張 棟，何炳昊，王鵬偉，方玉虎，王忠臣

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心，陜西 西安 710075）

煤炭的無序化開采及不合理利用，導(dǎo)致環(huán)境問題日益嚴(yán)重，為了解決煤炭在利用過程中利用率低、經(jīng)濟(jì)效益低、高污染“兩低一高”的問題，現(xiàn)代煤化工技術(shù)的發(fā)展都趨向于大型化、一體化、潔凈化。煤基油、煤基烯烴等技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，提高了煤炭的深度加工和轉(zhuǎn)化效率，以及IGCC技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，標(biāo)志著在燃煤發(fā)電過程中對煤炭的高效清潔利用，被視為最具有競爭力的以煤為燃料的高效清潔發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多產(chǎn)業(yè)集成耦合創(chuàng)新發(fā)展，但在工業(yè)化中難免存在著能源轉(zhuǎn)化效率低、能量利用率低、投資成本高等缺陷［1，2］。

中國煤炭資源豐富，其中煙煤占75%，無煙煤占12%，褐煤占13%，其中低變質(zhì)煙煤占33%，中變質(zhì)煙煤占17%［3，4］。循環(huán)流化床反應(yīng)器對比表面積大、揮發(fā)分高、活性好的褐煤和次煙煤有很好的適應(yīng)性，但由于煤的氣化過程有焦油［5］、CH4及粉塵顆粒含量高的缺陷，大大降低了碳的轉(zhuǎn)化率，為解決氣化過程中出現(xiàn)此類問題，陜西延長石油（集團(tuán)）碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心開發(fā)出了100 t/d大型KSY輸運(yùn)床氣化裝置。

1 KSY研發(fā)歷程

KSY輸運(yùn)床氣化裝置是基于美國KBR公司和美國南方電力公司（SGT）共同開發(fā)的輸運(yùn)床氣化技術(shù)并在此技術(shù)中間增加了碳?xì)溲芯恐行淖灾鏖_發(fā)的TCD焦油裂解技術(shù)，是1種先進(jìn)的循環(huán)流化床氣化技術(shù)。TCD焦油裂解技術(shù)增加合成氣在爐子內(nèi)部的停留時(shí)間，在TCD內(nèi)部較高的溫度下提高對碳?xì)浠衔锏牧呀?，降低粗合成氣中焦油、CH4及含碳粉塵顆粒的組分，提高碳的轉(zhuǎn)化率。

經(jīng)過一系列的試驗(yàn)研究，2012年9月，延長石油集團(tuán)赴北達(dá)科他州大學(xué)EERC（能源與環(huán)境研究中心）TRIGTM煤氣化實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行最終評估試驗(yàn)［6］，目的是測試在較高溫度下，碳?xì)浠衔锏姆纸饴誓芊襁M(jìn)一步提高，合成氣中的甲烷以及細(xì)灰中的殘?zhí)寄芊襁M(jìn)一步轉(zhuǎn)化，提高碳轉(zhuǎn)化率。試驗(yàn)結(jié)果表明，在較高溫度下，煤的合成氣收率持續(xù)提高，說明在高溫條件下，粗合成氣中的焦油、甲烷及含碳顆粒發(fā)生了裂解及轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

2014年，在陜西省興平市延長化工工業(yè)園區(qū)建設(shè)了100 t/d大型KSY輸運(yùn)床氣化試驗(yàn)示范裝置，目的是為了測試和示范煤炭高效、清潔利用的技術(shù)，為商業(yè)放大化提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。KSY試驗(yàn)裝置包括儲煤準(zhǔn)備、粉煤制備、煤氣化系統(tǒng)、液氮系統(tǒng)、公輔工程系統(tǒng)5個生產(chǎn)單元，其中煤氣化系統(tǒng)又可細(xì)化分為氣化、焦油裂解、合成氣冷卻等幾個部分。主要設(shè)備包括粉煤加壓進(jìn)料系統(tǒng)、TRIG氣化爐、TCD焦油裂解器、SGC合成氣冷卻器、PCD顆粒物控制器、合成氣洗滌塔、CFAD細(xì)灰排灰系統(tǒng)、CCAD粗灰排灰系統(tǒng)等。

2 工藝原理及流程

KSY煤氣化技術(shù)屬于輸運(yùn)床循環(huán)流化氣化工藝，其機(jī)械設(shè)計(jì)和運(yùn)行操作是基于KBR的流化催化裂化（FCC）技術(shù)。與傳統(tǒng)的循環(huán)流化床相比，KSY煤氣化技術(shù)的主要特點(diǎn)是對含碳組分的2次裂解，提高碳轉(zhuǎn)化率，因增加了TCD焦油裂解系統(tǒng)，使得1段爐出來的粗合成氣、CH4、含碳細(xì)灰顆粒等組分在較高的溫度下進(jìn)行了2次轉(zhuǎn)化，增加了合成氣中的有效成分含量，提高了碳轉(zhuǎn)化率。

TCD焦油裂解器以KSY的1段氣化爐產(chǎn)生的粗煤氣為原料，將粗煤氣中的焦油裂解轉(zhuǎn)化、同時(shí)進(jìn)行含碳細(xì)灰顆粒等組分的2次轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的合成氣與轉(zhuǎn)化前的合成氣有效組分對見表1［7］。TCD焦油裂解器結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 出/入焦油裂解器合成氣有效組分對比表

圖1 TCD焦油裂解器結(jié)構(gòu)

（1）TCD焦油裂解器本質(zhì)上是1個循環(huán)流化床反應(yīng)器，主要由循環(huán)密封罐、提升管、短節(jié)、旋風(fēng)分離器和料腿組成。反應(yīng)系統(tǒng)主要包括3個區(qū)域：固體顆粒分散區(qū)（SDZ）、部分氧化區(qū)（POZ）及后處理區(qū)（PPZ）。

SDZ區(qū)的作用是向合成氣氣流中分散足夠的固體顆粒，此處的預(yù)混合效應(yīng)可以大幅度提升氣流的總熱容，提高氣固混合物的溫度，使之接近于TCD的操作溫度；POZ區(qū)的作用是將自SDZ區(qū)來的氣—固混合物料的溫度提升至TCD的操作溫度，在POZ區(qū)內(nèi)氧氣與焦油、焦炭末進(jìn)行反應(yīng)生成合成氣，所有的烴類物質(zhì)將會被轉(zhuǎn)化為CO、H2及少量的CO2；PPZ區(qū)的作用是對POZ段的合成氣進(jìn)行深度處理，進(jìn)一步提高TCD上端出口合成氣的溫度，提高碳轉(zhuǎn)化率，合成氣從旋風(fēng)分離器頂部進(jìn)入下游設(shè)備。旋風(fēng)分離器收集的固體大部分繼續(xù)在裂解器內(nèi)循環(huán)流化，沉積在料腿底部的固體經(jīng)過CCAD粗灰連續(xù)排灰系統(tǒng)排出。

（2）旋風(fēng)分離器收集的固體經(jīng)過循環(huán)密封罐進(jìn)入裂解器固體顆粒分散區(qū)，未反應(yīng)完全的固體顆粒和新進(jìn)入合成氣中的焦油、甲烷等含碳組分與注入的氣化劑進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)化反應(yīng)，裂解器內(nèi)固體物料的循環(huán)動力主要來自于料位差，同時(shí)在料腿和循環(huán)密封罐設(shè)置了循環(huán)氣流化管口，以保證固體正常循環(huán)流化和防止堵塞。

（3）焦油裂解系統(tǒng)（TCD）以含雜（煤焦粉塵、焦油）合成氣為原料，在特定熱載體填料的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行高溫?zé)釕B(tài)轉(zhuǎn)化，在較高的溫度下，含碳顆粒和焦油可發(fā)生以下水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)及裂解反應(yīng)，增加了碳的轉(zhuǎn)化率和氣體產(chǎn)物。

KSY試驗(yàn)示范裝置工藝流程見圖2。

圖2 KSY試驗(yàn)示范裝置工藝流程

3 試驗(yàn)結(jié)果

2016年10月8日，裝置開工預(yù)熱爐點(diǎn)火，開始熱態(tài)聯(lián)運(yùn)并投煤試運(yùn)轉(zhuǎn)，連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行14 d，累計(jì)運(yùn)行335 h，各項(xiàng)工業(yè)指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)達(dá)到目標(biāo)要求，取得了大量運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)志著KSY煤氣化技術(shù)進(jìn)入了新階段［8］。2017年4月6日，裝置開始第2次投料運(yùn)行試驗(yàn)，在50%工況下，裝置累計(jì)投料42 h，投煤85 t，從氣化爐出口和裂解器出口取樣分析合成氣中組分的對比來看，合成氣中的有效組分含量明顯提高，甲烷含量及其它含碳組分明顯降低，實(shí)現(xiàn)了煤氣化技術(shù)重大突破。

4 技術(shù)特點(diǎn)

（1）在循環(huán)流化床技術(shù)基礎(chǔ)上增加TCD焦油裂解系統(tǒng)，對焦油、CH4及含碳粉塵進(jìn)行2次裂解。

（2）環(huán)保效益高。干法排灰，徹底消除黑水的產(chǎn)生，降低后系統(tǒng)的負(fù)荷。

（3）碳轉(zhuǎn)化率高。在TCD內(nèi)高溫下完成焦油的裂解及含碳組分的轉(zhuǎn)化，提高碳轉(zhuǎn)化率。

（4）投資費(fèi)用低。氣化爐等設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、無內(nèi)部件、移動件和膨脹節(jié)，節(jié)省設(shè)備投資費(fèi)用。

（5）原料靈活性大。將原煤適應(yīng)性由單純的低變質(zhì)褐煤延伸至中、高變質(zhì)程度煤種，可處理多種粒徑分布的煤原料，放寬了裝置對原料的要求。

5 結(jié)束語

KSY煤氣化技術(shù)中TCD焦油裂解系統(tǒng)的增加，有效解決了氣化過程中碳轉(zhuǎn)化率低、合成氣中含碳顆粒偏多以及煤氣中的焦油難以轉(zhuǎn)化等難題。該技術(shù)的放大和商業(yè)化，具有廣闊前景。