小型煤氣化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工藝與應(yīng)用探索

石 旭

（清華大學(xué)山西清潔能源研究院，太原 030032）

煤氣化技術(shù)是煤化工產(chǎn)業(yè)的龍頭，中國(guó)煤氣化技術(shù)的研發(fā)始于20世紀(jì)50年代末期，近50年來，在國(guó)家的支持下，我國(guó)在煤氣化技術(shù)的研究與開發(fā)、學(xué)習(xí)引進(jìn)方面進(jìn)行了大量工作。通過對(duì)引進(jìn)的煤氣化技術(shù)進(jìn)行消化吸收，尤其國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)，對(duì)引進(jìn)裝置進(jìn)行技術(shù)改造并使之國(guó)產(chǎn)化，使我國(guó)煤氣化技術(shù)的研究開發(fā)取得了重要進(jìn)展。煤炭利用技術(shù)的研究和開發(fā)是我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一，并且隨著全社會(huì)對(duì)生態(tài)及環(huán)境保護(hù)要求的提高，我國(guó)政府對(duì)環(huán)保的重視，煤炭的清潔利用對(duì)我國(guó)目前能源結(jié)構(gòu)調(diào)整顯得愈發(fā)重要。

本文將主要介紹煤氣化小型熱模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工藝與設(shè)計(jì)，通過對(duì)煤氣化熱模平臺(tái)的工藝流程、平臺(tái)關(guān)鍵部位的介紹和小型熱模平臺(tái)設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)，為小型煤氣化熱模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)提供參考。

1 小型熱模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)流程簡(jiǎn)介

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)流程為：粉煤通過給料機(jī)構(gòu)進(jìn)入氣化爐，采用純氧作為氣化劑，對(duì)粉煤進(jìn)行部分氧化，從而生產(chǎn)粗合成氣（主要成分為CO、H2、CO2）的過程，具體如圖1所示。

工藝對(duì)煤粉要求為含水量≤2%。煤粉采用平臺(tái)搭建現(xiàn)場(chǎng)可行的方式加入常壓粉煤貯罐，并少部分送入粉煤給料罐。

經(jīng)預(yù)熱氮?dú)馔ㄟ^充氣錐進(jìn)入給料罐，同步通過高溫氮?dú)鈱?duì)粉煤進(jìn)行加熱并同步建立煤粉流量，以保證粉煤進(jìn)料溫度為80℃。粉煤流量穩(wěn)定后，與氮?dú)庖黄疬M(jìn)入氣化爐。

液氧裝置提供的氧氣以一定的壓力和溫度進(jìn)入氣化爐。在氣化爐內(nèi)煤粉、氧氣、水蒸氣等在高溫、高壓條件下發(fā)生復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，生成以CO、H2、CO2為主要成份的粗合成氣，氣體經(jīng)洗滌、脫硫后，經(jīng)火炬焚燒排入大氣。

其中，氣化爐上部為燃燒室，下部為激冷室。燃燒室內(nèi)反應(yīng)生成的粗合成氣以及高溫環(huán)境下熔融的灰渣通過下降管進(jìn)入激冷室水浴中逐漸冷卻。同時(shí)，大部分熔渣及殘?zhí)恳曰以问綇暮铣蓺庵谐ィS氣化爐黑水進(jìn)入氣化爐下方的集渣器中。少部分熔渣以飛灰形式隨合成氣進(jìn)入除塵脫硫單元。黑水可通過集渣器頂部的溢流口排出，而灰渣則沉積于集渣器底部，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可通過底部排渣口排出。

圖1 小型煤氣化熱模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工藝流程

激冷室液位通過集渣器溢流的黑水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。氣化爐工藝燒嘴設(shè)有冷卻水夾套，燒嘴冷卻水系統(tǒng)和氣化爐進(jìn)料的蒸汽、伴熱用蒸汽、換熱器用蒸汽共用一套鍋爐水系統(tǒng)。

2 小型熱模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵部位簡(jiǎn)介

2.1 粉煤密相輸送單元

粉煤高壓密相輸送包括粉煤貯罐、粉煤給料罐、粉煤輸送管線、過濾系統(tǒng)等設(shè)備。

實(shí)際情況應(yīng)根據(jù)單次實(shí)驗(yàn)包括調(diào)試及實(shí)驗(yàn)時(shí)間計(jì)算，以實(shí)驗(yàn)時(shí)間8h，氣化爐用煤量1t/d為例（以下數(shù)據(jù)若不做說明，均以此為例）：給料罐的粉煤容量不低于2000kg，粉煤貯罐的容量不低于2000kg，粉煤密相輸送系統(tǒng)的常規(guī)投煤為量250kg/h，為滿足氣化單元的工作壓力，給料罐粉煤輸送壓力為2.0MPaG。

2.2 煤氣化單元

煤氣化單元包括氣化爐本體、燒嘴（點(diǎn)火、烘爐及進(jìn)料用）、集渣器、粗渣取樣器、激冷水池、脫硫塔、氣體在線分析系統(tǒng)及爐體取溫?zé)犭娕嫉冉M成。假定氣化爐的工作壓力為1.0MPaG，操作溫度1500℃，在該工藝條件下滿足單次實(shí)驗(yàn)8h。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)在氣化爐燃燒室預(yù)熱升溫至800℃以上并恒溫2小時(shí)后，更換工藝燒嘴，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行置換，置換合格后程序控制投入粉煤與加熱后的氧氣（來自液氧系統(tǒng)）及工藝水蒸汽（來自鍋爐），各物料在氣化爐燃燒室內(nèi)發(fā)生一系列復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)。

進(jìn)入氣化爐前工藝氧氣、蒸汽預(yù)熱至180℃，粉煤預(yù)熱至80℃。高溫合成氣與粗渣經(jīng)燃燒室下渣口與下降管進(jìn)入氣化爐激冷室中，經(jīng)激冷水及激冷室的水浴作用被冷卻降溫至131℃（可根據(jù)除塵脫硫單元具體操作調(diào)整），冷卻后的合成氣通過激冷室上部出口進(jìn)入合成氣除塵脫硫單元。煤氣化爐內(nèi)的主要反應(yīng)如表1所示。

2.3 渣水處理單元

粗渣隨激冷室中的黑水一起通過激冷室底部出口排出氣化爐，粗渣被收集于集渣器中，黑水排放至激冷水池中以便重復(fù)利用。氣化爐底部排黑水管線與集渣器之間設(shè)置粗渣取樣器，用于對(duì)氣化爐底部粗渣進(jìn)行在線間歇取樣分析。

2.4 合成氣除塵脫硫單元

合成氣除塵脫硫單元包括除塵、脫水、脫硫功能。除塵脫水段內(nèi)置除塵的過濾設(shè)施及吸附劑，脫硫段為干法脫硫工藝，內(nèi)置ZnO脫硫劑，經(jīng)過脫硫后的合成氣總硫含量滿足國(guó)家大氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

來自上游工段的粗合成氣從下往上依次經(jīng)過破沫網(wǎng)、過濾劑和ZnO脫硫劑，依次除掉合成氣中的液態(tài)水、灰塵、H2S和部分COS。除塵脫水段的設(shè)計(jì)滿足氣化爐單次實(shí)驗(yàn)8h的負(fù)荷要求，且內(nèi)置過濾設(shè)施及吸附劑滿足較長(zhǎng)的更換周期＞200h。

激冷室出口合成氣管線設(shè)置合成氣在線分析系統(tǒng)，位于預(yù)處理器后，用于對(duì)合成氣中的組分如CO、CO2、H2、CH4、H2S、N2等進(jìn)行分析。

2.5 合成氣燃燒放空單元

由于本熱模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，所以實(shí)驗(yàn)得到的合成氣只做成分分析記錄，不設(shè)置收集裝置。合成氣燃燒放空單元用于將除塵脫水脫硫后的合成氣減壓，然后經(jīng)火炬焚燒至符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)后放空。

2.6 公用工程單元

公用工程包括高壓氮?dú)狻⒌蛪旱獨(dú)狻⒐に囁魵狻⑻烊粴狻x表空氣、脫鹽水等。其中，高壓氮?dú)庥糜诜勖狠斔拖到y(tǒng)、管路吹掃及閥間氮封等，低壓氮?dú)庥糜谙到y(tǒng)置換和惰性氣體保護(hù)等。工藝水蒸氣來源于蒸汽發(fā)生鍋爐，其壓力同樣滿足煤氣化爐內(nèi)的1MPaG工作壓力，同時(shí)滿足180℃的初始溫度（進(jìn)入氣化爐前溫度）。氣化爐燒嘴冷卻水采用脫鹽水，且可循環(huán)利用。

3 小型熱模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的探索

如何做好小型煤氣化熱模平臺(tái)的工藝和應(yīng)用，以及利用好煤氣化研發(fā)平臺(tái)是我們今后應(yīng)著重探索的。隨著煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，先進(jìn)的煤氣化技術(shù)終將取代落后的煤氣化技術(shù)。小型熱模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅要在氣化研發(fā)創(chuàng)新和提升創(chuàng)新力方面發(fā)揮作用，還要在新型煤氣化技術(shù)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證與工藝指導(dǎo)等方面發(fā)揮更大作用。

搭建小型煤氣化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅能培養(yǎng)優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)，拓寬科研人員創(chuàng)新條件，完善和提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能，還能為自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤氣化成套技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的開發(fā)提供支撐，為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、煤炭清潔利用提供理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保障。

通過組建熱模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并結(jié)合煤氣化相關(guān)的知識(shí)分析，以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，通過創(chuàng)新研究對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和改良，強(qiáng)化各平臺(tái)的功能和利用率，獲取新型煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵工藝和設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，持續(xù)提升科技創(chuàng)新項(xiàng)目立項(xiàng)和實(shí)施水平，同步提升試驗(yàn)平臺(tái)研究開發(fā)進(jìn)程，并最終實(shí)現(xiàn)量變到質(zhì)變的跨越。