KSY焦油裂解技術研究

張 棟，何炳昊，王鵬偉，方玉虎，王忠臣

（陜西延長石油（集團）有限責任公司碳氫高效利用技術研究中心，陜西 西安 710075）

煤炭的無序化開采及不合理利用，導致環(huán)境問題日益嚴重，為了解決煤炭在利用過程中利用率低、經(jīng)濟效益低、高污染“兩低一高”的問題，現(xiàn)代煤化工技術的發(fā)展都趨向于大型化、一體化、潔凈化。煤基油、煤基烯烴等技術的開發(fā)應用，提高了煤炭的深度加工和轉化效率，以及IGCC技術的開發(fā)與應用，標志著在燃煤發(fā)電過程中對煤炭的高效清潔利用，被視為最具有競爭力的以煤為燃料的高效清潔發(fā)電技術，實現(xiàn)了多產(chǎn)業(yè)集成耦合創(chuàng)新發(fā)展，但在工業(yè)化中難免存在著能源轉化效率低、能量利用率低、投資成本高等缺陷［1，2］。

中國煤炭資源豐富，其中煙煤占75%，無煙煤占12%，褐煤占13%，其中低變質(zhì)煙煤占33%，中變質(zhì)煙煤占17%［3，4］。循環(huán)流化床反應器對比表面積大、揮發(fā)分高、活性好的褐煤和次煙煤有很好的適應性，但由于煤的氣化過程有焦油［5］、CH4及粉塵顆粒含量高的缺陷，大大降低了碳的轉化率，為解決氣化過程中出現(xiàn)此類問題，陜西延長石油（集團）碳氫高效利用技術研究中心開發(fā)出了100 t/d大型KSY輸運床氣化裝置。

1 KSY研發(fā)歷程

KSY輸運床氣化裝置是基于美國KBR公司和美國南方電力公司（SGT）共同開發(fā)的輸運床氣化技術并在此技術中間增加了碳氫研究中心自主開發(fā)的TCD焦油裂解技術，是1種先進的循環(huán)流化床氣化技術。TCD焦油裂解技術增加合成氣在爐子內(nèi)部的停留時間，在TCD內(nèi)部較高的溫度下提高對碳氫化合物的裂解，降低粗合成氣中焦油、CH4及含碳粉塵顆粒的組分，提高碳的轉化率。

經(jīng)過一系列的試驗研究，2012年9月，延長石油集團赴北達科他州大學EERC（能源與環(huán)境研究中心）TRIGTM煤氣化實驗裝置進行最終評估試驗［6］，目的是測試在較高溫度下，碳氫化合物的分解率能否進一步提高，合成氣中的甲烷以及細灰中的殘?zhí)寄芊襁M一步轉化，提高碳轉化率。試驗結果表明，在較高溫度下，煤的合成氣收率持續(xù)提高，說明在高溫條件下，粗合成氣中的焦油、甲烷及含碳顆粒發(fā)生了裂解及轉化反應。

2014年，在陜西省興平市延長化工工業(yè)園區(qū)建設了100 t/d大型KSY輸運床氣化試驗示范裝置，目的是為了測試和示范煤炭高效、清潔利用的技術，為商業(yè)放大化提供設計數(shù)據(jù)。KSY試驗裝置包括儲煤準備、粉煤制備、煤氣化系統(tǒng)、液氮系統(tǒng)、公輔工程系統(tǒng)5個生產(chǎn)單元，其中煤氣化系統(tǒng)又可細化分為氣化、焦油裂解、合成氣冷卻等幾個部分。主要設備包括粉煤加壓進料系統(tǒng)、TRIG氣化爐、TCD焦油裂解器、SGC合成氣冷卻器、PCD顆粒物控制器、合成氣洗滌塔、CFAD細灰排灰系統(tǒng)、CCAD粗灰排灰系統(tǒng)等。

2 工藝原理及流程

KSY煤氣化技術屬于輸運床循環(huán)流化氣化工藝，其機械設計和運行操作是基于KBR的流化催化裂化（FCC）技術。與傳統(tǒng)的循環(huán)流化床相比，KSY煤氣化技術的主要特點是對含碳組分的2次裂解，提高碳轉化率，因增加了TCD焦油裂解系統(tǒng)，使得1段爐出來的粗合成氣、CH4、含碳細灰顆粒等組分在較高的溫度下進行了2次轉化，增加了合成氣中的有效成分含量，提高了碳轉化率。

TCD焦油裂解器以KSY的1段氣化爐產(chǎn)生的粗煤氣為原料，將粗煤氣中的焦油裂解轉化、同時進行含碳細灰顆粒等組分的2次轉化，轉化后的合成氣與轉化前的合成氣有效組分對見表1［7］。TCD焦油裂解器結構見圖1。

表1 出/入焦油裂解器合成氣有效組分對比表

圖1 TCD焦油裂解器結構

（1）TCD焦油裂解器本質(zhì)上是1個循環(huán)流化床反應器，主要由循環(huán)密封罐、提升管、短節(jié)、旋風分離器和料腿組成。反應系統(tǒng)主要包括3個區(qū)域：固體顆粒分散區(qū)（SDZ）、部分氧化區(qū)（POZ）及后處理區(qū)（PPZ）。

SDZ區(qū)的作用是向合成氣氣流中分散足夠的固體顆粒，此處的預混合效應可以大幅度提升氣流的總熱容，提高氣固混合物的溫度，使之接近于TCD的操作溫度；POZ區(qū)的作用是將自SDZ區(qū)來的氣—固混合物料的溫度提升至TCD的操作溫度，在POZ區(qū)內(nèi)氧氣與焦油、焦炭末進行反應生成合成氣，所有的烴類物質(zhì)將會被轉化為CO、H2及少量的CO2；PPZ區(qū)的作用是對POZ段的合成氣進行深度處理，進一步提高TCD上端出口合成氣的溫度，提高碳轉化率，合成氣從旋風分離器頂部進入下游設備。旋風分離器收集的固體大部分繼續(xù)在裂解器內(nèi)循環(huán)流化，沉積在料腿底部的固體經(jīng)過CCAD粗灰連續(xù)排灰系統(tǒng)排出。

（2）旋風分離器收集的固體經(jīng)過循環(huán)密封罐進入裂解器固體顆粒分散區(qū)，未反應完全的固體顆粒和新進入合成氣中的焦油、甲烷等含碳組分與注入的氣化劑進行進一步轉化反應，裂解器內(nèi)固體物料的循環(huán)動力主要來自于料位差，同時在料腿和循環(huán)密封罐設置了循環(huán)氣流化管口，以保證固體正常循環(huán)流化和防止堵塞。

（3）焦油裂解系統(tǒng)（TCD）以含雜（煤焦粉塵、焦油）合成氣為原料，在特定熱載體填料的反應器內(nèi)進行高溫熱態(tài)轉化，在較高的溫度下，含碳顆粒和焦油可發(fā)生以下水蒸氣轉化反應及裂解反應，增加了碳的轉化率和氣體產(chǎn)物。

KSY試驗示范裝置工藝流程見圖2。

圖2 KSY試驗示范裝置工藝流程

3 試驗結果

2016年10月8日，裝置開工預熱爐點火，開始熱態(tài)聯(lián)運并投煤試運轉，連續(xù)平穩(wěn)運行14 d，累計運行335 h，各項工業(yè)指標和技術參數(shù)達到目標要求，取得了大量運行數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗，標志著KSY煤氣化技術進入了新階段［8］。2017年4月6日，裝置開始第2次投料運行試驗，在50%工況下，裝置累計投料42 h，投煤85 t，從氣化爐出口和裂解器出口取樣分析合成氣中組分的對比來看，合成氣中的有效組分含量明顯提高，甲烷含量及其它含碳組分明顯降低，實現(xiàn)了煤氣化技術重大突破。

4 技術特點

（1）在循環(huán)流化床技術基礎上增加TCD焦油裂解系統(tǒng)，對焦油、CH4及含碳粉塵進行2次裂解。

（2）環(huán)保效益高。干法排灰，徹底消除黑水的產(chǎn)生，降低后系統(tǒng)的負荷。

（3）碳轉化率高。在TCD內(nèi)高溫下完成焦油的裂解及含碳組分的轉化，提高碳轉化率。

（4）投資費用低。氣化爐等設備結構簡單、無內(nèi)部件、移動件和膨脹節(jié)，節(jié)省設備投資費用。

（5）原料靈活性大。將原煤適應性由單純的低變質(zhì)褐煤延伸至中、高變質(zhì)程度煤種，可處理多種粒徑分布的煤原料，放寬了裝置對原料的要求。

5 結束語

KSY煤氣化技術中TCD焦油裂解系統(tǒng)的增加，有效解決了氣化過程中碳轉化率低、合成氣中含碳顆粒偏多以及煤氣中的焦油難以轉化等難題。該技術的放大和商業(yè)化，具有廣闊前景。