陶繼業(yè)，任永強(qiáng)，李小宇，劉 剛

（中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

引 言

干煤粉加壓氣化技術(shù)是煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)新型煤化工裝置部分采用了干煤粉加壓氣化技術(shù)。我國(guó)現(xiàn)代大型煤化工起步較晚，現(xiàn)役裝置中存在大量的小規(guī)模煤化工裝置。這些裝置一般采用固定床氣化，氣化溫度低，存在碳轉(zhuǎn)化率低、產(chǎn)生大量難處理有機(jī)廢水等問題。特別是在中小氮肥、焦?fàn)t氣綜合利用、工業(yè)燃?xì)?、小化工等領(lǐng)域，這類情況更加突出[1-2]。與大規(guī)模干煤粉加壓氣化相比，小型煤氣化技術(shù)應(yīng)用存在以下共性難題：（1）規(guī)模小，下游對(duì)合成氣需求的壓力等級(jí)、容量、合成氣品質(zhì)差異大，氣化反應(yīng)室的設(shè)計(jì)困難，難以形成系列產(chǎn)品；（2）小容量、低負(fù)荷下，粉煤濃相輸送穩(wěn)定性差；（3）小型爐在中低壓下如何保持清潔、高效運(yùn)行。

中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司開展了大量干煤粉加壓氣化技術(shù)研究[3-6]，針對(duì)小型干煤粉加壓氣化的特點(diǎn)，在千噸級(jí)以上的干煤粉加壓氣化技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了投煤量小于500 t/d、氣化壓力0.6 MPa～4.5 MPa的小型干煤粉加壓氣化技術(shù)，并在不同領(lǐng)域建設(shè)了示范裝置，已投運(yùn)的示范裝置運(yùn)行穩(wěn)定，指標(biāo)優(yōu)良，現(xiàn)將該技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用情況介紹如下。

1 小型干煤粉加壓氣化工藝及關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)

1.1 小型干煤粉加壓氣化工藝開發(fā)

1.1.1 小型干煤粉加壓氣化工藝流程

小型干煤粉加壓氣化工藝流程示意圖見圖1。該工藝包括制粉與加壓輸送、氣化與激冷、排渣、煤氣洗滌、初步水處理等工藝單元。

圖1 小型干煤粉加壓氣化工藝流程示意圖

1.1.2 水冷壁循環(huán)系統(tǒng)開發(fā)及特點(diǎn)

與傳統(tǒng)水冷壁-汽包循環(huán)系統(tǒng)相比，該工藝采用“爐外移熱”的循環(huán)方式。通過循環(huán)水給水罐向水冷壁系統(tǒng)注入循環(huán)水，經(jīng)循環(huán)水泵加壓后送入水冷壁。氣化爐運(yùn)行時(shí)，爐膛輻射熱負(fù)荷向水冷壁內(nèi)表面的渣層、耐火層及水冷壁管道逐層導(dǎo)熱，其熱負(fù)荷最終傳遞給循環(huán)水。循環(huán)水吸熱升溫后送回蒸發(fā)器與加入的鍋爐水蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽。水冷壁的水冷管入口安裝溫度測(cè)點(diǎn)（T1），出口安裝溫度測(cè)點(diǎn)（T2）、壓力測(cè)點(diǎn)（P2）和流量測(cè)點(diǎn)（F），循環(huán)水罐裝有壓力測(cè)點(diǎn)（P1）?！盃t外移熱”的水冷壁循環(huán)系統(tǒng)示意圖見圖2。

圖2“爐外移熱”的水冷壁循環(huán)系統(tǒng)示意圖

水冷壁采用欠飽和運(yùn)行。循環(huán)水溫度比飽和溫度低15℃～25℃，水冷壁中循環(huán)水不汽化，避免水冷壁傳熱惡化，同時(shí)保持較高的對(duì)流系數(shù)，確保水冷壁安全，在爐外設(shè)置蒸發(fā)器對(duì)循環(huán)水冷卻降溫，同時(shí)產(chǎn)生蒸汽。

該系統(tǒng)具有以下特征：

（1）實(shí)現(xiàn)了水冷壁供水本質(zhì)安全

循環(huán)水罐采用高壓氮?dú)獗?，其壓力采用“分程控制”的邏輯，即?dāng)循環(huán)水罐壓力下降時(shí)，關(guān)閉排氣閥，打開充氣閥對(duì)其充壓；當(dāng)壓力過高時(shí)，關(guān)閉充氣閥，打開排氣閥，調(diào)節(jié)壓力。該控制邏輯一方面確保了氮?dú)鈮毫Ψ€(wěn)定，另一方面當(dāng)?shù)獨(dú)庀到y(tǒng)故障時(shí)，系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)可以維持一定的壓力。

（2）實(shí)現(xiàn)了水冷壁安全監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)水冷壁，防止傳熱惡化。根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)壓力P2可知該壓力下水的溫度。將水冷壁出口溫度T2納入裝置DCS聯(lián)鎖跳車系統(tǒng)。同時(shí)，根據(jù)各段水冷壁溫升測(cè)量，可以監(jiān)測(cè)相應(yīng)部位熱負(fù)荷的變化，從而監(jiān)測(cè)爐內(nèi)反應(yīng)溫度變化和溫度場(chǎng)的分布。

某小型氣化爐投料過程中不同工況下水冷壁溫升情況（水冷壁流量恒定）見表1，該爐的水冷壁分4段排列，從上至下分別標(biāo)號(hào)1～4段。

表1 某小型氣化爐投料過程中不同工況下水冷壁溫升情況

從表1可以看出，在投料初期，氣化爐內(nèi)部尚未形成掛渣時(shí)，爐膛內(nèi)壁沒有熔渣保護(hù)，此時(shí)總導(dǎo)熱熱阻小，水冷壁循環(huán)水溫升高，冷壁熱負(fù)荷最高。當(dāng)爐內(nèi)形成穩(wěn)定掛渣后，由于有渣層熱阻的存在，水冷壁循環(huán)水溫升降低，水冷壁熱負(fù)荷降低。由工況2和工況3比較可知，當(dāng)氧煤比降低時(shí)，爐溫降低，水冷壁循環(huán)水溫度降低，渣層厚度增加。

從溫升分布來看，2段和3段水冷壁溫升高于1段和4段，說明反應(yīng)區(qū)位于爐膛中心，且隨著氧煤比的下降，各段水冷壁溫升接近，表明渣層可能偏厚。

在生產(chǎn)運(yùn)行中，若各段水冷壁溫升出現(xiàn)異常，需要及時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。

1.2 氣化爐關(guān)鍵設(shè)備的開發(fā)與研制

1.2.1 氣化爐

小型爐研發(fā)思路是既要繼承干煤粉加壓氣化煤種適應(yīng)性廣、效率高、環(huán)保性能優(yōu)良的長(zhǎng)處，還要盡可能滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活便利、總造價(jià)低的要求。

單燒嘴頂部進(jìn)料爐型較好地滿足了小型爐的應(yīng)用要求。與傳統(tǒng)大型單燒嘴頂部進(jìn)料干煤粉加壓氣化技術(shù)相比，小型氣化爐需要研究的關(guān)鍵問題包括中低壓下，反應(yīng)介質(zhì)在爐內(nèi)的停留時(shí)間及動(dòng)力學(xué)特征、爐膛捕渣率、爐內(nèi)溫度分布及水冷壁水動(dòng)力學(xué)特征。

實(shí)現(xiàn)良好的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，燒嘴出口角度、反應(yīng)室?guī)缀纬叽?、反?yīng)壓力之間的耦合是解決碳轉(zhuǎn)化率、捕渣率、溫度場(chǎng)分布三者矛盾的主要途徑。該技術(shù)研究低壓氣化爐膛擴(kuò)散特征，對(duì)燒嘴出口角度和爐膛尺寸進(jìn)行耦合，完成了小型干煤粉氣化爐設(shè)計(jì)和研制，并開發(fā)了設(shè)計(jì)平臺(tái)，根據(jù)下游用戶的需求，可針對(duì)氣化壓力 6 MPa～4.5 MPa、投煤量 100 t/d～1 000 t/d氣化爐進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)。

1.2.2 燒嘴

點(diǎn)火、開工、氣化燒嘴采用一體化設(shè)計(jì)。在惰性氛圍和爐膛未升溫的情況下，為維持點(diǎn)火工況穩(wěn)定燃燒，點(diǎn)火工況采用內(nèi)混式燃燒，即LPG和空氣混合燃燒后進(jìn)入爐膛。開工工況采用LPG和純氧燃燒，其作用是為投煤提供足夠的熱負(fù)荷。粉煤和氧氣穩(wěn)定投入后，退出點(diǎn)火及開工燃料，同時(shí)在點(diǎn)火及開工原料通道投入少量惰性氣體作為保護(hù)氣。

粉煤通道采用預(yù)混合結(jié)構(gòu)。多條煤線將粉煤送入燒嘴粉煤通道后，進(jìn)行預(yù)混合，經(jīng)預(yù)混分配后進(jìn)入爐膛，避免了因單條煤線波動(dòng)、負(fù)荷偏離或單條煤線跳車造成粉煤在爐內(nèi)偏燒。

粉煤燒嘴通道出口導(dǎo)角與爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合設(shè)計(jì)，在后期煤種變換時(shí)，根據(jù)運(yùn)行狀況對(duì)備用燒嘴頭部進(jìn)行跟蹤調(diào)整。

1.3 低負(fù)荷濃相輸送技術(shù)研究

粉煤加壓輸送系統(tǒng)采用多支路濃相輸送。目前，大型干煤粉加壓氣化裝置的粉煤加壓濃相輸送技術(shù)已成熟，但小型氣化爐單條煤線的輸送量?jī)H千噸級(jí)氣化爐單條煤線的二分之一至五分之一，尤其是開車工況煤線切入氣化爐前進(jìn)行煤循環(huán)，煤線負(fù)荷僅正常工況的40%左右，維持穩(wěn)定十分困難。為此，對(duì)小輸送量流化板和小管徑下濃相輸送流型展開了研究，開發(fā)了小管徑、低負(fù)荷濃相穩(wěn)定輸送技術(shù)，并結(jié)合建成裝置開展試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了氣化爐開車工況（40%～60%）負(fù)荷下粉煤穩(wěn)定輸送，輸送固氣比7～12，輸送負(fù)荷波動(dòng)±5%。

1.4 系統(tǒng)控制邏輯研究

干煤粉加壓氣化裝置涉及到的介質(zhì)種類復(fù)雜，包含高溫、高壓、易燃、易爆、有毒、窒息、磨損、腐蝕等多種危險(xiǎn)介質(zhì)，系統(tǒng)復(fù)雜程度高。高效、可靠的自動(dòng)化控制及聯(lián)鎖保護(hù)是確保裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行及人身安全的重要保障。在華能爐千噸級(jí)以上的干煤粉加壓氣化控制與聯(lián)鎖邏輯研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)小型干煤粉加壓氣化工藝特征，開發(fā)了完整的小型爐干煤粉加壓氣化激冷工藝控制邏輯方案，并在工業(yè)裝置上進(jìn)行了工業(yè)運(yùn)行試驗(yàn)。

2 工業(yè)應(yīng)用情況

2.1 在小化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

河北昊華辛集化工有限公司原采用固定床間歇造氣生產(chǎn)合成氨，因公司發(fā)展需要，關(guān)閉了原合成氨裝置，采用該技術(shù)建設(shè)了10萬t/a高性能不飽和樹脂（含6萬t/a乙二醇中間體）裝置。該項(xiàng)目采用2臺(tái)投煤量167 t/d的小型氣化爐，單臺(tái)氣化爐設(shè)計(jì)有效氣（CO+H2）產(chǎn)量 12 000 m3/h，氣化壓力 2.0 MPa，碳轉(zhuǎn)化率97%，渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜5%。氣化裝置于2018年11月首次投料并一次取得成功，截至目前運(yùn)行穩(wěn)定。該裝置運(yùn)行煤種煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表2，主要運(yùn)行指標(biāo)和設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比見表3。

表2 運(yùn)行煤種煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

表3 裝置主要運(yùn)行指標(biāo)和設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比

由表3可知，合成氣中的有效氣含量大于設(shè)計(jì)值，比煤耗、比氧耗、灰中殘?zhí)嫉燃夹g(shù)指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)值。干氣組分中CO2含量大于設(shè)計(jì)值，是環(huán)隙吹掃氣和開工燒嘴保護(hù)氣量大于設(shè)計(jì)值所致。

該裝置下游包括耐硫變換、脫硫、PSA分離、合成等工序，出氣化界區(qū)合成氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)約35%，完全滿足下游變換工序的指標(biāo)。

2.2 在焦?fàn)t煤氣綜合利用中的應(yīng)用

江蘇徐州偉天化工130萬t/a焦化裝置，除自身消耗外，外供焦?fàn)t煤氣41 416 m3/h。該裝置耦合450 t/d小型干煤粉加壓氣化裝置，氣化原料為煤或焦沫，有效合成氣（CO+H2）產(chǎn)量30 000 m3/h，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t煤氣制甲醇聯(lián)產(chǎn)LNG生產(chǎn)，其中甲醇產(chǎn)能15.41萬t/a，LNG產(chǎn)能7.26萬t/a，同時(shí)，根據(jù)市場(chǎng)需求和經(jīng)濟(jì)效益，可以一定程度上調(diào)節(jié)甲醇和LNG的產(chǎn)能。該項(xiàng)目氣化島已于2019年3月試車成功。

該工藝實(shí)現(xiàn)了焦?fàn)t煤氣中氫氣和甲烷按品質(zhì)利用和焦沫的資源化利用，大幅度提升了焦化副產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)附加值和抗產(chǎn)品市場(chǎng)波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的能力。焦?fàn)t煤氣與氣化耦合制甲醇聯(lián)產(chǎn)LNG路線示意圖見圖3。

2.3 在小合成氨氣頭改造中的應(yīng)用

江蘇淮河化工有限公司4萬t/a～4.5萬t/a合成氨裝置，造氣單元原采用固定床造氣技術(shù)，以塊煤、煤棒質(zhì)量比2∶1混合為原料，4臺(tái)固定床氣化爐。由于原料塊煤價(jià)格高，氣化污染物處理困難，該公司采用了小型干煤粉加壓氣化爐進(jìn)行氣頭改造。改造后，原煤消耗量240 t/h，合成氣中有效氣產(chǎn)量17 600 m3/h，合成氨產(chǎn)能提升至6萬t/a。目前此項(xiàng)目氣化爐吊裝已完成，預(yù)計(jì)2020年初投產(chǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

3.1 小型干煤粉加壓氣化具有大型干煤粉加壓氣化煤種適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)保性能優(yōu)良的優(yōu)勢(shì)。

3.2 針對(duì)小型干煤粉加壓氣化技術(shù)難點(diǎn)和行業(yè)需求，開發(fā)了新的干煤粉加壓氣化工藝和小型氣化爐關(guān)鍵設(shè)備，解決了小型氣化裝置低負(fù)荷粉煤輸送穩(wěn)定性差的難題，開發(fā)了小型干煤粉加壓氣化控制系統(tǒng)。

3.3 建成了小型干煤粉加壓氣化示范裝置，運(yùn)行指標(biāo)優(yōu)良。

3.4 小型干煤粉加壓氣化技術(shù)的開發(fā)，為我國(guó)大量存量的小型煤化工裝置、精細(xì)化工裝置等技改升級(jí)提供了一種方案。