Shell煤氣化產品氣中氮氣含量調整研究

趙冬冬

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司(以下簡稱龍宇煤化工)氣化爐采用Shell粉煤加壓氣化工藝，該工藝以研磨合格的干煤粉為原料，采用空分精餾后純度在99.5%以上的氧氣為氣化劑。研磨合格的煤粉經氮氣加壓后，與來自空分的氧氣在煤燒嘴內混合后噴入氣化爐膛進行不完全燃燒，所產生液態渣經激冷、破碎、降壓后排出界外，所產生的夾帶飛灰的合成氣經激冷、除灰、洗滌[1]后送至下游變換裝置。

1 Shell煤氣化工藝流程

Shell煤氣化工藝流程見圖1。原煤在氮氣環境中送入磨煤機研磨、干燥，磨制合格的磨煤輸送至煤粉給料罐中備用。合格的煤粉通過載氣送入氣化爐煤燒嘴，與空分裝置送來的高壓氧氣在氣化爐爐膛中不完全燃燒，所產生的合成氣在氣化爐激冷段冷卻。合成氣經飛灰過濾器過濾后送入濕洗塔洗滌凈化。系統所過濾的飛灰經惰性氣體氣提、降壓后轉送到飛灰貯罐；排渣系統及濕洗系統所產生的污水經閃蒸、汽提、澄清后送至污水處理站處理。

2 Shell煤氣化裝置所使用的惰性氣分析[2]

Shell氣化爐所使用的惰性氣分為氮氣和二氧化碳兩部分。氮氣主要用于氣化爐激冷氣壓縮機密封、氣化爐振打器密封、煤粉輸送管道流化、飛灰輸送管道流化、除灰系統下料等；二氧化碳主要用于粉煤鎖斗充壓、煤燒嘴吹掃、煤進料罐充壓、高溫高壓飛灰過濾器氣體反吹、氣化爐反吹等。

3 合成氣中降低氮氣含量的主要措施

由于煤氣化系統中所涉及的諸如煤粉、氧氣、飛灰、合成氣等物料不與二氧化碳和氮氣反應，且都不直接對空排放，因而在煤粉輸送、飛灰輸送、氣化爐密封、管道吹掃等場所，考慮使用二氧化碳替代氮氣的措施是可行的[3]。

3.1 二氧化碳替代氮氣作為煤粉輸送載氣

Shell煤氣化工藝中，煤粉由氮氣作為載氣輸送至氣化爐內進行燃燒。在氣化初始開車時，合成氣變換及酸性氣脫除工序還沒有進入生產狀態，沒有產生二氧化碳，此時載氣壓縮機入口氣為低壓氮氣。隨著合成氣變換及酸性氣脫除工序開車，低溫甲醇洗洗滌吸收合成氣中的二氧化碳，經甲醇再生并送至載氣壓縮機入口，與空分來的氮氣一起加壓后送至煤氣化使用。

載氣壓縮機入口氣添加二氧化碳氣體后，氣化爐內二氧化碳濃度將逐步提升，這促進氣化爐內煤粉與二氧化碳、水蒸氣與二氧化碳之間的反應，從而提高產品氣中一氧化碳和氫氣的含量。載氣中添加80%二氧化碳時合成氣中氮氣含量的變化見圖2。

通過圖3、圖4的對比可以直觀地發現，二氧化碳代替部分氮氣作為煤粉輸送載氣時，合成氣中有效氣(一氧化碳與氫氣)明顯上升。

(1)16QI0005A分析的合成氣中H2含量從21.77%降低到19.03%，減少了2.74%。

(2)16QI0005B分析的合成氣中CO含量從58.13%增加到64.08%，增加了5.95%。

(3)16QI0005C分析的合成氣中CO2含量從2.33%增加到9.75%，增加了7.42%。

(4) 16QI0005E分析的合成氣中N2含量從14.01%減少到3.54%，減少了10.47%。

(5) 合成氣中的有效氣成分16QI0005A+16QI0005B的量從79.9%增加到83.11%，增加了3.21%。

煤粉載氣(氮氣)中添加二氧化碳，合成氣組分中的氮氣量減少，不僅能夠降低煤氣化裝置氮氣消耗，還可以減少產品氣中氮氣含量，使得甲醇合成工序的弛放氣減少，合成效率提高。氮氣/二氧化碳混合作為載氣使用。

使用二氧化碳替代氮氣作為煤粉輸送載氣，根據分析結果可知，合成氣中氮氣含量可由14%降至3.5%，隨著負荷提升，降幅明顯。

3.2 二氧化碳替代氮氣作為安全閥吹掃氣

在Shell煤氣化裝置中，涉及合成氣的安全閥共有10臺，由于合成氣具有腐蝕性，為防止合成氣中水分在安全閥管道處凝結、對管道造成腐蝕，按照設計，需在安全閥前對管道進行吹掃，保持管道的干燥。根據計算，每臺安全閥吹掃氣量為300Nm3/h，因此，從安全閥吹掃氣進入合成氣系統的氮氣量約3 000Nm3/h。

滿負荷下，合成氣產量為18.2萬Nm3/h，安全閥吹掃氣按3 000 Nm3/h計算，將該部分氮氣替換為二氧化碳后，合成氣中的氮氣含量將下降1.65%。安全閥及其吹掃氣現場圖片見圖5。

圖5 安全閥及其吹掃氣現場圖片

3.3 二氧化碳替代氮氣

氣化爐產生的3.96MPa、340℃的合成氣經過高溫高壓飛灰過濾器過濾后，與濕洗系統來的合成氣混合后去激冷氣壓縮機，作為氣化爐激冷氣使用。激冷氣壓縮機工藝流程見圖6。

圖6 激冷氣壓縮機工藝流程注：1-激冷器壓縮機；2-氣化爐；3-飛灰過濾器；4-濕洗塔

在正常運行時，激冷氣壓縮機前置氣及一級密封氣流量約1 000Nm3/h，其目的是密封合成氣，防止其外漏。激冷氣壓縮機前置氣及干氣密封系統見圖7。

按滿負荷下合成氣產量為18.2萬Nm3/h計算，該部分氮氣替換為二氧化碳后，合成氣中的氮氣含量將下降0.55%。

3.4 振打器密封氣

為防止氣化爐輸氣管、氣體返回室、合成氣冷卻器等部位積灰，在氣化爐設計時加裝了58臺振打器(見圖8)。由于受合成氣腐蝕，振打器密封容易造成密封氮氣外漏，因而，密封氮氣與氣化爐壓力差的設定是必要的。正常運行期間，密封氮氣進入氣化爐，流量約為600 Nm3/h。

按滿負荷下合成氣產量為18.2萬Nm3/h計算，該部分氮氣替換為二氧化碳后，合成氣中的氮氣含量將下降0.33%。

4 措施實施后的成果

上述措施實施后，合成氣中氮氣含量由14%下降至0.97%。合成氣中氮氣含量的降低對甲醇氫

回收弛放氣、變換冷凝液、甲醇產量均有不同程度的影響。

圖7 激冷氣壓縮機前置氣及干氣密封系統

圖8 氣化爐振打器及密封氣現場圖片

4.1 合成氣中氮氣含量降低后對弛放氣的影響

合成氣中氮氣含量降低前，龍宇煤化工甲醇合成弛放氣約2萬Nm3/h，其中H2與CO占50%左右，氮氣含量降低后，弛放氣量減排7 000 Nm3/h。由此可見，合成氣中氮氣量的減少，顯著降低了H2與CO的放空量，提高了合成氣利用率，僅此一項每天可減少有效氣放空量約8.4 萬Nm3。

4.2 合成氣中氮氣含量降低后的影響

經各項措施后，系統氮氣含量從14%下降為1%左右，變換冷凝液中氨氮含量由8 000mg/L下降至400mg/L，降低了污水系統處理負荷。二氧化碳替代氮氣前后變換冷凝液氨氮變化見圖9。

圖9 二氧化碳替代氮氣前后變換冷凝液氨氮變化

4.3 合成氣中氮氣含量降低后對甲醇產量的影響

在實施系統氮氣含量降低的各項措施時，合成氣中有效氣(H2與CO)比例上升約4%，甲醇增產明顯。

5 結語

目前，龍宇煤化工合成氣系統中氮氣含量已經降至為0.9%～1.2%，氮氣含量的降低促進了甲醇產量的提高，降低了污水系統處理負荷，提高了合成效率，而且還能減少系統的氮氣流量，保證了系統的氮氣壓力穩定，對系統的長周期、高產、高效運行起到了重要作用。