利用航天气化技术改造两段式加压气化工艺的可行性分析

李 锐

(内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司世林化工分公司，内蒙古 乌审 017313)



利用航天气化技术改造两段式加压气化工艺的可行性分析

李 锐

(内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司世林化工分公司，内蒙古 乌审 017313)

介绍了两段式干煤粉加压气化工艺技术在30万t/a甲醇工艺中的运行情况，针对两段式干粉煤加压气化工艺存在的问题，经过技术调研和方案比较，分析了采用航天粉煤加压气化技术对两段式干粉煤加压气化装置进行技术改造的可行性。

两段式干煤粉加压气化；HT-L航天炉；技术改造；流程配置

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.014

内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司世林化工分公司(以下简称“世林化工”)，是山东淄博矿业集团公司控股、鄂尔多斯市尤氏投资集团参股的国有控股性质的企业，公司成立于2005年。该公司规模为30万t/a甲醇项目，2008年开工建设，2012年9月气化炉投料试车。与其配套的原料煤，是来源于储量为10.24亿t的巴彦格勒矿井。

世林化工煤气化装置采用西安热工研究院自主开发的两段式干煤粉气化激冷流程技术，被列为国家“863”计划能源领域重点项目，由中国五环工程有限公司进行工程设计，气化炉投煤量为1 000t/d。该装置于2012年8月进入试车阶段，运行至2015年11月，期间始终处于运行不稳定状态，气化装置多次停车，导致生产系统不能连续稳定运行。自2012年8月试车投运至2015年11月停车技改时，总运行时间为477d，开工率约为43%，开停车43次，其中，因气化炉减温水处积灰、气化炉渣口堵渣、炉顶超温等原因造成气化炉停车达22次，占总停车次数50%。经过运行考核，两段式干煤粉技术的11项主要性能考核指标中，只有4项指标符合设计指标(见表1)，达标率不到40%。在此期间，公司技术人员与气化炉设计单位、专利商经过多次技术交流，提出多种技改方案，始终没有从根本上解决气化炉存在的主要问题，从而导致项目于2015年11月被迫停产。

2015年11月停车以后，经多方调研和技术交流，决定采用航天粉煤气化技术对西安热工院两段式转化工艺系统进行技术改造，以期使气化装置达到“安、稳、常、满、优”的运行要求。

表1 性能考核数据表

1 两段式干煤粉气化激冷流程技术

1.1 工艺流程

来自空分装置的4.52MPa(g)的氧气与煤粉分别进入4个烧嘴的中心和外环隙，在气化炉内经4条煤线喷入的煤粉与氧气发生部分氧化反应，产出以H2+CO为主的粗合成气，气化炉操作压力4.0MPa(g)。气化炉为圆筒型、带有内置气化室的压力容器，凸出点水平布置4个煤烧嘴，煤烧嘴的燃烧方向是相对的。按一定比例配置的粉煤、氧由煤烧嘴喷入气化炉内发生复杂的气化反应，激冷流程见图1。

图1 技改前两段式干煤粉气化激冷流程

气化过程中产生的合成气夹带部分煤灰向上，在顶部离开反应器壳体。气体向上，熔渣沿水冷壁向下流动，反应后的高温粗煤气(1 400～1 600℃)在离开反应室时被高压减温水降温至750℃左右。经过降温的粗合成气通过输气管进入激冷室，经水浴后再次降温至215℃。

1.2 两段式气化炉结构特点

两段式气化炉包括立式列管水冷壁室(简称内件)、环形空间和压力容器壳体(简称壳体)，技术参数见表2。气化反应实际发生在水冷壁圈成的圆形筒体内，气化压力由外部的容器壳体承受。

表2 气化炉设计技术参数

该气化炉水冷壁炉膛分为两段反应区。第一段反应区内在同一水平面对称布置4支煤粉烧嘴，点火烧嘴水平布置在煤粉烧嘴的上方，开工烧嘴布置在点火烧嘴的正上方，其开工烧嘴斜角向下直接喷入点火烧嘴中心位置，开工烧嘴用于开车过程中的气化炉升温、升压。在正常运行过程中，粉煤、氧气经过煤粉喷嘴不同通道喷入气化炉第一段反应区，进行粉煤的部分氧化和不完全反应，生成高温粗煤气。在第二反应区布置了2支喷嘴，分别喷入少量粉煤和过热蒸汽，利用来自第一反应区的高温煤气显热，进行煤的热解、挥发物的气化和煤的氧化等反应，产生煤气。气化炉上段炉的作用如下：一是代替循环合成气，使高温煤气降温，以达到挂渣的目的；二是利用下段气化炉煤气显热进行热裂解和部分气化，提高总的冷煤气效率和热效率。由于世林化工两段式气化炉属于首套示范炉型，第二反应区喷煤粉气化技术一直未投入应用，煤粉烧嘴未安装。

在气化炉顶部、合成气出口，设置有4组组合式高压减温水喷淋装置，替代了第二反应区煤粉喷入。利用减温水雾化喷淋，对合成气降温至750℃，使合成气中所夹带的熔融态灰渣颗粒固化后，经输气管进入激冷室洗涤降温。

2 两段式气化炉运行过程存在的问题

2.1 减温水激冷

由于采用高压减温水激冷合成气，高压减温水对喷嘴磨损严重，减温水雾化效果不好，从而导致各点激冷水达不到雾化效果，减温水喷淋处积灰，从而造成气化炉炉膛合成气出口逐步堵塞。从2012年8月试车投产至2015年11月停车间，此项问题导致气化系统停车达20余次之多。

2.2 合成气激冷室

由于粗煤气中夹带有大量的固体煤灰颗粒，合成气进入激冷室水浴洗涤时，将合成气中所夹带大量的固体煤灰颗粒沉降在了激冷室锥部。当运行时间超过15d以上时，就会造成激冷室底部黑水管线逐步堵塞，黑水不能够顺利排出，导致气化炉停车。

2.3 运行参数

原设计中气化压力为4.0MPa(g)，气化炉炉顶设计温度≤350℃，实际运行中，气化炉压力为3.0MPa(g)，气化炉炉顶温度最高至450℃。因此，气化炉长期处于低负荷运行状态，故影响气化炉“安、稳、常、满、优”的运行要求。

3 航天炉与两段式气化炉工艺技术对比

3.1 航天炉工艺简介

航天炉HT-L粉煤加压气化技术，是航天长征化学工程股份有限公司研发的、具有国内自主知识产权的粉煤加压气化技术。该技术是以干煤粉为原料，采用激冷流程生产粗合成气的工艺；采用盘管式水冷壁的气化炉，顶喷式组合烧嘴，粉煤干法进料及湿法除渣的方式，在温度1 390℃、压力4.0MPa(g)的条件下，以纯氧及少量饱和蒸汽为气化剂在气化炉中和煤进行部分氧化和不完全反应，生成以CO+H2为主要成分的粗合成气。根据世林化工生产需要，需配置1套φ3200/φ3800-Ⅱ/Y型 HT-L航天气化炉。其设计投煤量为1 500t/d，有效气(CO+H2)正常产量为84 300Nm3/h、额定产量为90 000Nm3/h，气化炉负荷操作范围为50%～110%。

航天炉选用盘管式水冷壁通过锅炉水泵强制水循环，不但可以将炉膛内的高温粗合成气中热量吸收从而达到挂渣效果，转化为中压蒸汽(约5.4MPa(g)饱和蒸汽)，而且可以有效降低承压壳体的温度。渣同合成气经激冷环及下降管被水激冷后，沿下降管导入激冷室的水浴，熔渣迅速固化沉降，合成气被水饱和后通过上升管进入下游设备。

3.2 航天炉与两段式气化炉工艺副产蒸汽量比较

世林化工公司动力蒸汽配备为3×75t/h粉煤锅炉，自2011年试车运行以来，由于3台锅炉均出力不足，其蒸汽产量最高不足190t/h。两段炉副产蒸汽量43.85t/h，补充了生产系统蒸汽量不足的问题。正常生产时，3台锅炉同时运行，在满足全厂使用蒸汽的同时，拖动1台6 000kW·h发电机发电。

航天气化技术副产蒸汽量为5t/h。如再依附原有的蒸汽量维持运行，将给生产系统的稳定性带来巨大隐患；由于蒸汽量的减少，发电机将无法再继续运行，这给企业的经济效益带来一定损失。为此，世林化工对动力锅炉进行技术改造，确保技改后蒸汽产量满足全厂使用需求。

3.3 磨煤系统

两段炉设计投煤量为41.67t/h；其配套2套磨煤及煤粉输送系统(1开1备)，单台磨煤机最大磨煤量为55.84t/h；由于磨煤机出力不足，实际运行中仅为43t/h。

航天炉设计投煤量达62.5t/h。原有单套磨煤系统已不能满足运行需要，在今后的运行中，2套磨煤系统需同时运行；同时，煤粉锁斗下粉时间需由原来的1h下粉1次，调整为45min以内，以满足系统运行需要。

3.4 减温水激冷问题

两段炉所设计的顶部合成气减温水降温系统，在运行时，由于减温水雾化效果不好，导致各点激冷温度不同，造成减温水处积灰，致使气化炉炉膛本体逐步堵塞直至停车。

而航天炉未设计顶部减温水系统，合成气为下行水浴激冷洗涤工艺，从而避免了炉膛上部积灰、堵塞气化炉炉膛的问题。

3.5 合成气激冷

两段炉在运行时，由于粗煤气中夹带的大量固体灰渣颗粒，经激冷室水浴洗涤沉降至激冷室锥部，当运行时间超过15d时，就会造成激冷室底部堵塞，黑水不能够顺利排出，致使气化炉停车。

航天炉气化技术采用组合式烧嘴顶喷式气化工艺，气化炉由上部的水冷壁辐射燃烧反应室和下部的激冷室组成。粉煤经CO2气体加压后输送至煤烧嘴，与氧蒸混合气体一同被喷入气化炉的燃烧反应室，在高温、高压下瞬间发生氧化反应。生成的合成气由上至下通过下降管进入气化炉的激冷室。燃烧时产生大量的液态炉渣和细的固体颗粒，这些物质离开反应室向下经过均布激冷水的激冷环后沿下降管进入激冷室水浴。渣在水中猝冷固化、沉降；在与水的直接接触中，合成气携带的细颗粒，大部分被洗涤进入了水中。黑水、灰渣和细的固体颗粒一同沉降在渣收集罐中，经渣锁斗排至捞渣机中，通过汽车运往渣厂，不会再因激冷室底部堵塞，黑水不能够顺利排出而导致气化炉停车。同时，粗合成气也被水冷却至218℃，饱和、冷却后的合成气向上通过下降管与上升管周围的环形空间离开气化炉。

3.6 合成气洗涤

两段炉在运行中，合成气离开激冷室进入文丘里洗涤器，与洗涤塔给料泵送来的工艺水充分接触，气体中的固体灰渣颗粒被完全浸湿后进入合成气洗涤塔，合成气通过下降管周围的环形空间向上经过位于洗涤塔上部的塔盘，离开洗涤塔后进入下游设备。由于合成气中夹带的灰渣颗粒过多，造成在洗涤塔塔盘积灰严重，堵塞筛孔，这使得合成气在通过筛板上升时，其流通截面积减小，而使合成气流速增加。在合成气离开塔板时，将塔板上的液体带出洗涤塔，严重影响后系统正常运行。

在航天炉的运行过程中，合成气离开激冷室前，大部分灰渣颗粒已被洗涤至渣水中。由合成气带出的灰渣颗粒已减少很多。同时，航天长征设计院在设计世林化工技术改造项目时，充分利用现有装置的潜力：自气化炉送来的合成气进入文丘里洗涤器，与洗涤塔给料泵送来的工艺水充分接触，后进入合成气新洗涤塔(见图2)，合成气通过逆流接触洗去剩余的固体颗粒，在经除沫器进行汽液分离后，再次进入旧洗涤塔，进行二次洗涤。合成气从旧洗涤塔底部冲击液面，通过下降管周围的环形空间向上经位于洗涤塔上部的塔盘，与来自变换工序的冷凝液通过逆流接触，进一步除去其固体颗粒。二次洗涤，使合成气中的灰渣颗粒降至最低，给后系统带来有利的运行条件。

图2 技改后航天炉粉煤加压气化工艺流程

3.7 灰水处理

两段炉设计黑水排水量为202t/h，经过二级闪蒸处理，澄清水再次回用。灰渣通过所配套的1台真空带式过滤机压滤后，由汽车输送至渣场，其主过滤面积为20m2。

在航天炉的设计中，其激冷罐内的黑水量比两段炉要多；同时，2台洗涤塔串联使用，其黑水量进一步增大，排水量达到340t/h，其黑水需要利用原有的灰水处理系统。为使系统能够正常运行，在原有的过滤机旁增加1台真空带式过滤机，其主过滤面积为28m2。同时，将灰浆槽底流泵及澄清槽底流泵各由原来的2台增加至3台。

4 结语

在世林化工甲醇项目的实际运行中，两段式干煤粉加压气化技术存在诸多难以克服的问题，给企业经济效益造成了不利的影响。针对两段式干粉煤加压气化工艺存在的问题，经过技术调研和方案比较，在此次技改过程中，最终采用航天粉煤加压气化技术对两段式干粉煤加压气化装置进行技术改造。将原来的两段式煤粉加压气化炉更换为航天炉，同时再增加1台洗涤塔串联使用。技改后的系统，利用原有的磨煤系统、煤粉加压输送系统、黑水闪蒸系统、渣水处理系统。该项目于2016年5月上旬与航天长征公司签署EPC技改合同，总投资金额为13 000万元；工程于2016年7月开工改造，计划2017年6月10日中交并投料试车。截至2017年3月下旬，该技改工程设备全部就位，工艺管线配管完成；下一步改造工作主要为工艺系统伴热保温、仪表控制、电气系统升级改造、系统调试。本项目是否能够高效地发挥其作用，对工艺运行是一个极大的考验，在技改实施后的运行中，还需各方技术人员共同研究，继续优化工艺。

修改稿日期： 2017-04-20

Application of Aerospace Gasification Technology to Reform Two-stage Pressurized Gasification：Analysis of the Feasibility of the Process

LI Rui

(InnerMongoliainhuangtaolegaicoallimitedliabilitycompanyShilinchemicalbranch，WushenInnerMongolia017313，China)

This paper introduces the operation of the two-stage dry coal pulverized coal gasification technology in the process of 300 thousand tons/year methanol process. In view of the problems existing in the pressurized gasification process of the two-stage dry pulverized coal，this paper tries to analyze the feasibility of space coal gasification technology of two dry pulverized coal by applying aerospace pulverized coal pressurized gasification technology through research and comparison.

two section type dry coal gasification furnace；HT-L space；technological transformation；process allocation problem

李锐(1985年—)，男，陕西安康人，2013年毕业于西安交通大学热能与动力专业，硕士，工程师，现主要从事化工生产管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.014

TQ086

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1004-8901(2017)03-0052-04