范為鵬

（神華寧煤集團煤制油項目建設(shè)指揮部，寧夏銀川 750000）

GSP氣化技術(shù)的發(fā)展與優(yōu)化

范為鵬

（神華寧煤集團煤制油項目建設(shè)指揮部，寧夏銀川 750000）

GSP氣化技術(shù)是一種先進粉煤加壓氣化技術(shù)，其500 MW氣化爐已經(jīng)在國內(nèi)得到工業(yè)化應(yīng)用。文章主要介紹其技術(shù)的起源、國內(nèi)外的應(yīng)用發(fā)展情況、技術(shù)優(yōu)勢，并探討分析500 MW工業(yè)裝置試車及試生產(chǎn)過程中暴露的重大問題及技改優(yōu)化措施。對GSP氣化工藝技術(shù)的進一步完善和發(fā)展有一定的借鑒意義。

GSP；氣化技術(shù)；烯烴；優(yōu)化

1 GSP氣化技術(shù)在國外工業(yè)應(yīng)用

（1）GSP氣化技術(shù)是20世紀70年代末，由前民主德國的德意志燃料研究所（DBI）開發(fā)并投入商業(yè)化運行的大型粉煤氣化技術(shù)。1984年，在德國黑水泵建成了200 MW氣化裝置（投褐煤量720～750 t/d，產(chǎn)氣量為50000 m3/h）。該裝置在1984年至1990年間，成功對普通褐煤及含鹽褐煤進行了氣化，生產(chǎn)民用煤氣。東西德合并后，德國政府引進天然氣取代了城市煤氣，且對垃圾處理有補貼政策，所以1990年后，該裝置分別氣化過天然氣、焦油、廢油、漿料和固體污泥等原料，生產(chǎn)出的合成氣用于甲醇生產(chǎn)及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）。

（2）2001年，巴斯夫（BASF）在英國的塑料廠建成30 MW工業(yè)裝置，用于氣化塑料生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的廢料，產(chǎn)品為燃料氣。

（3）2003年捷克Vresove工廠采用GSP氣化技術(shù)建設(shè)的140 MW工業(yè)裝置開車運轉(zhuǎn)，其氣化原料為煤焦油，用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目（IGCC），2010年對此工廠考察時，氣化裝置運行平穩(wěn)。

2 GSP氣化技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展應(yīng)用

2.1 神華寧煤50萬t/a煤制烯烴項目

該項目是世界上規(guī)模最大的煤基烯烴項目，每年可生產(chǎn)50萬噸聚丙烯。項目氣化裝置采用5臺（4開1備）日投煤量約2000 t（500 MW）西門子GSP氣化爐，氣化爐工作壓力4.2 MPa，有效氣產(chǎn)量為130000 m3/h，氣化爐反應(yīng)室內(nèi)徑2.46 m。

寧煤烯烴氣化裝置的試車成功，標志著GSP氣化爐由日投煤750 t到日投煤2000 t的工業(yè)化放大獲得了成功。

2.2 山西蘭花3052項目

2007年9月，山西蘭花煤化工有限責任公司的“晉城3052項目”西門子GSP氣化技術(shù)許可與專有設(shè)備采購和設(shè)計合同正式生效。其產(chǎn)品為30萬噸合成氨、52萬噸尿素和10萬噸甲醇，此項目使用2臺日投煤量約2000噸（500 MW）西門子GSP氣化爐。這是先進的大型粉煤氣流床氣化技術(shù)第一次應(yīng)用于山西省大型煤化工項目，為充分利用高灰熔點、高硫的無煙粉煤提供了一種清潔環(huán)保高效的解決方案。

2.3 中電投新疆伊犁60億m3/a煤制天然氣項目

2011年7月，中國電力投資集團新疆伊南60億m3/a煤制天然氣項目一期20億m3/a工程總體院及氣化專利商合同正式生效。該項目一期工程采用8臺套日投煤量約2000 t（500 MW）西門子GSP氣化爐。這是繼已經(jīng)投產(chǎn)的神華寧煤煤制烯烴項目采用5臺套西門子GSP 500MW氣化爐之后，再次成為世界上規(guī)模最大的干煤粉氣流床氣化裝置。目前該項目已進入工藝包設(shè)計階段。

2.4 神華寧煤400萬t/a煤間接液化項目

由于西門子GSP氣化工藝已在神華寧煤烯烴項目試車成功，系統(tǒng)長周期運行的可靠性得到了初步驗證，神華寧煤400萬t/a煤間接液化項目是國家示范性項目，為了確保項目可靠性和技術(shù)先進性，在氣化工藝的選擇上，項目同西門子展開了廣泛的接觸和交流，為后續(xù)GSP氣化技術(shù)在煤間接液化項目的應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。

3 GSP氣化技術(shù)的優(yōu)點

（1）煤種適應(yīng)性強，該技術(shù)采用干煤粉作為氣化原料，不受煤成漿性能影響，由于氣化溫度高，可氣化高灰熔點煤，故對煤種的適應(yīng)性更為廣泛，從較差的褐煤、次煙煤、煙煤、無煙煤到石焦油均可使用，也可兩種煤摻混使用，即使是高水分、高灰分、高硫含量和高灰熔點的煤種都能進行氣化。

（2）技術(shù)指標優(yōu)越，從表1數(shù)據(jù)可以看出，GSP氣化爐在氧耗、單爐有效氣量、有效氣含量及爐渣殘?zhí)亢糠矫嬗忻黠@優(yōu)勢，特別是較低的耗氧量在降低空分裝置建設(shè)投資和運行成本方面與水煤漿氣化工藝比較有著很大優(yōu)勢，同時原煤消耗方面優(yōu)勢明顯。

（3）開、停車操作方便，且時間短，GSP氣化爐從冷備到投煤僅需2 h，主燒嘴停車后30 min內(nèi)可實現(xiàn)連投。

（4）操作彈性大，單爐操作負荷在70%～110%。

（5）自動化水平高，主燒嘴開停車過程全部在中控室操作完成，整個系統(tǒng)操作簡單，安全可靠。

表1 三種氣化工藝技術(shù)指標對比

4 GSP氣化技術(shù)存在的問題及優(yōu)化措施

4.1 煤粉流量波動大

GSP原設(shè)計煤粉流量是通過煤粉給料容器與氣化爐壓差來控制，壓差控制范圍為0.14～0.3 MPa，對應(yīng)煤粉流量30～80 t/h。但在主燒嘴實際投料過程中，由于壓差控制范圍太小，氣化爐或給料容器壓力的微小波動，都會引起兩者壓差的變化，直接造成煤粉流量的大波動，GSP裝置試車過程中煤粉總量波動一般達到10～20 t，主燒嘴頻繁因煤粉流量偏差跳車，在通過對氣化爐壓力控制系統(tǒng)、氣化爐與給料容器壓差控制系統(tǒng)多次調(diào)整后都未取得明顯改善，氣化爐壓力始終無法維持恒定不變，導致壓差控制煤粉流量的控制方式無法在工業(yè)裝置上很好應(yīng)用。

通過對SHELL、航天爐等相似煤粉密相輸送系統(tǒng)的考察，同時結(jié)合GSP工藝路線的特點，對GSP裝置煤粉輸送系統(tǒng)做出以下改進：1）在煤粉輸送線上增加煤粉流量控制閥，煤粉流量通過調(diào)節(jié)煤粉流量控制閥的開度實現(xiàn)。同時提高給料容器和氣化爐壓差，減小因系統(tǒng)壓力小幅波動對煤粉流量的巨大影響；2）增加煤粉循環(huán)管線，主燒嘴投煤之前，通過增設(shè)的煤粉回流管線建立煤粉循環(huán)，確保投料前煤粉輸送系統(tǒng)的可靠和煤粉流量的穩(wěn)定。

改進后，GSP氣化爐主燒嘴運行過程中煤粉流量穩(wěn)定性得到明顯改善，正常運行時煤粉總量波動值≤4 t/h，完全滿足正常生產(chǎn)要求。

4.2 投煤程序不合理

GSP氣化技術(shù)煤粉進料方式為三根煤粉管線依次投煤，每根管線的投煤量為12 t/h，第一根煤粉線投煤后且流量基本穩(wěn)定后第二根管線開始投煤，然后是第三根，正常情況投煤過程大概需要半個多小時，投煤過程中煤粉流量極易較大波動，造成主燒嘴停車。在裝置試車初期的頻繁開、停車后對爐內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)水冷壁內(nèi)壁局部出現(xiàn)搗打料被沖刷、抓釘燒損的現(xiàn)象。然而同樣的燒損位置也出現(xiàn)在其它氣化爐。通過對以上現(xiàn)象的深入分析，認為造成水冷壁局部燒損是由于煤粉的偏噴造成的。GSP組合燒嘴的三根煤粉管線在燒嘴出口處120度平均分布，單根管線依次投煤過程中，煤粉不能形成很均勻的分布，從而形成了偏噴現(xiàn)象。為解決此問題，對GSP氣化裝置煤粉進料方式進行調(diào)整，將三根煤粉管線依次投煤的投料方式改為三根煤粉管線同時投煤，從后期運行一定時間后對水冷壁檢查來看，此優(yōu)化措施基本解決搗打料、抓釘局部沖刷燒損的問題。

4.3 水冷壁掛渣不理想

GSP氣化爐水冷壁結(jié)構(gòu)依靠“以渣抗渣”的原理來保護高溫環(huán)境下的水冷壁，水冷壁如果不能達到良好的掛渣，會直接對水冷壁造成損壞。

GSP 500 MW裝置在試車初期由于缺少相應(yīng)操作經(jīng)驗，掛渣效果非常不理想，水冷壁表面SiC2搗打料被嚴重沖刷，系統(tǒng)長時間運行后最終造成多臺氣化爐水冷壁燒損，掛渣。

經(jīng)過試車過程中不斷的摸索和總結(jié)，認為掛渣效果差主要是由于火焰狀態(tài)及燃燒流場不好造成的，同時作出以下針對性改進：（1）調(diào)整優(yōu)化氧氣旋風罩角度，使火焰燃燒的形狀得到改變，從而獲得較好的燃燒流場；（2）提高投煤量、迅速提高負荷，在較短時間內(nèi)將煤粉負荷提高至設(shè)計值，盡量縮短低負荷狀態(tài)下火焰短、燃燒流場差的時間，避免此過程沖刷水冷壁搗打料；（3）適當添加蒸氣，在投煤過程中低負荷狀況下給氧氣中適當加入SI蒸汽，以此來增大氧氣流速，改善低負荷過程中的火焰形狀；（4）增大水冷壁循環(huán)水量，以此來增強水冷壁表面冷卻效果，使水冷壁表面液態(tài)渣得到較好的凝固；（5）調(diào)整原煤品質(zhì)、適當增加原煤灰分，將含灰13%左右原料煤調(diào)整至含灰16%～20%，增加燃燒過程中的液態(tài)渣量。通過以上改進措施，水冷壁掛渣取得了明顯效果，確保了后期系統(tǒng)可靠運行。

4.4 點火燒嘴壽命短

GSP氣化爐只設(shè)一臺頂置式組合燒嘴（點火燒嘴和投煤燒嘴組合為一），西門子提出組合燒嘴設(shè)計壽命10年，組合燒嘴每2年檢維修一次，點火燒嘴每3個月檢維修一次。然而從GSP裝置試運行情況來看，組合燒嘴運行時間遠遠達不到設(shè)計運行時間，特別是點火燒嘴，一般情況下主燒嘴投煤運行15天后，點火燒嘴頭部冷卻水夾套便出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，同時點火燒嘴頭部點火氧通道出現(xiàn)燒損（見圖2）。通過對各種相關(guān)工藝運行參數(shù)分析后認為點火燒嘴燃料氣（LPG）在點火燒嘴頭部冷凝，使點火燒嘴頭部高溫區(qū)受熱不均勻。同時點火燒嘴頭部過氧燃燒可能是造成燒損的主要原因，同時制定以下措施：（1）降低點火燒嘴耗氧量，通過調(diào)整氧氣/LPG的比值設(shè)定值，確保點火燒嘴不會過氧燃燒；（2）提高燃料氣（LPG）溫度，增加燃LPG管線伴熱，提高伴熱溫度大于80℃，避免LPG在管線中冷凝；（3）提高點火燒嘴冷卻水溫度，將水溫由35℃提高至70℃，避免燒嘴冷卻水對點火燒嘴冷卻過程中造成LPG在點火燒嘴頭部冷凝；（4）增加進點火燒嘴燃料的流速，使點火燒嘴火焰拉長，避免火焰高溫區(qū)距離點火燒嘴頭部太近。

優(yōu)化后經(jīng)過一段時間的運行發(fā)現(xiàn)點火燒嘴燒損的問題得到了明顯的改觀，但是還不能解決根本問題。對此，認為專利商西門子也應(yīng)該對點火燒嘴設(shè)計結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進行改進和優(yōu)化，使得此問題能夠得到盡快解決。

4.5 粗煤氣含塵量大

GSP粗煤氣洗滌流程為激冷噴頭+兩級文丘里+部分冷凝器，由于洗滌效果差，粗煤氣含灰量較大，這樣的設(shè)計在系統(tǒng)運行過程中頻繁造成洗滌系統(tǒng)管道磨損、變換設(shè)備堵塞等問題，最終導致系統(tǒng)停車。通過對出氣化界區(qū)粗煤氣的取樣分析發(fā)現(xiàn)含塵量高達9.6～16.5 mg/m3，遠遠高于設(shè)計值1.5 mg/m3。

針對此問題做出如下優(yōu)化：（1）文丘里分離罐增加折流擋板，讓氣液固三相在分離罐中進行旋風分離；（2）在出氣化界區(qū)前的分離罐中臨時增加塔板，實現(xiàn)塔盤洗滌效果；（3）氣化爐合成氣出口增加折流擋板，通過折流板的阻擋盡量減少出氣化爐粗煤氣攜帶的固體顆粒。優(yōu)化后的粗煤氣洗滌效果得到一定的改善，出氣化界區(qū)的粗煤氣含灰量維持在3～6 mg/m3左右。雖然灰含量有所下降，但是這樣的結(jié)果仍不能解決洗滌系統(tǒng)管道磨損和變換設(shè)備堵塞的問題，系統(tǒng)仍不具備長周期運行的條件。

由此，不免對GSP氣化技術(shù)的粗煤氣洗滌工藝的洗滌效果提出質(zhì)疑，從國內(nèi)其他煤氣化裝置洗滌系統(tǒng)的運行效果來看，傳統(tǒng)的水浴+文丘里+洗滌塔的工藝流程更值得采納。

5 結(jié)論

首套GSP 500 MW工業(yè)裝置在試車、試生產(chǎn)階段中暴露出的投煤不穩(wěn)定、水冷壁燒損、點火燒嘴壽命短、粗煤氣含灰量高等諸多問題嚴重制約了工廠的長周期穩(wěn)定運行，在針對性的改進和優(yōu)化措施實施后，看到GSP氣化爐運行狀況得到了很大的改進，已經(jīng)初步實現(xiàn)了GSP氣化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但是粗煤氣帶灰嚴重的問題還是沒有得到徹底的解決，大量的細灰對后續(xù)系統(tǒng)會造成嚴重影響，如果GSP氣化專利商能吸取粗煤氣洗滌的成功經(jīng)驗，盡快解決洗滌效果差問題，GSP氣化爐才能實現(xiàn)真正意義上的長周期穩(wěn)定運行。

[1] 北京索斯泰克煤氣化技術(shù)有限公司.GSP煤氣化技術(shù)的應(yīng)用[G] .2006.

[2] 賀永德.現(xiàn)代煤化工技術(shù)手冊[M] .北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[3] 許世森，張東亮，任永強.大規(guī)模煤氣化技術(shù)[M] .北京：化學工業(yè)出版社，2006.

F426.72

A

1673-5285（2012）07-0077-04

2012－03-16

范為鵬，男（1984-），2006年畢業(yè)于西安科技大學化學工程與工藝專業(yè)，助理工程師，目前工作于神華寧煤集團煤制油項目建設(shè)指揮部，主要從事煤氣化生產(chǎn)及管理工作。