吳耀桃，周建欣，郭宗斌

(中海油惠州石化有限公司， 廣東惠州 0000)

作為典型氣流床水煤漿加壓氣化技術，E-Gas煤氣化技術于20世紀70年代開發(fā)，經歷了實驗室開發(fā)、中試裝置、示范裝置及商業(yè)化運行等過程。1995年，第一套采用E-Gas氣化技術的IGCC商業(yè)化示范裝置在美國Wabash River建成投產，并于2000年實現(xiàn)了從煤到石油焦的過渡[1]。

E-Gas氣化裝置由煤漿制備、煤漿輸送和儲存、氣化、渣水處理、余熱回收、干法除灰、合成氣洗滌和壓縮等工段組成，工藝流程見圖1[2]。

1—稱重給煤機；2—磨煤機；3—煤漿罐；4—氣化爐；5—合成氣冷卻器；6—焦過濾器；7—氯洗塔；8—合成氣壓縮機；9—環(huán)流洗滌塔；10—抽出氣洗滌塔；11—減壓組件；12—碳回收包；13—渣脫水罐；14—沉降槽；15—渣水槽；16—固體循環(huán)槽。

氣化爐是一種兩段進料的氣流床氣化爐，其外形呈十字架型。E-Gas煤氣化技術中，煤漿和高壓氧氣作為原料，在氣化爐內一段進行部分氧化反應，生成以一氧化碳、二氧化碳、氫氣為主要成分的合成氣。與熔渣分離后，二段噴入水煤漿與一段向上來的高溫合成氣發(fā)生氣化和裂解反應，經過余熱回收、焦過濾器除灰、氯洗塔等工段后，送下游進行進一步加工。抽出合成氣經過洗滌降溫后，送下游進一步加工。合成氣中一部分經合成氣縮機增壓后，分別送到氣化系統(tǒng)作為儀表吹掃氣使用。熔融狀態(tài)的渣經氣化爐激冷段、破渣機、減壓單元減壓后，送碳回收設施進行處理，殘渣送到渣脫水罐脫水，脫水灰渣經皮帶送出裝置。碳回收設施的溢流水和渣脫水罐的濾出水一起送到沉降槽沉降分離，回收未轉化碳循環(huán)到制漿系統(tǒng)，沉降槽的溢流水自流進入渣水罐，通過高壓渣水泵增壓后回用。

1 石油焦的性質

原油經過蒸餾和輕重質油分離后，再對重質油進行延遲焦化，其形成的固體焦炭稱為石油焦。作為石油加工過程中的最終產物[2]，石油焦一般具有金屬光澤，形狀為大小不一的黑色或暗黑色塊狀或顆粒[3]，其碳、氮、硫元素含量較高，灰分和揮發(fā)分較低，碳質量分數(shù)接近90%，氫質量分數(shù)為2%～8%，熱值約是煤的1.4倍[4]。石油焦的可磨系數(shù)與煙煤相近，可作為煤氣化原料，硫含量低的石油焦也可以用作金屬冶煉廠原料。中海油惠州石化有限公司(簡稱惠州石化)使用的石油焦與2種原煤的性質對比見表1。

表1 石油焦與2種原煤的常規(guī)性質

相對于煤炭，石油焦一般具有碳高、硫高、熱值高、灰熔點高，灰分低、揮發(fā)分低等特點，且反應活性及可燃性相對較差。為了提高石油焦在氣化爐中的轉化率，必須維持較高的操作溫度。如果石油焦的摻燒比例增加到一定程度，會導致爐內灰分減少，爐壁掛渣減薄，極易出現(xiàn)爐壁超溫情況。同時，石油焦中重金屬移除的媒介減少，會造成石油焦中重金屬侵蝕耐火襯里的情況。

2 石油焦原料在國內水煤漿氣化的應用概況

氣化制氫是劣質石油焦利用的理想出路。隨著全球劣質原油產量增加，劣質石油焦的產量也不斷增加。由于國家環(huán)保政策，劣質石油焦交易的可行性正在逐步下降，劣質石油焦本地化處理將成為必須面對的挑戰(zhàn)。石油焦氣化為煉油廠劣質石油焦應用提供了一個合適的出路，可以將石油焦轉化為氫氣和燃料氣，提高煉油廠的輕油收率[5-6]。

國內摻燒石油焦的氣化裝置有金陵石化公司煤氣化裝置、齊魯分公司煤氣化裝置、浙江石化煤氣化裝置、鎮(zhèn)海煉化煤焦制氫裝置等，其穩(wěn)定運行時的摻燒比例都不高，平均值在30%左右，最高不超過50%。石油焦摻燒比例提高后造成的主要問題，包括爐溫低導致渣口堵塞和排渣不暢、化爐耐火磚磨蝕加劇，以及碳轉化率低導致的黑水和灰水水質惡化等問題，直接影響裝置的穩(wěn)定運行。

3 E-Gas氣化爐加工石油焦的概況

經過不斷摸索優(yōu)化，惠州石化煤制氫的原料按照石油焦摻燒比例分別為80%、70%和60%進行運行，其數(shù)值遠遠高于常規(guī)單噴嘴及多噴嘴氣化爐穩(wěn)定運行時的石油焦摻燒比例，且氣化裝置運行穩(wěn)定，裝置的技術指標穩(wěn)定，對石油焦原料具有較強的適應性。E-Gas氣化爐的主要控制參數(shù)包括一段爐溫、二段爐溫和余鍋入口溫度，主要監(jiān)控指標包括二段壓差、余鍋壓差、合成氣產量、有效氣組分和碳轉化率等。

3.1 一段爐溫

石油焦的反應活性及可燃性相對較差。E-Gas氣化爐在摻燒石油焦原料運行時，一段操作溫度與灰熔點差值控制在100～160 K。如果一段爐溫過低，不僅渣口容易堵渣，二段壓差及余鍋壓差也不易控制；如果一段爐溫過高，對氣化爐襯里腐蝕較快，容易導致爐壁出現(xiàn)熱點而埋下安全隱患。根據(jù)原料的灰熔點變化，氧煤比在氣化爐運行初期應控制在較低值，到中后期再緩慢提高。隨著裝置運行，氣化爐水平段積灰增加、燒嘴霧化壓差下降，導致氣化爐一段反應時間縮短，反應效果下降。因此，在裝置運行后期，需要提高爐溫，以保證二段壓差的穩(wěn)定。氣化爐不同原料下運行溫度的變化見圖2。

由圖2可知：一段爐溫實際不是處在一個較固定的區(qū)域。原因在于混合原料的灰熔點性質會有變化，需根據(jù)灰熔點的變化來調整氣化爐一段爐溫，以保證一段操作溫度與灰熔點差值在合適的范圍之內，避免出現(xiàn)渣口堵渣或者超溫現(xiàn)象。

圖2 氣化爐一段爐溫與運行時間

3.2 二段爐溫和余鍋入口溫度

E-Gas氣化爐二段爐溫控制在1 020±10 ℃，余鍋入口溫度控制在670～760 ℃。主要從熱利用效率、二段壓差、余鍋壓差變化和焦過濾器壓差變化方面進行綜合平衡和分析，選取合適的控制參數(shù)。

(1) 熱利用效率。二段煤漿注入的目的就是為了充分利用氣化爐一段的高溫潛熱。二段爐溫過高，表明二段煤漿加入量過少，熱利用效率較低；二段爐溫過低，表明加入的二段煤漿轉化率偏低，未轉化碳經過余鍋和過濾器后，又會通過注焦口送回氣化爐一段，降低了熱利用效率。

(2) 二段壓差。氣化爐二段爐溫不能高于或接近原料灰熔點，避免黏性飛灰在氣化爐爐壁上聚集，形成二段積灰，導致二段壓差升高，使氣化爐爐壁出現(xiàn)局部熱點，影響氣化爐的長周期運行。

(3) 余鍋壓差。二段及余鍋入口溫度過高，蒸汽產量會增加，但是，在氣化爐二段沒有被完全冷卻凝固的黏性飛灰會在余鍋冷卻，黏附于合成氣管束上，既降低了換熱效率，又增大了余鍋壓差，增加了管束的磨蝕程度。二段及余鍋入口溫度過低，在降低余鍋蒸汽產量的同時，達不到原料中焦油的有效分解溫度，會將過多的焦油帶到后序工段，影響裝置運行情況和周期。

(4) 焦過濾器壓差。二段及余鍋入口溫度偏高，二段煤漿的轉化率提高，未轉化碳數(shù)量降低，攜帶進入焦過濾器的固體總量降低，焦過濾器壓差上升速度降低。如果溫度過高，超過焦過濾器的設計溫度會損壞過濾器；如果溫度偏低，氣化爐二段因轉化率降低，未轉化碳增加，攜帶進入焦過濾器的固體總量會增加，加大過濾器負荷；當入口溫度低到合成氣露點以下時，還會產生凝液，造成濾芯露點腐蝕和永久堵塞損壞。氣化爐二段溫度與運行時間、余鍋入口溫度與運行時間的關系分別見圖3、圖4。

圖3 氣化爐二段爐溫與運行時間

圖4 余鍋入口溫度與運行時間

由圖3和圖4可以看出，氣化爐二段爐溫和余鍋入口溫度在整個運行過程中都比較穩(wěn)定，對氣化爐整體的穩(wěn)定運行比較有利。

(5) 二段壓差和余鍋壓差

E-Gas氣化爐二段壓差表明了氣化爐二段爐壁內側積灰的程度，壓差數(shù)值越高，積灰程度越大。操作要點是盡可能保持二段壓差在最小值，避免其升高。二段壓差升高，說明氣化爐二段產生積灰現(xiàn)象，需要提高一段爐溫來減小積灰程度。二段壓差波動，說明原料的性質發(fā)生變化，導致一段爐溫波動，合成氣夾帶固體量波動，進而導致余鍋壓差上漲。由于余鍋壓差上漲后不可逆，所以二段壓差的穩(wěn)定控制顯得尤為重要。氣化爐二段壓差與氣化爐運行時長、余鍋壓差與氣化爐運行時長的關系分別見圖5、圖6。

圖5 氣化爐二段壓差與氣化爐運行時長

圖6 余鍋壓差與氣化爐運行時長

由圖5和圖6可知：氣化爐一二段壓差有波動，這是由原料性質變化導致爐溫波動造成；在氣化爐運行前期，余鍋的壓差上漲比較緩慢，到了后期上漲速度較快，更凸顯一段爐溫穩(wěn)定控制的重要性。因此，二段壓差和余鍋壓差也是氣化爐長周期運行的核心，需長期摸索并積累運行控制經驗。

(6) 產品指標和碳轉化率

E-Gas氣化爐使用高石油焦比例的混合原料運行期間，產品質量較好，合成氣量較高，合成氣有效氣質量分數(shù)達到80%以上，碳轉化率高。運行期間，合成氣流量和組分有小幅波動，是氣化爐負荷及爐溫調整導致，屬正?，F(xiàn)象。在石油焦摻混原料運行過程中，渣水處理系統(tǒng)比較穩(wěn)定，水質較好，沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)黑水閃蒸系統(tǒng)存在的各種問題。摻燒比例分別為80%、70%、60%的石油焦合成氣流量和組成分別見圖7、圖8、圖9，各摻燒比的碳轉化率和運行時長關系圖見圖10。

圖7 80%石油焦摻燒比例的合成氣流量和組成

圖8 70%石油焦摻燒比例的合成氣流量和組成

圖9 60%石油焦摻燒比例的合成氣流量和組成

圖10 碳轉化率和運行時長的關系

由圖7～圖10可知：氣化爐運行期間，無論爐溫高低，碳轉化率都處在較高水平，表明E-Gas氣化對石油焦原料的特殊適應性；合成氣中的固體全循環(huán)返回一段再次反應，渣中殘?zhí)纪ㄟ^渣水回收處理返回磨煤系統(tǒng)。這是首次在氣化工藝中實現(xiàn)了氣相和液相未轉化碳的全循環(huán)加工工藝。

4 結語

惠州石化煤制氫的E-Gas氣化爐使用高石油焦比例工業(yè)化裝置運行平穩(wěn)，技術指標穩(wěn)定。其石油焦含量遠超國內目前在運的水煤漿氣化裝置，為煉廠高硫焦的加工提供了新的思路。