常压固定床纯氧连续气化技术应用探究

田 星

（河南天沃肥业有限责任公司，河南沁阳 454592）

1 焦粒制气项目概述

河南金马能源股份有限公司（简称金马能源）是集炼焦、煤焦油加工、苯加工、煤气综合利用为一体的焦化企业。金马能源焦炉煤气设计产量为8.6×108m3／a，其中，3.6×108m3／a用于焦炉加热、0.3×108m3／a用于化产车间、1.2×108m3／a用于金江炼化（金马能源的子公司）制氢、1.7×108m3／a用于金瑞化工（金马能源的子公司）制LNG，剩余的1.8×108m3／a焦炉煤气通过管道输送至金宁能源（金马能源的子公司）的10×104m3储气柜，经加压后送至金利冶炼、向前玻璃、中原特钢、金康达玻璃等10余家用气单位。因焦炉煤气供应不足，金江炼化、金瑞化工均未达到设计产能，为此，金马能源于2017年又投资12891万元启动了5×108m3／a焦粒制气项目及配套12000m3／h空分装置（一期）。焦粒制气项目运行后，将焦粒制气产出的煤气用于焦炉加热，将原用于焦炉加热的焦炉煤气置换出来，一部分补充至金江炼化和金瑞化工，剩余部分仍通过管道输送至金宁能源的储气柜。

金马能源焦粒制气项目气化工艺的选择，因后续系统煤气需求压力仅为5kPa，在比较了鲁奇碎煤加压气化工艺和固定床纯氧连续气化工艺的安全性、投资成本和建设周期之后，选用了后者。固定床纯氧连续气化炉，是在原生产化工合成气的UGI煤气发生炉的基础上升级开发二次定型的。本项目造气炉采用江西昌昱实业有限公司开发的纯氧连续气化炉（型号CY-3200），规格φ3200mm×9500mm，单炉煤气产量达9000～10000m3／h；造气炉炉顶封头内浇注料抹平，上筒体内衬耐火砖，下部为水夹套，炉底总成含炉条机1套。造气炉七开一备，每台造气炉配套有旋风除尘器、预换热器、气力输灰装置，以及1700m3／h循环水净化冷却系统1套、油站系统2套、甘油站系统2套、除氧水系统1套。

造气炉所产煤气进入电捕焦除尘器，除去焦油和尘埃后进入湿法脱硫系统，煤气中H2S、HCN等酸性气被碱性母液吸收，并生成相应盐类物，将煤气中的H2S含量降至20mg／m3以内送至后续系统。空分装置为造气炉提供纯氧和压缩空气，多余的压缩空气供厂区各车间使用。

2019年9月金马能源焦粒制气项目4台造气炉试运行（8台造气炉和一期空分装置同时建成，二期项目只是指二期空分装置），所产煤气量达到设计要求，系统运行稳定。

2 固定床纯氧连续气化工艺流程简介

原料小块煤（或小粒焦）由料仓进入自动加焦机，自动定时、定量加入造气炉中。制气所用气化剂，氧气（纯氧）来自空分装置，蒸汽来自锅炉及造气炉配套的夹套汽包、热管锅炉汽包自产蒸汽，纯氧和蒸汽经计量和比例调节后进入混合罐中混合，从造气炉底部入炉，在造气炉内高温条件下，与小块煤（或小粒焦）进行氧化还原反应，连续生产水煤气。

造气炉出口水煤气（450～550℃）经旋风除尘器除尘后，自旋风除尘器顶部进入预换热器，与来自废热锅炉汽包的除氧水换热。高温煤气进入预换热器与换热管接触碰撞，灰尘落入除尘器，并回收高温煤气部分热量后，煤气进入废热锅炉。旋风除尘器底部的高温灰尘经飞灰冷却器冷却后进入仓泵，然后送至灰库。

进入废热锅炉的煤气依次经过废热锅炉上段过热段、下段蒸发段回收热量后温度降至150～180℃，进入洗气塔底部，被造气循环水喷淋冷却洗涤，将其冷却至40℃并洗涤其中夹带的尘埃和焦油，洗气塔底部的煤气洗涤水进入造气循环水系统进行净化处理，闭路循环使用，顶部的煤气进入煤气安全水封，并从煤气安全水封侧面进入煤气总管，送至湿法脱硫系统。

固定床纯氧连续气化系统（单炉系统）工艺流程见图1。

图1 固定床纯氧连续气化系统工艺流程简图

3 造气炉主要工艺操作指标

进混气罐蒸汽压力200kPa，炭层高度4300～4800mm；减压后入炉纯氧压力100kPa，造气炉顶部压力8～17kPa，造气炉底部压力12～26kPa；造气炉出口气温度450～550℃，炉底出灰口温度＜90℃，中央灰箱温度＜250℃；夹套锅炉蒸汽压力≤1.26MPa，废热锅炉蒸汽压力≤0.21MPa；洗气塔出口煤气温度≤40℃。

4 焦粒制气项目运行情况

4.1 入炉原料工业分析

金马能源焦粒制气项目所用气化原料为6～30mm炼焦筛分下来的小粒焦炭或无烟煤（小块煤），其工业分析数据见表1。

表1 焦粒和无烟煤工业分析数据%

4.2 汽氧比和煤气成分

以金瑞焦粒、金马焦粒为入炉原料时，汽氧比与煤气成分分析数据见表2；以无烟煤为入炉原料时，汽氧比与煤气成分分析数据见表3。

表2 气化原料为焦粒时汽氧比与煤气成分分析数据

表3 气化原料为无烟煤时汽氧比与煤气成分分析数据

4.3 消耗情况

生产1000m3粗煤气的消耗情况见表4。可以看出，常压固定床纯氧连续气化炉采用无烟煤为原料时，生产1000m3粗煤气煤耗比以焦炭为原料时低约68kg，氧耗低约47m3，蒸汽耗量据汽氧比折算低约77kg。简言之，常压固定床纯氧连续气化炉适合以无烟煤为原料。

表4 生产1000m3粗煤气的消耗情况

据了解，鲁奇碎煤加压气化炉以无烟煤为原料时，产1000m3粗煤气煤耗约450kg、氧耗约166m3，汽氧比约4.8～5.2kg／m3；与常压固定床纯氧连续气化炉相比，煤耗高约54kg，蒸汽耗量据汽氧比折算高约205kg。此外，因蒸汽分解率高、气化压力低，粗煤气带出煤尘少，常压固定床纯氧连续气化炉后续水处理系统相较于鲁奇加压气化炉要简单得多，可大幅节省投资。

4.4 运行总结

金马能源焦粒制气项目自2019年9月原始开车以来，通过运行总结，CY-3200型常压固定床纯氧连续气化炉，采用焦炭为原料时最大氧负荷为1800m3／h，采用无烟煤为原料时最大氧负荷为1600m3／h，其氧负荷受限于蒸汽压力、氧气压力的设计值及配管管径。

运行过程中发现，当所产煤气中CO2含量为18.5%～19.5%时，CY-3200型常压固定床纯氧连续气化炉可以长期稳定运行。由表3和表4可以得出：原料为焦炭时入炉汽氧比为3.1～3.2kg／m3，原料为无烟煤时入炉汽氧比为3.5～3.6kg／m3；焦粒产煤气中CO比无烟煤产煤气中CO多约4%、H2却少约4%、CH4少约1%，两种原料所产煤气中有效气成分差别不大（蒸汽分解率约为50%）。

典型病例影像学资料见图1、2。Pfirrmann分级结果见表3。两组患者术后1年椎间盘退变程度较术前有所改善，差异有统计学意义（P＜0.05）。MEDAR组Pfirrmann分级由术前Ⅲ级12例，术后1年恢复至I级2例，Ⅱ级4例，其余5例仍为Ⅲ级；术前Ⅳ级8例，术后1年恢复至Ⅱ级1例，Ⅲ级4例，其余3例仍为Ⅳ级。然而，PTED组由术前Ⅲ级9例，术后1年恢复至I级3例，至Ⅱ级3例，其余3例仍为Ⅲ级；术前Ⅳ级7例中，术后1年恢复至Ⅱ级1例，Ⅲ级3例，其余3例仍为Ⅳ级。术前与术后1年两组间的差异均无统计学意义（P＞0.05）。

鲁奇碎煤加压气化炉以无烟煤为原料，氧负荷7600m3／h、汽氧比为4.80kg／m3时，粗煤气成分约为 CO226.07%、CO 26.90%、H237.65%、CH48.42%，相较于CY-3200型常压固定床纯氧连续气化炉，鲁奇加压气化炉所产粗煤气中CO2高约8% （所产煤气用作燃气时，CO2属废气）、CO低约8%、H2低约7%、CH4高约7%。简言之，常压固定床纯氧连续气化炉以焦粒或无烟煤为原料（尤其是生产工业燃气时），技术上是适宜的，经济上是可行的。

鲁奇碎煤加压气化炉运行中经常出现废锅底部被煤粉堵塞，需经常反冲洗废锅底部，大量的含尘煤气水送至煤气水系统处理，需先减压闪蒸、无压重力沉降分离、过滤，煤气水系统流程复杂，设备造价高。常压固定床纯氧造气炉工作压力低，煤气水系统流程简单，安全生产更有保障，且常压设备造价低，建设投资费用大幅下降，并可减少设备运行的故障率及维修保养费用。

综上，常压固定床纯氧连续气化炉相较于鲁奇碎煤加压气化炉的综合投资要低不少，综合运行成本也更低，经济上是可行的。但设计压力4.0MPa、φ4000mm×13000mm的鲁奇碎煤加压气化炉，最大运行氧负荷可达10000m3／h，单炉煤气产量约60000～62000m3／h，相当于6台φ3200mm×9500mm常压固定床纯氧连续气化炉的产气量，这在大型煤化工项目，尤其是生产化工合成气时有较大的优势。

5 常压固定床纯氧连续气化工艺的不足及改进设想

5.1 洗气塔煤气水（闭路循环）水质差

5.1.1 煤气水闭路循环系统流程及存在的问题

煤气水闭路循环系统流程如图2。造气循环煤气水中悬浮物含量较高，含一些大颗粒物质等，为保证后续废水处理系统用水正常及稳定运行，以及防止大颗粒沉淀物影响机泵和净水器的正常工作，需对（热）煤气水进行预沉；预沉后的（热）煤气水与一体化净水器入口管投加的混凝剂PAC和助凝剂PAM充分混合后，进入一体化净水器内，经混合、反应、澄清和斜管沉淀后，清水溢流进入逆流式冷却塔降温冷却，（冷）煤气水流入冷水池，由冷水泵送回用水系统。

图2 煤气水闭路循环系统流程示意图

金马能源焦粒制气项目煤气水闭路循环系统设计出水浊度≤50mg／L，系统运行8个月后，煤气水水质很差，热水池、冷水池煤气水均严重发黑，分析发现其pH为8.1、氨氮含量高达2872mg／L。

5.1.2 改进设想

5.1.2.1 过滤储存系统

沉淀池预沉的煤气水用泵经双介质过滤器送至原水罐储存。双介质过滤器滤料自上而下分别装填活性炭、石英砂、鹅卵石，其作用是除去煤气水中的煤尘和悬浮物。

5.1.2.2 脱酸脱氨系统

原水罐里的煤气水分两路：一路经冷进料换热器（E010）冷却至40℃以下后作为脱酸塔（T001）顶冷进料，以控制脱酸塔（T001）塔顶温度；另一路经3次换热，即先经二级冷凝冷却器（E005）与气氨换热至54℃左右，再经一级冷凝冷却器（E004）与脱氨塔（T002）顶采出的含氨水汽换热至110～115℃，最后经热进料换热器（E011）与脱氨塔釜液换热至146～151℃，作为脱酸塔（T001）的热进料进入脱酸塔的第1块塔盘上，脱酸塔（T001）塔釜气相来自脱氨塔（T002）顶采出的一股含氨水汽。

脱酸塔（T001）塔顶出来的酸性气，经酸性气冷凝器（E001）冷却后，进入酸性气凝液槽（V007）分液，分液后的酸性气送出界区，分凝液相返回原水罐。当脱酸塔（T001）塔顶气相中水含量和氨含量较低时，也可不经冷却直接送出界区。

脱酸塔 （T001）釜液由泵送至脱氨塔（T002）顶部进行脱氨。脱氨塔（T002）顶采出的含氨水汽经一级冷凝冷却器（E004）与煤气水换热至115～130 ℃后进入一级分液罐（V001）进行气液分离，一级分液罐（V001）顶部出来的粗氨气经二级冷凝冷却器（E005）冷却至75～95 ℃左右后进入二级分液罐（V002），二级分液罐（V002）顶部出来的粗氨气经三级冷凝冷却器（E006）与冷却水换热冷却至40～45℃后进入三级分液罐（V003），三级分液罐（V003）顶部出来的粗氨气送至氨气净化塔（T003）净化；一级分液罐（V001）和二级分液罐（V002）下部的液相出料经氨凝液冷却器（E007）冷却后与三级分液罐（V003）下部液相汇合，一起进入氨凝液槽（V006），之后由泵打回原水罐。脱氨塔（T002）底净化水经换热器（E011）回收热量后，再经汽提水冷却器（E012）冷却至40℃以下后送入热水池；脱氨塔再沸器（E002）采用2.5MPa蒸汽加热，蒸汽冷凝液送入循环水冷却器，降温至90℃以下后送入蒸汽凝液槽（V005），然后由泵送入一体化净水器循环利用。

5.1.2.3 氨净化与吸收系统

三级分液罐（V003）顶部来的粗氨气从底部进入氨气净化塔 （T003），在氨气净化塔（T003）中依次通过下段洗涤段、上段洗涤段，与循环洗涤氨水逆流接触，氨气中的H2S、CO2和少量酚、氨被吸收至稀氨水中，净化后的粗氨气从氨气净化塔（T003）顶部出来，入氨气吸收器（E003）中吸收形成浓度20%的稀氨水，稀氨水进入氨水槽（V004），氨水槽（V004）氨水直接外售。

氨气净化塔（T003）上段所用的稀氨水由塔中部抽出的稀氨水和塔顶部补入的新鲜稀氨水组成；下段所用的稀氨水为塔釜抽出的稀氨水循环利用。上、下段循环液（稀氨水）分别由循环液泵P006、P007输送，两段循环液循环过程中分别经氨液冷却器（E008和E009）冷却。氨气净化塔塔釜多余的含硫、酚稀氨水由循环液泵（P007）出口管线分出一部分（支流）送至氨凝液泵（P003）入口，回原水罐。

5.2 紧急停车时系统部分安全阀会快速启跳

5.2.1 安全阀快速启跳问题

废热锅炉汽包正常运行压力0.203MPa，夹套锅炉最高运行压力0.83MPa，两者所产蒸汽从两侧进入缓冲罐（运行压力0.22MPa）与外来的0.4～0.6MPa蒸汽混合，再经废热锅炉过热段过热后作为气化剂（蒸汽）。废热锅炉汽包和缓冲罐安全阀的启跳压力均为0.23MPa，因其运行压力与启跳压力相差过小，紧急停车时，入造气炉蒸汽调节阀10s后关闭，入炉蒸汽没有用户之后蒸汽管网压力会瞬间升高，引起废热锅炉汽包安全阀和缓冲罐安全阀快速启跳。

5.2.2 改进设想

通过更换设备，提高废热锅炉汽包和缓冲罐设计压力至0.40MPa，提高安全阀启跳值至0.35MPa（只是留出紧急停车后人员的反应时间，若此压力太高可能影响蒸汽系统的稳定运行）。

6 结束语

实践表明，常压固定床纯氧连续气化炉以焦粒或无烟煤为原料进行气化，投资少、运行成本低，适合于制取工业燃气，在冶金、陶瓷、玻璃等行业有配套优势，这对于当前因环保压力大而需淘汰两段式煤气发生炉（生产工业燃气）的企业，以及采用天然气作为燃气生产成本太高的企业而言，技改或新建项目均值得考虑。简言之，常压固定床纯氧连续气化技术用于生产工业燃气，技术上是适应的，经济上是可行的。

此外，常压固定床纯氧连续气化炉所产清洁燃气用于焦化行业替代或部分替代炼焦过程中回炉的焦炉煤气，将焦炉煤气更多地用于生产LNG，剩余H2配入水煤气中作气质调节气用于生产甲醇、烯烃、二甲醚等化工产品的工艺路线，对于焦化行业的转型升级及节能增效等也具有一定的参考意义。