碎煤加压气化工艺改进思路

李斌，王忠浩

（天津渤化永利化工煤化工事业部，天津 300000）

碎煤加压气化工艺改进思路

李斌，王忠浩

（天津渤化永利化工煤化工事业部，天津 300000）

本文介绍了碎煤加压气化在运行中出现的问题，提出了碎煤加压气化工艺改进思路：验证了炉型扩大、提高气化炉操作压力和使用CO2作为气化剂返炉的可行性；提出了煤锁气冲压优化、入炉煤粒径控制的改进方案；提出了入炉煤中微量元素（主要是氯元素和氟元素）露点腐蚀是气化炉夹套减薄的主要原因。

碎煤加压气化；工艺改性；气化炉型

1 碎煤加压气化介绍

国内运行的煤制气项目除汇能外大部分选用碎煤加压气化工艺路线，主要原因是碎煤加压气化工艺具有工艺成熟、总体能效高、甲烷含量高，煤种适应性广、建设周期短和投资低的优势。该技术在主流煤气化工艺中引进和使用时间最长，相对而言积累了较丰富的运行经验。

国内碎煤加压气化的项目全部采用了ø4.0m炉型，但是由于各地区煤种的不同，几个项目都出现了不同的问题，给煤制气项目蒙上了一层阴影。这些问题主要包括：气化炉夹套腐蚀严重、气化炉运行工况差不能实现高负荷生产、粗煤气带粉严重造成油水分离困难，酚氨水入口水指标不合格且装置设计能力不够等。工艺相同出现的问题却大相径庭，究其原因还是对煤的认识不够充分，对不同特性的煤种未能进行个性化设计。以下是对这些问题的简单描述。

水夹套的腐蚀问题曾经严重影响某装置的运行，气化炉运行不足两个月便出现了深度腐蚀夹套漏水的问题。经过对煤质全面分析后，发现Cl%达到0.12%,F含量也高达136ug/g，损坏原因是超高的卤素在气化炉内壁上形成了露点强酸腐蚀。该问题现在已经通过内壁堆焊或内衬inconel625材料得到有效解决。

某项目气化炉工况波动大单炉负荷不足60%，主要原因是原料煤机械强度差且热稳定性RW+6仅有30%，床层内大量碎化的原料严重地影响了气化剂均布，炉况恶化负荷受限。另外随粗煤气带出的大量细粉物严重地影响了油水分离装置的正常运行，导致酚氨水入口水中油含量大幅度超标。如此影响下工序的处理能力也在情理之中，现在已通过增加前置筛分措施使问题得到有效缓减。

还有的企业气化煤质含油较高，气化过程中大量热解油进入粗煤气中，油水分离装置能力不足导致出口油超标，酚氨水装置工况恶化，不仅影响了萃取的效果而且还使换热器频繁堵塞，同时也增加了日常检修工作量。出现这个问题的根本原因还是油水分离装置未按该煤种进行个性化设计。

综上所述，国产碎煤气化工艺出现的问题都是可以解决的，在优化设计后可以满足中小型企业装置的生产需求。但同时也要看到由于单炉生产能力偏小，实际最大产气量也仅为4万Nm3/h,与大型化装置的配套还存在气化炉数量多、占地面积大和管理难度大的问题。

2 碎煤加压气化工艺改进

2.1 炉型扩大

气化炉产能的大型化是行业发展的一个大方向，以粉煤气化炉为例，从第一代的700～1000 t/d的工业炉型，经过十年的发展，现在2000～2700 t/d的炉型已经成为市场主流，最近4000～5000 t/d的超大型炉型已被开发有望近年投运。而这些年国内碎煤加压气化炉在产能上却停滞不前，在市场竞争中明显处于劣势。

炉型扩大后能否实现高效平稳运行，关键是要保证床层内气体分布的均匀性，这里包含三个要素：床层阻力、炉篦布风和炉顶静压力的分布均一性。

首先料径和布煤方式决定了床层阻力分布，炉膛内水平横截面布煤的均一性是保证床层阻力均匀的关键。由于不同粒径煤的安息角不同，布煤过程中粒径大的煤会沿落点向四周散落，与半径成正态分布，这样在炉内其阻力随落点半径也呈正态分布，而炉篦布风却很难与之变化相适应，有时甚至相差很大，这就使气化剂达不到均匀分布，成为炉况变差的最大元凶。布煤方式的选择是改善床层阻力不均的手段之一，特别是对大炉膛气化炉，需选用专用的布煤器设计，原则上炉内煤层高不超过300mm为宜。

其次要保证炉篦内膛各出风口处的静压能相当，同时考虑不同原料的反应活性、形变方式和反应比表面积的因素。在调整炉篦各层出风口大小时，不仅要依据冷态风速流场模拟结果，还要结合实际使用的原料特点进行。在炉篦的设计上，笔者认为宝塔炉型炉篦在配套大直径气化炉时应进行结构上的优化，要适当提高高径比，目的是保证各层的排料效率相当，避免中心料区在炉内停留时间过长。另外尝试六层结构，并适当调整布煤落点半径区的布风面积，以最大限度与床层阻力相适应。最后要保证炉顶区域静压力的均布，防止流速不均引起的高流速区域带出物多和低流速区域气化强度不够，这个问题可通过对称布置气体出口的方式加以解决。

2.2 操作压力提升

过去由于材料密封和设备的限制，加压碎煤气化炉操作压力维持在30bar或者更低,这也是其产能停滞不前的原因之一。随着新材料的成功应用，煤锁和灰锁阀门的密封已经完全能够适应更高压力等级。压力提高后会对气化有诸多有利因素，如操作压力从3.0MPa提高到5.0MPa，系统会发生如下积极影响：

1）全系统合成气压缩功可降低12%左右；气化压力的提高可有效降低后序合成的压缩功，减少压缩规模的投入和动力蒸汽的消耗。

2）反应推动力的增加可提高气化反应进程，由于高温气化反应区属于动力学控制模式，压力的提高对气化剂的微观扩散有促进作用。宏观体现在蒸汽分解率提高约4%～7%，气化炉产气量增加30%左右。

3）粗煤气中CH4含量上升1%～2%,尤其适合煤制天然气项目，可降低合成一次性投资。

当然压力提高后也会带来一些负面的影响，特别是有些项目使用的原料煤热稳定性不好，这种情况应谨慎选择高压模式，防止气化炉出口粗煤气带出物多，影响下游油水分离系统的分离效果。

为了控制带出物含量理论上要求炉顶合成气的速度要小于气体微尘的悬浮平衡速度（不同性质的煤悬浮速度一般为0.15～0.25m/s）。影响悬浮平衡速度有二个因素：微尘粒径、比重。年轻和热稳定性差的煤在受热后要分解出大量微尘，这些微尘具有粒径小比重低的特点，因此在高压下这种煤的带出物会明显增加。为了控制炉顶带出物含量，应选择热稳定性和机械强度好的煤作为原料煤，同时要防止入炉煤的含粉量过高，入炉前的有效筛分也特别重要。

2.3 CO2作气化剂返炉

碎煤加压气化工艺一直存在副产高浓度酚氨废水的瓶颈问题，一般情况下一吨煤气化过程中附产0.7～1.0t废水。这些废水来源于未分解的蒸汽和煤中未反应的自有水，该废水具有COD高、油含量高、色度高和处理难度大的特点，而且不同的煤其废水的指标差别又很大。与其配套的油水分离和酚氨回收装置不仅投资高、占地面积大，而且运行也不稳定，这个问题也是该工艺的一个短板，一些企业因排水量大指标不合格被迫减负荷，同时高浓废水的处理目前在技术上也不够成熟，企业的环保压力相当大。因此如何降低该工艺的废水排放是提升该工艺的一个重要突破口。下面通过对气化剂与煤的反应特点说明CO2替代部分蒸汽的可能性。

氧气和过热蒸汽作为该气化炉的气化剂，汽氧比值较高，一般为6～9，其主要原因是操作温度低、反应比表面积低造成蒸汽分解率仅为30%-35%，真正用于反应的蒸汽仅占小部分，大部分未分解的蒸汽随粗煤气在下游冷却变为溶有大量有机物的废水，这是该工艺废水产量高的主要原因。那么如果用CO2替代部分水蒸汽作为气化剂，理论上同样可实现C、H原子的转移（部分氢来源由变换反应提供），但却减少了废水的产生。

当气化炉温在1130℃时，CO2可消耗6000Nm3/h。但是随着气化温度的降低，CO2消耗率则有一个先升高后降低的拐点，这是因为气化温度过低时，二段碳转化率低引起的。

在温度为1130时CO2的转化率可达到60%，同比蒸汽的转化率要高很多，在效率上有明显的优势。同时替代后蒸汽量的减少使气化废水的产量有效缩减，对下游产生了积极的影响。通过计算以单炉6000 Nm3/h的能力计算，每小时可替代2.1t过热蒸汽，有效气增量4.8%，废水减量为1.6t，年增效益约300万元/台炉。

由上分析CO2替代水蒸汽理论上是可行的。

2.4 其它优化项目

2.4.1 煤锁充压优化

碎煤加压气化采用间歇式的加煤充压方式，传统工艺中采用气柜收集排放气经加压回送煤锁作为充压气，用气高峰时使用部分粗煤气作为补充。采用气柜回收增压的方式，存在占地面积大，安全系数低，压缩机运行不稳定，而且回收后仍有部分气体需要外排火炬。

用CO2替代合成气充压具有明显的优势，如果再采用分级充压的模式经济性更好。酸脱排放的洁净CO2经压缩机加压进入充压管网，出口设置大缓冲装置，多炉充压时合理排序以保证充压管网压力的平衡，这种模式使流程更简洁，运行更稳定。在单炉双煤锁的模式下可设计压力互充的形式，充分利用卸压气的压力能。经测算采用分级互充模式，单炉每小时可节约充压气2400 Nm3，对大型煤化工项目具有很好的开发应用价值。

2.4.2 入炉煤粒径控制

目前大部分企业入炉煤粒径控制在5～50mm，但由于原料煤机械强度不同实际入炉粒度差异较大，有的企业粒径小于5mm占到了20%，这种情况会对气化炉工况产生较大影响。

笔者认为输煤线和储仓的设计要根据入炉煤的机强特性进行优化。当机械强度小于80时，应在入炉前加设筛分装置，同时将栈桥内机头机尾的高度差控制在最小，至煤仓的布料装置可采用滑道式装置。当煤的热稳定较差，应将粒径的低限提高，8mm～10mm都可尝试，虽然块转粉数量增加，但气化炉工况得到优化，从总体衡量还是有一定的经济性。另外ø5.0m气化炉炉体高度增加近5m，原料的停留时间较原炉型明显延长，因此在原料机强和热稳定差的情况下可适当提高原料的粒径上限，在煤锁布料允许的前提下可将上限提至60～70mm。

2.4.3 针对微域量元素的特殊设计

近年国内西部区部分煤制气项目出现了气化炉腐蚀严重的问题，对企业的整体运行产生了较大的影响，虽已经通过工业化手段得到了有效解决，但这个问题从失效基理上还未有权威性解释。从这些企业使用的煤质上看，氯离子或氟离子超高成共性，有的企业氯离子达到0.12%,而有的企业虽然氯离子不高，但氟根却达到136ug/g。

笔者认为气化炉内夹套减薄原因为露点强酸腐蚀，主要依据是炉压力、床层温度分布、腐蚀介质浓度等因素使炉内部分区域形成结露条件，由于离子态的强酸性物质存在其损坏速度之快也在情理之中。另外卤素中氟的结露和腐蚀性更强，我国西北部和西南部的部分煤中氟含量较高，这要引起相关企业的特别关注，需进一步完善设备的抗蚀措施。

3 结论

3.1 深度挖掘原料煤的分析研究，实现个性化工业设计

煤化工行业在煤的问题上教训是非常深刻的，过去我们由于对煤的认识不足出现了许多问题，有的企业甚至于开车后三五年都不能正常运行。现在随着煤的分析手段和项目日臻完善，对不同的气化工艺应该有自己一套煤的评价和适用体系，这样才可实现以煤定炉的科学决策。同时对气化工艺的专利商也提出了更高的要求，模块化的拷贝时代已经过去，针对不同的煤为客户能够提供个性化工业设计，同时通过对客户的回访充分完善工艺设计，这才是提高专利商综合竞争优势的有效渠道。

3.2 加快推进ø5.0m高压型气化炉的工业化试用

ø5.0m型气化炉炉径有所扩大，操作压力5.0MPa，单炉产气量可达到9～12万Nm3/h，气化炉配置数量较同等规模项目减少一半多，同时CH4含量的提高更有利于煤制天然气项目SNG合成能效的降低。通过大炉型的尽早试用，可有效推动煤制天然气项目的产业升级。

3.3 通过技术升级解决废水的环保排放

一方面积极探索实验以CO2代替部分蒸汽气化，在缩减气化废水产量的基础上优化废水相关指标，为下游的酚氨水回收系统创造良好的条件，最大限度发挥装置潜能。另外一方面通过化学转化的方式实现高盐废水的资源化利用。

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.03.008

TQ546.2

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2015-03-10