神宁炉气化装置试车总结

黄 斌，王国梁，杨建荣，赵元琪，李俊挺，马 钊

(神华宁夏煤业集团有限责任公司煤制油分公司 宁夏银川 750411)

当前国内新型煤气化技术在化工行业中的应用日趋增多，其中气化炉是装置运行的核心设备，而气化炉、煤粉烧嘴乃至煤粉加压输送又是气化炉长周期稳定运行的关键，但已运行的干煤粉气化装置在运行过程中也暴露出水冷壁和烧嘴易烧损、煤粉流量不稳定、合成气带灰、投资高等问题。神华宁夏煤业集团有限责任公司(以下简称神华宁煤集团)在已成功应用德士古水煤浆加压气化工艺和西门子干煤粉加压气化工艺的基础上，总结各气化装置的运行经验，联合中国五环工程公司开发了具有自主知识产权的干煤粉加压气化技术——神宁炉气化技术。

为了摆脱气化技术的专利制约，并能真正掌握干煤粉气化的核心技术，使所拥有的专利技术付诸于工业化生产，神华宁煤集团煤制油项目的气化装置采用了4台神宁炉，气化装置内全部设备的国产化率大于98.5%。神宁炉气化装置于2017年初进入试车阶段，2017年3月试车获得成功[1- 4]。

1 神宁炉气化技术

神宁炉气化技术[5- 6]以粉煤为原料，氧气和水蒸气作为气化剂，生产以H2和CO为主要成分的合成气，气化装置包括煤粉干燥制备工序、煤粉加压输送工序、气化工序、除渣工序、合成气洗涤工序、黑水处理工序、黑水闪蒸工序、氮气/CO2/氧气工序以及公用工程工序。神宁炉燃烧室内径为Ф 2 800 mm，激冷室内径为Ф 4 000 mm，单台气化炉有效气(CO+H2)产量为130 000～140 000 m3/h(标态)，年操作时间8 000 h，气化炉碳转化率>98.5%，有效气(CO+H2)体积分数>91%，合成气含尘质量浓度≤0.5 mg/m3(标态)，操作负荷77%～108%。

1.1 技术特点

(1)煤种适应性强：该技术采用干煤粉作为气化原料，不受成浆性的影响；设计煤种含灰分质量分数16%～18%；气化温度高，可以气化高灰熔点的煤，对煤种的适应性更为广泛[7]。

(2)高效气化炉：采用干煤粉加压气化、气化炉顶置单个下喷式组合烧嘴、水冷壁、渣气并流向下而行、降膜泡核蒸发激冷、水浴鼓泡和破泡方式除尘、液态排渣的结构，具有结构简单、尺寸紧凑、便于维修、设备总吨位低、合成气灰含量低等特点。

(3)选用新型侧出料发送技术及点式硫化器：配置4根煤粉输送管线，煤粉的输送密度为400 kg/m3，需要的输送气体量少；给料器与气化炉之间的压差为0.6 MPa；在4根煤粉输送管线上均设置煤粉流量调节阀以平衡压差，保证4根煤粉输送管线内的煤粉流量均衡。

(4)具有自主知识产权的组合烧嘴：优化设计了点火烧嘴，解决了点火烧嘴点火不稳定、可靠性差的技术难题；开发设计了新型三合一火焰检测系统[8]，为气化炉实时操作提供了可靠的视频化检测手段。

(5)高效的合成气洗涤系统：进入激冷室的合成气及熔渣经过激冷环的激冷水激冷，液态熔渣冷却固化后与合成气一起沿激冷室的下降管进入激冷室水浴，灰渣落入激冷室底部进入除渣单元；合成气夹带少量灰渣从激冷室水浴上升，经破泡网破泡后进入下游一级文丘里+分液罐+二级文丘里+洗涤塔进行分级洗涤。

(6)装置互备率高，有效降低气化炉停车风险：低压煤粉输送、黑水闪蒸处理、公用工程配置均进行了互备，有效避免因个别设备、阀门等故障造成气化炉停车的风险。

(7)采用先进成熟的控制系统：成功消化吸收了引进的DCS和SIS仪表控制系统[9]，气化炉的启停和投料实现一键启动，同时优化了系统顺控、联锁、仪表保护功能，使得仪表系统更加精炼、可靠与完善。

(8)三废易于处理，对环境友好。

(9)全套气化技术仅烧嘴和气化炉为专利专有设备，其他设备均可国产。

1.2 工艺流程

神宁炉气化技术工艺流程如图1所示。低压煤粉通过2只交替运行的锁斗实现连续进入高压煤粉给料罐。通过密相气力输送系统， 煤粉被加压并通过载气处于流态化状态，然后通过4根煤粉输送管线经主烧嘴进入气化炉反应室，在反应室的高温火焰下进行气化反应。由于使煤粉完全氧化的氧气量远大于气化反应所需用量，因此煤粉在反应室中进行部分氧化反应，产生富含H2和CO的合成气。热合成气和液态渣通过下降管离开气化炉反应室，一起向下流动进入气化炉激冷室与激冷水混合，熔渣迅速固化，大部分粗渣进入激冷室下部的水浴中，小部分细灰随合成气进入下游工序。在气化炉激冷室下游配置有合成气洗涤单元，经过洗涤处理的合成气被送入变换装置。气化炉激冷室以及合成气洗涤单元产生的黑水被送至闪蒸系统脱除酸气并回收热量，闪蒸后的黑水、来自捞渣机的渣水和来自真空带式过滤机的滤液被一起送至黑水处理系统，经固液分离后，大部分澄清水作为系统的回用水，一小部分灰水作为废水送至污水处理单元进一步处理。

图1 神宁炉气化技术工艺流程

2 试车情况

首台神宁炉于2017年3月19日开始投料试车，但由于缺乏运行以及系统控制的经验，试车阶段出现了一些问题，导致频繁跳车，其主要原因如表1所示。

表1 神宁炉跳车主要原因

投料时间运行时间/min跳车原因2017-03-19T11:450主氧管线故障2017-03-19T19:310主氧管线故障2017-03-20T08:550主氧管线故障2017-03-20T10:311缓冲罐与气化炉压差<0.2 MPa2017-03-20T15:233第3根煤粉输送管线密度大2017-03-20T16:2511顶部环隙温度高2017-03-22T13:5437氧煤比低

经过3 d不断优化调整投料顺控及部分联锁逻辑，神宁炉气化装置于2017年3月22日15：40投煤成功，气化炉投煤量达到满负荷时的总产气量310 000 m3/h(标态)，有效气量155 000 m3/h(标态)，远超设计有效气量[138 000 m3/h(标态)]。气化炉投煤量80 t/h的部分运行数据如表2所示。

本次神宁炉连续运行时间达6 d， 且运行1 d

后投煤量即达到了85 t/h，实现了高负荷运转，各项参数均达到了设计要求,比氧耗、比煤耗、有效气产量等均优于同类气化装置。

表2 气化炉投煤量80 t/h的部分运行数据

项目运行数据气化炉压力/MPa4.3主烧嘴氧气流量/(m3·h-1,标态)43 000进主烧嘴次高压蒸汽量/(kg·h-1)1 200气体组成/% φ(H2)29.50 φ(CO)60.70 φ(CO2)9.10 φ(CH4)0.04 φ(N2)0.79氧煤比/(m3·m-3,标态)0.41炉渣残碳质量分数/%<1.0滤饼残碳质量分数/%<25碳转化率/%>98.51 000 m3(CO+H2)氧耗/m3(标态)275.61 000 m3(CO+H2)煤耗/kg512.8出激冷室粗煤气温度/℃222.5粗煤气产量(湿基)/(m3·h-1,标态)308 000有效气产量(干基)/(m3·h-1,标态)156 000

神宁炉气化装置试车过程中也出现了一些问题，影响了装置的稳定运行，但通过采取相应的解决措施，存在的问题基本得到解决，具体如表3所示。

表3 神宁炉气化装置试车过程中出现的问题及解决措施

存在的问题解决措施水冷壁循环水流量不足增大水冷壁泵叶轮尺寸渣系统锁渣阀开关慢 锁渣阀液压油系统更换大直径油管路 煤锁斗泄压盘阀频繁无法开关泄压盘阀增设旁路阀气化炉燃烧室环隙温度高增大环隙吹扫气限流孔板孔径捞渣机频繁跳车更换头轮电机变频器

3 装置单耗

神宁炉气化装置于2017年4月11日至14日连续3 d实现满负荷运行，除脱盐水和低低压蒸汽外，其他各项消耗指标均达到了设计值，具体如表4所示。

由表4可见，各项消耗指标均达到了干煤粉气化技术的先进水平。脱盐水的实际单耗超出设计值的原因主要是过滤机滤布冲洗水用量大，后期需进行改造，以降低脱盐水消耗；低低压蒸汽的实际单耗超出设计值的原因主要是4个系列气化装置及其公用系统投用低低压蒸汽伴热系统所致。

表4 公用工程介质单耗1)

介质设计单耗实际单耗低压氮气/m3(标态)19.618.1高压氮气/m3(标态)3.500.04高压二氧化碳/m3(标态)179.20137.30循环冷却水/t16.3314.52低压锅炉给水/t0.060.06脱盐水/t0.570.68低低压蒸汽/t0.0420.250中压饱和蒸汽/t0.060.03次高压蒸汽/kg11.109.42电/(kW·h)17.8015.70絮凝剂/kg0.010.01分散剂/kg0.090.09

注：1)生产1 000 m3(标态)有效气(CO+H2)的消耗

4 结语

(1)神宁炉干煤粉加压气化技术首次实现工业化运行，各项运行数据即达到设计要求，证明其是十分成熟、先进及高效的气化技术。

(2)神宁炉干煤粉加压气化技术对煤种适应性强，气化压力高，生产能力大，安全可靠，开停车过程时间短，自控率高，操作方便。

(3)神宁炉干煤粉加压气化技术采用先进成熟的仪表控制系统，性能参数真实可靠，装置互备率高，有效降低了气化炉停车风险；余热回收率高，合成气洗涤效果好。

(4)神宁炉干煤粉加压气化技术公用工程介质单耗低，运行成本低，且三废易于处理，对环境友好。