入爐煤粒度變化對變換冷卻洗滌塔、預變爐運行的影響

田以海(新疆新業能源化工有限責任公司煤化工事業部，新疆 五家渠 831300)

0 引言

近期，國內化工產品、原料價格集體瘋狂上漲，煤化工行業同樣收獲滿滿。2021年習近平總書記在陜西省榆林市考察時強調，煤化工產品潛力巨大、大有前途，要提高煤炭作為化工原料的綜合利用，促進煤化工產業高端化、多元化、低碳化發展，把加強科技創新作為最緊迫的任務，加快關鍵核心技術攻關，積極發展煤基特種燃料、煤基生物可降解材料等，煤化工產業將進入發展的快車道。煤化工行業的碎煤加壓氣化裝置和配套變換裝置的設計在國內多家單位均有運用，在煤制氣和煤制甲醇行業運用較多。入爐煤的煤質變化情況對變換裝置以及后續的煤氣水分離裝置影響較大，因此需要從系統的角度分析入爐煤的影響。本文對本單位的運行情況及擬制定的相應的解決措施做簡要分析，和同行業人員共同分享。

1 生產裝置情況簡介

我公司有年產52.5 萬噸甲醇生產裝置一套(設計能力年產60 萬噸甲醇)，設計8臺碎煤加壓氣化爐，采用新疆準東煤，操作壓力：4.11 MPa/4.06 MPa(G)，裝置生產能力為298 600 Nm3/h，正常運行6開2備用；設計變換裝置一套，采用換熱式加壓耐硫變換冷卻流程，為單系列設計，正常處理氣量為298 600 Nm3/h，設計負荷為正常處理氣量的60%～110%，采用粗煤氣全氣量通過預變換爐(兩臺，一開一備)、部分通過主變換爐的工藝流程；設計低溫甲醇洗裝置一套，正常處理氣量為204 452 Nm3/h，設計負荷為正常處理氣量的60%～110%，保證凈化氣的指標：H2S≤0.1 mg/L，CO2≤20 mg/L；設計煤氣水分離裝置2套，總設計處理煤氣水能力548.7 t/h，處理前裝置送來的含油煤氣水和含塵煤氣水，得到烴類副產品外售。

備煤裝置送來的塊煤(8～100 mm)進入碎煤加壓氣化裝置，氣化爐內產生的粗煤氣以CO、H2、CH4、和CO2為主要成分，還包括CnHm、N2、硫化物(H2S)等次要成分。將粗煤氣(185 ℃、4.06 MPa、298 600 Nm3/h)送至變換冷卻裝置。

變換冷卻裝置包括洗滌分離塔、洗氨分離塔、預變換爐、主變換爐等共15臺非標設備和洗滌水泵、稀酚水泵等6臺定型設備。變換氣降溫至40 ℃后，洗氨分離塔洗滌吸收氨后送至低溫甲醇洗裝置，變換氣冷卻過程中產生的工藝冷凝液和洗氨分離塔底部產生的洗氨水混合后送去煤氣水分離工段處理。

低溫甲醇洗裝置將變換氣中的CO2、H2S、有機硫及粗輕油等雜質脫除，設計處理變換氣302 353.6 Nm3/h(干氣)，合格凈化氣送甲烷分離取出甲烷后，送往甲醇合成裝置產出甲醇。

煤氣水分離裝置利用無壓重力沉降原理、焦炭過濾吸附特性和煤氣水中不同組分的密度差，把煤氣水中的含塵焦油、焦油、油分離出來。處理過的煤氣水經收集后送酚氨回收裝置進行再次處理。裝置共設置初焦油分離器8臺，余熱回收器2臺，含塵煤氣水冷卻器Ⅰ8臺，含塵煤氣水冷卻器Ⅱ8臺，含油煤氣水冷卻器2臺，最終油分離器8臺以及其他等相關設備。

其他配套裝置的情況和本文關聯度較少，本文不再詳細介紹。

2 運行情況

(1)入爐煤粒度情況：氣化入爐煤粒度要求在8～100 mm 之間，進入氣化爐的粉煤(粒度≤8 mm)由于質量輕，在氣化爐頂部被粗煤氣帶入煤氣系統，容易造成變換冷卻堵塞，同時增加了耗煤量以及煤氣水系統塵含量。

根據質檢中心分析報告顯示，2020年后四個月入爐煤粒度低于8 mm的粉煤平均值為2.48%；2021年上半年平均值為3.02%，比2020年后四個月入爐的粉煤平均值升高0.54%。前10個月小于8 mm煤均值為3.43%，10月為3.62%。

2021年9月和10月入爐煤粒度指標明顯和前10個月均值差別較大，特別是10月，大塊煤和小粒度煤兩級分化比較明顯。10月份入爐煤粒度比前9個月入爐煤粒度均值D50～100 mm 增加14%，11月份入爐煤粒度比前9個月入爐煤粒度均值D50～100 mm 增加18%。

(2)氣化爐用煤情況：公司2021年9月底因塊煤購買量減少，增加了燃料煤中的篩分量，造成進氣化爐塊煤各粒度比例不協調，增加了進入氣化爐的粉煤量；同時氣化爐產氣量降低，為保證后系統甲醇的產量，繼續提高氣化爐負荷，造成了進入變換系統煤氣系統塵含量的增加。氣化爐用煤粒度小，末煤量大，導致氣化爐工況差、產氣量小、出口帶出物多，變換冷卻堵塞嚴重。

(3)氣化爐堵塞情況：部分氣化爐集水槽出現不同程度的堵塞情況，對停運的2#氣化爐集水槽錐體拆除后的堵塞情況進行檢查，發現設備內部完全被煤粉堵滿。

(4)氣化爐灰渣中殘碳含量：灰渣中殘碳的含量指標不高于6%，殘碳量大則說明灰渣中大量碳流失，用于氣化反應的有效碳減少。

由于變換冷卻洗滌分離塔堵塞，氣化爐月度平均負荷偏低，為防止爐內結渣，氣化爐需以高氣氧比運行。汽氧比高，而灰融點未變化，則爐內反應溫度降低，燃燒反應不充分，導致氣化爐灰渣中殘碳含量＞6%。

(5)粗煤氣量與預變爐、系統壓差：2021年8月檢修完成系統開車后，10月22日起預變爐壓差持續升高，超過了20 kPa，10月26日系統憋壓，投用備用預變爐A進出口閥3扣稍有降低，11月3日系統壓差再次升高，逐步開大預變爐A入口閥至4扣后，系統壓差仍保持在25 kPa以上，變換裝置整體壓差達到400 kPa以上，系統阻力較大。

本單位氣化用煤礦點較為固定，熱值等其他指標變化不大，在此不做詳細分析。

(6)變換裝置運行情況：2021年8月份公司停車檢修期間對變換冷卻洗滌分離塔與預變爐填料進行了更換，檢修完成后將其正常投用。自2021年9月24日開始，變換洗滌分離塔壓差大幅度波動，9月26日開始預變爐B床層壓差大幅增加，10月26日20時預變爐B壓差增長至400 kPa，系統壓差上漲至600 kPa，氣化爐開始放空，為降低系統壓差，投用預變爐A，11月3日開始洗滌分離塔壓差漲幅持續增大，最高運行壓差20 kPa，嚴重時帶水至后系統影響催化劑壽命。鑒于這種情況，變換系統在11月12日再次停車，對洗滌分離塔填料進行更換。

本單位歷年洗滌分離塔、預變爐填料歷史更換及累計運行情況如表1所示。

表1 洗滌分離塔、預變爐填料歷史更換及累計運行情況

(7)取樣：在低溫甲醇洗裝置的甲醇過濾器中取樣，甲醇顏色呈現紅黑色，嚴重時呈現黑色。甲醇中的煤塵量明顯增多，對貧甲醇塵含量取樣分析為78 mg/L，預洗甲醇取樣分析塵含量114 mg/L。

(8)煤氣水分離運行情況：AB系列含塵煤氣水換熱器、含塵煤氣水冷卻器堵塞頻繁，設計溫度70 ℃，A系列超溫運行，溫度為135 ℃，煤氣水B系列運行溫度為119 ℃。換熱器堵塞頻繁，含塵煤氣水冷卻器機械清洗完投用以后溫差32 ℃，四天后溫差僅剩10 ℃左右，堵塞時間快。初焦油分離器中部人孔打開，分離器內部基本被充滿，全部為煤塵。

煤氣水中油、塵含量對比：受粗煤氣中帶出物量增大的影響，2021年8-10月洗滌分離塔底部煤氣水中油含量3 350 mg/L、塵含量2 308 mg/L，比3—7月煤氣水中的油含量2 292 mg/L、塵含量1 296 mg/L 明顯增大，洗滌難度增大，洗滌塔填料使用壽命縮短。自9月20日開始，洗滌分離塔底部煤氣水中油、塵含量呈現持續升高的總趨勢[1]。

通過對洗滌分離塔、預變爐填料歷史更換及累計運行情況和煤氣水裝置換熱器堵塞情況的分析，得出洗滌分離塔運行周期逐步縮短的主要原因是煤氣系統帶煤塵較大，堵塞洗滌分離塔和預變爐填料，煤氣水送往煤氣水裝置后造成換熱器堵塞。

3 處理措施

為緩解入爐煤對變換裝置的影響，公司采用雙線上煤的備煤方式，增加煤炭在篩板上的停留時間，減少氣化爐帶出物，經過對15天運行數據收集整理，發現各裝置運行情況有明顯改善。同時公司在2022年大修期間對部分裝置設備進行技術改造，擬在變換裝置前增加徑流洗滌塔，先對粗煤氣系統進行洗滌，降低煤氣中的塵含量；擬對煤氣水裝置部分換熱器更換形式，以減少換熱器的清洗次數并降低各項清洗費用；還打算在備煤裝置增加破碎篩分設備，以保證氣化爐入爐煤粒度在合適的比例范圍[2]。

3.1 采用雙線上煤后氣化爐帶出物情況

11月21日備煤采用雙線上煤后氣化爐運行比較平穩，出口溫度控制在450 ℃以下，集水槽暫未出現堵塞情況，12月3日7#爐J60602G泵拆開泵體檢查，泵體內無煤渣殘留，與前期對比明顯。

11月21日前，變換冷卻洗滌分離塔洗滌水中油含量平均值為1 996 mg/L，洗滌水中塵含量平均值為1 491.2 mg/L，低溫甲醇洗系統中貧甲醇塵含量平均值為78 mg/L，預洗甲醇塵含量平均值為114 mg/L。

11月21日后，變換冷卻洗滌分離塔洗滌水中油含量平均值為1 412.25 mg/L，洗滌水中塵含量平均值為959.125 mg/L，低溫甲醇洗系統中貧甲醇塵含量在50 mg/L，預洗甲醇塵含量在78 mg/L。

洗滌分離塔進出口洗滌水中的塵含量及低溫甲醇洗甲醇中的塵含量反映出氣化爐粗煤氣帶出塵含量明顯降低。

3.2 入爐煤粒度平均值對比

入爐煤粒度平均值對比(如表2所示)。D25～50 mm、D13～25 mm、D8～13 mm粒度占比在雙線運行時有明顯增加趨勢，粒度≤8 mm的粉煤占比無明顯下降趨勢，但是裝置負荷較為穩定。

表2 入爐煤粒度平均值 單位：%

4 結語

通過對各裝置運行狀況的分析，表明控制好碎煤加壓氣化裝置入爐煤的粒度對保障好系統的穩定運行十分關鍵。實踐操作要有系統的觀念，系統考慮、整體分析，不能單一地、局部地在一個裝置想辦法，要從源頭抓起，在備煤系統做文章，增加破碎篩分設備以徹底解決入爐煤的粒度問題，僅試圖在后系統解決問題，只能是“頭痛醫頭腳痛醫腳”，不能徹底解決問題。保證入爐煤指標控制合格不僅能使氣化爐運行狀況明顯改善，使變換裝置和低溫甲醇洗裝置的各項指標合格，保證了系統的長周期運行。同時可以減緩煤氣水系統各種換熱器的堵塞狀況，減少換熱器清洗的工作量，有效降低清洗費、吊車費等各項費用，更能夠減少在檢修各環節的不安全因素。后期增加徑流洗滌塔以及在備煤裝置中增加破碎篩分設備并投用后，公司會繼續對運行情況進行分析，和同行業相互交流借鑒。