分解出大量微塵，這些微塵具有粒徑小比重低的特點，因此在高壓下這種煤的帶出物會明顯增加。為了控制爐頂帶出物含量，應選擇熱穩(wěn)定性和機械強度好的煤作為原料煤，同時要防止入爐煤的含粉量過高，入爐前的有效篩分也特別重要。

2.3 CO2作氣化劑返爐

碎煤加壓氣化工藝一直存在副產高濃度酚氨廢水的瓶頸問題，一般情況下一噸煤氣化過程中附產0.7～1.0t廢水。這些廢水來源于未分解的蒸汽和煤中未反應的自有水，該廢水具有COD高、油含量高、色度高和處理難度大的特點，而且不同的煤其廢水的指標差別又很大。與其配套的油水分離和酚氨回收裝置不僅投資高、占地面積大，而且運行也不穩(wěn)定，這個問題也是該工藝的一個短板，一些企業(yè)因排水量大指標不合格被迫減負荷，同時高濃廢水的處理目前在技術上也不夠成熟，企業(yè)的環(huán)保壓力相當大。因此如何降低該工藝的廢水排放是提升該工藝的一個重要突破口。下面通過對氣化劑與煤的反應特點說明CO2替代部分蒸汽的可能性。

氧氣和過熱蒸汽作為該氣化爐的氣化劑，汽氧比值較高，一般為6～9，其主要原因是操作溫度低、反應比表面積低造成蒸汽分解率僅為30%-35%，真正用于反應的蒸汽僅占小部分，大部分未分解的蒸汽隨粗煤氣在下游冷卻變?yōu)槿苡写罅坑袡C物的廢水，這是該工藝廢水產量高的主要原因。那么如果用CO2替代部分水蒸汽作為氣化劑，理論上同樣可實現(xiàn)C、H原子的轉移（部分氫來源由變換反應提供），但卻減少了廢水的產生。

當氣化爐溫在1130℃時，CO2可消耗6000Nm3/h。但是隨著氣化溫度的降低，CO2消耗率則有一個先升高后降低的拐點，這是因為氣化溫度過低時，二段碳轉化率低引起的。

在溫度為1130時CO2的轉化率可達到60%，同比蒸汽的轉化率要高很多，在效率上有明顯的優(yōu)勢。同時替代后蒸汽量的減少使氣化廢水的產量有效縮減，對下游產生了積極的影響。通過計算以單爐6000 Nm3/h的能力計算，每小時可替代2.1t過熱蒸汽，有效氣增量4.8%，廢水減量為1.6t，年增效益約300萬元/臺爐。

由上分析CO2替代水蒸汽理論上是可行的。

2.4 其它優(yōu)化項目

2.4.1 煤鎖充壓優(yōu)化

碎煤加壓氣化采用間歇式的加煤充壓方式，傳統(tǒng)工藝中采用氣柜收集排放氣經加壓回送煤鎖作為充壓氣，用氣高峰時使用部分粗煤氣作為補充。采用氣柜回收增壓的方式，存在占地面積大，安全系數(shù)低，壓縮機運行不穩(wěn)定，而且回收后仍有部分氣體需要外排火炬。

用CO2替代合成氣充壓具有明顯的優(yōu)勢，如果再采用分級充壓的模式經濟性更好。酸脫排放的潔凈CO2經壓縮機加壓進入充壓管網，出口設置大緩沖裝置，多爐充壓時合理排序以保證充壓管網壓力的平衡，這種模式使流程更簡潔，運行更穩(wěn)定。在單爐雙煤鎖的模式下可設計壓力互充的形式，充分利用卸壓氣的壓力能。經測算采用分級互充模式，單爐每小時可節(jié)約充壓氣2400 Nm3，對大型煤化工項目具有很好的開發(fā)應用價值。

2.4.2 入爐煤粒徑控制

目前大部分企業(yè)入爐煤粒徑控制在5～50mm，但由于原料煤機械強度不同實際入爐粒度差異較大，有的企業(yè)粒徑小于5mm占到了20%，這種情況會對氣化爐工況產生較大影響。

筆者認為輸煤線和儲倉的設計要根據(jù)入爐煤的機強特性進行優(yōu)化。當機械強度小于80時，應在入爐前加設篩分裝置，同時將棧橋內機頭機尾的高度差控制在最小，至煤倉的布料裝置可采用滑道式裝置。當煤的熱穩(wěn)定較差，應將粒徑的低限提高，8mm～10mm都可嘗試，雖然塊轉粉數(shù)量增加，但氣化爐工況得到優(yōu)化，從總體衡量還是有一定的經濟性。另外?5.0m氣化爐爐體高度增加近5m，原料的停留時間較原爐型明顯延長，因此在原料機強和熱穩(wěn)定差的情況下可適當提高原料的粒徑上限，在煤鎖布料允許的前提下可將上限提至60～70mm。

2.4.3 針對微域量元素的特殊設計

近年國內西部區(qū)部分煤制氣項目出現(xiàn)了氣化爐腐蝕嚴重的問題，對企業(yè)的整體運行產生了較大的影響，雖已經通過工業(yè)化手段得到了有效解決，但這個問題從失效基理上還未有權威性解釋。從這些企業(yè)使用的煤質上看，氯離子或氟離子超高成共性，有的企業(yè)氯離子達到0.12%,而有的企業(yè)雖然氯離子不高，但氟根卻達到136ug/g。

筆者認為氣化爐內夾套減薄原因為露點強酸腐蝕，主要依據(jù)是爐壓力、床層溫度分布、腐蝕介質濃度等因素使爐內部分區(qū)域形成結露條件，由于離子態(tài)的強酸性物質存在其損壞速度之快也在情理之中。另外鹵素中氟的結露和腐蝕性更強，我國西北部和西南部的部分煤中氟含量較高，這要引起相關企業(yè)的特別關注，需進一步完善設備的抗蝕措施。

3 結論

3.1 深度挖掘原料煤的分析研究，實現(xiàn)個性化工業(yè)設計

煤化工行業(yè)在煤的問題上教訓是非常深刻的，過去我們由于對煤的認識不足出現(xiàn)了許多問題，有的企業(yè)甚至于開車后三五年都不能正常運行。現(xiàn)在隨著煤的分析手段和項目日臻完善，對不同的氣化工藝應該有自己一套煤的評價和適用體系，這樣才可實現(xiàn)以煤定爐的科學決策。同時對氣化工藝的專利商也提出了更高的要求，模塊化的拷貝時代已經過去，針對不同的煤為客戶能夠提供個性化工業(yè)設計，同時通過對客戶的回訪充分完善工藝設計，這才是提高專利商綜合競爭優(yōu)勢的有效渠道。

3.2 加快推進?5.0m高壓型氣化爐的工業(yè)化試用

?5.0m型氣化爐爐徑有所擴大，操作壓力5.0MPa，單爐產氣量可達到9～12萬Nm3/h，氣化爐配置數(shù)量較同等規(guī)模項目減少一半多，同時CH4含量的提高更有利于煤制天然氣項目SNG合成能效的降低。通過大爐型的盡早試用，可有效推動煤制天然氣項目的產業(yè)升級。

3.3 通過技術升級解決廢水的環(huán)保排放

一方面積極探索實驗以CO2代替部分蒸汽氣化，在縮減氣化廢水產量的基礎上優(yōu)化廢水相關指標，為下游的酚氨水回收系統(tǒng)創(chuàng)造良好的條件，最大限度發(fā)揮裝置潛能。另外一方面通過化學轉化的方式實現(xiàn)高鹽廢水的資源化利用。

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.03.008

TQ546.2

B

1008-1267（2015）03-0024-03

2015-03-10