多元料漿煤氣化裝置試車總結

李文虎，王 濤，丁海洋，張 博

(陜西延長中煤榆林能源化工有限公司，陜西榆林 718500)

陜西延長中煤榆林能源化工有限公司甲醇中心氣化裝置一期填平補齊項目，于2018年9月破土動工，2020年12月22日一次性原始開車成功。該裝置單爐日處理原煤1 600 t，氣化爐運行壓力為6.5 MPa。截至2021年2月，該裝置首臺氣化爐原始開車已實現連續運行突破60 d，標志著該項目正式進入由試生產轉向工業生產運行。在整個試車過程中，從準備、投料及裝置試運行的情況來看，有諸多的經驗教訓值得總結和整改。

1 工藝流程

氣化裝置采用西北化工研究院的多元料漿加壓氣化技術，該技術包括煤漿制備、氣化、灰水處理及變換熱回收4個工序。原料煤經破碎后與水(含部分裝置廢水)、添加劑一起送入磨煤機共磨制漿，制成質量分數為62%左右的料漿。料漿經高壓料漿泵進入氣化爐后在6.50 MPa、1 300 ℃左右的條件下發生劇烈的反應，生成以CO、CO2、H2為主的粗合成氣。多元料漿氣化反應生成的粗煤氣夾帶氣化原料中未轉化組分和由部分灰形成的液態熔渣一起并流進入氣化爐下部的激冷室。激冷水與出氣化爐渣口的高溫氣流接觸，部分激冷水汽化對粗煤氣和夾帶的固體及熔渣進行淬冷、降溫。進入氣化爐的激冷水中攜帶的較大固體顆粒經黑水過濾器除去。熔渣被淬冷固化，并沉入氣化爐底部水浴。粗煤氣與水直接接觸進行冷卻，大部分細灰留在水中。粗煤氣經激冷室分離出部分粗煤氣中夾帶的水分，從氣化爐旁側的出氣口引出，經文丘里洗滌器增濕浸潤、洗滌塔除塵洗滌后送往下游變換工段。氣化爐激冷室、洗滌塔的排放黑水送往灰水系統。黑水經過閃蒸，閃蒸汽與系統循環水換熱后分離出的氣體送入變換汽提塔，分離出的液體入脫氣水槽脫除其中的氣體，然后在泵的作用下送入洗滌系統循環使用。閃蒸后的黑水逐級濃縮后送往澄清槽，經沉淀澄清后的灰水部分送往鎖斗沖洗水罐、部分送往渣池、部分送往脫氣水槽，同時為了保持循環水中可溶性鹽及腐蝕性離子的濃度平衡，將一部分灰水送往廢水處理站進行處理。澄清后分離出的濁液經澄清槽底泵送往細渣離心機，進一步分離出其中的細渣，濾液返回至澄清槽[1-2]。

2 主要設計參數

2.1 原料規格

原料煤采用魏墻原煤(DC)和小紀汗煤(NOC), 原料煤種數據對比見表1。

表1 原料煤種數據對比表

2.2 煤漿特性

在DC設計工況和NOC正常操作工況下的煤漿特性數據對比見表2。

表2 煤漿特性數據對比

2.3 粗煤氣數據

出洗滌塔煤氣設計工況為：溫度242.25 ℃，壓力6.27 MPa，煤氣密度31.06 kg/m3。在該設計工況下，出洗滌塔煤氣各組分體積流量見表3。

表3 出洗滌塔粗煤氣設計數據表

3 化工試車及生產運行情況

3.1 試車情況

2020年12月22日13:02：00一次性投料成功后，因現場調整氣化爐導壓管高壓氮氣閥門開度，14:14：00 氣化爐壓差(02703PDT006C)高跳車，于15:56：00連投成功，18:20：00升壓至6.0 MPa，現場檢查無漏點，23:55：00降壓至2 MPa開始向變換導氣，催化劑硫化開始，12月24日12:00：00變換系統硫化結束，具備向凈化裝置送氣的條件，12月25日00:25：00開始向下游凈化裝置導氣，12月28日14:14：00開始加負荷，目前已高負荷穩定連續運行突破60 d，力爭實現穩定運行75 d，為后續A、B氣化爐單系統開車開創良好局面。總結運行經驗為實現新裝置長周期穩定運行奠定結實的基礎，筆者對試運行過程中的生產情況進行分析總結。

3.2 原料煤數據分析

試車期間所采用的原料煤為DC，分別于2021年1月18日和25日對DC進行采樣分析,主要分析DC的全水含量、揮發分含量、灰分含量、熱值、硫含量及灰熔點，分析數據詳見表4。

表4 試車期間原料煤數據分析

3.3 2021年1月氣化爐運行參數對比

2021年1月21日—27日，在氣化爐操作壓力為5.98 MPa、操作溫度為1 200 ℃、煤漿體積流量為99 m3/h、氧氣壓力為8.45 MPa、氧氣體積流量為49 998 m3/h的穩定運行工況下，氣化爐氣化燃燒水煤漿后經過激冷室降溫、洗滌塔水浴洗滌后出洗滌塔粗煤氣平均體積流量為380 591 m3/h平均溫度為235.1 ℃、平均壓力為5.82 MPa。具體參數見表5。

表5 氣化爐運行參數記錄

3.4 2021年1月洗滌塔出口粗煤氣氣體組分分析

2021年1月21日—27日，對水煤漿進行采樣分析，其平均黏度為875.5 mPa·s、煤漿平均質量分數為61.51%、平均pH為8.31，具體數據見表6。在該煤漿濃度特性及以上工況下，洗滌塔出口粗煤氣氣體組分(體積分數)見表7。

表6 運行煤漿分析數據

表7 氣體組分分析數據

3.5 2021年1月一、二期粗細渣渣樣分析數據

氣化燃燒產生的灰渣經過激冷室水浴后，一部分通過鎖斗循環泵循環進入鎖斗，通過鎖斗間斷性地排入渣池中，進入渣池的渣稱為粗渣。另一部分通過排黑帶入閃蒸系統，通過閃蒸器進行熱量回收及黑水濃縮后進入澄清槽沉降，沉降后的渣稱為細渣[3-4]。通過對一期和二期的粗、細渣采樣分析，其含碳量分析見表8、表9。

表8 一期粗細渣分析數據

表9 二期粗細渣分析數據

3.6 數據處理及計算辦法

有效氣量qV是指裝置單位時間內產生的有效氣(CO+H2)的體積流量，其計算公式為：

(1)

式中：qV,S為洗滌塔出口濕氣總體積流量，m3/h；p為洗滌塔出口濕氣總壓力，MPa；ps,b為洗滌塔飽和蒸汽壓力，MPa；ηi為粗煤氣干基i組分氣體體積分數，%。

出氣化界區氣體成分的體積分數，即洗滌塔出口干基氣體中i組分氣體體積分數ηi，可通過手動分析檢測得出。

碳轉化率XC是指參與氣化反應后轉化進入粗煤氣產品的碳占入爐總碳的質量分數，其計算公式為：

(2)

式中：σC為干基原料煤中碳元素質量分數，%；qV,lj為入爐料漿體積流量,m3/h;wlj為料漿質量分數，%。

產氣率(干氣冷煤氣效率)η是指單位干煤產生的干基氣體高位熱值與單位干煤高位發熱量的比值，其計算公式為：

(3)

式中:；ρS為多元料漿密度，kg/m3；Qgr,d為入爐煤干基高位熱值，kJ/kg。

3.7 計算結果

3.7.1 有效氣量

查水溫與飽和蒸汽壓力得：235.26 ℃對應的飽和蒸汽壓力為3.07 MPa。帶入式(1)計算得到有效氣量為144 012 m3/h。

送合成裝置有效氣流量計(02711FT135)對應3 d的體積流量分別為127 472 m3/h、127 797 m3/h、128 336 m3/h,平均值為127 868 m3/h。

此次標定時和一期使用的2/3煤質相同，按煤漿量進行換算氣化爐(02703F01C)產的有效氣體積流量為122 000 m3/h。

根據洗滌塔出口濕氣總量計算的有效氣量大于流量計計量值，也大于煤漿換算的有效氣量。由于流量計自身的準確性標定難以進行，無法確定洗滌塔出口濕煤氣流量計是否準確，待A爐、B爐開車后對比驗證。目前只能按照02711FT135的平均值(127 868 m3/h)作為后續計算依據。

3.7.2 碳轉化率

由于碳轉化率計算需要用到洗滌塔出口濕氣總量，也要用到干基原料煤中碳元素質量分數，由于無法進行原料煤元素的定量分析，因此無法計算。

從表8、表9可以看出：粗、細渣二期殘碳含量比一期高，說明爐溫偏低，從干氣中甲烷體積分數為0.3%也可以看出爐溫偏低。

3.7.3 產氣率

多元料漿密度按1 200 kg/m3帶入式(3)計算得到產氣率(干氣)為2.19 m3干氣/kg干煤。

3.8 應對措施

經過連續168 h的穩定運行檢測，根據運行采集數據、實驗室分析數據，通過計算得出：出界區有效氣量為127 868 m3/h。根據煤漿換算為雙爐100%負荷，外送有效氣總體積流量為241 968 m3/h；干氣中有效氣(CO+H2)體積分數為79.56%,未達標(指標為小于80.8%)。

產氣率(干氣)為2.19 m3干氣/kg干煤。

二期粗渣殘碳含量較一期粗渣殘碳含量較高。

粗渣殘碳含量高，甲烷含量高，可適當通過提高氧煤比來提高爐溫，改變中心氧量，改變燒嘴霧化效果，將甲烷體積分數控制在0.15%～0.20%，此時干氣中CO2含量會升高，有效氣占干氣比例會進一步降低。但因渣中殘碳變少，有效氣總量變化趨勢未知。因此可通過操作調整，尋找到有效氣產量較高的氧煤比和中心氧占比。

優化燒嘴尺寸，提高燒嘴的霧化效果，改變燒嘴火焰，在提高干氣中有效氣含量的同時降低粗、細渣中碳含量，達到增產有效氣的目的。

4 試車期間存在的不足

冬季試車防凍工作落實不扎實，發生機泵和管線結凍現象，主要有除氧水泵(02704P01A/C)軸承箱凍裂，造成高壓灰水系統無備機；各區域儀表根部頻繁結凍，儀表假指示，導致人員誤操作，影響工況穩定運行。

氣化爐取壓管氮氣流量調節閥開度難以判斷，導致開車調整開度時，渣口壓差高聯鎖停車。

煤漿泵出口蓄能器氣囊緩沖壓力與泵出口壓力不匹配，使開車后煤漿泵出口管道振動，經過重新充壓后穩定。

裝置開車后，變換酸性氣系統帶液，未及時發現并處理，長時間運行帶入火炬管網，導致管網壓力高，造成相關工藝指標不合格，迫使凈化工段退出合成氣，影響后系統穩定運行。

5 結語

通過對試車期間運行工況不斷調整與優化，尋求在較高產氣量下的氧煤比及中心氧比例，控制粗渣殘碳含量、降低氣體組分中甲烷含量。不斷累積新工況下的操作經驗，進一步優化操作、優化工藝工況，力爭實現干基有效氣體積分數≥80.77%。