李曉毅

(云南先鋒化工有限公司，云南 尋甸 655204)

我公司22.5萬m3/h(干氣)煤氣化裝置建有8臺(5開3備)固定床熔渣氣化爐，采用公司具有自主知識產(chǎn)權(quán)的碎煤熔渣加壓氣化技術(shù)，以褐煤為原料，生產(chǎn)甲醇合成原料氣。粗煤氣主要含CO、CO2、H2、CH4等。該裝置具有煤種適應(yīng)性強(qiáng)、氧耗低、煤耗低、氣化強(qiáng)度高、氣化效率高，液態(tài)排渣，且灰渣可用于建筑材料等優(yōu)點。

氣化爐主要由煤倉、煤溜槽、煤鎖、過渡倉、氣化爐、連接短節(jié)、激冷室、渣鎖及附件組成，配套設(shè)置有煤鎖系統(tǒng)、夾套系統(tǒng)、蒸氧系統(tǒng)、高壓冷卻水系統(tǒng)、燃燒器系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、激冷水系統(tǒng)、文丘里系統(tǒng)及其他公用系統(tǒng)。

氣化爐為雙煤鎖設(shè)置，采用互充工藝實現(xiàn)煤鎖氣回收。煤鎖系統(tǒng)設(shè)有中間緩沖罐，分級貯存煤鎖泄壓氣壓力能，實現(xiàn)壓力能梯級利用。該工藝系統(tǒng)與傳統(tǒng)工藝區(qū)別在于無需設(shè)置煤鎖氣洗滌系統(tǒng)、煤鎖氣氣柜及煤鎖氣壓縮機(jī)等設(shè)備設(shè)施，降低了設(shè)備投資和維護(hù)運(yùn)行成本。與傳統(tǒng)的從煤氣系統(tǒng)中取氣對煤鎖進(jìn)行充壓相比，避免了因使用粗煤氣充壓對生產(chǎn)系統(tǒng)煤氣負(fù)荷及壓力的影響，可根據(jù)終端產(chǎn)品合成工藝要求，終充壓及氣封的惰性氣體可采用高壓氮氣或二氧化碳?xì)怏w。我公司終端產(chǎn)品為甲醇，采用低溫甲醇洗裝置二氧化碳產(chǎn)品氣提壓后作為終充壓及氣封的惰性氣體。

1 煤鎖氣原充泄壓工藝

氣化爐設(shè)有雙煤鎖，每臺氣化爐設(shè)有一個體積為 21 m3中間緩沖罐。煤鎖設(shè)有煤鎖上閥①、煤鎖下閥②、充泄壓閥③、二次泄壓閥④、終充壓閥⑤、氣封閥⑥，如圖1所示。

①煤鎖上閥；②煤鎖下閥；③一次充泄壓閥；④二次泄壓閥；⑤終充壓閥；⑥氣封閥圖1 煤鎖氣互充工藝流程圖

煤鎖上閥①、充泄壓閥③、二次泄壓閥④、終充壓閥⑤關(guān)閉，煤鎖下閥②、氣封閥⑥開啟，實現(xiàn)給煤時與煤倉及充泄壓系統(tǒng)隔離。煤鎖與氣化爐壓力平衡，為帶壓狀態(tài)，煤鎖內(nèi)原料煤進(jìn)入氣化爐內(nèi)給煤氣化反應(yīng)供料。

煤鎖下閥②、氣封閥⑥、充泄壓閥③、終充壓閥⑤關(guān)閉，煤鎖上閥①、二次泄壓閥④開啟，實現(xiàn)煤鎖與氣化爐隔離。煤鎖為常壓狀態(tài)，為加煤過程，煤倉原料煤通過上閥進(jìn)入常壓狀態(tài)煤鎖內(nèi)。

煤鎖上閥①、煤鎖下閥②、氣封閥⑥關(guān)閉，充泄壓閥③、二次泄壓閥④、終充壓閥⑤開啟或關(guān)閉，實現(xiàn)充泄壓過程煤鎖與煤倉、氣化爐隔離，滿足煤鎖交替充泄壓要求。氣化爐一臺煤鎖空料需要加煤時，開啟充泄壓閥③，可將煤鎖氣泄至中間緩沖罐內(nèi)緩存。煤鎖沒加時，可利用中間緩沖罐緩存的煤鎖氣對煤鎖進(jìn)行一次充壓，以回收煤鎖氣壓力能。

1.1 工藝簡述

工藝流程見圖1。

1)加煤時，煤鎖上閥①、充泄壓閥③、二次泄壓閥④和終充壓閥⑤關(guān)閉，煤鎖與煤倉及充泄壓系統(tǒng)隔離；煤鎖下閥②開啟，煤鎖中原料煤進(jìn)入氣化爐內(nèi)，實現(xiàn)加煤；氣封閥⑥在煤鎖下閥②開啟前開啟，減少氣化爐內(nèi)的煤氣上串至煤鎖，煤鎖處于帶壓狀態(tài)。

2)煤鎖煤空時，煤鎖上閥①、煤鎖下閥②和氣封閥⑥關(guān)閉，煤鎖與煤倉、氣化爐隔離。開啟充泄壓閥③，將空煤鎖內(nèi)的壓力泄至中間緩沖罐。待壓力平衡后，煤鎖內(nèi)的余壓經(jīng)二次泄壓閥④泄放至除塵裝置處理后放空。當(dāng)煤鎖內(nèi)的壓力降至趨于常壓后，煤鎖上閥①開啟、二次泄壓閥④關(guān)閉，煤鎖處于常壓狀態(tài)。

3)空煤鎖上閥①打開，向空煤鎖中加煤?？彰烘i加滿煤后，煤鎖上閥①關(guān)閉，煤鎖充泄閥③開啟，采用中間緩沖罐內(nèi)緩存的煤鎖氣對煤鎖進(jìn)行充壓。待壓力平衡時，關(guān)閉煤鎖的一次充泄壓閥③，開終充壓閥⑤，采用高壓二氧化碳?xì)怏w將煤鎖壓力充至與氣化爐內(nèi)壓力平衡，煤鎖進(jìn)入帶壓狀態(tài)。

4)終充壓閥⑤關(guān)閉，充壓完畢。氣封閥⑥和煤鎖下閥②開啟，煤鎖向氣化爐中加煤，雙煤鎖交替循環(huán)。

2 存在的問題

煤鎖充泄壓采用兩級充壓、兩級泄壓，體積為 18 m3，煤鎖操作壓力 4.5 MPa(G)，煤鎖溫度 30 ℃，煤鎖氣經(jīng)一級泄壓至體積 21 m3中間緩沖罐。泄壓至 3.44 MPa(G)后，開啟二次泄壓除塵后直接放空。煤鎖充壓采用緩沖罐氣體充壓至 2.53 MPa(G)，再采用后續(xù)低溫甲醇洗CO2充壓至與氣化爐壓力平衡。煤鎖氣組分見表1所示。

表1 煤鎖氣及粗煤氣組分

如表1所示，煤鎖氣中可燃組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為38.7%，熱值為 6.28 MJ/m3，二次泄壓至 2.53 MPa 直接放空。采用理想氣體狀態(tài)方程測算，放空氣量為 411.4 m3，可燃組分達(dá) 159.1 m3，熱量損失達(dá) 2582.8 MJ，相當(dāng)于 88.12 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤。煤氣化裝置5臺爐運(yùn)行，平均每臺氣化爐 1 h 加煤4次，煤鎖氣放空量達(dá) 8227.96 m3/h，熱值折標(biāo)煤為 1762.46 kg，一年(8000 h 計算)達(dá) 14099.67 t 標(biāo)煤，造成了能源浪費。且煤鎖氣中含有少量乙烷、乙烯等VOC組分及微量異味物質(zhì)，直接放空不符合環(huán)保需求。

3 煤鎖充泄壓系統(tǒng)優(yōu)化

2015年至2018年，我公司基于能量回收及環(huán)保需求考慮，持續(xù)對煤鎖充泄壓系統(tǒng)進(jìn)行提升改造，優(yōu)化加煤操作，煤鎖充泄壓由兩級充壓、兩級泄壓升級為三級充壓、四級泄壓，具體為：

1)將煤氣化裝置8臺氣化爐8個中間緩沖罐分成兩組，每4臺煤鎖中間緩沖罐串聯(lián)成一組，一次緩存罐體積為(21×4)m3，二次緩存罐體積為(21×4)m3，增大緩沖空間，實現(xiàn)多級緩存。煤鎖泄壓氣經(jīng)一次泄壓至一級中間緩沖罐，二次泄壓至另二級中間緩沖罐。

2)新增一臺 91.4 m3的煤鎖3次泄壓緩沖罐，3次泄壓至3次泄壓緩沖罐，送至去鍋爐燃燒，回收煤鎖氣中的可燃組分熱量。

3)3次泄壓后進(jìn)行3次吹凈置換，進(jìn)一步降低低壓放空部分可燃組分。

煤鎖充泄壓系統(tǒng)優(yōu)化流程見圖2所示。

①鎖上閥；②煤鎖下閥；③一次泄壓二次充壓閥；④二次泄壓一次充壓閥；⑤三次泄壓閥；⑥四次泄壓閥；⑦終充壓閥；⑧氣封閥。圖2 煤鎖充泄壓系統(tǒng)優(yōu)化流程

1)加煤時，煤鎖上閥①、一次泄壓二次充壓閥③、二次泄壓一次充壓閥④、三次泄壓閥⑤、四次泄壓閥⑥、終充壓閥⑦關(guān)閉，煤鎖與煤倉及充泄壓系統(tǒng)隔離，氣封閥⑧和煤鎖下閥②開啟。

2)煤鎖煤空時，煤鎖上閥①、煤鎖下閥②和氣封閥⑧關(guān)閉，煤鎖與煤倉及氣化爐隔離，開啟一次泄壓二次充壓閥③，將空煤鎖內(nèi)的壓力泄放至一級緩沖罐。待壓力平衡后，開啟二次泄壓一次充壓閥④，將空煤鎖內(nèi)的壓力泄放至二級緩沖罐。待壓力平衡后，三次泄壓閥⑤開啟，將空煤鎖內(nèi)的壓力泄放煤鎖三次泄壓緩沖罐。當(dāng)煤鎖壓力≤0.2 MPa(G)，開啟CO2氣封閥進(jìn)行三次吹凈置換后，煤鎖壓力≤0.2 MPa(G)開啟四次泄壓閥⑥，現(xiàn)場放空；當(dāng)煤鎖內(nèi)的壓力降至趨于常壓后(與煤鎖壓差小于 27 kPa)，開啟煤鎖上閥①。

3)空煤鎖上閥①打開，向空煤鎖中加煤。空煤鎖加滿煤后，煤鎖上閥①關(guān)閉，開啟二次泄壓一次充壓閥④，采用二級緩沖罐緩存的煤鎖氣對煤鎖進(jìn)行一次充壓。待壓力平衡時，關(guān)閉二次泄壓一次充壓閥④，開啟一次泄壓二次充壓閥③，采用一級緩沖罐緩存的煤鎖氣對煤鎖進(jìn)行二次充壓。待壓力平衡時，開終充壓閥⑦，采用高壓二氧化碳?xì)怏w將煤鎖壓力充至與氣化爐內(nèi)壓力平衡，煤鎖進(jìn)入帶壓狀態(tài)。

4)終充壓閥⑦關(guān)閉，充壓完畢。氣封閥⑧和煤鎖下閥②開啟，煤鎖向氣化爐中加煤。

4 煤鎖充泄壓系統(tǒng)優(yōu)化后效益分析

煤鎖充泄壓采用3級充壓、4級泄壓及三次吹凈置換方式，體積為 18 m3煤鎖操作壓力 4.5 MPa(G)，煤鎖溫度 30 ℃，煤鎖氣一次泄壓至體積 84 m3一級緩沖罐。泄壓至 3.98 MPa(G)后，煤鎖氣二次泄壓至體積 84 m3二級緩沖罐。泄壓至 2.88 MPa(G) 后，煤鎖氣3次泄壓至3次泄壓緩沖罐。泄壓至 0.2 MPa(G)后，采用CO2進(jìn)行三次吹凈置換，進(jìn)一步降低低壓放空部分可燃組分。

4.1 經(jīng)濟(jì)性分析

如表2所示，忽略CO23次吹凈置換帶來的效益，煤鎖充泄壓系統(tǒng)優(yōu)化后，4次泄壓壓力為 0.2 MPa，一次加煤放空氣量為 32.44 m3，較優(yōu)化前可回收煤鎖氣 378.96 m3，回收可燃組分量 146.56 m3，回收熱量 2379.15 MJ，相當(dāng)于回收 81.17 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤。煤氣化裝置5臺爐運(yùn)行，平均每臺氣化爐1小時加煤4次，送鍋爐可產(chǎn)高壓蒸汽14t，每小時鍋爐減少用煤 3.3 t；原料煤熱值按 13.98 MJ/kg，價格330元/t計，年可減少動力原料 27229.19 t，每年僅鍋爐原料煤成本可減少898.56萬元。

表2 優(yōu)化前后對比表

4.2 生態(tài)效益

中國煤化工行業(yè)中排放的二氧化碳總量約為5億噸，占到全國二氧化碳排放總量的5%左右[3]。煤化工二氧化碳排量主要源于供熱供電鍋爐及煤氣化爐，二者比例約6∶4。如表2所示，煤氣化裝置煤鎖充泄壓系統(tǒng)優(yōu)化后，一次加煤回收的煤鎖氣折標(biāo)煤為 81.17 kg，5臺氣化爐運(yùn)行，年節(jié)能量達(dá) 12987.96 t(標(biāo)準(zhǔn)煤)，年可減少溫室氣體排放量 37393.56 t，二氧化碳減排量達(dá)2%，具有較好的節(jié)能降碳效益。

5 結(jié)語

煤鎖充泄壓系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)用了公司3×260 t 循環(huán)流化床熱容量大、燃燒穩(wěn)定等特點，爐膛溫度在 760 ℃ 以上，停留時間約 8 s，滿足處理煤鎖氣充分燃燒的技術(shù)條件要求。且鍋爐系統(tǒng)設(shè)有化工工藝氣摻燒系統(tǒng)，具有摻燒氣體的經(jīng)驗優(yōu)勢。優(yōu)化運(yùn)行后，實現(xiàn)煤鎖加煤及鍋爐平穩(wěn)運(yùn)行，鍋爐出口監(jiān)測數(shù)據(jù)，非甲烷總烴(NMHC)小于 15 mg/m3，VOCs充分燃盡，優(yōu)于 120 mg/m3排放標(biāo)準(zhǔn)。

公司煤鎖氣回收率大于90%，僅鍋爐原料煤成本節(jié)約2400余萬元，節(jié)能量達(dá)36000余t(折標(biāo)煤)，減少二氧化碳碳排105000余t，在“能耗雙控”“雙碳”背景下，實現(xiàn)了降本增效，節(jié)能降耗，減污降碳協(xié)同效應(yīng)。