航天爐粉煤輸送及氣化保護氣系統(tǒng)介質(zhì)調(diào)整運行總結(jié)

于振海，童維風，耿恒輝

(安徽晉煤中能化工股份有限公司, 安徽臨泉 236400)

安徽晉煤中能化工股份有限公司(簡稱中能公司)原料路線改造工程，即二期航天爐采用了具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的HT-L航天粉煤加壓氣化技術(shù)。HT-L航天粉煤加壓氣化技術(shù)以干煤粉為原料，以純氧及少量水蒸氣為氣化劑在較高溫度(1 550 ℃)及4.0 MPa壓力下對粉煤進行燃燒，采用激冷流程生產(chǎn)粗合成氣，激冷后的粗合成氣溫度降至200 ℃左右送至后工序。

HT-L航天粉煤加壓氣化裝置(簡稱二期航天爐)設(shè)計生產(chǎn)體積流量為123萬m3/d合成氣，日處理原煤800 t，運行壓力為4.0 MPa。2009年項目開工建設(shè)，2011年6月單體試車，2011年12月系統(tǒng)聯(lián)動試車，2012年1月4日二期航天爐第一次投料開車運行。2012年2月5日合成氨系統(tǒng)檢修、消缺完成，2月5日20:05：00二期航天爐投料成功，逐漸加負荷運行；2月7日一期合成氣向二期合成氣系統(tǒng)串氣生產(chǎn)合成氨。

1 粉煤輸送及氣化保護氣系統(tǒng)工藝簡介

粉煤給料罐是把粉煤源源不斷送入氣化爐粉煤燒嘴燃燒的重要設(shè)備。從粉煤給料罐下部3個充氣錐通入適量的輸送載氣，使粉煤處于流化狀態(tài)，通過控制合適的粉煤給料罐與氣化爐壓差把粉煤送出充氣錐，粉煤屬于密相輸送。粉煤出充氣錐后進入粉煤加料器，由粉煤流量調(diào)節(jié)閥控制粉煤質(zhì)量流量，并參照合成氣中的CO2(一般體積分數(shù)為3.0%～15.0%，干基)或者甲烷(體積分數(shù)<0.1%)進行調(diào)節(jié)。由粉煤流量調(diào)節(jié)閥控制加入粉煤加料器的CO2(或N2)的流量來調(diào)節(jié)粉煤懸浮速度，然后懸浮粉煤進入粉煤燒嘴[1]。

燒嘴是二期航天爐的關(guān)鍵設(shè)備之一，由于燒嘴長期處于高溫狀態(tài)，容易出現(xiàn)龜裂，造成冷卻水泄漏，進而影響到二期航天爐的穩(wěn)定。為解決這一問題，在燒嘴上通入了1路CO2(或N2)作為燒嘴的保護氣，起到降低燒嘴頭部溫度、延長燒嘴使用壽命的作用。該保護氣進入二期航天爐，部分CO2會參與燃燒反應。

二期航天爐設(shè)計為水冷盤管結(jié)構(gòu)，水冷盤管與航天爐殼體之間形成的環(huán)隙稱為環(huán)腔。為了消除由水冷盤管熱膨脹帶來的變化，將水冷盤管出口留有膨脹余量，從而形成了環(huán)腔口。二期航天爐的燃燒反應過程中產(chǎn)生的煤灰、灰渣會進入環(huán)腔，導致環(huán)腔積灰，造成設(shè)備的損害。為了盡可能地避免煤灰、灰渣進入環(huán)腔，在環(huán)腔內(nèi)部設(shè)置了2路環(huán)腔保護氣。保護氣持續(xù)通入，使得環(huán)腔與氣化爐內(nèi)保持一定的壓差，環(huán)腔壓力始終微高于氣化爐壓力。該保護氣進入二期航天爐后部分參與反應，大部分直接進入合成氣中，成為合成氣的組分。

綜上所述，以上3部分氣體是外部氣體進入二期航天爐的主要部分，成為影響合成氣成分的重要因素。

2 二期航天爐內(nèi)的主要反應

二期航天爐爐膛內(nèi)部主要是干煤粉和O2發(fā)生的反應，生成以CO+H2為主要成分的粗合成氣。氣化爐內(nèi)進行的反應相當復雜，主要分為三步進行，即煤的裂解和揮發(fā)分的燃燒、燃燒和氣化反應、還原反應。

2.1 煤的裂解和揮發(fā)分的燃燒

粉煤和O2進入高溫二期航天爐后，粉煤受熱速度極快，粉煤中的殘余水分瞬間快速蒸發(fā)，粉煤發(fā)生裂解并釋放出揮發(fā)分，生成半焦和氣體產(chǎn)物；裂解產(chǎn)物及易揮發(fā)組分在高溫、高氧濃度的條件下迅速完全燃燒，放出大量的反應熱，維持氣化反應的進行。該過程進行得相當短促。由于二期航天爐內(nèi)溫度超過1 000 ℃，因此在合成氣中幾乎不含焦油、酚類和高分子烴類。

2.2 燃燒和氣化反應

煤裂解后生成的煤焦一方面和剩余的O2發(fā)生燃燒反應，生成CO、CO2等氣體，放出反應熱；另一方面，煤焦又和水蒸氣、CO2等發(fā)生氣化反應，生成CO和H2。

2.3 還原反應

經(jīng)過前兩步反應后，二期航天爐中的O2已基本消耗殆盡。這時主要進行的是煤焦、甲烷等與水蒸氣、CO2之間的還原反應，生成CO和H2[2]。

2.4 化學反應

煤的部分氧化反應：

(1)

煤的燃燒反應：

(2)

煤的裂解反應：

(3)

CO2還原反應：

(4)

碳的完全燃燒反應：

(5)

非均相水煤氣反應：

(6)

(7)

甲烷轉(zhuǎn)化反應：

(8)

逆變換反應：

(9)

還可能發(fā)生以下副反應：

(10)

(11)

(12)

(13)

2.5 二期航天爐內(nèi)的流動過程

二期航天爐內(nèi)煤粉和O2的流動特性屬于受限制的射流反應，按流動過程可將二期航天爐燃燒室分為3個區(qū)域，即射流區(qū)、回流區(qū)和管流區(qū)。

2.5.1 射流區(qū)的反應

粉煤和O2剛進入二期航天爐內(nèi)時，O2濃度相當高，隨著燃燒和氣化反應的進行，O2濃度逐漸降低直至完全消耗。因此，該區(qū)域內(nèi)進行的反應可分為2種類型：一種是有氧反應，主要進行的是煤的部分氧化反應、煤的燃燒反應、煤的裂解反應及碳的完全燃燒反應，這些反應成為一次反應；另一種是無氧反應，主要進行的是CO2的還原反應、非均相水煤氣反應、甲烷轉(zhuǎn)化反應及逆變換反應等，這些反應成為二次反應。射流區(qū)主要分布在二期航天爐的中上部。

2.5.2 管流區(qū)的反應

進入管流區(qū)的介質(zhì)為來自一次反應區(qū)的燃燒產(chǎn)物，以及甲烷、殘?zhí)?灰渣中的碳元素及其化合物)及水蒸氣等，在管流區(qū)內(nèi)繼續(xù)進行射流區(qū)的二次反應。管流區(qū)主要分布在二期航天爐的中下部。

2.5.3 回流區(qū)的反應

由于射流作用，在燒嘴附近形成相對低壓區(qū)，造成大量的高溫氣體被卷吸回流，形成一個回流區(qū)。回流區(qū)的介質(zhì)主要是從射流區(qū)卷吸來的燃燒產(chǎn)物、殘?zhí)肌⑺魵饧吧倭縊2，所以其反應包括一次反應和二次反應，形成一次反應和二次反應的共存區(qū)。由于回流區(qū)的存在，造成了二期航天爐內(nèi)物料的停留時間不一樣，即表示二期航天爐內(nèi)存在返混現(xiàn)象。回流區(qū)主要分布在氣化爐的頂部。

由此可見，航天爐粉煤輸送及氣化保護氣系統(tǒng)使用的介質(zhì)不同，對氣化反應過程中部分產(chǎn)品的生產(chǎn)起到抑制或加速的作用。

3 保護氣使用情況

航天爐粉煤輸送及氣化保護氣系統(tǒng)保護氣使用分布見表1。

表1 航天爐粉煤輸送及氣化保護氣系統(tǒng)保護氣使用分布

4 保護氣調(diào)整運行情況

4.1 N2運行現(xiàn)狀

二期航天爐生產(chǎn)合成氨，設(shè)計粉煤系統(tǒng)及航天爐粉煤輸送及氣化保護氣系統(tǒng)輸送介質(zhì)為N2。使用N2作為航天爐粉煤輸送及氣化保護氣系統(tǒng)載氣及保護氣期間，二期航天爐運行工況總體可控，但爐溫經(jīng)常波動偏大，相對于一期氣化爐最顯著的缺點是合成氣有效氣體積分數(shù)總體偏低，在85%左右，而一期合成氣有效氣體積分數(shù)在88%左右；對裝置的產(chǎn)量有一定的影響，煤耗相對偏高。

在二期航天爐開車過程中，由于氣化爐裝置提前運行，后系統(tǒng)聯(lián)合車間裝置和老系統(tǒng)尿素系統(tǒng)無法提供充足的CO2作為開車氣體，所以一般氣化爐運行初期航天爐粉煤輸送及氣化保護氣系統(tǒng)必須使用N2；待低溫甲醇洗系統(tǒng)解吸出CO2氣體后，此部分CO2又被送至尿素車間(2套尿素系統(tǒng))作為原料氣使用，對于航天爐粉煤輸送及氣化保護氣系統(tǒng)就沒有富裕的CO2，所以一直以來二期航天爐使用N2。2018年二期航天爐生產(chǎn)甲醇期間，N2作為惰氣影響甲醇合成的反應，二期航天爐輸送載氣需要調(diào)整為CO2，中能公司由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，停運了1套尿素系統(tǒng)，CO2有所富余，平衡了氣化裝置使用的高壓CO2氣量供應；通過管線技改，粉煤輸送及氣化保護氣系統(tǒng)保護氣由N2切換到CO2，二期航天爐使用CO2期間合成氣有效氣體成分得到一定改善，同時爐況的穩(wěn)定性也得到了提高，之后一直采用CO2輸送，相對提高了裝置的產(chǎn)量，降低了消耗，提高了裝置的運行效率及經(jīng)濟效益。

4.2 技改優(yōu)化措施

將聯(lián)合二期CO2壓縮機進口低壓N2管線閥門關(guān)閉，加盲板隔離，使用CO2作為壓縮氣體供二期航天爐使用。開車期間，聯(lián)合甲醇洗未出CO2產(chǎn)品氣之前CO2壓縮機仍使用N2作為壓縮氣體，CO2充足后改為CO2。

技改前后高壓CO2(N2)流程分別見圖1和圖2。

圖1 高壓CO2(N2)流程

圖2 技改后高壓CO2(N2)流程

4.3 技改前后參數(shù)變化

N2和CO2作為航天爐載氣期間的O2體積流量及氣體成分見表2，工況參數(shù)對比見表3，其中，2016年—2017年以N2作為載氣，2018年—2020年以CO2作為載氣，2020年數(shù)據(jù)取1月—3月的平均數(shù)據(jù)。

表2 N2和CO2作為載氣期間O2體積流量及氣體成分

表3 N2和CO2作為載氣期間工況參數(shù)對比

由表2、表3可以看出：CO2作為載氣和保護氣輸送期間有效氣體成分CO+H2較N2輸送提高有效氣的體積分數(shù)1.74百分點；甲烷平均體積分數(shù)下降266×10-6，主盤管水密度較為穩(wěn)定，爐膛水冷壁掛渣情況較好，工況總體穩(wěn)定，提高了裝置運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟效益。

5 經(jīng)濟效益

按二期航天爐設(shè)計有效氣體積流量為58 317 m3/h，年產(chǎn)合成氨20萬t，年設(shè)計運行300 d，計算出每生產(chǎn)1 t氨耗有效氣2 100 m3/h。改為CO2作為載氣輸送后有效氣體積分數(shù)提高1.74百分點。

實際每年運行按350 d計算，則每年多產(chǎn)合成氨約4 106 t，提高了裝置的運行效益，實現(xiàn)了航天爐粉煤輸送及氣化保護氣系統(tǒng)的經(jīng)濟運行[3-4]。

6 結(jié)語

具有以下優(yōu)點：

(1)顯著提高了二期航天爐合成氣有效氣體積分數(shù)(增加了1.74百分點)，提高了裝置的運行效率及經(jīng)濟效益。

(2)有利于減少氮化合物的生成，改善了灰水水質(zhì)，為裝置長周期穩(wěn)定運行奠定基礎(chǔ)。

(3)解決了聯(lián)合CO2壓縮機壓縮N2導致超溫、超壓的問題，提高了壓縮機的運行效率。

從行業(yè)中的航天爐裝置運行情況來看，粉煤輸送及氣化保護氣系統(tǒng)使用N2輸送，有效氣體積分數(shù)偏低，同時N2參與反應導致灰水系統(tǒng)的氨氮含量升高，影響污水處理系統(tǒng)的運行負荷及穩(wěn)定性。將航天爐粉煤輸送及氣化保護氣系統(tǒng)保護氣由N2改為CO2，有利于提高裝置運行效率,可實現(xiàn)航天爐裝置的經(jīng)濟穩(wěn)定運行。