梁彩霞（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州730060）

節(jié)能型煤催化氣化法制甲烷氣化爐技術(shù)

梁彩霞（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州730060）

本文通過(guò)對(duì)煤催化氣化法制甲烷氣化爐的工作原理、工藝及裝備技術(shù)說(shuō)明，提出了一種節(jié)能型煤催化氣化法制甲烷的氣化爐工藝及設(shè)備的優(yōu)化技術(shù)。

節(jié)能；自惰式循環(huán)；甲烷化氣化爐優(yōu)化

1　前言

如今煤炭轉(zhuǎn)變?yōu)楸憷⑶鍧嵞茉椿虍a(chǎn)品的工藝有煤制油、煤制氣、煤制甲醇、煤制烯烴等，其中煤制氣與其它工藝相比，具有流程簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、單位熱值成本低、生產(chǎn)過(guò)程污染少等優(yōu)點(diǎn)。煤制甲烷是一種新型的煤制氣技術(shù)，其核心為煤的氣化及甲烷化，煤氣化方法有固定床加壓氣化（Luigi）、水煤漿加壓氣化（Texaco）和干粉煤加壓氣化（Shell/GSP）等。煤催化氣化法制甲烷應(yīng)用的是干粉煤加壓氣化（Shell/GSP）方法，最大特點(diǎn)是煤氣化和甲烷化在一個(gè)單元內(nèi)完成，本文是對(duì)此氣化爐工藝及設(shè)備的優(yōu)化進(jìn)行了探討。

2　工藝技術(shù)

2.1工藝原理

煤催化氣化法制甲烷技術(shù)工藝原理：氣化爐中加入干煤粉和酸性鹽催化劑，在高溫高壓作用下，干煤粉與超臨界水蒸氣、氧氣發(fā)生氧化、還原反應(yīng)，產(chǎn)生含二氧化碳、一氧化碳、甲烷、水蒸氣、氫氣等成分的高溫爐氣，對(duì)高溫爐氣分離提純，其中甲烷氣為產(chǎn)品。主要反應(yīng)機(jī)理如下：

煤氣化反應(yīng)：C+O2→CO2；2C+O2→2CO

甲烷化反應(yīng)：CO+3H2→CH4+H2O；CO2+4H2→CH4+2H2O

主要副反應(yīng)：CO+H2O→CO2+H2

2.2工藝流程

工藝流程見(jiàn)圖1，流程說(shuō)明如下：

粒度為60～300目（其中300目占60%）的干煤粉與碳酸鹽的飽和溶液（催化劑）混合預(yù)升溫后通過(guò)煤粉升壓罐1進(jìn)入氣化爐2，在高溫高壓下進(jìn)行煤氣化和甲烷化反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫爐氣（二氧化碳、一氧化碳、甲烷、水蒸氣、氫氣等）經(jīng)過(guò)換熱器5降溫后進(jìn)入旋風(fēng)分離器4，分離出未反應(yīng)的干煤粉返回氣化爐2內(nèi)繼續(xù)反應(yīng)，為自惰式循環(huán)；分離凈化后的高溫爐氣分兩路。

圖1　工藝流程圖

第一路分離提純得到產(chǎn)品甲烷氣，第二路進(jìn)入文丘里引射器6并與第一路分離出的一氧化碳、氫氣混合進(jìn)入文丘里引射器7。與此同時(shí)氣化爐2水冷壁中的去離子水加熱汽化，經(jīng)換熱器5升溫后的水蒸氣也進(jìn)入文丘里引射器7，在此循環(huán)爐氣、高溫水蒸氣、一氧化碳、氫氣充分混合經(jīng)加熱爐8內(nèi)升溫后進(jìn)入氣化爐2繼續(xù)反應(yīng)。

2.3工藝特點(diǎn)

（1）氣化爐2設(shè)計(jì)水冷壁結(jié)構(gòu)，保護(hù)設(shè)備同時(shí)使去離子水汽化為飽和蒸汽，飽和蒸汽在換熱器5內(nèi)與高溫爐氣換熱后為高溫過(guò)飽和蒸汽，再經(jīng)加熱爐8升溫后成為超臨界蒸汽進(jìn)入氣化爐2內(nèi)反應(yīng)。去離子水汽化為超臨界蒸汽的熱量都來(lái)自系統(tǒng)自身，無(wú)外界熱量提供，是本技術(shù)節(jié)能的措施之一。

（2）氣化爐2爐氣循環(huán)、第一路分離出的一氧化碳和氫氣循環(huán)、氣化爐2水冷壁的蒸汽輸送的動(dòng)能來(lái)自文丘里引射器6和文丘里引射器7；而文丘里引射器6和文丘里引射器7采用引射泵原理，即能把自身熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，無(wú)外界動(dòng)能（泵、風(fēng)機(jī)等）提供，是本技術(shù)節(jié)能的措施之二。

（3）氣化爐2爐氣循環(huán)采用的是一種半開(kāi)放半封閉的自惰式爐氣循環(huán)，在甲烷產(chǎn)出率不變的情況下，提高氣化爐2的甲烷化反應(yīng)率，是本技術(shù)節(jié)能的措施之三。

（4）干煤粉預(yù)升溫、加熱爐8的燃料氣，來(lái)自氣化爐2爐氣分離出的一氧化碳和氫氣，無(wú)外界燃料氣提供，減少了公用工程消耗，是本技術(shù)節(jié)能的措施之四。

3　設(shè)備技術(shù)

3.1設(shè)備特點(diǎn)

煤催化氣化法制甲烷中的氣化爐采用U-GAS氣化爐，操作壓力～2.42MPa，操作溫度～1000℃，結(jié)構(gòu)形式是圓筒形單層流化床，筒體由二段直徑不同的筒體組成，直徑小的為反應(yīng)段（濃相段），直徑大的為擴(kuò)大段（稀相段），且在反應(yīng)段內(nèi)安裝分布器。［1］

煤粉從分布器上部進(jìn)入氣化爐，反應(yīng)氣從分布器下部進(jìn)入，在分布器上部氣流將煤粉托起形成浮動(dòng)層并與氣體接觸反應(yīng)，產(chǎn)出的粗爐氣和未完全反應(yīng)的煤粉上升至擴(kuò)大段，氣體流速減緩，一部分煤粉上升過(guò)程中與粗爐氣繼續(xù)反應(yīng)，一部分煤粉落回反應(yīng)段，與此同時(shí)粗煤氣夾帶微量煤粉從氣化爐頂排出，經(jīng)旋風(fēng)分離器氣固分離，捕集到的煤粉自動(dòng)返回氣化爐循環(huán)反應(yīng)，凈化后的粗爐氣經(jīng)廢熱回收及提純分離成為產(chǎn)品。［2～3］

3.2設(shè)備結(jié)構(gòu)［1］

3.2.1設(shè)計(jì)優(yōu)化

U-GAS氣化爐是單層流化床氣化爐［4］。氣化爐設(shè)計(jì)有三個(gè)關(guān)鍵方面：承壓殼體、澆注料內(nèi)襯、高溫金屬內(nèi)件。

（1）承壓殼體

承壓殼體除滿(mǎn)足設(shè)計(jì)壓力下的強(qiáng)度外，還必須考慮：

①澆注料內(nèi)襯及金屬內(nèi)件重量，因?yàn)闈沧⒘蟽?nèi)襯和金屬內(nèi)件的重量約是殼體重量?jī)杀?，為方便運(yùn)輸及考慮澆注料內(nèi)襯施工強(qiáng)度，澆注料內(nèi)襯及金屬內(nèi)件多為現(xiàn)場(chǎng)安裝；②金屬內(nèi)襯具有足夠的剛性強(qiáng)度，并且不負(fù)重；③在殼體外表面刷高溫?zé)崦粲推峄蛟O(shè)置水夾套，保證爐體具有足夠的超溫安全裕度。

（2）澆注料內(nèi)襯

氣化爐的內(nèi)襯要求內(nèi)襯要有良好的保溫隔熱性、耐火性、耐粉煤沖刷磨損性、材料化學(xué)穩(wěn)定性。

最關(guān)鍵的是材料化學(xué)穩(wěn)定性，由于氣化爐內(nèi)氣體為強(qiáng)還原性，因此內(nèi)襯材料中的Fe2O3含量必須＜1%。氣化爐設(shè)計(jì)采用雙層整體澆注結(jié)構(gòu)，內(nèi)層采用重質(zhì)耐磨澆注料，其Al2O3≥90%，F(xiàn)e2O3≤0.5%，比重～3000kg/m3；外層采用輕質(zhì)隔熱澆注料，Al2O3≥41%，比重～950kg/m3。雙層澆注料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是利用了重質(zhì)料和輕質(zhì)料特點(diǎn)，既滿(mǎn)足了內(nèi)襯耐磨、耐火的要求，又起到了保溫、隔熱效果。

（3）高溫金屬內(nèi)件

氣化爐反應(yīng)工藝是在金屬內(nèi)件中完成，如氣流分布器和中心管、文丘里管、返料管，其中氣流分布器和中心管是煤氣化和甲烷化的關(guān)鍵；文丘里管如控制閥門(mén)，嚴(yán)格控制爐渣排放量；返料管是提高煤粉轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵?？紤]到高溫狀態(tài)下金屬材料會(huì)嚴(yán)重氧化或蠕變強(qiáng)度低等，并且工藝氣成分中水碳比較低，設(shè)計(jì)時(shí)可以采用Incoloy800HT+滲鋁或合金602CA或合金690，能滿(mǎn)足工況條件和要求。

3.2.2筑爐優(yōu)化

氣化爐內(nèi)襯由二層不同材質(zhì)的澆注料組成，可以更好地保證襯里的運(yùn)行效果，但施工也較單層材質(zhì)復(fù)雜得多，需在殼體內(nèi)表面焊接兩種長(zhǎng)度不同規(guī)格的錨固釘。

（1）輕質(zhì)層施工

在待施工的金屬殼體內(nèi)表面涂瑪銻脂，以此來(lái)防止鋼板表面腐蝕，同時(shí)減弱金屬殼體與襯里層性能差引起的應(yīng)力。

（2）重質(zhì)層施工

重質(zhì)層澆注前預(yù)先安裝錨固釘頭，輕質(zhì)層施工完畢，須將埋陷的錨固釘頭安裝桿與保護(hù)套暴露出來(lái)。在此，可用易于辨識(shí)的標(biāo)記協(xié)助施工。

（3）內(nèi)襯修整

襯里施工后或使用后若發(fā)現(xiàn)缺陷或損壞應(yīng)及時(shí)修整。修整時(shí)，應(yīng)注意損壞部位的修復(fù)面斜度和范圍，確保施工的完整性和澆注料內(nèi)襯的耐用性。

3.2.3烘爐優(yōu)化［1］

烘爐是耐火澆注料使用效果好壞的關(guān)鍵。烘爐的主要作用是排除澆注料中的游離水及化合水，從而避免因水分排出不暢形成襯里層缺陷造成不良后果。

氣化爐雙層澆注料結(jié)構(gòu)的脫水特征和單層結(jié)構(gòu)的主要差別在于水汽蒸發(fā)率和蒸發(fā)量。雙層結(jié)構(gòu)中，輕質(zhì)層的含水量達(dá)到材料重量的40%左右，而重質(zhì)層含水量?jī)H占6%左右。因而輕質(zhì)層的含水量比重質(zhì)層大，而重質(zhì)層的密度比輕質(zhì)層高，對(duì)輕質(zhì)層水分的脫除產(chǎn)生阻力，大量水蒸汽無(wú)法順暢排出，形成的壓力可能造成重質(zhì)層的損傷。

輕質(zhì)料的脫水量、重質(zhì)料的脫水率是雙層結(jié)構(gòu)獨(dú)特的烘爐特點(diǎn)。因此，要嚴(yán)格控制烘爐時(shí)間及烘爐升溫速率。

4　結(jié)束語(yǔ)

節(jié)能型煤催化氣化法制甲烷氣化爐的工藝流程及氣化爐更新技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)，使催化氣化法制甲烷氣化爐技術(shù)更為節(jié)能、安全，為煤制甲烷化技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］楊仕昌，俞慶義.U-GAS煤氣化爐及其工業(yè)化應(yīng)用.化工設(shè)備設(shè)計(jì)，1996（6）：25～29.

［2］陳仲波.煤氣化的工藝技術(shù)對(duì)比與選擇.化學(xué)工程與裝備，2011（4）：107～109.

［3］汪家銘.SES煤氣化技術(shù)及其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用.化肥設(shè)計(jì)，2010，48（5）：13～17.

［4］趙麥玲.煤氣化技術(shù)及各種氣化爐實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀綜述.化工設(shè)計(jì)通訊，2011，37（1）：8～15.

TQ546

A

2095-2066（2016）26-0248-02

2016-9-1

梁彩霞（1978-），女，工程師。