KSY焦油裂解技術研究

張 棟，何炳昊，王鵬偉，方玉虎，王忠臣

（陜西延長石油（集團）有限責任公司碳氫高效利用技術研究中心，陜西 西安 710075）

煤炭的無序化開采及不合理利用，導致環境問題日益嚴重，為了解決煤炭在利用過程中利用率低、經濟效益低、高污染“兩低一高”的問題，現代煤化工技術的發展都趨向于大型化、一體化、潔凈化。煤基油、煤基烯烴等技術的開發應用，提高了煤炭的深度加工和轉化效率，以及IGCC技術的開發與應用，標志著在燃煤發電過程中對煤炭的高效清潔利用，被視為最具有競爭力的以煤為燃料的高效清潔發電技術，實現了多產業集成耦合創新發展，但在工業化中難免存在著能源轉化效率低、能量利用率低、投資成本高等缺陷［1，2］。

中國煤炭資源豐富，其中煙煤占75%，無煙煤占12%，褐煤占13%，其中低變質煙煤占33%，中變質煙煤占17%［3，4］。循環流化床反應器對比表面積大、揮發分高、活性好的褐煤和次煙煤有很好的適應性，但由于煤的氣化過程有焦油［5］、CH4及粉塵顆粒含量高的缺陷，大大降低了碳的轉化率，為解決氣化過程中出現此類問題，陜西延長石油（集團）碳氫高效利用技術研究中心開發出了100 t/d大型KSY輸運床氣化裝置。

1 KSY研發歷程

KSY輸運床氣化裝置是基于美國KBR公司和美國南方電力公司（SGT）共同開發的輸運床氣化技術并在此技術中間增加了碳氫研究中心自主開發的TCD焦油裂解技術，是1種先進的循環流化床氣化技術。TCD焦油裂解技術增加合成氣在爐子內部的停留時間，在TCD內部較高的溫度下提高對碳氫化合物的裂解，降低粗合成氣中焦油、CH4及含碳粉塵顆粒的組分，提高碳的轉化率。

經過一系列的試驗研究，2012年9月，延長石油集團赴北達科他州大學EERC（能源與環境研究中心）TRIGTM煤氣化實驗裝置進行最終評估試驗［6］，目的是測試在較高溫度下，碳氫化合物的分解率能否進一步提高，合成氣中的甲烷以及細灰中的殘碳能否進一步轉化，提高碳轉化率。試驗結果表明，在較高溫度下，煤的合成氣收率持續提高，說明在高溫條件下，粗合成氣中的焦油、甲烷及含碳顆粒發生了裂解及轉化反應。

2014年，在陜西省興平市延長化工工業園區建設了100 t/d大型KSY輸運床氣化試驗示范裝置，目的是為了測試和示范煤炭高效、清潔利用的技術，為商業放大化提供設計數據。KSY試驗裝置包括儲煤準備、粉煤制備、煤氣化系統、液氮系統、公輔工程系統5個生產單元，其中煤氣化系統又可細化分為氣化、焦油裂解、合成氣冷卻等幾個部分。主要設備包括粉煤加壓進料系統、TRIG氣化爐、TCD焦油裂解器、SGC合成氣冷卻器、PCD顆粒物控制器、合成氣洗滌塔、CFAD細灰排灰系統、CCAD粗灰排灰系統等。

2 工藝原理及流程

KSY煤氣化技術屬于輸運床循環流化氣化工藝，其機械設計和運行操作是基于KBR的流化催化裂化（FCC）技術。與傳統的循環流化床相比，KSY煤氣化技術的主要特點是對含碳組分的2次裂解，提高碳轉化率，因增加了TCD焦油裂解系統，使得1段爐出來的粗合成氣、CH4、含碳細灰顆粒等組分在較高的溫度下進行了2次轉化，增加了合成氣中的有效成分含量，提高了碳轉化率。

TCD焦油裂解器以KSY的1段氣化爐產生的粗煤氣為原料，將粗煤氣中的焦油裂解轉化、同時進行含碳細灰顆粒等組分的2次轉化，轉化后的合成氣與轉化前的合成氣有效組分對見表1［7］。TCD焦油裂解器結構見圖1。

表1 出/入焦油裂解器合成氣有效組分對比表

圖1 TCD焦油裂解器結構

（1）TCD焦油裂解器本質上是1個循環流化床反應器，主要由循環密封罐、提升管、短節、旋風分離器和料腿組成。反應系統主要包括3個區域：固體顆粒分散區（SDZ）、部分氧化區（POZ）及后處理區（PPZ）。

SDZ區的作用是向合成氣氣流中分散足夠的固體顆粒，此處的預混合效應可以大幅度提升氣流的總熱容，提高氣固混合物的溫度，使之接近于TCD的操作溫度；POZ區的作用是將自SDZ區來的氣—固混合物料的溫度提升至TCD的操作溫度，在POZ區內氧氣與焦油、焦炭末進行反應生成合成氣，所有的烴類物質將會被轉化為CO、H2及少量的CO2；PPZ區的作用是對POZ段的合成氣進行深度處理，進一步提高TCD上端出口合成氣的溫度，提高碳轉化率，合成氣從旋風分離器頂部進入下游設備。旋風分離器收集的固體大部分繼續在裂解器內循環流化，沉積在料腿底部的固體經過CCAD粗灰連續排灰系統排出。

（2）旋風分離器收集的固體經過循環密封罐進入裂解器固體顆粒分散區，未反應完全的固體顆粒和新進入合成氣中的焦油、甲烷等含碳組分與注入的氣化劑進行進一步轉化反應，裂解器內固體物料的循環動力主要來自于料位差，同時在料腿和循環密封罐設置了循環氣流化管口，以保證固體正常循環流化和防止堵塞。

（3）焦油裂解系統（TCD）以含雜（煤焦粉塵、焦油）合成氣為原料，在特定熱載體填料的反應器內進行高溫熱態轉化，在較高的溫度下，含碳顆粒和焦油可發生以下水蒸氣轉化反應及裂解反應，增加了碳的轉化率和氣體產物。

KSY試驗示范裝置工藝流程見圖2。

圖2 KSY試驗示范裝置工藝流程

3 試驗結果

2016年10月8日，裝置開工預熱爐點火，開始熱態聯運并投煤試運轉，連續平穩運行14 d，累計運行335 h，各項工業指標和技術參數達到目標要求，取得了大量運行數據和運行經驗，標志著KSY煤氣化技術進入了新階段［8］。2017年4月6日，裝置開始第2次投料運行試驗，在50%工況下，裝置累計投料42 h，投煤85 t，從氣化爐出口和裂解器出口取樣分析合成氣中組分的對比來看，合成氣中的有效組分含量明顯提高，甲烷含量及其它含碳組分明顯降低，實現了煤氣化技術重大突破。

4 技術特點

（1）在循環流化床技術基礎上增加TCD焦油裂解系統，對焦油、CH4及含碳粉塵進行2次裂解。

（2）環保效益高。干法排灰，徹底消除黑水的產生，降低后系統的負荷。

（3）碳轉化率高。在TCD內高溫下完成焦油的裂解及含碳組分的轉化，提高碳轉化率。

（4）投資費用低。氣化爐等設備結構簡單、無內部件、移動件和膨脹節，節省設備投資費用。

（5）原料靈活性大。將原煤適應性由單純的低變質褐煤延伸至中、高變質程度煤種，可處理多種粒徑分布的煤原料，放寬了裝置對原料的要求。

5 結束語

KSY煤氣化技術中TCD焦油裂解系統的增加，有效解決了氣化過程中碳轉化率低、合成氣中含碳顆粒偏多以及煤氣中的焦油難以轉化等難題。該技術的放大和商業化，具有廣闊前景。