煤化工裝備如何“利其器”

郭文達(dá)

煤化工裝備如何“利其器”

郭文達(dá)

近十年來(lái)，隨著一批示范工程建成投產(chǎn)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)的煤化工技術(shù)裝備開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入項(xiàng)目工程，中國(guó)煤化工裝備開(kāi)始走在世界前列。目前，各煤化工項(xiàng)目的重點(diǎn)主要集中在產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)規(guī)模、核心工藝技術(shù)、氣化效率、綜合能耗、“三廢”排放等方面，每一個(gè)環(huán)節(jié)都決定著煤化工裝置能否安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)運(yùn)行。而能否實(shí)現(xiàn)安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)運(yùn)行，在今年更已形成了煤化工業(yè)績(jī)的分水嶺。工欲善其事，必先利其器。煤化工裝備應(yīng)從哪些方向適應(yīng)當(dāng)前及未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求呢？中國(guó)化工報(bào)記者上周進(jìn)行了采訪。

預(yù)處理設(shè)備注重優(yōu)化

預(yù)處理是開(kāi)車(chē)的初始環(huán)節(jié)，設(shè)備的工況將影響整套裝置的運(yùn)行，所以必須注重優(yōu)化設(shè)計(jì)，注意解決各類(lèi)小問(wèn)題。

在談到預(yù)干燥器的設(shè)計(jì)時(shí)，航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司總經(jīng)理姜從斌表示，要重點(diǎn)注意四個(gè)方面。一是安全性設(shè)計(jì)。開(kāi)車(chē)期間，要保證系統(tǒng)氧含量低于13%的情況下投煤，同時(shí)工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)還要求若氮?dú)饧尤胂到y(tǒng)進(jìn)行停車(chē)時(shí)，要保證系統(tǒng)原料可全部泄出，尤其是設(shè)備或管道的死角處。二是在預(yù)干燥緩沖倉(cāng)設(shè)計(jì)中要考慮煤粉堆積密度差異帶來(lái)的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)能力匹配問(wèn)題。如褐煤煤粉的堆積密度是450kg/m3，實(shí)際測(cè)量的粉煤的堆積密度為380kg/m3。三是滾筒的盤(pán)根，出口疏水、粉煤發(fā)送系統(tǒng)的能力設(shè)計(jì)要留有余量。四是氣力輸送管道上要設(shè)計(jì)氮?dú)庵葡到y(tǒng)，主要是在彎頭位置采用補(bǔ)充氮?dú)獾姆椒?，防止管道堵塞，此處要采用耐磨設(shè)計(jì)。

國(guó)電南瑞富通公司副總經(jīng)理兼總工程師、GF國(guó)富爐開(kāi)發(fā)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人苗文華介紹說(shuō)，富通經(jīng)過(guò)全面分析，采用了適用于GF國(guó)富爐的原煤投料方法——重力作用投料法。原煤經(jīng)皮帶機(jī)進(jìn)入爐頂煤倉(cāng)，在重力作用下首先進(jìn)入干燥段，在干燥段原煤與來(lái)自冷卻段換熱后的煙氣進(jìn)行換熱，換熱后煤的溫度升高到170℃，經(jīng)引風(fēng)機(jī)一部分進(jìn)入國(guó)富爐冷卻段，剩余部分經(jīng)布袋除塵器除塵后排空。

清華大學(xué)山西清潔能源研究院常務(wù)副院長(zhǎng)張建勝教授則表示，華能爐采用兩段投煤處理法，并對(duì)二段投煤處理環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化，不但解決了廢鍋積灰的問(wèn)題，改變飛灰特性，廢鍋入口溫度可提高至820℃，且不發(fā)生積灰問(wèn)題，還比同類(lèi)技術(shù)高出100℃左右，提高了操作靈活性和可靠性。

氣化裝備各顯神通

氣化裝置中，各種爐型可謂各擅勝場(chǎng)，這也是我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)的“底氣”所在。對(duì)煤種適應(yīng)性廣是航天爐的顯著特點(diǎn)，該爐在中化長(zhǎng)山項(xiàng)目中應(yīng)用褐煤成功，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.2%以上，有效氣(CO+H2)高達(dá)87%～90%，運(yùn)行穩(wěn)定，填補(bǔ)了航天爐在劣質(zhì)煤領(lǐng)域的應(yīng)用空白。

姜從斌告訴記者，鑒于褐煤的一些特性，在氣化裝置設(shè)計(jì)中要考慮一系列問(wèn)題。褐煤具有高揮發(fā)性、高流動(dòng)性，預(yù)處理完畢后，要降低褐煤與空氣接觸的機(jī)會(huì)，采用螺旋輸送機(jī)將煤送至磨煤機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高流動(dòng)褐煤的穩(wěn)定連續(xù)輸送；針對(duì)褐煤堆積密度低的特點(diǎn)，對(duì)煤加壓系統(tǒng)進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)循環(huán)時(shí)間，滿足穩(wěn)定下料的要求；氣化燒嘴調(diào)整后，實(shí)際運(yùn)行最大有效氣產(chǎn)量可達(dá)74000Nm3/h。

華能爐干煤粉加壓氣化技術(shù)利用化學(xué)激冷原理，在二段投入水蒸汽和煤粉，利用一段高溫煤氣顯熱發(fā)生煤的裂解和氣化反應(yīng)，從而降低合成氣溫度。通過(guò)分級(jí)氣化、化學(xué)激冷處理過(guò)程，可使激冷氣循環(huán)量降低50%至70%，最大限度降低氣化島耗功、減小煤氣冷卻器和除塵器的設(shè)計(jì)尺寸。張建勝表示，應(yīng)用煤氣化輻射換熱技術(shù)，研發(fā)人員建立了高溫高壓、強(qiáng)還原氣氛下CO和H2的輻射及對(duì)流傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提出了二段氣化噴入煤粉以提高煤氣輻射傳熱系數(shù)的方法，進(jìn)一步提高蒸汽產(chǎn)量和品質(zhì)，氣化熱效率高達(dá)97%。

苗文華介紹了GF國(guó)富爐氣化工藝過(guò)程：干燥后的煤在重力作用下進(jìn)入干餾段，在干餾段與來(lái)自加熱爐的高溫煤氣進(jìn)行換熱，煤的溫度升高到550℃，在此溫度下發(fā)生熱解反應(yīng)，熱解產(chǎn)生的荒煤氣(冷煤氣、焦油氣、熱解水)經(jīng)高效旋風(fēng)除塵器除塵后進(jìn)入煤氣凈化與焦油回收系統(tǒng)。原煤熱解后生成高溫半焦，高溫半焦在重力作用下進(jìn)入冷卻段，在冷卻段與來(lái)自干燥段的煙氣進(jìn)行直接換熱，煙氣溫度升高到350℃左右，經(jīng)旋風(fēng)除塵器除塵后進(jìn)入干燥段；換熱后半焦溫度低于100℃，經(jīng)推焦機(jī)推出至埋刮板機(jī)，再經(jīng)輸焦皮帶進(jìn)入儲(chǔ)焦倉(cāng)。以榆林長(zhǎng)焰煤為例，100萬(wàn)噸/年的低階煤分質(zhì)綜合利用項(xiàng)目，工程投資約3.5億元，年產(chǎn)半焦65萬(wàn)噸，焦油8.8萬(wàn)噸，煤氣1.1億Nm3。

德國(guó)澤瑪克清潔能源技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)人高俊表示，澤瑪克熔渣氣化技術(shù)選擇塊粉一體氣化爐，將塊煤從氣化爐頂部送入，而將粉煤或水煤漿通過(guò)不同類(lèi)型的噴嘴噴入氣化爐的燃燒區(qū)，當(dāng)煤種的氣化油含量高時(shí)，通過(guò)工藝調(diào)整，又可提高焦油產(chǎn)率。

滿足分質(zhì)利用需求

眾所周知，我國(guó)煤炭資源以低階煤為主，優(yōu)質(zhì)煤炭資源并不多。“煤炭分質(zhì)分級(jí)階梯利用是實(shí)現(xiàn)煤炭資源高效、合理、清潔利用的有效途徑之一?！毙聤W能源研究院副院長(zhǎng)汪國(guó)慶博士說(shuō)，分質(zhì)利用從煤炭化學(xué)結(jié)構(gòu)出發(fā)，充分利用煤炭自身含有的芳香族、脂肪族等官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，獲得高附加值油品，提高工藝技術(shù)指標(biāo)。相繼出臺(tái)的煤炭清潔高效利用行動(dòng)計(jì)劃和能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃均明確提出了加強(qiáng)煤炭分質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)創(chuàng)新。煤化工裝備，也必須適應(yīng)這一需求。

苗文華表示，應(yīng)用GF低階煤分質(zhì)綜合利用技術(shù)及裝備，可將褐煤、長(zhǎng)焰煤等低階煤及油頁(yè)巖等原料進(jìn)行中、低溫干餾制取焦油、半焦、煤氣等產(chǎn)品。該裝置適用于煤礦企業(yè)就地轉(zhuǎn)化，以及煤化工企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

據(jù)了解，錫林浩特國(guó)能能源公司2×50萬(wàn)噸/年褐煤提質(zhì)工程，采用國(guó)富公司自行研發(fā)的褐煤提質(zhì)技術(shù)，分別于2009年9月和2011年3月建成兩條生產(chǎn)線，并順利投產(chǎn)運(yùn)行。陜北乾元化工公司50萬(wàn)噸/年長(zhǎng)焰煤熱解工程，使用原料0～30mm長(zhǎng)焰煤，目前主體設(shè)備GF國(guó)富爐已經(jīng)安裝完成。

“目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)實(shí)踐的主流爐型仍停留在較傳統(tǒng)的技術(shù)上，其他技術(shù)多停留在實(shí)驗(yàn)室或中試階段。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，GF低階煤分質(zhì)綜合利用技術(shù)具有工藝可靠、投資省、運(yùn)行成本低、占地面積小等優(yōu)勢(shì)。”苗文華說(shuō)。

姜從斌認(rèn)為，結(jié)合粉煤氣化技術(shù)工藝流程特點(diǎn)，航天長(zhǎng)征成立專(zhuān)項(xiàng)組開(kāi)展了煤粉分質(zhì)利用技術(shù)的研發(fā)，持續(xù)研究煤質(zhì)對(duì)氣化影響機(jī)理，通過(guò)工藝流程優(yōu)化及關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)，保證了高的碳轉(zhuǎn)化率(對(duì)于普通煙煤大于99%)，粗細(xì)渣比例大于7:3，合成氣出口固體顆粒含量小于1mg/L，灰水排放量小于40噸/10萬(wàn)Nm3(CO+H2)。

“煤種適應(yīng)性好是華能爐兩段式干煤粉加壓氣化爐的傳統(tǒng)?！睆埥▌俦硎?，該裝置對(duì)煤種的活性要求不高，能應(yīng)用較寬范圍的煤種、焦炭等原料，在做好原料管理的前提下，幾乎可以氣化所有煤種，對(duì)灰含量要求低，含灰量5%～30%均可氣化。

據(jù)悉，華能爐采用水平多噴嘴進(jìn)料方式，反應(yīng)介質(zhì)停留時(shí)間長(zhǎng)，充分混合，碳轉(zhuǎn)化率高，可達(dá)99%，氣化爐捕渣率高，多噴嘴結(jié)構(gòu)有利于單爐容量的放大設(shè)計(jì)，氣化爐冷煤氣氣化效率高，可達(dá)80%～84%，同時(shí)耗氧量低。多噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可對(duì)合成氣顯熱全熱回收，蒸汽產(chǎn)量高、氣化熱效率高，同時(shí)可副產(chǎn)中壓過(guò)熱蒸汽或飽和蒸汽，此過(guò)程采用強(qiáng)化換熱技術(shù)，采用的廢鍋可提高回收換熱效率，蒸汽產(chǎn)量比同類(lèi)技術(shù)提高了15%～20%。