HT－L炉装置100%CO2粉煤输送技术经济性分析

李相军，吕冰洋，牛巧霞

(1.濮阳龙宇化工有限责任公司，河南濮阳 457000;2.郑州大学，河南郑州 450001)

0 引言

濮阳龙宇化工有限责任公司新建15万t/a甲醇HT－L炉粉煤加压气化工业化示范装置的工艺设计，是以北京航天万源工程公司所提供的HT－L粉煤加压气化工艺包而进行设计的，这项技术是由北京航天万源工程公司研发的，具有自主知识产权的粉煤加压气化技术。该工业化装置为航天气化炉示范装置，2007年3月动工建设，于2008年10月气化装置建成并一次点火成功。

HT－L炉粉煤加压气化装置分为四个单元，即磨煤与干燥系统(U1100)、粉煤加压及输送系统(U1200)、气化及合成气洗涤系统(U1300)、渣及灰水处理系统(U1400)。磨煤与干燥系统(U1100)由磨煤、粉煤干燥及输送、粉煤过滤三个部分组成。粉煤加压及输送系统(U1200)主要是粉煤的储存、加压及输送，粉煤由常压经过加压后顺利输送到气化炉。气化及合成气洗涤系统(U1300)是整个气化装置的核心，粉煤、氧、水蒸气在气化室发生剧烈的氧化还原反应，生成粗合成气并在激冷室和洗涤塔内进行洗涤降温后送到变换工序。渣及灰水处理系统(U1400)主要是将黑水进行处理，处理后的灰水循环使用。

1 该技术的应用背景

由于我公司的主产品是甲醇，氮气不参与甲醇合成反应，所以合成循环气中氮气是惰性气体，合成循环气中氮气含量越高，甲醇合成工序的弛放气放空量越大，势必造成大量有效气体放空，生产成本增加，因此，要求从气化来的合成气中的氮气含量越低越好。航天炉粉煤加压气化示范装置的粉煤输送载气设计为高压氮气或高压二氧化碳两种气体。

2 CO2替代N2输送粉煤的可行性研究

在我公司首套HT－L炉粉煤加压气化装置建设时，北京航天万源工程公司对CO2替代N2输送粉煤技术做过一些前期的基础研究工作，但是之前没有任何工业装置成功使用该技术的案例，所以没有经验可以借鉴，只能靠一边研究，一边试验，一边技改，然后通过实际生产中试验验证。

2.1 CO2输送煤粉时对输送系统的不利影响

从低温甲醇洗出来的CO2的纯度在99.7% ～99.9%，其它微量成分为 CO、H2、H2S、COS、H2O 等，还有一些微量的固体颗粒。微量的H2S、COS对管道、设备会存在一定的腐蚀，固体颗粒会堵塞粉煤充气锥和充气器的烧结金属微孔，降低充气锥和充气器孔隙率，使压差逐渐增大，严重时甚至会因充气锥和充气器破裂而导致全系统停车。

在煤粉的输送过程中高压CO2和煤粉发生化学反应。CO2的还原反应是一个可逆反应，也是一个强吸热反应。大量的研究结果表明，在低温条件下(≤800℃)，CO2和碳发生还原反应的速度很慢，800℃以上反应，明显加快。根据布杜阿尔(O.Boudouard)的研究和试验结果，二氧化碳还原反应平衡混合物组成与温度的关系见表1。

二氧化碳还原反应是气相摩尔数增大的反应，因此系统压力的增大会抑制还原反应的进行，不利于CO的生成。二氧化碳还原反应平衡混合物组成与压力的关系见表2。

表1 平衡混合物的组成(体积分数)与温度的关系

表2 平衡混合物的组成(CO体积分数)与压力的关系

在正常生产过程中，CO2输送粉煤时系统的温度范围为90～105℃，压力范围为3.0～4.8 MPa。通过表1、表2可以看出，CO2和碳基本不会发生还原反应，可以和N2一样视为惰性气体，整个输送过程是安全可行的。

2.2 对气化系统的影响

在粉煤流量计、速度仪的标定过程中，输送介质是高压N2，当低温甲醇洗开车正常，有合格的CO2产品气后逐渐切换为CO2，直到100%切换。由于CO2和N2两种气体的密度不同，对粉煤密度仪的测量值产生影响，煤粉的实际流量会比测量流量偏小。所以在N2切换CO2过程中容易造成氧煤比偏高，导致气化炉跨渣。

气化炉合成气中CO2的含量是监控气化炉温度的一个重要指标。有关研究表明，在氧碳比为1时，合成气中的CO2的含量最低，高于1后CO2含量逐渐升高。用CO2输送煤粉时将有7 000～9 000 Nm3CO2进入气化炉，部分CO2会参与反应，导致合成气中CO2的含量无法反映气化炉的操作工况;同时，反应是吸热反应，需要吸收大量的热量。为了维持气化炉操作温度，需要增加氧量，造成氧耗增加。

3 CO2替代N2输送粉煤的应用过程

3.1 切换CO2过程中需要注意的问题

①切换CO2时要缓慢，同时对比粉煤储仓称重，在30%、50%、80%和100%CO2条件下建立一组粉煤密度漂移系数。②密切注意充气锥的通气量和压差，避免损坏充气锥。③在氧煤比不变的情况下，分析合成气的气体成分变化，现场观察渣样并根据汽包产气量判断炉温的变化情况，及时调整氧煤比。

3.2 CO2输送粉煤试验中出现的问题及解决办法

100%切换CO2后，粉煤密度漂移约20%(根据实际生产中的数据估算值)，经过粉煤调节阀的调节，不影响正常操作。在切换CO2过程中需要根据具体情况将氧煤比人为适当减小，以保证气化炉的合适的操作温度，确保气化炉正常挂渣。切换CO2一段时间后，V－1204充气锥流量逐渐减小，压差逐渐增大，2009年5月检修时发现V－1204充气锥烧结金属表面固体颗粒很多，滤孔大部分堵塞，导致充气锥损坏。经过技术改造后V－1204充气锥可以正常运行，能适合100%CO2作为载气使用，技改后运行至今没有出现损坏情况。切换过程及正常生产中对气化炉的正常操作影响不大，经过调节完全可以满足要求，但是合成气的成分变化较大，氮气含量则明显降低，CO2含量升高。在实际生产中氮气输送和CO2输送煤粉时合成气的实际成分对比如表3所示。

表3 合成气成分

4 CO2替代N2输送粉煤的使用效果

从2009年2月开始，我厂开始在HT－L炉装置试验CO2替代N2输送粉煤技术，经过两年多的实际生产表明，在HT－L炉装置上CO2完全可以替代N2输送粉煤，且经济效益较好。表4是HT－L炉装置100%CO2替代N2输送粉煤时的各项指标。

表4 产量及消耗指标

在使用氮气输送煤粉时，合成气中的氮气无法被去除，将会和净化气一起到甲醇合成工段，由于在甲醇合成时氮气不参与反应，会逐渐在系统中累积，为保持合成系统氮气含量稳定，需要通过大量的弛放气排放将氮气排出系统。在70%左右的负荷时，且弛放气放空量高达9 500 km3/h，弛放气中有效气体(CO+H2)含量约80%，相当于有7 200 km3/h有效气体放空，每天浪费17万m3有效气体(CO+H2)，折合精甲醇约75 t/a。合成循环气中氮气含量高达10%以上后，甲醇合成只能维持70%负荷。1 00%CO2输送煤粉时，净化气的N2含量低于0.5%，CO2低于6%，在100%负荷下甲醇合成的弛放气量约1 650 km3/h，装置操作稳定，生产成本显著降低。

5 结束语

在装置运行过程中，各项工艺参数均达到预期指标，也使我们在技术研究、技术改进过程中积累了丰富的经验。100%CO2代替N2输送煤粉技术在航天炉粉煤加压气化装置的成功应用，验证了该技术的可靠性、先进性，同时也为我们带来了较好的经济效益。当前，节能减排的形式十分严峻，100%CO2代替N2输送煤粉技术在航天炉粉煤加压气化装置的成功应用，不但节约了大量的能源，增加了效益，同时减少了温室气体CO2的排放，产生了较大的经济效益和社会效益。