WHG干煤粉加壓氣化上行水激冷試驗研究

劉振峰，杜孟洪

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

WHG干煤粉加壓氣化上行水激冷試驗研究

劉振峰，杜孟洪

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

介紹了河南龍宇煤化工有限公司WHG干煤粉加壓氣化工藝的流程以及合成氣上行水激冷方式。分析了激冷噴嘴、操作溫度以及CO2工況等因素對WHG運行的影響。在多次調試和試運行的基礎上提出了WHG干煤粉氣化裝置進一步的改進方向。

WHG；上行水激冷；激冷噴嘴； CO2工況；操作溫度

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.005

目前，干煤粉氣化爐的高溫合成氣冷卻方式主要有合成氣激冷和水激冷兩種方式，水激冷方式又分合成氣下行水激冷和合成氣上行水激冷兩種。殼牌合成氣激冷方式是工業應用經驗最豐富的干粉氣化技術之一，其效率和工藝指標的先進性已經得到了驗證和認可，而且在線率也在不斷創造紀錄，大部分客戶已實現滿負荷、長周期、安全、穩定運轉，但仍存在堵渣、積灰、激冷氣量不足、合成氣冷卻器積灰、飛灰過濾器因積灰導致過濾管超壓斷裂等問題。合成氣下行水激冷方式的氣化爐有德士古、航天爐和GSP等，此激冷方式也是比較成熟的氣化工藝。相比于以上兩種激冷方式，合成氣上行水激冷方式的工業應用運行經驗比較少，但此種激冷方式具有一定的優勢，因此對合成氣上行水激冷方式進行深入的研究在工業應用方面及經濟與環境保護方面都具有重要的意義。

河南龍宇煤化工二期為40萬t/a醋酸項目，其配套的煤氣化裝置為投煤量1 000～1 200t/d的WHG干煤粉加壓氣化爐(2臺)，該裝置采用合成氣上行水激冷方式，本文結合WHG試驗情況對合成氣上行水激冷方式進行探索研究。

1 工藝技術

1.1 主要工序

WHG氣化工藝采用干煤粉進料、純氧氣流床加壓氣化、液態排渣、含灰的粗合成氣上行，熔渣下行，水/蒸汽霧化噴射激冷，激冷罐、文丘里洗滌器和洗滌塔冷卻和洗滌粗合成氣。該流程包括備煤與加壓計量輸送系統、氣化及氣體冷卻洗滌系統、黑水處理系統等單元。WHG氣化工序見圖1。

圖1 WHG氣化工序

1.2 WHG干煤粉合成氣上行水激冷

干煤粉氣化水激冷分為合成氣和熔渣流向相同的下行水激冷煤氣化技術和合成氣上行、熔渣下行的水激冷氣化技術。WHG干煤粉氣化裝置采用熔渣下行、合成氣上行水激冷的方式。在氣化反應氣體出口上方設置激冷室，正常操作時，通過設在激冷室筒壁上的多排多個水/汽組合型噴嘴實現對高溫合成氣噴水霧化冷卻和固灰，同時激冷盒的位置采用輔助激冷蒸汽進行再次降溫和固化。取代傳統用后續返回氣進行激冷的方法，簡化了流程，取消壓縮機，降低工程投資，節約了運行費用。兩種激冷技術相比，上行激冷粉煤氣化爐采用多燒嘴和膜式壁結構，壽命長，且碳轉化率高。上行、下行兩種激冷技術的性能指標比較見表1。

表1 上行、下行水激冷性能指標比較

1.3 WHG試驗與設計關鍵參數對比

1.3.1 煤質特性

煤質的水分、揮發分、灰分、固定碳、灰熔點等特性指標對WHG爐的運行穩定具有重要的影響。因此確定合適的配煤、穩定的煤質以保障WHG爐長周期穩定運行。WHG煤質特性設計與試驗對比見表2。

表2 WHG煤質特性設計與試驗對比

1.3.2 合成氣產量及組分

WHG設計氧負荷10.25kg/s，WHG在多次試驗時氧負荷在80%左右。試驗中產出的合成氣量及組分試驗值與設計值對比見表3。

表3 WHG產量及組分(體積分數)試驗值與設計值對比

1.3.3 性能指標

WHG在試驗過程中，碳轉化率達到99%以上，煤氣(干氣)中有效氣體(CO+H2)可以達到90%左右，冷煤氣效率在80%左右。WHG在試驗時環保效益也比較好，對環境幾乎沒有影響，氣化污水中含氰化物少，容易處理。

通過對比試驗中關鍵參數與設計，發現WHG在試驗中基本上達到了設計指標。

2 影響WHG試驗的關鍵因素

經過多次試驗，發現影響WHG氣化爐運行的主要工藝指標有：激冷噴嘴的噴射霧化效果、氣化爐操作溫度、CO2工況等。這些工藝指標直接決定了WHG氣化爐的試驗效果及試車運行時間的長短。

2.1 激冷噴嘴噴射霧化效果

WHG激冷流程采用水激冷和蒸汽輔助激冷，水激冷噴嘴對激冷效果至關重要。激冷噴嘴主要由給水管、蒸汽管、噴頭、固定法蘭、高溫高壓膨脹密封等構成。工作原理為：WHG激冷裝置分兩層控制在激冷室，每層8支激冷裝置，每支激冷裝置中間由水層和外層蒸汽層組成。水層利用高速噴射流使水霧化，通過噴嘴內層通道結構實現大覆蓋角度的冷卻。通過外層蒸汽側噴孔噴射蒸汽實現噴嘴周圍冷卻，保護噴嘴。在WHG試驗中發現，影響激冷噴嘴效果的兩個重要指標為噴嘴的霧化質量和激冷噴嘴噴射的穿透力。

2.1.1 激冷噴嘴的霧化質量

激冷噴嘴噴射霧化質量的評價標準主要是噴霧粒徑。霧化質量高時霧化的激冷水遇到熱的合成氣可以迅速氣化，避免因大量濕氣的存在造成積灰。霧化粒徑越小，對噴嘴的霧化質量要求越高，但在提高了霧化質量的同時又減少了激冷噴嘴的噴水量，達不到所要求的激冷效果。不同條件下激冷噴嘴霧化試驗數據見表4。

表4 激冷噴嘴霧化試驗數據

由激冷噴嘴霧化試驗效果可以看出，粒徑在100μm、120μm時的霧化效果好于其他粒徑時的霧化效果。

2.1.2 激冷噴嘴噴射穿透力

在WHG干煤粉氣化裝置多次的試驗過程中發現，如果激冷噴嘴在一定背壓下的噴射穿透力不夠，即使噴嘴的霧化效果很好，也無法對合成氣中心區域進行激冷，會造成融熔的灰渣在激冷段積灰堵塞。根據設計要求，激冷噴嘴需滿足額定工作背壓4MPa(g)、噴射距離≥0.7m(WHG反應室直徑為1.4m)的要求。結合不同粒徑下的噴霧效果，最終選擇粒徑在120μm左右。

但是根據多次試驗發現，噴嘴存在噴孔過小、容易堵塞的問題，激冷噴嘴在要求的背壓下很難達到要求的噴射距離，同時水激冷噴嘴存在霧化效果不好、穿透力不強、達不到合成氣中心高溫區域，以致合成氣無法完全激冷的情況，導致激冷段出現積灰。激冷段積灰情況見圖2。激冷水噴嘴堵塞情況見圖3，粗合成氣上行通道堵塞情況見圖4。

圖2 激冷段積灰情況

圖3 激冷水噴嘴堵塞情況

圖4 粗合成氣上行通道堵塞情況

2.2 操作溫度

操作溫度是影響WHG干煤粉加壓氣化裝置運行的關鍵因素之一，在WHG爐膛內反應生成的高溫煤氣(1 400～1 600℃)在氣化爐爐膛出口用水和蒸汽激冷至850℃左右。在WHG試驗的過程中采用配煤的方式解決單一煤種灰熔點不在操作窗口的問題，配煤后灰熔點在1 350℃左右。在多次的試驗中發現，操作溫度(合成氣水激冷后的溫度)對氣化工況影響非常明顯，不同操作溫度下WHG裝置的試驗情況見表5。

表5 不同操作溫度下WHG裝置的試驗情況

由不同操作溫度下的開車試驗可以發現，不同的氣化操作溫度對氣化工況的影響非常明顯，WHG粗合成氣激冷后的溫度應該控制在500～550℃較為理想。

2.3 CO2工況的影響

在氮氣工況下，氧負荷80%時，WHG最長運行時間為95h35min，產出了合格的CO和H2，并打通了所有的工藝流程。此時各項工藝指標均在合理的范圍內，激冷段壓差033PDI0066在1kPa左右。當氣化裝置倒入CO2運行一段時間后工況開始發生變化，激冷段壓差033PDI0066明顯升高，導致氣化裝置停車。倒入CO2后033PDI0066變化情況見表6。

表6 倒入CO2后033PDI0066變化情況

在CO2工況下能夠實現長周期、高負荷運行是干煤粉氣化加壓裝置開車試驗成功的重要標志。但WHG在CO2工況下進行了多次的試驗均未實現突破性的進展，試驗均出現類似的情況：在倒入CO2之前WHG能夠實現長周期、平穩運行，倒入CO2后工況很快發生變化，激冷段的壓差出現波動上漲，激冷段積灰導致裝置停車。

3 試驗小結

WHG干煤粉氣化裝置多次試驗的結果如下。

(1)激冷噴嘴效果不理想，通過單一對激冷噴嘴的改進無法解決WHG激冷段積灰問題。

(2)合成氣水激冷后的操作溫度影響WHG運行情況，控制在500～550℃可以延長運行周期。

(3)WHG已實現在純氮氣工況下的長周期、高負荷運行，但CO2工況下的長周期、高負荷運行未能實現。

(4)在高溫高壓下，CO2與蒸汽及煤粉等發生了劇烈的化學反應導致了激冷段出現積灰情況。

4 改進方向

針對WHG干煤粉氣化加壓裝置在多次試驗中出現的問題，提出了下一步的改進方向。

(1)對激冷噴嘴進行升級改造，進一步提高激冷噴嘴的霧化效果及穿透力，解決激冷效果不好的問題。

(2)在水激冷的基礎上增加循環激冷氣壓縮機裝置，實現上行合成氣激冷與上行水激冷相結合的方式。兩種方式相結合可以充分利用水激冷和合成氣激冷的優點，同時可以解決一種激冷方式的不足。

5 結語

WHG干粉煤加壓氣化裝置是一種新型的粉煤加壓氣化裝置，采用合成氣上行水激冷的方式。WHG經過多次開車試驗實現了氮氣工況下的安全、平穩運行，打通了所有的工藝流程。WHG在多次的試驗中均出現了CO2工況下激冷段積灰的問題，未能實現系統在CO2工況下的長周期、高負荷運行。WHG作為一種新的干粉煤氣化裝置已經取得階段性成功，為研究合成氣上行水激冷方式積累了寶貴的經驗，同時為研究WHG粉煤氣化裝置上行水激冷方式奠定了基礎，并提供了新的方向。

[1] 徐才福，夏吳，張宗飛.WHG氣流床粉煤加壓氣化技術的開發與應用[J].化肥設計，2015，53(2)：1-4.

[2] 侯凌云，侯曉春.噴嘴技術手冊[M].北京：中國石化出版社，2007.

[3] 張宗飛，夏吳，徐才福，姚強，游偉.新型五環爐干粉加壓氣化工藝及開車總結[J].化肥設計，2015，53(2)：12-16.

WHG Dry Pulverized Coal Gasification Upstream Water Quench Test

LIU Zhen-feng，DU Meng-hong

(HenanLongyuCoalChemicalCo.，Ltd.，YongchengHenan476600China)

This paper introduces the WHG dry pulverized coal gasification process and synthesis gas upstream water quenching method.It also analyzes the influence of the cooling nozzle，operating temperature and CO2conditions on the operation of WHG.On the basis of debugging and trial operation，the further improvement direction of WHG dry coal gasification unit is put forward.

WHG；upward water chilling；chilling nozzle；CO2operating mode；operating temperature

劉振峰(1981年—)，男，河南周口人，2005年畢業于河南大學化學工程與工藝專業，工程師，現任河南龍宇煤化工有限公司氣化二廠廠長，主要從事煤氣化技術與生產管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.005

TQ536.9

A

1004-8901(2017)01-0017-04

2016-09-27