節能型煤催化氣化法制甲烷氣化爐技術

梁彩霞（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅蘭州730060）

節能型煤催化氣化法制甲烷氣化爐技術

梁彩霞（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅蘭州730060）

本文通過對煤催化氣化法制甲烷氣化爐的工作原理、工藝及裝備技術說明，提出了一種節能型煤催化氣化法制甲烷的氣化爐工藝及設備的優化技術。

節能；自惰式循環；甲烷化氣化爐優化

1　前言

如今煤炭轉變為便利、清潔能源或產品的工藝有煤制油、煤制氣、煤制甲醇、煤制烯烴等，其中煤制氣與其它工藝相比，具有流程簡單、技術成熟、單位熱值成本低、生產過程污染少等優點。煤制甲烷是一種新型的煤制氣技術，其核心為煤的氣化及甲烷化，煤氣化方法有固定床加壓氣化（Luigi）、水煤漿加壓氣化（Texaco）和干粉煤加壓氣化（Shell/GSP）等。煤催化氣化法制甲烷應用的是干粉煤加壓氣化（Shell/GSP）方法，最大特點是煤氣化和甲烷化在一個單元內完成，本文是對此氣化爐工藝及設備的優化進行了探討。

2　工藝技術

2.1工藝原理

煤催化氣化法制甲烷技術工藝原理：氣化爐中加入干煤粉和酸性鹽催化劑，在高溫高壓作用下，干煤粉與超臨界水蒸氣、氧氣發生氧化、還原反應，產生含二氧化碳、一氧化碳、甲烷、水蒸氣、氫氣等成分的高溫爐氣，對高溫爐氣分離提純，其中甲烷氣為產品。主要反應機理如下：

煤氣化反應：C+O2→CO2；2C+O2→2CO

甲烷化反應：CO+3H2→CH4+H2O；CO2+4H2→CH4+2H2O

主要副反應：CO+H2O→CO2+H2

2.2工藝流程

工藝流程見圖1，流程說明如下：

粒度為60～300目（其中300目占60%）的干煤粉與碳酸鹽的飽和溶液（催化劑）混合預升溫后通過煤粉升壓罐1進入氣化爐2，在高溫高壓下進行煤氣化和甲烷化反應，產生的高溫爐氣（二氧化碳、一氧化碳、甲烷、水蒸氣、氫氣等）經過換熱器5降溫后進入旋風分離器4，分離出未反應的干煤粉返回氣化爐2內繼續反應，為自惰式循環；分離凈化后的高溫爐氣分兩路。

圖1　工藝流程圖

第一路分離提純得到產品甲烷氣，第二路進入文丘里引射器6并與第一路分離出的一氧化碳、氫氣混合進入文丘里引射器7。與此同時氣化爐2水冷壁中的去離子水加熱汽化，經換熱器5升溫后的水蒸氣也進入文丘里引射器7，在此循環爐氣、高溫水蒸氣、一氧化碳、氫氣充分混合經加熱爐8內升溫后進入氣化爐2繼續反應。

2.3工藝特點

（1）氣化爐2設計水冷壁結構，保護設備同時使去離子水汽化為飽和蒸汽，飽和蒸汽在換熱器5內與高溫爐氣換熱后為高溫過飽和蒸汽，再經加熱爐8升溫后成為超臨界蒸汽進入氣化爐2內反應。去離子水汽化為超臨界蒸汽的熱量都來自系統自身，無外界熱量提供，是本技術節能的措施之一。

（2）氣化爐2爐氣循環、第一路分離出的一氧化碳和氫氣循環、氣化爐2水冷壁的蒸汽輸送的動能來自文丘里引射器6和文丘里引射器7；而文丘里引射器6和文丘里引射器7采用引射泵原理，即能把自身熱能轉化為動能，無外界動能（泵、風機等）提供，是本技術節能的措施之二。

（3）氣化爐2爐氣循環采用的是一種半開放半封閉的自惰式爐氣循環，在甲烷產出率不變的情況下，提高氣化爐2的甲烷化反應率，是本技術節能的措施之三。

（4）干煤粉預升溫、加熱爐8的燃料氣，來自氣化爐2爐氣分離出的一氧化碳和氫氣，無外界燃料氣提供，減少了公用工程消耗，是本技術節能的措施之四。

3　設備技術

3.1設備特點

煤催化氣化法制甲烷中的氣化爐采用U-GAS氣化爐，操作壓力～2.42MPa，操作溫度～1000℃，結構形式是圓筒形單層流化床，筒體由二段直徑不同的筒體組成，直徑小的為反應段（濃相段），直徑大的為擴大段（稀相段），且在反應段內安裝分布器。［1］

煤粉從分布器上部進入氣化爐，反應氣從分布器下部進入，在分布器上部氣流將煤粉托起形成浮動層并與氣體接觸反應，產出的粗爐氣和未完全反應的煤粉上升至擴大段，氣體流速減緩，一部分煤粉上升過程中與粗爐氣繼續反應，一部分煤粉落回反應段，與此同時粗煤氣夾帶微量煤粉從氣化爐頂排出，經旋風分離器氣固分離，捕集到的煤粉自動返回氣化爐循環反應，凈化后的粗爐氣經廢熱回收及提純分離成為產品。［2～3］

3.2設備結構［1］

3.2.1設計優化

U-GAS氣化爐是單層流化床氣化爐［4］。氣化爐設計有三個關鍵方面：承壓殼體、澆注料內襯、高溫金屬內件。

（1）承壓殼體

承壓殼體除滿足設計壓力下的強度外，還必須考慮：

①澆注料內襯及金屬內件重量，因為澆注料內襯和金屬內件的重量約是殼體重量兩倍，為方便運輸及考慮澆注料內襯施工強度，澆注料內襯及金屬內件多為現場安裝；②金屬內襯具有足夠的剛性強度，并且不負重；③在殼體外表面刷高溫熱敏油漆或設置水夾套，保證爐體具有足夠的超溫安全裕度。

（2）澆注料內襯

氣化爐的內襯要求內襯要有良好的保溫隔熱性、耐火性、耐粉煤沖刷磨損性、材料化學穩定性。

最關鍵的是材料化學穩定性，由于氣化爐內氣體為強還原性，因此內襯材料中的Fe2O3含量必須＜1%。氣化爐設計采用雙層整體澆注結構，內層采用重質耐磨澆注料，其Al2O3≥90%，Fe2O3≤0.5%，比重～3000kg/m3；外層采用輕質隔熱澆注料，Al2O3≥41%，比重～950kg/m3。雙層澆注料結構特點是利用了重質料和輕質料特點，既滿足了內襯耐磨、耐火的要求，又起到了保溫、隔熱效果。

（3）高溫金屬內件

氣化爐反應工藝是在金屬內件中完成，如氣流分布器和中心管、文丘里管、返料管，其中氣流分布器和中心管是煤氣化和甲烷化的關鍵；文丘里管如控制閥門，嚴格控制爐渣排放量；返料管是提高煤粉轉化率的關鍵。考慮到高溫狀態下金屬材料會嚴重氧化或蠕變強度低等，并且工藝氣成分中水碳比較低，設計時可以采用Incoloy800HT+滲鋁或合金602CA或合金690，能滿足工況條件和要求。

3.2.2筑爐優化

氣化爐內襯由二層不同材質的澆注料組成，可以更好地保證襯里的運行效果，但施工也較單層材質復雜得多，需在殼體內表面焊接兩種長度不同規格的錨固釘。

（1）輕質層施工

在待施工的金屬殼體內表面涂瑪銻脂，以此來防止鋼板表面腐蝕，同時減弱金屬殼體與襯里層性能差引起的應力。

（2）重質層施工

重質層澆注前預先安裝錨固釘頭，輕質層施工完畢，須將埋陷的錨固釘頭安裝桿與保護套暴露出來。在此，可用易于辨識的標記協助施工。

（3）內襯修整

襯里施工后或使用后若發現缺陷或損壞應及時修整。修整時，應注意損壞部位的修復面斜度和范圍，確保施工的完整性和澆注料內襯的耐用性。

3.2.3烘爐優化［1］

烘爐是耐火澆注料使用效果好壞的關鍵。烘爐的主要作用是排除澆注料中的游離水及化合水，從而避免因水分排出不暢形成襯里層缺陷造成不良后果。

氣化爐雙層澆注料結構的脫水特征和單層結構的主要差別在于水汽蒸發率和蒸發量。雙層結構中，輕質層的含水量達到材料重量的40%左右，而重質層含水量僅占6%左右。因而輕質層的含水量比重質層大，而重質層的密度比輕質層高，對輕質層水分的脫除產生阻力，大量水蒸汽無法順暢排出，形成的壓力可能造成重質層的損傷。

輕質料的脫水量、重質料的脫水率是雙層結構獨特的烘爐特點。因此，要嚴格控制烘爐時間及烘爐升溫速率。

4　結束語

節能型煤催化氣化法制甲烷氣化爐的工藝流程及氣化爐更新技術的成功開發，使催化氣化法制甲烷氣化爐技術更為節能、安全，為煤制甲烷化技術的進一步推廣應用奠定了基礎，具有良好的經濟效益和社會效益。

［1］楊仕昌，俞慶義.U-GAS煤氣化爐及其工業化應用.化工設備設計，1996（6）：25～29.

［2］陳仲波.煤氣化的工藝技術對比與選擇.化學工程與裝備，2011（4）：107～109.

［3］汪家銘.SES煤氣化技術及其在國內的應用.化肥設計，2010，48（5）：13～17.

［4］趙麥玲.煤氣化技術及各種氣化爐實際應用現狀綜述.化工設計通訊，2011，37（1）：8～15.

TQ546

A

2095-2066（2016）26-0248-02

2016-9-1

梁彩霞（1978-），女，工程師。