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(jìn)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(yùn)行中出現(xiàn)的問題，提出了碎煤加壓氣化工藝改進(jìn)思路：驗(yàn)證了爐型擴(kuò)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(jìn)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(diǎn)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(nèi)運(yùn)行的煤制氣項(xiàng)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(yīng)性廣、建設(shè)周期短和投資低的優(yōu)勢。該技術(shù)在主流煤氣化工藝中引進(jìn)和使用時(shí)間最長，相對(duì)而言積累了較豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

國內(nèi)碎煤加壓氣化的項(xiàng)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(gè)項(xiàng)目都出現(xiàn)了不同的問題，給煤制氣項(xiàng)目蒙上了一層陰影。這些問題主要包括：氣化爐夾套腐蝕嚴(yán)重、氣化爐運(yùn)行工況差不能實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷生產(chǎn)、粗煤氣帶粉嚴(yán)重造成油水分離困難，酚氨水入口水指標(biāo)不合格且裝置設(shè)計(jì)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(duì)煤的認(rèn)識(shí)不夠充分，對(duì)不同特性的煤種未能進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。以下是對(duì)這些問題的簡單描述。

水夾套的腐蝕問題曾經(jīng)嚴(yán)重影響某裝置的運(yùn)行，氣化爐運(yùn)行不足兩個(gè)月便出現(xiàn)了深度腐蝕夾套漏水的問題。經(jīng)過對(duì)煤質(zhì)全面分析后，發(fā)現(xiàn)Cl%達(dá)到0.12%,F含量也高達(dá)136ug/g，損壞原因是超高的鹵素在氣化爐內(nèi)壁上形成了露點(diǎn)強(qiáng)酸腐蝕。該問題現(xiàn)在已經(jīng)通過內(nèi)壁堆焊或內(nèi)襯inconel625材料得到有效解決。

某項(xiàng)目氣化爐工況波動(dòng)大單爐負(fù)荷不足60%，主要原因是原料煤機(jī)械強(qiáng)度差且熱穩(wěn)定性RW+6僅有30%，床層內(nèi)大量碎化的原料嚴(yán)重地影響了氣化劑均布，爐況惡化負(fù)荷受限。另外隨粗煤氣帶出的大量細(xì)粉物嚴(yán)重地影響了油水分離裝置的正常運(yùn)行，導(dǎo)致酚氨水入口水中油含量大幅度超標(biāo)。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(zhì)含油較高，氣化過程中大量熱解油進(jìn)入粗煤氣中，油水分離裝置能力不足導(dǎo)致出口油超標(biāo)，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(shí)也增加了日常檢修工作量。出現(xiàn)這個(gè)問題的根本原因還是油水分離裝置未按該煤種進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。

綜上所述，國產(chǎn)碎煤氣化工藝出現(xiàn)的問題都是可以解決的，在優(yōu)化設(shè)計(jì)后可以滿足中小型企業(yè)裝置的生產(chǎn)需求。但同時(shí)也要看到由于單爐生產(chǎn)能力偏小，實(shí)際最大產(chǎn)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(jìn)

2.1 爐型擴(kuò)大

氣化爐產(chǎn)能的大型化是行業(yè)發(fā)展的一個(gè)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(jīng)過十年的發(fā)展，現(xiàn)在2000～2700 t/d的爐型已經(jīng)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(yùn)。而這些年國內(nèi)碎煤加壓氣化爐在產(chǎn)能上卻停滯不前，在市場競爭中明顯處于劣勢。

爐型擴(kuò)大后能否實(shí)現(xiàn)高效平穩(wěn)運(yùn)行，關(guān)鍵是要保證床層內(nèi)氣體分布的均勻性，這里包含三個(gè)要素：床層阻力、爐篦布風(fēng)和爐頂靜壓力的分布均一性。

首先料徑和布煤方式?jīng)Q定了床層阻力分布，爐膛內(nèi)水平橫截面布煤的均一性是保證床層阻力均勻的關(guān)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(huì)沿落點(diǎn)向四周散落，與半徑成正態(tài)分布，這樣在爐內(nèi)其阻力隨落點(diǎn)半徑也呈正態(tài)分布，而爐篦布風(fēng)卻很難與之變化相適應(yīng)，有時(shí)甚至相差很大，這就使氣化劑達(dá)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(duì)大爐膛氣化爐，需選用專用的布煤器設(shè)計(jì)，原則上爐內(nèi)煤層高不超過300mm為宜。

其次要保證爐篦內(nèi)膛各出風(fēng)口處的靜壓能相當(dāng)，同時(shí)考慮不同原料的反應(yīng)活性、形變方式和反應(yīng)比表面積的因素。在調(diào)整爐篦各層出風(fēng)口大小時(shí)，不僅要依據(jù)冷態(tài)風(fēng)速流場模擬結(jié)果，還要結(jié)合實(shí)際使用的原料特點(diǎn)進(jìn)行。在爐篦的設(shè)計(jì)上，筆者認(rèn)為寶塔爐型爐篦在配套大直徑氣化爐時(shí)應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，要適當(dāng)提高高徑比，目的是保證各層的排料效率相當(dāng)，避免中心料區(qū)在爐內(nèi)停留時(shí)間過長。另外嘗試六層結(jié)構(gòu)，并適當(dāng)調(diào)整布煤落點(diǎn)半徑區(qū)的布風(fēng)面積，以最大限度與床層阻力相適應(yīng)。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(qiáng)度不夠，這個(gè)問題可通過對(duì)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(shè)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(chǎn)能停滯不前的原因之一。隨著新材料的成功應(yīng)用，煤鎖和灰鎖閥門的密封已經(jīng)完全能夠適應(yīng)更高壓力等級(jí)。壓力提高后會(huì)對(duì)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(huì)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(dòng)力蒸汽的消耗。

2）反應(yīng)推動(dòng)力的增加可提高氣化反應(yīng)進(jìn)程，由于高溫氣化反應(yīng)區(qū)屬于動(dòng)力學(xué)控制模式，壓力的提高對(duì)氣化劑的微觀擴(kuò)散有促進(jìn)作用。宏觀體現(xiàn)在蒸汽分解率提高約4%～7%，氣化爐產(chǎn)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(xiàng)目，可降低合成一次性投資。

當(dāng)然壓力提高后也會(huì)帶來一些負(fù)面的影響，特別是有些項(xiàng)目使用的原料煤熱穩(wěn)定性不好，這種情況應(yīng)謹(jǐn)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(zhì)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(gè)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(diǎn)，因此在高壓下這種煤的帶出物會(huì)明顯增加。為了控制爐頂帶出物含量，應(yīng)選擇熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度好的煤作為原料煤，同時(shí)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)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(diǎn)，而且不同的煤其廢水的指標(biāo)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(yùn)行也不穩(wěn)定，這個(gè)問題也是該工藝的一個(gè)短板，一些企業(yè)因排水量大指標(biāo)不合格被迫減負(fù)荷，同時(shí)高濃廢水的處理目前在技術(shù)上也不夠成熟，企業(yè)的環(huán)保壓力相當(dāng)大。因此如何降低該工藝的廢水排放是提升該工藝的一個(gè)重要突破口。下面通過對(duì)氣化劑與煤的反應(yīng)特點(diǎn)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(yīng)比表面積低造成蒸汽分解率僅為30%-35%，真正用于反應(yīng)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(jī)物的廢水，這是該工藝廢水產(chǎn)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(shí)現(xiàn)C、H原子的轉(zhuǎn)移（部分氫來源由變換反應(yīng)提供），但卻減少了廢水的產(chǎn)生。

當(dāng)氣化爐溫在1130℃時(shí)，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(gè)先升高后降低的拐點(diǎn)，這是因?yàn)闅饣瘻囟冗^低時(shí)，二段碳轉(zhuǎn)化率低引起的。

在溫度為1130時(shí)CO2的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到60%，同比蒸汽的轉(zhuǎn)化率要高很多，在效率上有明顯的優(yōu)勢。同時(shí)替代后蒸汽量的減少使氣化廢水的產(chǎn)量有效縮減，對(duì)下游產(chǎn)生了積極的影響。通過計(jì)算以單爐6000 Nm3/h的能力計(jì)算，每小時(shí)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(tái)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(xiàng)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(jīng)加壓回送煤鎖作為充壓氣，用氣高峰時(shí)使用部分粗煤氣作為補(bǔ)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(jī)運(yùn)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(jí)充壓的模式經(jīng)濟(jì)性更好。酸脫排放的潔凈CO2經(jīng)壓縮機(jī)加壓進(jìn)入充壓管網(wǎng)，出口設(shè)置大緩沖裝置，多爐充壓時(shí)合理排序以保證充壓管網(wǎng)壓力的平衡，這種模式使流程更簡潔，運(yùn)行更穩(wěn)定。在單爐雙煤鎖的模式下可設(shè)計(jì)壓力互充的形式，充分利用卸壓氣的壓力能。經(jīng)測算采用分級(jí)互充模式，單爐每小時(shí)可節(jié)約充壓氣2400 Nm3，對(duì)大型煤化工項(xiàng)目具有很好的開發(fā)應(yīng)用價(jià)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(jī)械強(qiáng)度不同實(shí)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(huì)對(duì)氣化爐工況產(chǎn)生較大影響。

筆者認(rèn)為輸煤線和儲(chǔ)倉的設(shè)計(jì)要根據(jù)入爐煤的機(jī)強(qiáng)特性進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)機(jī)械強(qiáng)度小于80時(shí)，應(yīng)在入爐前加設(shè)篩分裝置，同時(shí)將棧橋內(nèi)機(jī)頭機(jī)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(dāng)煤的熱穩(wěn)定較差，應(yīng)將粒徑的低限提高，8mm～10mm都可嘗試，雖然塊轉(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)性。另外?5.0m氣化爐爐體高度增加近5m，原料的停留時(shí)間較原爐型明顯延長，因此在原料機(jī)強(qiáng)和熱穩(wěn)定差的情況下可適當(dāng)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(duì)微域量元素的特殊設(shè)計(jì)

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

筆者認(rèn)為氣化爐內(nèi)夾套減薄原因?yàn)槁饵c(diǎn)強(qiáng)酸腐蝕，主要依據(jù)是爐壓力、床層溫度分布、腐蝕介質(zhì)濃度等因素使?fàn)t內(nèi)部分區(qū)域形成結(jié)露條件，由于離子態(tài)的強(qiáng)酸性物質(zhì)存在其損壞速度之快也在情理之中。另外鹵素中氟的結(jié)露和腐蝕性更強(qiáng)，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(guān)企業(yè)的特別關(guān)注，需進(jìn)一步完善設(shè)備的抗蝕措施。

3 結(jié)論

3.1 深度挖掘原料煤的分析研究，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化工業(yè)設(shè)計(jì)

煤化工行業(yè)在煤的問題上教訓(xùn)是非常深刻的，過去我們由于對(duì)煤的認(rèn)識(shí)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(yùn)行?，F(xiàn)在隨著煤的分析手段和項(xiàng)目日臻完善，對(duì)不同的氣化工藝應(yīng)該有自己一套煤的評(píng)價(jià)和適用體系，這樣才可實(shí)現(xiàn)以煤定爐的科學(xué)決策。同時(shí)對(duì)氣化工藝的專利商也提出了更高的要求，模塊化的拷貝時(shí)代已經(jīng)過去，針對(duì)不同的煤為客戶能夠提供個(gè)性化工業(yè)設(shè)計(jì)，同時(shí)通過對(duì)客戶的回訪充分完善工藝設(shè)計(jì)，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(jìn)?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(kuò)大，操作壓力5.0MPa，單爐產(chǎn)氣量可達(dá)到9～12萬Nm3/h，氣化爐配置數(shù)量較同等規(guī)模項(xiàng)目減少一半多，同時(shí)CH4含量的提高更有利于煤制天然氣項(xiàng)目SNG合成能效的降低。通過大爐型的盡早試用，可有效推動(dòng)煤制天然氣項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

3.3 通過技術(shù)升級(jí)解決廢水的環(huán)保排放

一方面積極探索實(shí)驗(yàn)以CO2代替部分蒸汽氣化，在縮減氣化廢水產(chǎn)量的基礎(chǔ)上優(yōu)化廢水相關(guān)指標(biāo)，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(xué)轉(zhuǎn)化的方式實(shí)現(xiàn)高鹽廢水的資源化利用。

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.03.008

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