碎煤加壓氣化爐開工火炬設(shè)置的改進(jìn)

(中海油大同SNG項(xiàng)目組，山西 大同 037613)

碎煤加壓氣化工藝技術(shù)是我國在上世紀(jì)70年代末引進(jìn)的德國魯奇公司的煤氣化技術(shù)，碎煤Mark4工藝技術(shù)在我國運(yùn)行多年，已完全成熟，其工藝流程為粒度為6～50 mm的原料煤由煤鎖在3.1 MPa(g)的壓力下，由上加入到氣化爐內(nèi)，與來自底部爐箅的氣化劑——氧氣和高壓蒸汽逆流接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、甲烷等成分的粗煤氣，生成的粗煤氣將熱量傳遞給溫度逐步下降的煤層，以600～700 ℃的溫度離開氣化爐。離開氣化爐的粗煤氣首先進(jìn)入到文丘里噴淋洗滌冷卻器，并在此被冷卻至204 ℃，絕大部分重組分被冷凝洗滌下來，隨后氣液混合物進(jìn)入到廢熱鍋爐，回收粗煤氣的大量顯熱和潛熱，洗滌冷凝混合液被送往煤氣水處理裝置進(jìn)行進(jìn)一步物理處理，而被冷卻至180 ℃的粗煤氣經(jīng)氣液分離后送出氣化界區(qū)。如果氣化爐計(jì)劃停車或者緊急停車，粗煤氣不再送出界區(qū)，而是直接進(jìn)入到氣化界區(qū)內(nèi)的熱火炬進(jìn)行焚燒。

圖1 碎煤氣化裝置主要工藝流程

1 國內(nèi)碎煤氣化裝置開工火炬配置情況

碎煤氣化裝置主要工藝流程見圖1。碎煤加壓氣化裝置的火炬系統(tǒng)是專為魯奇第三代加壓氣化爐配套使用的，上世紀(jì)70年代末由山西化肥廠成套引進(jìn)西德魯奇公司的工藝和設(shè)備。根據(jù)其作用，碎煤加壓氣化爐裝置火炬系統(tǒng)分為熱火炬系統(tǒng)和冷火炬系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)國內(nèi)氣化裝置的氣化爐臺(tái)數(shù)較少，基本上是每4臺(tái)氣化爐配備1套熱火炬和冷火炬。隨著國內(nèi)現(xiàn)代煤化工的快速發(fā)展，碎煤氣化裝置氣化爐臺(tái)數(shù)大量增加，如果仍按照4臺(tái)氣化爐配備1套火炬系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，將增加裝置投資，且還會(huì)造成多點(diǎn)放空。由于火炬系統(tǒng)只在開停車期間使用，幾臺(tái)熱火炬的長明燈長時(shí)間燃燒將消耗大量燃料氣。另外，由于氣化爐的操作水平和維護(hù)保養(yǎng)水平的逐步提高，單臺(tái)氣化爐年運(yùn)行天數(shù)基本在250d以上，開停車的次數(shù)大大減少，氣化爐在線率的提高，降低了火炬系統(tǒng)的使用率。因此，在大唐克什克騰煤制天然氣公司碎煤氣化置換氣化火炬系統(tǒng)中，由4臺(tái)爐配置1套火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改變?yōu)?臺(tái)爐配置1套開工火炬系統(tǒng)，在幾年的運(yùn)行中，該火炬系統(tǒng)的配置完全可以滿足生產(chǎn)的需要。后來新建的碎煤氣化裝置火炬系統(tǒng)，基本按照8臺(tái)氣化爐配備1套火炬系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)建造。

2 碎煤加壓氣化裝置火炬系統(tǒng)的作用

碎煤加壓氣化裝置每個(gè)系列設(shè)置1套開工火炬系統(tǒng)用于在氣化爐開車、停車和事故操作期間，氣化爐產(chǎn)生的粗煤氣泄壓排放氣燃燒后排放，從而保證氣化爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并使排放廢氣達(dá)到大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下，1套碎煤加壓氣化裝置每個(gè)系列設(shè)置1套冷火炬和1套熱火炬系統(tǒng)。冷火炬主要用于氣化爐吹掃、置換階段和蒸汽升溫階段的排放，熱火炬用于氣化爐空氣點(diǎn)火和切氧后以及緊急事故和計(jì)劃停車階段的排放。

2.1 冷火炬的優(yōu)缺點(diǎn)

碎煤加壓氣化爐開停車火炬設(shè)置中，冷火炬主要在開車初期(即氣化爐加煤完畢后)使用。用高壓蒸汽對(duì)煤層加熱，加熱后蒸汽和由受熱后的燃料煤分解揮發(fā)分的氣體一同通過氣化煤氣出口進(jìn)入到冷火炬總管，在冷火炬中放空。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，維修操作方便，相當(dāng)于一個(gè)就地放空管。

雖然該工藝設(shè)備操作簡單，但是由于通過其排放的氣體只經(jīng)過初步的洗滌分離而并未進(jìn)行細(xì)化處理，所以這種排放方式簡單、粗放、直接。冷火炬主要在氣化爐蒸汽升溫開始到結(jié)束的這一段時(shí)間內(nèi)(即蒸汽升溫階段)使用。加熱的燃料煤層會(huì)隨著溫度的不斷上升逐步開始熱解，有大量的氣體解析出來。所謂煤的熱解就是指由于溫度的不斷升高，分子間振動(dòng)逐漸加劇，當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度大于分子和分子以及原子鍵生成能時(shí)，分子中的原子鍵能就會(huì)斷裂。因此，當(dāng)煤層溫度高于85～120 ℃時(shí)煤層就會(huì)開始熱分解，這時(shí)就會(huì)有一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣等氣體解析出來，我們稱之為煤的干燥過程。當(dāng)溫度升至120～200 ℃時(shí)，吸附在煤顆粒小孔間的硫化物、甲烷、二氧化碳等有害氣體也被解析放出來，我們稱之為煤炭的脫吸階段。當(dāng)溫度升至200～300 ℃時(shí)，原料煤進(jìn)入正式熱分解，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一定量的氣態(tài)產(chǎn)物和烴類產(chǎn)物，比如一氧化碳、二氧化碳、硫化氫等，少量的煤焦油此時(shí)開始解析出來，我們稱為煤的開始熱解階段。當(dāng)溫度升至300～400 ℃及以上時(shí)，煤的熱解速度加快，大量的焦油和氣體被析放出來，尤其是焦油混合物幾乎全部在此溫度范圍內(nèi)被析放出來。在這一階段析放的氣體主要為甲烷及其同系物，此外還有一些不飽和烴(CmHn)、氫氣及有毒氣體等，我們稱為一次性氣體。黏結(jié)性的煤在此時(shí)解析的焦油不飽和烴和有毒氣體尤為明顯。煤在這一階段由膠質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢姑籂顟B(tài)，此階段稱為膠質(zhì)體固化階段。氣化爐蒸汽升溫階段采用的是高中壓蒸汽，其溫度一般在380～450 ℃這個(gè)范圍內(nèi)，也就是說蒸汽升溫階段煤層最終的平均溫度也基本在這個(gè)溫度范圍之內(nèi)。從蒸汽升溫到升溫結(jié)束，基本需要3h左右，煤層的溫度會(huì)隨著時(shí)間的延續(xù)不斷上升，與此同時(shí)不斷有氣體從煤中解析出來，解析出來的氣體由氣化爐進(jìn)入到冷火炬總管中。這種排放方式將大量的廢氣和少量的氣態(tài)焦油通過蒸汽帶入冷火炬中，并被直接排放到大氣中，對(duì)環(huán)境有污染。由于當(dāng)時(shí)環(huán)保要求并不嚴(yán)格，且對(duì)排放的管理不夠，沒有引起各個(gè)生產(chǎn)單位足夠的重視，這種排放方式一直存在。由于排放的尾氣并沒有經(jīng)過嚴(yán)格地收集處理，只是通過煤氣化爐出口噴射洗滌后就直接排放，尤其是在開車期間，現(xiàn)場彌漫著刺鼻的氣味，并有少量煤塵飄落。隨著環(huán)保管理要求越來越嚴(yán)格，該尾氣必須經(jīng)過合理回收處理才可排放。因此，就需在進(jìn)冷火炬之前設(shè)置洗滌分離裝置，對(duì)該尾氣進(jìn)行洗滌分離后，再焚燒或進(jìn)一步處理。

2.2 熱火炬的作用

熱火炬使用分兩個(gè)階段：第一階段，氣化爐空氣點(diǎn)火后直至氣化爐提壓，并網(wǎng)前在熱火炬處排放；第二階段，氣化爐停車期間煤氣粗煤氣在熱火炬高空燃燒。

熱火炬主要作用是焚燒氣化爐開車、停車和緊急停車過程中的粗煤氣，在進(jìn)熱火炬之前的粗煤氣設(shè)置有洗滌器和分離器，對(duì)粗煤氣進(jìn)一步進(jìn)行除塵和除焦油處理，并且在熱火炬底部也設(shè)置分液罐來對(duì)粗煤氣進(jìn)行再次分離，防止氣體的帶液以及攜帶物阻塞火炬頭。開車過程中的煤氣進(jìn)入到熱火炬中進(jìn)行焚燒。

在氣化爐停車泄壓排完煤后，一般用蒸汽進(jìn)行氣化爐的吹掃，一個(gè)目的是為了防止氣化爐的布?xì)饪锥氯硪粋€(gè)目的是將氣化爐內(nèi)剩余的粗煤氣置換出去。該排放氣一般在熱火炬里放空焚燒，經(jīng)過熱火炬處理完的尾氣可滿足環(huán)保排放要求。

3 開工火炬應(yīng)用情況

實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)冷火炬前的氣體中含有很多成分，尤其還有少量的煤塵和焦油沒有進(jìn)行洗滌和分離，雖然該設(shè)備簡單，投資也小，但是該氣體不具備達(dá)標(biāo)排放。在山西化肥廠和大唐克旗煤制天然氣公司，包括后建的一些化工廠的氣化裝置中都設(shè)置了冷火炬和熱火炬，但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于冷火炬排放不合格，該冷火炬設(shè)備基本不投用，在蒸汽升溫階段的排放氣大都經(jīng)過熱火炬進(jìn)行焚燒。雖然投用的企業(yè)在進(jìn)冷火炬之前增建了洗滌分離器和噴淋水系統(tǒng)，但也不能滿足環(huán)保的要求。有的企業(yè)已經(jīng)考慮將該氣體送往蓄熱回收裝置進(jìn)行處理，有的企業(yè)考慮再增加1臺(tái)熱火炬取代該冷火炬。

4 取消冷火炬的影響及解決辦法

碎煤加壓氣化裝置冷火炬主要用于氣化開車蒸汽升溫階段，如果只設(shè)置1臺(tái)熱火炬而取消冷火炬，當(dāng)1臺(tái)氣化爐正在空氣運(yùn)行而另1臺(tái)氣化爐由于非正常原因需要停車時(shí)，空氣運(yùn)行的壓力只有0.3～0.4 MPa(g)，而即將停車的氣化爐的停車壓力至少在3MPa(g)左右，這樣就只能有1臺(tái)氣化爐使用火炬，嚴(yán)重影響裝置的生產(chǎn)負(fù)荷和安全生產(chǎn)。對(duì)于裝置規(guī)模較小的氣化裝置一般有5臺(tái)(4開1備)氣化爐的氣化裝置，可以增加1臺(tái)熱火炬或進(jìn)入全廠總火炬進(jìn)行泄壓排放，從而取消冷火炬，這樣的排放完全滿足生產(chǎn)要求。

對(duì)于裝置規(guī)模比較大的氣化裝置，氣化爐停1臺(tái)車對(duì)整個(gè)生產(chǎn)負(fù)荷影響較小，其余氣化爐完全可以增減負(fù)荷來應(yīng)對(duì)，即使出現(xiàn)1臺(tái)氣化爐開車而另外1臺(tái)停車的情況，也可以使停車的氣化爐保壓，等待開車完成后再泄壓。

因此，考慮到環(huán)保因素，建議在國內(nèi)新建和改進(jìn)的碎煤加壓氣化裝置中逐漸取消冷火炬的設(shè)置，而只設(shè)置熱火炬，增加對(duì)蒸汽升溫階段排放氣的洗滌效果，并將其導(dǎo)入熱火炬中進(jìn)行焚燒。這樣減少了冷火炬管線和設(shè)備的設(shè)置，裝置減少了投資，且排放氣更安全、更環(huán)保。只設(shè)置熱火炬完全可以代替冷火炬的功能，并能對(duì)氣體進(jìn)行處理，達(dá)到環(huán)保要求。

5 結(jié)語

根據(jù)目前工業(yè)氣體排放的要求，將氣化爐的所有開車尾氣進(jìn)行洗滌分離后送往熱火炬進(jìn)行焚燒，完全可以滿足生產(chǎn)和環(huán)保的要求，建議新建(在建)碎煤加壓氣化裝置開工火炬取消冷火炬的設(shè)置。

[1]賀永德.現(xiàn)代煤化工技術(shù)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2]謝克昌.煤炭氣化技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.