黃 斌，王國梁，楊建榮，趙元琪，李俊挺，馬 釗

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤制油分公司 寧夏銀川 750411)

當(dāng)前國內(nèi)新型煤氣化技術(shù)在化工行業(yè)中的應(yīng)用日趨增多，其中氣化爐是裝置運(yùn)行的核心設(shè)備，而氣化爐、煤粉燒嘴乃至煤粉加壓輸送又是氣化爐長周期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，但已運(yùn)行的干煤粉氣化裝置在運(yùn)行過程中也暴露出水冷壁和燒嘴易燒損、煤粉流量不穩(wěn)定、合成氣帶灰、投資高等問題。神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡稱神華寧煤集團(tuán))在已成功應(yīng)用德士古水煤漿加壓氣化工藝和西門子干煤粉加壓氣化工藝的基礎(chǔ)上，總結(jié)各氣化裝置的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)合中國五環(huán)工程公司開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的干煤粉加壓氣化技術(shù)——神寧爐氣化技術(shù)。

為了擺脫氣化技術(shù)的專利制約，并能真正掌握干煤粉氣化的核心技術(shù)，使所擁有的專利技術(shù)付諸于工業(yè)化生產(chǎn)，神華寧煤集團(tuán)煤制油項(xiàng)目的氣化裝置采用了4臺神寧爐，氣化裝置內(nèi)全部設(shè)備的國產(chǎn)化率大于98.5%。神寧爐氣化裝置于2017年初進(jìn)入試車階段，2017年3月試車獲得成功[1- 4]。

1 神寧爐氣化技術(shù)

神寧爐氣化技術(shù)[5- 6]以粉煤為原料，氧氣和水蒸氣作為氣化劑，生產(chǎn)以H2和CO為主要成分的合成氣，氣化裝置包括煤粉干燥制備工序、煤粉加壓輸送工序、氣化工序、除渣工序、合成氣洗滌工序、黑水處理工序、黑水閃蒸工序、氮?dú)?CO2/氧氣工序以及公用工程工序。神寧爐燃燒室內(nèi)徑為Ф 2 800 mm，激冷室內(nèi)徑為Ф 4 000 mm，單臺氣化爐有效氣(CO+H2)產(chǎn)量為130 000～140 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，年操作時(shí)間8 000 h，氣化爐碳轉(zhuǎn)化率>98.5%，有效氣(CO+H2)體積分?jǐn)?shù)>91%，合成氣含塵質(zhì)量濃度≤0.5 mg/m3(標(biāo)態(tài))，操作負(fù)荷77%～108%。

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

(1)煤種適應(yīng)性強(qiáng)：該技術(shù)采用干煤粉作為氣化原料，不受成漿性的影響；設(shè)計(jì)煤種含灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%～18%；氣化溫度高，可以氣化高灰熔點(diǎn)的煤，對煤種的適應(yīng)性更為廣泛[7]。

(2)高效氣化爐：采用干煤粉加壓氣化、氣化爐頂置單個(gè)下噴式組合燒嘴、水冷壁、渣氣并流向下而行、降膜泡核蒸發(fā)激冷、水浴鼓泡和破泡方式除塵、液態(tài)排渣的結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、便于維修、設(shè)備總噸位低、合成氣灰含量低等特點(diǎn)。

(3)選用新型側(cè)出料發(fā)送技術(shù)及點(diǎn)式硫化器：配置4根煤粉輸送管線，煤粉的輸送密度為400 kg/m3，需要的輸送氣體量少；給料器與氣化爐之間的壓差為0.6 MPa；在4根煤粉輸送管線上均設(shè)置煤粉流量調(diào)節(jié)閥以平衡壓差，保證4根煤粉輸送管線內(nèi)的煤粉流量均衡。

(4)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的組合燒嘴：優(yōu)化設(shè)計(jì)了點(diǎn)火燒嘴，解決了點(diǎn)火燒嘴點(diǎn)火不穩(wěn)定、可靠性差的技術(shù)難題；開發(fā)設(shè)計(jì)了新型三合一火焰檢測系統(tǒng)[8]，為氣化爐實(shí)時(shí)操作提供了可靠的視頻化檢測手段。

(5)高效的合成氣洗滌系統(tǒng)：進(jìn)入激冷室的合成氣及熔渣經(jīng)過激冷環(huán)的激冷水激冷，液態(tài)熔渣冷卻固化后與合成氣一起沿激冷室的下降管進(jìn)入激冷室水浴，灰渣落入激冷室底部進(jìn)入除渣單元；合成氣夾帶少量灰渣從激冷室水浴上升，經(jīng)破泡網(wǎng)破泡后進(jìn)入下游一級文丘里+分液罐+二級文丘里+洗滌塔進(jìn)行分級洗滌。

(6)裝置互備率高，有效降低氣化爐停車風(fēng)險(xiǎn)：低壓煤粉輸送、黑水閃蒸處理、公用工程配置均進(jìn)行了互備，有效避免因個(gè)別設(shè)備、閥門等故障造成氣化爐停車的風(fēng)險(xiǎn)。

(7)采用先進(jìn)成熟的控制系統(tǒng)：成功消化吸收了引進(jìn)的DCS和SIS儀表控制系統(tǒng)[9]，氣化爐的啟停和投料實(shí)現(xiàn)一鍵啟動，同時(shí)優(yōu)化了系統(tǒng)順控、聯(lián)鎖、儀表保護(hù)功能，使得儀表系統(tǒng)更加精煉、可靠與完善。

(8)三廢易于處理，對環(huán)境友好。

(9)全套氣化技術(shù)僅燒嘴和氣化爐為專利專有設(shè)備，其他設(shè)備均可國產(chǎn)。

1.2 工藝流程

神寧爐氣化技術(shù)工藝流程如圖1所示。低壓煤粉通過2只交替運(yùn)行的鎖斗實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)入高壓煤粉給料罐。通過密相氣力輸送系統(tǒng)， 煤粉被加壓并通過載氣處于流態(tài)化狀態(tài)，然后通過4根煤粉輸送管線經(jīng)主燒嘴進(jìn)入氣化爐反應(yīng)室，在反應(yīng)室的高溫火焰下進(jìn)行氣化反應(yīng)。由于使煤粉完全氧化的氧氣量遠(yuǎn)大于氣化反應(yīng)所需用量，因此煤粉在反應(yīng)室中進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，產(chǎn)生富含H2和CO的合成氣。熱合成氣和液態(tài)渣通過下降管離開氣化爐反應(yīng)室，一起向下流動進(jìn)入氣化爐激冷室與激冷水混合，熔渣迅速固化，大部分粗渣進(jìn)入激冷室下部的水浴中，小部分細(xì)灰隨合成氣進(jìn)入下游工序。在氣化爐激冷室下游配置有合成氣洗滌單元，經(jīng)過洗滌處理的合成氣被送入變換裝置。氣化爐激冷室以及合成氣洗滌單元產(chǎn)生的黑水被送至閃蒸系統(tǒng)脫除酸氣并回收熱量，閃蒸后的黑水、來自撈渣機(jī)的渣水和來自真空帶式過濾機(jī)的濾液被一起送至黑水處理系統(tǒng)，經(jīng)固液分離后，大部分澄清水作為系統(tǒng)的回用水，一小部分灰水作為廢水送至污水處理單元進(jìn)一步處理。

圖1 神寧爐氣化技術(shù)工藝流程

2 試車情況

首臺神寧爐于2017年3月19日開始投料試車，但由于缺乏運(yùn)行以及系統(tǒng)控制的經(jīng)驗(yàn)，試車階段出現(xiàn)了一些問題，導(dǎo)致頻繁跳車，其主要原因如表1所示。

表1 神寧爐跳車主要原因

投料時(shí)間運(yùn)行時(shí)間/min跳車原因2017-03-19T11:450主氧管線故障2017-03-19T19:310主氧管線故障2017-03-20T08:550主氧管線故障2017-03-20T10:311緩沖罐與氣化爐壓差<0.2 MPa2017-03-20T15:233第3根煤粉輸送管線密度大2017-03-20T16:2511頂部環(huán)隙溫度高2017-03-22T13:5437氧煤比低

經(jīng)過3 d不斷優(yōu)化調(diào)整投料順控及部分聯(lián)鎖邏輯，神寧爐氣化裝置于2017年3月22日15：40投煤成功，氣化爐投煤量達(dá)到滿負(fù)荷時(shí)的總產(chǎn)氣量310 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，有效氣量155 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)有效氣量[138 000 m3/h(標(biāo)態(tài))]。氣化爐投煤量80 t/h的部分運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2所示。

本次神寧爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)6 d， 且運(yùn)行1 d

后投煤量即達(dá)到了85 t/h，實(shí)現(xiàn)了高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,比氧耗、比煤耗、有效氣產(chǎn)量等均優(yōu)于同類氣化裝置。

表2 氣化爐投煤量80 t/h的部分運(yùn)行數(shù)據(jù)

項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)據(jù)氣化爐壓力/MPa4.3主燒嘴氧氣流量/(m3·h-1,標(biāo)態(tài))43 000進(jìn)主燒嘴次高壓蒸汽量/(kg·h-1)1 200氣體組成/% φ(H2)29.50 φ(CO)60.70 φ(CO2)9.10 φ(CH4)0.04 φ(N2)0.79氧煤比/(m3·m-3,標(biāo)態(tài))0.41爐渣殘?zhí)假|(zhì)量分?jǐn)?shù)/%<1.0濾餅殘?zhí)假|(zhì)量分?jǐn)?shù)/%<25碳轉(zhuǎn)化率/%>98.51 000 m3(CO+H2)氧耗/m3(標(biāo)態(tài))275.61 000 m3(CO+H2)煤耗/kg512.8出激冷室粗煤氣溫度/℃222.5粗煤氣產(chǎn)量(濕基)/(m3·h-1,標(biāo)態(tài))308 000有效氣產(chǎn)量(干基)/(m3·h-1,標(biāo)態(tài))156 000

神寧爐氣化裝置試車過程中也出現(xiàn)了一些問題，影響了裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，但通過采取相應(yīng)的解決措施，存在的問題基本得到解決，具體如表3所示。

表3 神寧爐氣化裝置試車過程中出現(xiàn)的問題及解決措施

存在的問題解決措施水冷壁循環(huán)水流量不足增大水冷壁泵葉輪尺寸渣系統(tǒng)鎖渣閥開關(guān)慢 鎖渣閥液壓油系統(tǒng)更換大直徑油管路 煤鎖斗泄壓盤閥頻繁無法開關(guān)泄壓盤閥增設(shè)旁路閥氣化爐燃燒室環(huán)隙溫度高增大環(huán)隙吹掃氣限流孔板孔徑撈渣機(jī)頻繁跳車更換頭輪電機(jī)變頻器

3 裝置單耗

神寧爐氣化裝置于2017年4月11日至14日連續(xù)3 d實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行，除脫鹽水和低低壓蒸汽外，其他各項(xiàng)消耗指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)值，具體如表4所示。

由表4可見，各項(xiàng)消耗指標(biāo)均達(dá)到了干煤粉氣化技術(shù)的先進(jìn)水平。脫鹽水的實(shí)際單耗超出設(shè)計(jì)值的原因主要是過濾機(jī)濾布沖洗水用量大，后期需進(jìn)行改造，以降低脫鹽水消耗；低低壓蒸汽的實(shí)際單耗超出設(shè)計(jì)值的原因主要是4個(gè)系列氣化裝置及其公用系統(tǒng)投用低低壓蒸汽伴熱系統(tǒng)所致。

表4 公用工程介質(zhì)單耗1)

介質(zhì)設(shè)計(jì)單耗實(shí)際單耗低壓氮?dú)?m3(標(biāo)態(tài))19.618.1高壓氮?dú)?m3(標(biāo)態(tài))3.500.04高壓二氧化碳/m3(標(biāo)態(tài))179.20137.30循環(huán)冷卻水/t16.3314.52低壓鍋爐給水/t0.060.06脫鹽水/t0.570.68低低壓蒸汽/t0.0420.250中壓飽和蒸汽/t0.060.03次高壓蒸汽/kg11.109.42電/(kW·h)17.8015.70絮凝劑/kg0.010.01分散劑/kg0.090.09

注：1)生產(chǎn)1 000 m3(標(biāo)態(tài))有效氣(CO+H2)的消耗

4 結(jié)語

(1)神寧爐干煤粉加壓氣化技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)工業(yè)化運(yùn)行，各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)即達(dá)到設(shè)計(jì)要求，證明其是十分成熟、先進(jìn)及高效的氣化技術(shù)。

(2)神寧爐干煤粉加壓氣化技術(shù)對煤種適應(yīng)性強(qiáng)，氣化壓力高，生產(chǎn)能力大，安全可靠，開停車過程時(shí)間短，自控率高，操作方便。

(3)神寧爐干煤粉加壓氣化技術(shù)采用先進(jìn)成熟的儀表控制系統(tǒng)，性能參數(shù)真實(shí)可靠，裝置互備率高，有效降低了氣化爐停車風(fēng)險(xiǎn)；余熱回收率高，合成氣洗滌效果好。

(4)神寧爐干煤粉加壓氣化技術(shù)公用工程介質(zhì)單耗低，運(yùn)行成本低，且三廢易于處理，對環(huán)境友好。