利用航天氣化技術(shù)改造兩段式加壓氣化工藝的可行性分析

李 銳

(內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司世林化工分公司，內(nèi)蒙古 烏審 017313)

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利用航天氣化技術(shù)改造兩段式加壓氣化工藝的可行性分析

李 銳

(內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司世林化工分公司，內(nèi)蒙古 烏審 017313)

介紹了兩段式干煤粉加壓氣化工藝技術(shù)在30萬t/a甲醇工藝中的運(yùn)行情況，針對(duì)兩段式干粉煤加壓氣化工藝存在的問題，經(jīng)過技術(shù)調(diào)研和方案比較，分析了采用航天粉煤加壓氣化技術(shù)對(duì)兩段式干粉煤加壓氣化裝置進(jìn)行技術(shù)改造的可行性。

兩段式干煤粉加壓氣化；HT-L航天爐；技術(shù)改造；流程配置

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.014

內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司世林化工分公司(以下簡(jiǎn)稱“世林化工”)，是山東淄博礦業(yè)集團(tuán)公司控股、鄂爾多斯市尤氏投資集團(tuán)參股的國有控股性質(zhì)的企業(yè)，公司成立于2005年。該公司規(guī)模為30萬t/a甲醇項(xiàng)目，2008年開工建設(shè)，2012年9月氣化爐投料試車。與其配套的原料煤，是來源于儲(chǔ)量為10.24億t的巴彥格勒礦井。

世林化工煤氣化裝置采用西安熱工研究院自主開發(fā)的兩段式干煤粉氣化激冷流程技術(shù)，被列為國家“863”計(jì)劃能源領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目，由中國五環(huán)工程有限公司進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，氣化爐投煤量為1 000t/d。該裝置于2012年8月進(jìn)入試車階段，運(yùn)行至2015年11月，期間始終處于運(yùn)行不穩(wěn)定狀態(tài)，氣化裝置多次停車，導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)不能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。自2012年8月試車投運(yùn)至2015年11月停車技改時(shí)，總運(yùn)行時(shí)間為477d，開工率約為43%，開停車43次，其中，因氣化爐減溫水處積灰、氣化爐渣口堵渣、爐頂超溫等原因造成氣化爐停車達(dá)22次，占總停車次數(shù)50%。經(jīng)過運(yùn)行考核，兩段式干煤粉技術(shù)的11項(xiàng)主要性能考核指標(biāo)中，只有4項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)(見表1)，達(dá)標(biāo)率不到40%。在此期間，公司技術(shù)人員與氣化爐設(shè)計(jì)單位、專利商經(jīng)過多次技術(shù)交流，提出多種技改方案，始終沒有從根本上解決氣化爐存在的主要問題，從而導(dǎo)致項(xiàng)目于2015年11月被迫停產(chǎn)。

2015年11月停車以后，經(jīng)多方調(diào)研和技術(shù)交流，決定采用航天粉煤氣化技術(shù)對(duì)西安熱工院兩段式轉(zhuǎn)化工藝系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，以期使氣化裝置達(dá)到“安、穩(wěn)、常、滿、優(yōu)”的運(yùn)行要求。

表1 性能考核數(shù)據(jù)表

1 兩段式干煤粉氣化激冷流程技術(shù)

1.1 工藝流程

來自空分裝置的4.52MPa(g)的氧氣與煤粉分別進(jìn)入4個(gè)燒嘴的中心和外環(huán)隙，在氣化爐內(nèi)經(jīng)4條煤線噴入的煤粉與氧氣發(fā)生部分氧化反應(yīng)，產(chǎn)出以H2+CO為主的粗合成氣，氣化爐操作壓力4.0MPa(g)。氣化爐為圓筒型、帶有內(nèi)置氣化室的壓力容器，凸出點(diǎn)水平布置4個(gè)煤燒嘴，煤燒嘴的燃燒方向是相對(duì)的。按一定比例配置的粉煤、氧由煤燒嘴噴入氣化爐內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的氣化反應(yīng)，激冷流程見圖1。

圖1 技改前兩段式干煤粉氣化激冷流程

氣化過程中產(chǎn)生的合成氣夾帶部分煤灰向上，在頂部離開反應(yīng)器殼體。氣體向上，熔渣沿水冷壁向下流動(dòng)，反應(yīng)后的高溫粗煤氣(1 400～1 600℃)在離開反應(yīng)室時(shí)被高壓減溫水降溫至750℃左右。經(jīng)過降溫的粗合成氣通過輸氣管進(jìn)入激冷室，經(jīng)水浴后再次降溫至215℃。

1.2 兩段式氣化爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

兩段式氣化爐包括立式列管水冷壁室(簡(jiǎn)稱內(nèi)件)、環(huán)形空間和壓力容器殼體(簡(jiǎn)稱殼體)，技術(shù)參數(shù)見表2。氣化反應(yīng)實(shí)際發(fā)生在水冷壁圈成的圓形筒體內(nèi)，氣化壓力由外部的容器殼體承受。

表2 氣化爐設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

該氣化爐水冷壁爐膛分為兩段反應(yīng)區(qū)。第一段反應(yīng)區(qū)內(nèi)在同一水平面對(duì)稱布置4支煤粉燒嘴，點(diǎn)火燒嘴水平布置在煤粉燒嘴的上方，開工燒嘴布置在點(diǎn)火燒嘴的正上方，其開工燒嘴斜角向下直接噴入點(diǎn)火燒嘴中心位置，開工燒嘴用于開車過程中的氣化爐升溫、升壓。在正常運(yùn)行過程中，粉煤、氧氣經(jīng)過煤粉噴嘴不同通道噴入氣化爐第一段反應(yīng)區(qū)，進(jìn)行粉煤的部分氧化和不完全反應(yīng)，生成高溫粗煤氣。在第二反應(yīng)區(qū)布置了2支噴嘴，分別噴入少量粉煤和過熱蒸汽，利用來自第一反應(yīng)區(qū)的高溫煤氣顯熱，進(jìn)行煤的熱解、揮發(fā)物的氣化和煤的氧化等反應(yīng)，產(chǎn)生煤氣。氣化爐上段爐的作用如下：一是代替循環(huán)合成氣，使高溫煤氣降溫，以達(dá)到掛渣的目的；二是利用下段氣化爐煤氣顯熱進(jìn)行熱裂解和部分氣化，提高總的冷煤氣效率和熱效率。由于世林化工兩段式氣化爐屬于首套示范爐型，第二反應(yīng)區(qū)噴煤粉氣化技術(shù)一直未投入應(yīng)用，煤粉燒嘴未安裝。

在氣化爐頂部、合成氣出口，設(shè)置有4組組合式高壓減溫水噴淋裝置，替代了第二反應(yīng)區(qū)煤粉噴入。利用減溫水霧化噴淋，對(duì)合成氣降溫至750℃，使合成氣中所夾帶的熔融態(tài)灰渣顆粒固化后，經(jīng)輸氣管進(jìn)入激冷室洗滌降溫。

2 兩段式氣化爐運(yùn)行過程存在的問題

2.1 減溫水激冷

由于采用高壓減溫水激冷合成氣，高壓減溫水對(duì)噴嘴磨損嚴(yán)重，減溫水霧化效果不好，從而導(dǎo)致各點(diǎn)激冷水達(dá)不到霧化效果，減溫水噴淋處積灰，從而造成氣化爐爐膛合成氣出口逐步堵塞。從2012年8月試車投產(chǎn)至2015年11月停車間，此項(xiàng)問題導(dǎo)致氣化系統(tǒng)停車達(dá)20余次之多。

2.2 合成氣激冷室

由于粗煤氣中夾帶有大量的固體煤灰顆粒，合成氣進(jìn)入激冷室水浴洗滌時(shí)，將合成氣中所夾帶大量的固體煤灰顆粒沉降在了激冷室錐部。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間超過15d以上時(shí)，就會(huì)造成激冷室底部黑水管線逐步堵塞，黑水不能夠順利排出，導(dǎo)致氣化爐停車。

2.3 運(yùn)行參數(shù)

原設(shè)計(jì)中氣化壓力為4.0MPa(g)，氣化爐爐頂設(shè)計(jì)溫度≤350℃，實(shí)際運(yùn)行中，氣化爐壓力為3.0MPa(g)，氣化爐爐頂溫度最高至450℃。因此，氣化爐長期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，故影響氣化爐“安、穩(wěn)、常、滿、優(yōu)”的運(yùn)行要求。

3 航天爐與兩段式氣化爐工藝技術(shù)對(duì)比

3.1 航天爐工藝簡(jiǎn)介

航天爐HT-L粉煤加壓氣化技術(shù)，是航天長征化學(xué)工程股份有限公司研發(fā)的、具有國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的粉煤加壓氣化技術(shù)。該技術(shù)是以干煤粉為原料，采用激冷流程生產(chǎn)粗合成氣的工藝；采用盤管式水冷壁的氣化爐，頂噴式組合燒嘴，粉煤干法進(jìn)料及濕法除渣的方式，在溫度1 390℃、壓力4.0MPa(g)的條件下，以純氧及少量飽和蒸汽為氣化劑在氣化爐中和煤進(jìn)行部分氧化和不完全反應(yīng)，生成以CO+H2為主要成分的粗合成氣。根據(jù)世林化工生產(chǎn)需要，需配置1套φ3200/φ3800-Ⅱ/Y型 HT-L航天氣化爐。其設(shè)計(jì)投煤量為1 500t/d，有效氣(CO+H2)正常產(chǎn)量為84 300Nm3/h、額定產(chǎn)量為90 000Nm3/h，氣化爐負(fù)荷操作范圍為50%～110%。

航天爐選用盤管式水冷壁通過鍋爐水泵強(qiáng)制水循環(huán)，不但可以將爐膛內(nèi)的高溫粗合成氣中熱量吸收從而達(dá)到掛渣效果，轉(zhuǎn)化為中壓蒸汽(約5.4MPa(g)飽和蒸汽)，而且可以有效降低承壓殼體的溫度。渣同合成氣經(jīng)激冷環(huán)及下降管被水激冷后，沿下降管導(dǎo)入激冷室的水浴，熔渣迅速固化沉降，合成氣被水飽和后通過上升管進(jìn)入下游設(shè)備。

3.2 航天爐與兩段式氣化爐工藝副產(chǎn)蒸汽量比較

世林化工公司動(dòng)力蒸汽配備為3×75t/h粉煤鍋爐，自2011年試車運(yùn)行以來，由于3臺(tái)鍋爐均出力不足，其蒸汽產(chǎn)量最高不足190t/h。兩段爐副產(chǎn)蒸汽量43.85t/h，補(bǔ)充了生產(chǎn)系統(tǒng)蒸汽量不足的問題。正常生產(chǎn)時(shí)，3臺(tái)鍋爐同時(shí)運(yùn)行，在滿足全廠使用蒸汽的同時(shí)，拖動(dòng)1臺(tái)6 000kW·h發(fā)電機(jī)發(fā)電。

航天氣化技術(shù)副產(chǎn)蒸汽量為5t/h。如再依附原有的蒸汽量維持運(yùn)行，將給生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來巨大隱患；由于蒸汽量的減少，發(fā)電機(jī)將無法再繼續(xù)運(yùn)行，這給企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益帶來一定損失。為此，世林化工對(duì)動(dòng)力鍋爐進(jìn)行技術(shù)改造，確保技改后蒸汽產(chǎn)量滿足全廠使用需求。

3.3 磨煤系統(tǒng)

兩段爐設(shè)計(jì)投煤量為41.67t/h；其配套2套磨煤及煤粉輸送系統(tǒng)(1開1備)，單臺(tái)磨煤機(jī)最大磨煤量為55.84t/h；由于磨煤機(jī)出力不足，實(shí)際運(yùn)行中僅為43t/h。

航天爐設(shè)計(jì)投煤量達(dá)62.5t/h。原有單套磨煤系統(tǒng)已不能滿足運(yùn)行需要，在今后的運(yùn)行中，2套磨煤系統(tǒng)需同時(shí)運(yùn)行；同時(shí)，煤粉鎖斗下粉時(shí)間需由原來的1h下粉1次，調(diào)整為45min以內(nèi)，以滿足系統(tǒng)運(yùn)行需要。

3.4 減溫水激冷問題

兩段爐所設(shè)計(jì)的頂部合成氣減溫水降溫系統(tǒng)，在運(yùn)行時(shí)，由于減溫水霧化效果不好，導(dǎo)致各點(diǎn)激冷溫度不同，造成減溫水處積灰，致使氣化爐爐膛本體逐步堵塞直至停車。

而航天爐未設(shè)計(jì)頂部減溫水系統(tǒng)，合成氣為下行水浴激冷洗滌工藝，從而避免了爐膛上部積灰、堵塞氣化爐爐膛的問題。

3.5 合成氣激冷

兩段爐在運(yùn)行時(shí)，由于粗煤氣中夾帶的大量固體灰渣顆粒，經(jīng)激冷室水浴洗滌沉降至激冷室錐部，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間超過15d時(shí)，就會(huì)造成激冷室底部堵塞，黑水不能夠順利排出，致使氣化爐停車。

航天爐氣化技術(shù)采用組合式燒嘴頂噴式氣化工藝，氣化爐由上部的水冷壁輻射燃燒反應(yīng)室和下部的激冷室組成。粉煤經(jīng)CO2氣體加壓后輸送至煤燒嘴，與氧蒸混合氣體一同被噴入氣化爐的燃燒反應(yīng)室，在高溫、高壓下瞬間發(fā)生氧化反應(yīng)。生成的合成氣由上至下通過下降管進(jìn)入氣化爐的激冷室。燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的液態(tài)爐渣和細(xì)的固體顆粒，這些物質(zhì)離開反應(yīng)室向下經(jīng)過均布激冷水的激冷環(huán)后沿下降管進(jìn)入激冷室水浴。渣在水中猝冷固化、沉降；在與水的直接接觸中，合成氣攜帶的細(xì)顆粒，大部分被洗滌進(jìn)入了水中。黑水、灰渣和細(xì)的固體顆粒一同沉降在渣收集罐中，經(jīng)渣鎖斗排至撈渣機(jī)中，通過汽車運(yùn)往渣廠，不會(huì)再因激冷室底部堵塞，黑水不能夠順利排出而導(dǎo)致氣化爐停車。同時(shí)，粗合成氣也被水冷卻至218℃，飽和、冷卻后的合成氣向上通過下降管與上升管周圍的環(huán)形空間離開氣化爐。

3.6 合成氣洗滌

兩段爐在運(yùn)行中，合成氣離開激冷室進(jìn)入文丘里洗滌器，與洗滌塔給料泵送來的工藝水充分接觸，氣體中的固體灰渣顆粒被完全浸濕后進(jìn)入合成氣洗滌塔，合成氣通過下降管周圍的環(huán)形空間向上經(jīng)過位于洗滌塔上部的塔盤，離開洗滌塔后進(jìn)入下游設(shè)備。由于合成氣中夾帶的灰渣顆粒過多，造成在洗滌塔塔盤積灰嚴(yán)重，堵塞篩孔，這使得合成氣在通過篩板上升時(shí)，其流通截面積減小，而使合成氣流速增加。在合成氣離開塔板時(shí)，將塔板上的液體帶出洗滌塔，嚴(yán)重影響后系統(tǒng)正常運(yùn)行。

在航天爐的運(yùn)行過程中，合成氣離開激冷室前，大部分灰渣顆粒已被洗滌至渣水中。由合成氣帶出的灰渣顆粒已減少很多。同時(shí)，航天長征設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)世林化工技術(shù)改造項(xiàng)目時(shí)，充分利用現(xiàn)有裝置的潛力：自氣化爐送來的合成氣進(jìn)入文丘里洗滌器，與洗滌塔給料泵送來的工藝水充分接觸，后進(jìn)入合成氣新洗滌塔(見圖2)，合成氣通過逆流接觸洗去剩余的固體顆粒，在經(jīng)除沫器進(jìn)行汽液分離后，再次進(jìn)入舊洗滌塔，進(jìn)行二次洗滌。合成氣從舊洗滌塔底部沖擊液面，通過下降管周圍的環(huán)形空間向上經(jīng)位于洗滌塔上部的塔盤，與來自變換工序的冷凝液通過逆流接觸，進(jìn)一步除去其固體顆粒。二次洗滌，使合成氣中的灰渣顆粒降至最低，給后系統(tǒng)帶來有利的運(yùn)行條件。

圖2 技改后航天爐粉煤加壓氣化工藝流程

3.7 灰水處理

兩段爐設(shè)計(jì)黑水排水量為202t/h，經(jīng)過二級(jí)閃蒸處理，澄清水再次回用?；以ㄟ^所配套的1臺(tái)真空帶式過濾機(jī)壓濾后，由汽車輸送至渣場(chǎng)，其主過濾面積為20m2。

在航天爐的設(shè)計(jì)中，其激冷罐內(nèi)的黑水量比兩段爐要多；同時(shí)，2臺(tái)洗滌塔串聯(lián)使用，其黑水量進(jìn)一步增大，排水量達(dá)到340t/h，其黑水需要利用原有的灰水處理系統(tǒng)。為使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，在原有的過濾機(jī)旁增加1臺(tái)真空帶式過濾機(jī)，其主過濾面積為28m2。同時(shí)，將灰漿槽底流泵及澄清槽底流泵各由原來的2臺(tái)增加至3臺(tái)。

4 結(jié)語

在世林化工甲醇項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行中，兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)存在諸多難以克服的問題，給企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益造成了不利的影響。針對(duì)兩段式干粉煤加壓氣化工藝存在的問題，經(jīng)過技術(shù)調(diào)研和方案比較，在此次技改過程中，最終采用航天粉煤加壓氣化技術(shù)對(duì)兩段式干粉煤加壓氣化裝置進(jìn)行技術(shù)改造。將原來的兩段式煤粉加壓氣化爐更換為航天爐，同時(shí)再增加1臺(tái)洗滌塔串聯(lián)使用。技改后的系統(tǒng)，利用原有的磨煤系統(tǒng)、煤粉加壓輸送系統(tǒng)、黑水閃蒸系統(tǒng)、渣水處理系統(tǒng)。該項(xiàng)目于2016年5月上旬與航天長征公司簽署EPC技改合同，總投資金額為13 000萬元；工程于2016年7月開工改造，計(jì)劃2017年6月10日中交并投料試車。截至2017年3月下旬，該技改工程設(shè)備全部就位，工藝管線配管完成；下一步改造工作主要為工藝系統(tǒng)伴熱保溫、儀表控制、電氣系統(tǒng)升級(jí)改造、系統(tǒng)調(diào)試。本項(xiàng)目是否能夠高效地發(fā)揮其作用，對(duì)工藝運(yùn)行是一個(gè)極大的考驗(yàn)，在技改實(shí)施后的運(yùn)行中，還需各方技術(shù)人員共同研究，繼續(xù)優(yōu)化工藝。

修改稿日期： 2017-04-20

Application of Aerospace Gasification Technology to Reform Two-stage Pressurized Gasification：Analysis of the Feasibility of the Process

LI Rui

(InnerMongoliainhuangtaolegaicoallimitedliabilitycompanyShilinchemicalbranch，WushenInnerMongolia017313，China)

This paper introduces the operation of the two-stage dry coal pulverized coal gasification technology in the process of 300 thousand tons/year methanol process. In view of the problems existing in the pressurized gasification process of the two-stage dry pulverized coal，this paper tries to analyze the feasibility of space coal gasification technology of two dry pulverized coal by applying aerospace pulverized coal pressurized gasification technology through research and comparison.

two section type dry coal gasification furnace；HT-L space；technological transformation；process allocation problem

李銳(1985年—)，男，陜西安康人，2013年畢業(yè)于西安交通大學(xué)熱能與動(dòng)力專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事化工生產(chǎn)管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.014

TQ086

A

1004-8901(2017)03-0052-04