输运床气化装置合成气冷却操作研究

王鹏伟，李晓宏，高 伟，兰伟伟，任 烨

（陕西延长石油（集团）有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心，陕西 西安710075）

输运床煤气化技术（TRIG）是由美国KBR公司开发的一种新型循环流化床气化技术，其机械设计和操作基于成熟应用的流化催化裂化（FCC）技术，后者已有70多年成功的商业运行经验[1]。输运床气化技术与传统的循环流化床气化技术相比，其固体循环速率和气体流速较快，气化炉提升管内气固混合物密度提升较高[2]，从而具有较高的生产能力和碳转化率，并且混合均匀、传热和传质速率较高，是实现煤炭洁净高效综合利用的重要技术。输运床煤气化技术的最大特点是干粉进料、干法排渣(非熔渣)、合成气废锅回收显热。

陕西延长石油（集团）有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心在TRIG技术基础上，自主研发了超大型输运床煤气化技术（KSY）。目前，已在陕西兴平建成100 t/d的输运床气化中试试验装置，由输运床气化系统和焦油裂解系统两大部分组成。其中，合成气冷却器是合成气冷却的关键设备，采用间壁式换热器将1 200℃的高温合成气直接冷却至315℃，同时副产3.5 MPa中压蒸汽，但其在试车过程中出现了许多问题，如烟气冷凝、进气管箱堵塞、衬里管道超温等，影响装置的长周期稳定运行。现对合成气冷却器在运行过程中出现的问题展开讨论，并采取了相应的解决措施，基本解决了存在的问题。

1 合成气冷却器结构和工艺流程

输运床气化中试试验装置主要包括进料系统、气化炉、焦油裂解器（TCD）、废热锅炉、颗粒物控制器（PCD）、排灰系统、合成气洗涤系统、循环气系统，其工艺流程示意图如图1所示。粉煤经惰性气体加压后，与气化剂（氧气、蒸汽）进入气化炉中，在2.316 MPa、950℃条件下进行气化反应，生成含一定量飞灰的高温粗合成气。含有飞灰的高温粗合成气进入TCD，在2.313 MPa、1 200℃条件下再次进行反应，除去合成气中携带的少量焦油、甲烷以及部分残炭后，经合成气冷却器冷却到315℃，然后进入三级旋风分离器除去大部分粉尘，再经颗粒物控制器干法除尘和碱洗塔工序后，含灰质量浓度小于l mg/m3的洁净合成气送到下游工段。

1.1 合成气冷却器结构

合成气冷却器主要由壳体、刀鞘式换热管、封头、合成气进气管箱组成。锅炉水走管程与上部设置的自然循环立式汽包相连，合成气走壳程，可由1 200℃直接冷却至315℃，同时壳程内充装石英砂，既可以强化传热，又可以吸附合成气中携带的部分焦油和灰分。

合成气冷却器壳体内壁设有耐火浇注料层，耐火浇注料具有耐高温、耐磨蚀及导热系数低等性能，可避免高温烟气及固体与壳体壁面接触，有效防止了高温烟气与固体对壳体壁面的冲刷磨蚀，并大幅度降低设备壳体的工作温度，从而降低了设备的投资强度、延长了设备使用寿命。刀鞘式换热管可以适应合成气长时间的冲刷，也保证了高温差下引起的换热管的自由膨胀和高效的传热效率。

图1 输运床气化试验工艺流程示意图

合成气冷却器进气口分为三层，由经过特殊设计带耐火衬里的管箱组成，从下到上第一层管箱有4个进气口，二、三层各有6个进气口，合成气进气口内径较小，衬里施工难度较大，衬里材料采用自流型浇注料。

1.2 合成气冷却器工艺流程

输运床合成气冷却流程如图2所示。合成气冷却是依据热传导和热辐射的原理，利用密度为1 600 kg/m3的石英砂（砂子粒径分布见表1）作为热载体，在合成气冷却器壳程中与自壳程下部进入的高温合成气接触进行热量交换，换热后的砂子和合成气与管程的锅炉水通过热传导和热辐射，实现能量交换。锅炉水经换热后汽化，带走热量，从而实现合成气的降温和副产244℃、3.5 MPa中压蒸汽[3]。

图2 合成气冷却流程图

表1 砂子粒径分布

2 存在的问题及解决措施

2.1 存在的问题

2.1.1 烟气冷凝

开车初期，气化炉、TCD使用天然气和柴油升温时，柴油和天然气燃烧后的烟气中含有一定量的水蒸气，水蒸气易在合成气冷却器锥部冷凝，冷凝后的水与合成气冷却器中沉积的飞灰混合，形成泥状混合物，后期泥状混合物中的水慢慢蒸发后会形成块状固体，导致停车后合成气冷却器退砂困难。如果在冬季开车，合成气冷却器锥部可能会出现泥状混合物冻结。无论是形成块状固体还是出现冻结，均给合成气冷却器停车后退砂带来很多困难。

2.1.2 进气管箱堵塞

由于设备进气管线设计存在缺陷，当不断向合成气冷却器内加砂子时，其内部物料不断增多，床层密度不断增大，一、二层管箱进气阻力也不断增大，大量气体从第三层管箱进入设备。当其物料达到一定量时，一、二层管箱逐渐出现堵塞，甚至彻底堵死，高温含尘合成气均从第三层进入合成气冷却器，前后系统压差增大，并且此时管箱气速较大，对衬里管道磨损较为严重，可能导致衬里管道发生局部超温。

2.1.3 出口衬里管道超温

为研究合成器冷却器出口衬里管道超温的原因，以陕西崔木煤为原料煤，进行了两次输运床气化试验。试验1气化炉温度950℃、压力1.1 MPa，TCD温度1 050℃、压力1.05 MPa，总气量8 566 m3/h；试验2气化炉温度在950℃、压力1.3 MPa，TCD温度在880℃、压力1.25 MPa，总气量12 160 m3/h，由于工况异常，导致试验2 TCD温度比气化炉的温度还低。

在试验2中，合成气冷却器出口、三级旋风分离器出口、PCD入口3台热电偶因探头损坏，可监测合成气冷却器出口温度的仅剩合成气冷却器顶部的热电偶TI-11403，该热电偶温度最高达到390℃，通过加砂及调节汽包出口蒸汽压力等手段，该温度依然在报警值378℃以上，其出口至三级旋风分离器之间衬里管道外壁局部出现超温，在3个弯头处最高温度达到305℃，略高于外壁设计温度300℃，通过临时紧急采取蒸汽/氮气对超温外壁进行吹扫降温保护措施，最终将外壁温度控制在260℃左右。

在试验1中，合成气冷却器出口衬里管道未出现超温现象，为了对试验2中超温的原因进行剖析，对两次试验过程中合成气冷却器进/出口相关数据进行详细对比，见表2。

表2 两次试验合成气冷却器相关数据对照

由表2可知，试验1与试验2中合成气冷却器的入口温度相差不大，总加砂量基本一致，但试验2出口温度明显高于试验1，分析原因主要有以下几点：

一是试验2中PCD出口总气量偏高：试验2中PCD出口总气量为12 160 m3/h，远大于试验1中的8 566 m3/h，导致合成气中从气化炉、TCD中携带的残炭及灰量增加，气体及固体颗粒的总热容增大；二是气化炉、TCD旋风效率低：由于总气量偏高、粉煤粒径较设计值偏细、气化反应效率偏低，造成合成气中固体粉尘含量高，这些因素综合导致旋风分离器分离效率低，进一步造成粉尘后移，导致合成气冷却器及出口衬里管道温度偏高；三是TCD出口温度偏低：试验1中气化炉温度在950℃左右，TCD出口温度最高达1 000℃，试验2气化炉温度在950℃左右，TCD出口温度在800℃左右，较低的温度导致煤粉的碳转化率偏低，大量固体物料被气体携带进入合成气冷却器，总热容增大；四是合成气冷却器床层料位偏低：对比两次试验的床层压降，试验2为0.199 MPa，该值低于试验1的0.254 MPa，较低的床层降低了合成气冷却器的换热系数，两次试验加砂总量基本一致，但试验2的床层料位较试验1偏低，分析原因可能是由于试验2总气量大，导致部分粗砂被带入后系统所致；五是合成气冷却器至三级旋风分离器之间衬里管道设计不合理：12 m衬里管道设计3个90 °弯头，较多的弯头增加了管道阻力，并且弯头处容易磨损；同时由于衬里管道内径较小，只有耐磨层而无保温层，管道隔热能力差。

2.2 解决措施

2.2.1 在升温阶段降低系统压力，并且使用210℃的预热氮气对合成气冷却器锥部进行氮气预热，降低烟气中水蒸气的露点温度，防止烟气在合成气冷却器内发生冷凝，影响合成气冷却器停车后的排砂操作。同时当合成气冷却器顶部温度达到230℃～260℃时，再开始向合成气冷却器内加砂，可有效防止因加砂导致合成气冷却器温度降低后出现烟气冷凝、在其锥部形成块状固体。

2.2.2 将第三层管箱彻底堵死，让高温含尘合成气从一、二层管箱进入合成气冷却器，有利于合成气冷却器内砂子的流化，增强合成气冷却器的换热效率，并彻底解决了一、二层管箱的堵塞及第三层管箱的磨损问题，同时降低了前后系统的压差，有利于合成气冷却器的稳定操作。

2.2.3 重新设计更换合成气冷却器至三级旋风分离器之间的12 m衬里管道，90 °弯头由3个减至1个，同时加厚衬里管道耐磨层，增加保温层。

2.2.4 尽可能早的退出流化氮气及开车空气，降低TCD出口总气量。

2.2.5 提高系统压力，降低气化炉、TCD提升管气速，减少残炭、半焦、煤灰的后移，降低合成气冷却器的热负荷。

2.2.6 在温度可控范围内，提高气化炉、TCD反应温度。最大程度提高气化反应效率、碳转化率，降低TCD出口粗合成气中残炭的带入量，减小总热值。

2.2.7 摸索气化炉、TCD的最佳气速，调整至利于旋风分离器的最佳工况，增强旋风分离效率。

2.2.8 提高合成气冷却器内换热效率。通过调节汽包的液位高度及控制出口蒸汽压力等手段，控制汽包液位在40%～70%、压力在3.5 MPa左右，提高合成气冷却器内锅炉水与合成气的换热效率。

3 结 语

合成气冷却器是输运床气化装置合成气冷却的主要设备，对其安全稳定运行至关重要。在试验过程中应稳定工艺操作，提高气化炉、TCD温度，降低反应器气速和气量，增强旋风分离效率，精准控制汽包液位和压力，提高合成气冷却器的换热效果，确保输运床气化装置能够长周期稳定运行。输运床粉煤气化装置合成气冷却器冷凝、堵塞、超温问题的有效解决，可以更进一步提升输运床气化工艺的使用效果，对国内超大型粉煤气化工艺的发展具有重要意义。