惠州石化煤氣化原料適應(yīng)性分析

周建欣

(中海油惠州石化有限公司， 廣東惠州 516086)

1 工藝流程

中海油惠州石化有限公司(簡稱惠州石化)煤制氫氣化裝置采用美國Lummus公司的E-Gas氣化技術(shù)，配置3臺氣化爐，2開1備。E-Gas氣化爐為氣體上流兩段式水煤漿加壓。在氣化爐一段注入煤漿和高壓氧氣，高溫合成氣和熔融灰渣在氣化爐一段中分離；高溫合成氣向上流動，在氣化爐二段注入煤漿，高溫合成氣激冷后進(jìn)入停留段，在其中摧毀焦油成分；溫度降低到700～800 ℃后進(jìn)入合成氣冷卻器，回收合成氣的余熱后，進(jìn)入焦過濾器除去合成氣中夾帶的固體顆粒，再經(jīng)過水洗后送入下游裝置；少部分合成氣返回氣化爐成為工藝?yán)鋮s和吹掃氣體，過濾器過濾下來的固體顆粒通過高壓合成氣輸送到氣化爐一段再次反應(yīng)。氣化爐一段產(chǎn)生的熔融灰渣流經(jīng)下降管后，進(jìn)入激冷室，再經(jīng)過破渣機(jī)破碎，降至常壓，渣水被送至渣水分離系統(tǒng)。氣化部分的流程示意見圖1。

1—煤漿罐； 2—?dú)饣癄t； 3—停留段； 4—合成氣冷卻器； 5—汽包； 6—焦過濾器； 7—氯洗塔； 8—煤漿進(jìn)料泵； 9—煤漿循環(huán)泵。

2 各原料運(yùn)行效果

惠州石化煤制氫氣化裝置分別試驗了水煤漿氣化爐通用的SY-2煤炭、SY-2煤炭和SY-3煤炭的混配原料、HM-1原料和石油焦的混配原料。HM-1原料和石油焦的混配原料中，石油焦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為80%和60%。使用SY-2煤炭時，氣化爐一段的溫度隨原料變化波動較大，并容易引發(fā)氣化爐二段積灰，造成運(yùn)行不暢；合成氣中夾帶焦油也是該原料運(yùn)行的副反應(yīng)。使用SY-2煤炭和SY-3煤炭的混配原料時，隨著原料灰熔點(diǎn)升高，合成氣中夾帶焦油的情況得到了控制，但是氣化爐二段積灰問題仍存在。使用HM-1原料和石油焦的混配原料時，氣化爐二段積灰的情況得到有效控制，氣化爐的運(yùn)行逐步穩(wěn)定?；葜菔褐茪錃饣b置使用原料參數(shù)見表1。

表1 原料參數(shù)

3 E-Gas氣化爐特點(diǎn)及對原料的要求

E-Gas氣化爐具有GE水煤漿氣流床氣化爐和殼牌粉煤氣流床氣化爐的特點(diǎn),為十字架型結(jié)構(gòu)(圖2)。一段為臥式布置，一段進(jìn)料噴嘴安裝在水平布置的反應(yīng)器兩側(cè)，煤漿和高壓氧氣沿著水平通道噴入。氣化爐豎直部分為二段位置，只注入煤漿，用以激冷來自氣化爐一段的高溫合成氣，并從二段反應(yīng)器頂部送到停留段[1-2]。

圖2 E-Gas氣化爐結(jié)構(gòu)簡圖

E-Gas氣化爐設(shè)計為液態(tài)排渣方式。要求氣化爐一段反應(yīng)溫度必須在原料的灰熔點(diǎn)以上，以保持熔融灰渣的順利流動。同時，由于水平段的臥式布置，其一段反應(yīng)溫度要高于相應(yīng)的其它類型頂噴式氣流床氣化爐的反應(yīng)溫度。受臥式反應(yīng)容器排渣的限制，內(nèi)部熔融灰渣從噴嘴流向渣口距離較遠(yuǎn)，會出現(xiàn)流動坡度，從而推動爐膛內(nèi)的熔渣向渣口方向流動。爐膛內(nèi)的渣層料位會對氣化爐一段反應(yīng)造成影響。渣層厚度增加時，氣化爐內(nèi)部有限空間減少，煤漿顆粒用于反應(yīng)的停留時間也會減少，噴嘴噴射出的霧化煤漿更容易攪動渣層的熔渣，從而增加上行合成氣夾帶的熔渣量，給氣化爐二段的煤漿激冷帶來挑戰(zhàn)。

E-Gas氣化爐設(shè)計采用火管鍋爐回收高溫合成氣的熱量[3-4]。進(jìn)入火管鍋爐的合成氣中如有熔融灰渣，會在入口冷凝，從而堵塞爐管。為此，氣化爐二段必須把來自一段的高溫合成氣冷卻到1000 ℃左右，將合成氣夾帶的熔渣冷卻到灰熔點(diǎn)以下，使熔渣失去黏結(jié)特性。氣化爐二段是熔融灰渣從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的必經(jīng)區(qū)域和通道，通過激冷煤漿冷卻不了的熔渣會在上部爐壁上聚集和黏結(jié)，造成二段積灰。

二段激冷煤漿對二段積灰有抑制作用。在二段使用煤漿對合成氣進(jìn)行激冷，并將合成氣夾帶的熔渣進(jìn)行失活化處理。氣化爐二段中碳含量直接影響氣化爐二段積灰傾向。根據(jù)裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)，使用SY-2煤炭原料時，氣化爐開始運(yùn)行的10 d內(nèi)，氣化爐二段是不會積灰的，伴隨原料灰熔點(diǎn)的變化而產(chǎn)生積灰；使用HM-1原料和石油焦(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%)的混配原料運(yùn)行時，氣化爐二段在運(yùn)行的30 d內(nèi)都沒有積灰，即使2臺二段煤漿噴嘴僅投用1臺也不會發(fā)生二段積灰。

通過以上分析可以看出，E-Gas氣化爐對原料的要求主要有以下幾點(diǎn)：第一，原料的灰熔點(diǎn)軟化溫度要高出氣化爐二段反應(yīng)溫度150～200 ℃，可使合成氣夾帶的熔渣失去黏結(jié)特性；第二，原料在氣化爐二段實際控制溫度(1 000 ℃左右)下的碳轉(zhuǎn)化率不能太高，要給氣化爐二段提供更多的碳組分，抑制熔渣在氣化爐二段的沉積和黏結(jié)；第三，原料的灰熔點(diǎn)要盡可能保持穩(wěn)定，灰熔點(diǎn)流動溫度波動不易過大，避免原料性質(zhì)變化造成氣化爐一段渣層厚度改變，從而影響夾帶熔渣的數(shù)量。

4 原料優(yōu)化

4.1 SY-2煤炭

以SY-2煤炭為原料時，氣化的主要參數(shù)見表2。

表2 SY-2煤炭操作數(shù)據(jù)

氣化爐溫度超出原料灰熔點(diǎn)流動溫度80～100 ℃以上，以保持氣化爐一段爐膛渣的良好流動狀態(tài)；二段溫度保持在960 ℃左右，可保持熔渣以固態(tài)存在于合成氣中，避免熔渣夾帶造成下游合成氣冷卻器堵塞。但是由于氣化爐二段溫度低于1 000 ℃，二段煤漿進(jìn)入爐膛后產(chǎn)生的煤焦油不能被完全分解，有微量部分被帶入下游低溫甲醇洗裝置，在循環(huán)甲醇中富集，造成冷甲醇循環(huán)障礙。

4.2 SY-2煤炭和SY-3煤炭的混配原料

使用SY-2煤炭和SY-3煤炭的混配原料時，氣化的主要參數(shù)見表3。

表3 SY-2煤炭和SY-3煤炭混配原料操作數(shù)據(jù)

氣化爐溫度超出原料灰熔點(diǎn)流動溫度80～100 ℃以上，以保持氣化爐一段爐膛渣的良好流動狀態(tài)；二段溫度為1 000～1 020 ℃，可保持熔渣以固態(tài)存在于合成氣中，避免熔渣夾帶造成下游合成氣冷卻器堵塞。原料調(diào)整和優(yōu)化結(jié)果明顯，提高了一段和二段溫度，消除了殘留煤焦油，為下游甲醇洗裝置運(yùn)行掃清了焦油富集的難題。

4.3 HM-1原料和石油焦混配原料

使用HM-1原料和石油焦混配原料時，氣化的主要參數(shù)見表4。當(dāng)石油焦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時，氣化爐溫度超出原料灰熔點(diǎn)流動溫度120～160 ℃以上，以保持氣化爐一段爐膛渣的良好流動狀態(tài)；二段溫度為1 000～1 020 ℃，可保持熔渣以固態(tài)存在于合成氣中，避免熔渣夾帶造成下游合成氣冷卻器堵塞。石油焦的加入存在兩個有利的因素：一是將原料的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)從7%～8%降低到了3%左右，有效降低了氣化爐中的灰渣；二是石油焦的較低反應(yīng)活性提高了氣化爐二段中碳含量水平。石油焦轉(zhuǎn)化率低的特性，對E-Gas氣化操作有利，氣化爐的二段積灰得到有效抑制。在HM-1原料和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%石油焦混配原料運(yùn)行的30 d內(nèi)，二段積灰的現(xiàn)象未發(fā)生，即使在氣化爐二段因進(jìn)料故障停掉1臺，也沒有發(fā)生二段積灰問題，氣化爐的操作窗口得到了擴(kuò)大。

表4 HM-1原料和石油焦混配原料的操作數(shù)據(jù)

HM-1原料和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%石油焦混配原料運(yùn)行唯一不足是焦過濾器的壓差上漲過快。二段注入氣化爐的石油焦在爐內(nèi)發(fā)生熱解反應(yīng)后，未轉(zhuǎn)化碳的數(shù)量增加較多，下游合成氣夾帶的固體顆粒增多，造成焦過濾器入口氣體的固體含量增加[3]。

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的石油焦是在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的石油焦基礎(chǔ)上的優(yōu)化，目的是在保持氣化爐二段良好積灰抑制環(huán)境的同時，降低焦過濾器的處理負(fù)荷，達(dá)到氣化裝置穩(wěn)定運(yùn)行的目的。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的石油焦和HM-1混合做原料，氣化爐在穩(wěn)定運(yùn)行60 d基礎(chǔ)上，氣化爐二段積灰問題得到解決，焦過濾器的壓差變化處于可控范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

E-Gas氣化作為一種新型氣流床氣化技術(shù)，和國內(nèi)目前眾多氣流床氣化技術(shù)一樣，都存在原料適應(yīng)性問題。在生產(chǎn)中需要不斷分析和總結(jié)，尋找與E-Gas氣化技術(shù)相匹配的原料，同時做好原料性質(zhì)的均質(zhì)化管理，裝置的運(yùn)行才能安全穩(wěn)定。