百噸級干煤粉加壓氣化激冷工藝技術(shù)應(yīng)用與示范

陳星榮，姜龍龍，單兆鵬

(江蘇淮河化工有限公司，江蘇淮安 211742)

面對目前越來越嚴(yán)峻的環(huán)境問題，小型煤化工工業(yè)裝置因工藝落后、裝置技術(shù)水平低導(dǎo)致的污染問題造成企業(yè)面臨著生存危機(jī)，如采用固定床氣化技術(shù)的裝置，其氣化溫度低、碳轉(zhuǎn)化率低、產(chǎn)生大量危害重、處理難的有機(jī)廢水[1-2]。以合成氨行業(yè)為例，根據(jù)氮肥工業(yè)協(xié)會的調(diào)查，目前投產(chǎn)運行的合成氨生產(chǎn)企業(yè)氣源以煤制氣為主，約占總產(chǎn)能的75%，其中無煙塊煤(型煤)固定床間歇氣化合成氨產(chǎn)能占總產(chǎn)能的40.3%，剩余主要是以天然氣為氣源的生產(chǎn)裝置[3]。以無煙塊煤(型煤)固定床間歇氣化為氣源和以天然氣為氣源的裝置均將因為能效、環(huán)保和成本等原因而將氣源生產(chǎn)改為相應(yīng)的小型干煤粉加壓氣化裝置，以提高冷煤氣效率和全裝置熱效率，提高煤氣化環(huán)保性能[4]。其他諸如焦?fàn)t氣綜合利用、工業(yè)燃?xì)馍a(chǎn)等領(lǐng)域均有類似情況。煤粉加壓氣化工藝的成功應(yīng)用，將促進(jìn)以合成氣為原料的化工生產(chǎn)向清潔高效發(fā)展[1]。

江蘇淮河化工有限公司合成氨項目設(shè)計年產(chǎn)6萬t合成氨，其中氣化生產(chǎn)裝置采用中國華能清潔能源技術(shù)研究院有限公司自主研發(fā)的百噸級干煤粉加壓氣化激冷工藝技術(shù)。合成氨項目于2021年1月氣化裝置投料成功，2021年2月全流程貫通，生產(chǎn)出合格無水氨產(chǎn)品。中國華能清潔能源技術(shù)研究院有限公司開發(fā)的小型干煤粉加壓氣化激冷工藝技術(shù)裝置(簡稱華能爐)完善了干煤粉加壓氣化技術(shù)應(yīng)用范圍，拓展了干煤粉氣化的應(yīng)用方向，具有廣闊的市場前景。

筆者介紹了江蘇淮河化工有限公司合成氨項目造氣單元-百噸級干煤粉加壓氣化激冷工藝技術(shù)的工藝流程，同時對氣化相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計，以期對實際工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 百噸級干煤粉加壓氣化激冷工藝流程

百噸級干煤粉加壓氣化激冷工藝流程見圖1。該工藝包括磨煤干燥、加壓輸送、氣化與激冷、排渣、濕法洗滌、初步水處理等工藝單元[5]。

圖1 百噸級干煤粉加壓氣化激冷工藝流程

1.1 磨煤干燥單元

原料煤經(jīng)稱重給煤機(jī)計量后送到磨煤機(jī)磨制成合適粒徑的細(xì)煤粉，被來自熱風(fēng)爐的熱惰性氣體干燥，并送至布袋除塵器過濾，干燥的細(xì)煤粉再經(jīng)旋轉(zhuǎn)卸料閥和螺旋輸送機(jī)送至加壓輸送單元。

1.2 加壓輸送單元

來自磨煤干燥單元的細(xì)煤粉儲存在常壓倉中，當(dāng)常壓倉和煤粉鎖斗壓力相等時，煤粉通過重力作用進(jìn)入煤粉鎖斗，然后將煤粉鎖斗和上下游設(shè)備隔離，進(jìn)行沖壓。當(dāng)煤粉鎖斗和給料倉壓力相等時，鎖斗卸料閥打開，進(jìn)行下粉，下粉完成后鎖斗卸料閥關(guān)閉，煤粉鎖斗進(jìn)行泄壓，至常壓后與常壓倉聯(lián)通，重復(fù)上一操作。給料倉采用下出料結(jié)構(gòu)，細(xì)煤粉被氮氣攜帶送至氣化爐燒嘴與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生合成氣。

1.3 氣化與激冷單元

空分裝置來的氧氣與輸送單元來的煤粉經(jīng)組合燒嘴從頂部送入氣化爐，發(fā)生氣化反應(yīng)產(chǎn)生合成氣，粗合成氣和反應(yīng)過程中產(chǎn)生的高溫熔融態(tài)灰渣一起下行進(jìn)入氣化爐下段的激冷罐。合成氣被激冷水冷卻后，進(jìn)入濕法洗滌單元；熔融態(tài)灰渣被水激冷后進(jìn)入激冷罐底部的水浴中，冷卻固化，再經(jīng)除渣系統(tǒng)排至界區(qū)外。氣化過程中產(chǎn)生的熱量通過水冷壁的循環(huán)水移至蒸汽發(fā)生器副產(chǎn)蒸汽。激冷罐底部的黑水排出送至初步水處理單元。

1.4 排渣單元

氣化爐激冷罐底部的粗渣及其他固體顆粒通過循環(huán)水流的循環(huán)作用帶入鎖斗。排渣時鎖斗泄壓閥打開，鎖斗內(nèi)壓力經(jīng)鎖斗沖洗水罐泄至常壓，然后鎖斗出口閥打開，渣和水排到渣池中的撈渣機(jī)上。渣池中設(shè)置撈渣機(jī)的部分與渣池另一部分通過關(guān)閉隔板閥暫時隔開，以便渣沉降到撈渣機(jī)上，由撈渣機(jī)送出渣池。排渣周期一般為40 min左右，視原料中灰含量設(shè)置。

1.5 濕法洗滌單元

從激冷罐出來的合成氣進(jìn)入文丘里洗滌器，與來自洗滌塔底部的灰水混合，使合成氣夾帶的固體顆粒完全濕潤，然后進(jìn)入洗滌塔，合成氣向上穿過水浴層，大部分固體顆粒沉降到塔底部與合成氣分離。上升的合成氣沿下降管和導(dǎo)氣管的環(huán)隙向上穿過6層塔板，與變換冷凝液和除氧器送來的除氧灰水逆向接觸，洗滌剩余的固體顆粒，然后離開洗滌塔進(jìn)入變換工序。洗滌塔底部黑水排入中壓閃蒸罐處理。

1.6 初步水處理單元

來自氣化單元激冷罐排出的黑水和來自濕洗單元洗滌塔排出的黑水都進(jìn)入中壓閃蒸罐進(jìn)行一級閃蒸，然后進(jìn)入真空閃蒸罐進(jìn)行二級閃蒸，黑水中的酸性氣體被閃蒸出來送至脫硫系統(tǒng)處理。閃蒸后的黑水再進(jìn)入澄清槽沉淀，固體灰渣通過泵送至真空帶式過濾機(jī)過濾制成濾餅后排出界區(qū)。經(jīng)預(yù)處理后的廢水除氧后可返回系統(tǒng)，為防止鹽分累積，一部分廢水排至全廠水處理系統(tǒng)。

2 氣化爐概況

氣化爐作為百噸級干煤粉加壓氣化激冷工藝技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計理念為既要繼承干煤粉加壓氣化煤種適應(yīng)性廣、效率高、環(huán)保性能優(yōu)良的長處，又要盡可能防止傳熱惡化，同時保持較高的對流系數(shù)，確保水冷壁安全。在氣化爐外設(shè)置蒸發(fā)器對循環(huán)水進(jìn)行冷卻降溫，同時產(chǎn)生蒸汽。

國內(nèi)外干煤粉加壓氣化及華能爐傳統(tǒng)爐型均采用高壓(3.0～4.0 MPa)氣化，合成氣根據(jù)下游應(yīng)用壓力進(jìn)行增壓或減壓，百噸級氣化爐規(guī)模容量和氣化壓力可根據(jù)下游工藝用氣壓力和用氣量的需求靈活設(shè)計。

百噸級干煤粉加壓氣化爐結(jié)構(gòu)及火焰示意圖見圖2。

1—組合式燒嘴；2—燒嘴罩；3—水冷壁；4—氣化爐殼體；5—渣口。

百噸級干煤粉加壓氣化爐的爐型特點為：

(1)氣化爐水冷壁采用分段盤管形式。水冷壁從上往下分4段盤繞形成氣化反應(yīng)區(qū)，通過每段水冷壁內(nèi)的循環(huán)水流量和溫升實時監(jiān)控爐溫，并且間接確定反應(yīng)時火焰的中心位置。根據(jù)各段水冷壁溫升測量，可以監(jiān)測相應(yīng)部位熱負(fù)荷的變化，從而監(jiān)測爐內(nèi)反應(yīng)溫度變化和溫度場的分布。同時可根據(jù)蒸汽產(chǎn)量輔助判斷反應(yīng)區(qū)溫度變化，為運行操作提供了直觀有效的監(jiān)測手段[6]。

(2)水冷壁循環(huán)水欠飽和運行。與傳統(tǒng)水冷壁-汽包循環(huán)系統(tǒng)相比，該爐型采用“爐外移熱”的循環(huán)方式。水冷壁采用欠飽和運行，循環(huán)水溫度比飽和溫度低15～25 K，水冷壁中循環(huán)水不汽化，避免了水冷壁傳熱惡化，同時保持了較高的對流系數(shù)，確保水冷壁安全，在爐外設(shè)置蒸汽發(fā)生器對循環(huán)水冷卻降溫，同時產(chǎn)生蒸汽。這樣避免了汽包系統(tǒng)液位難控制易跳車的風(fēng)險。

3 工業(yè)示范情況

江蘇淮河化工有限公司原生產(chǎn)裝置采用固定床間歇造氣生產(chǎn)合成氨，工藝技術(shù)采用典型的傳統(tǒng)小氮肥工藝，以塊煤/煤棒為原料，利用常壓固定床間歇氣化法制造半水煤氣、利用常規(guī)的絕熱反應(yīng)器進(jìn)行變換反應(yīng)、利用銅洗工藝凈化合成氨原料氣。該工藝流程長、設(shè)備多、能耗高。銅洗產(chǎn)生的大量廢棄物對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。為完善企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，提升裝置安全、環(huán)保、工藝水平，決定采用該百噸級干煤粉加壓氣化爐進(jìn)行氣頭改造，等量替換建設(shè)了新合成氨裝置。以干煤粉加壓氣化裝置為源頭的合成氨生產(chǎn)線，更新升級了氣體凈化、氨合成等裝置。

該氣化項目采用1臺投煤量240 t/d 的小型氣化爐，單臺氣化爐設(shè)計有效氣(CO+H)體積流量為17 600 m3/h，氣化壓力為2.6 MPa，碳轉(zhuǎn)化率為97%。該氣化裝置于2021 年1月投料成功，裝置運行煤種煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1，主要運行指標(biāo)和設(shè)計指標(biāo)對比見表2。

表1 運行煤種煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

由表2可看出：合成氣中的有效氣含量大于設(shè)計值，比煤耗、比氧耗、冷煤氣效率等參數(shù)指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計值。干氣組分中CO2含量小于設(shè)計值，這是因為運行煤的灰熔點比設(shè)計煤種低，爐溫控制相對低一些，所以相應(yīng)的比氧耗和CO2含量都低于設(shè)計值。而N2含量大于設(shè)計值是環(huán)隙吹掃N2和火檢保護(hù)氣量大于設(shè)計值所致。出氣化界區(qū)合成氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)約37%，完全滿足下游變換工序的指標(biāo)：下游裝置包括控溫變換裝置、生化鐵——堿溶液催化法氣體脫硫裝置、等溫變壓吸附分離裝置、低溫合成制氨裝置。

表2 裝置主要運行指標(biāo)和設(shè)計指標(biāo)對比

4 結(jié)語

江蘇淮河化工有限公司采用百噸級干煤粉加壓氣化激冷工藝替代常壓固定床間歇氣化法制造半水煤氣，優(yōu)化原有工藝裝置結(jié)構(gòu)，采用新技術(shù)、新工藝，提升裝置安全、環(huán)保、工藝水平。通過裝置運行情況，合成氣中的有效氣含量優(yōu)于設(shè)計值，適用于小型煤化工升級、合成氨裝置改造需求。