高石油焦比例進料在E-Gas氣化爐上的應用

吳耀桃，周建欣，郭宗斌

(中海油惠州石化有限公司， 廣東惠州 0000)

作為典型氣流床水煤漿加壓氣化技術，E-Gas煤氣化技術于20世紀70年代開發，經歷了實驗室開發、中試裝置、示范裝置及商業化運行等過程。1995年，第一套采用E-Gas氣化技術的IGCC商業化示范裝置在美國Wabash River建成投產，并于2000年實現了從煤到石油焦的過渡[1]。

E-Gas氣化裝置由煤漿制備、煤漿輸送和儲存、氣化、渣水處理、余熱回收、干法除灰、合成氣洗滌和壓縮等工段組成，工藝流程見圖1[2]。

1—稱重給煤機；2—磨煤機；3—煤漿罐；4—氣化爐；5—合成氣冷卻器；6—焦過濾器；7—氯洗塔；8—合成氣壓縮機；9—環流洗滌塔；10—抽出氣洗滌塔；11—減壓組件；12—碳回收包；13—渣脫水罐；14—沉降槽；15—渣水槽；16—固體循環槽。

氣化爐是一種兩段進料的氣流床氣化爐，其外形呈十字架型。E-Gas煤氣化技術中，煤漿和高壓氧氣作為原料，在氣化爐內一段進行部分氧化反應，生成以一氧化碳、二氧化碳、氫氣為主要成分的合成氣。與熔渣分離后，二段噴入水煤漿與一段向上來的高溫合成氣發生氣化和裂解反應，經過余熱回收、焦過濾器除灰、氯洗塔等工段后，送下游進行進一步加工。抽出合成氣經過洗滌降溫后，送下游進一步加工。合成氣中一部分經合成氣縮機增壓后，分別送到氣化系統作為儀表吹掃氣使用。熔融狀態的渣經氣化爐激冷段、破渣機、減壓單元減壓后，送碳回收設施進行處理，殘渣送到渣脫水罐脫水，脫水灰渣經皮帶送出裝置。碳回收設施的溢流水和渣脫水罐的濾出水一起送到沉降槽沉降分離，回收未轉化碳循環到制漿系統，沉降槽的溢流水自流進入渣水罐，通過高壓渣水泵增壓后回用。

1 石油焦的性質

原油經過蒸餾和輕重質油分離后，再對重質油進行延遲焦化，其形成的固體焦炭稱為石油焦。作為石油加工過程中的最終產物[2]，石油焦一般具有金屬光澤，形狀為大小不一的黑色或暗黑色塊狀或顆粒[3]，其碳、氮、硫元素含量較高，灰分和揮發分較低，碳質量分數接近90%，氫質量分數為2%～8%，熱值約是煤的1.4倍[4]。石油焦的可磨系數與煙煤相近，可作為煤氣化原料，硫含量低的石油焦也可以用作金屬冶煉廠原料。中海油惠州石化有限公司(簡稱惠州石化)使用的石油焦與2種原煤的性質對比見表1。

表1 石油焦與2種原煤的常規性質

相對于煤炭，石油焦一般具有碳高、硫高、熱值高、灰熔點高，灰分低、揮發分低等特點，且反應活性及可燃性相對較差。為了提高石油焦在氣化爐中的轉化率，必須維持較高的操作溫度。如果石油焦的摻燒比例增加到一定程度，會導致爐內灰分減少，爐壁掛渣減薄，極易出現爐壁超溫情況。同時，石油焦中重金屬移除的媒介減少，會造成石油焦中重金屬侵蝕耐火襯里的情況。

2 石油焦原料在國內水煤漿氣化的應用概況

氣化制氫是劣質石油焦利用的理想出路。隨著全球劣質原油產量增加，劣質石油焦的產量也不斷增加。由于國家環保政策，劣質石油焦交易的可行性正在逐步下降，劣質石油焦本地化處理將成為必須面對的挑戰。石油焦氣化為煉油廠劣質石油焦應用提供了一個合適的出路，可以將石油焦轉化為氫氣和燃料氣，提高煉油廠的輕油收率[5-6]。

國內摻燒石油焦的氣化裝置有金陵石化公司煤氣化裝置、齊魯分公司煤氣化裝置、浙江石化煤氣化裝置、鎮海煉化煤焦制氫裝置等，其穩定運行時的摻燒比例都不高，平均值在30%左右，最高不超過50%。石油焦摻燒比例提高后造成的主要問題，包括爐溫低導致渣口堵塞和排渣不暢、化爐耐火磚磨蝕加劇，以及碳轉化率低導致的黑水和灰水水質惡化等問題，直接影響裝置的穩定運行。

3 E-Gas氣化爐加工石油焦的概況

經過不斷摸索優化，惠州石化煤制氫的原料按照石油焦摻燒比例分別為80%、70%和60%進行運行，其數值遠遠高于常規單噴嘴及多噴嘴氣化爐穩定運行時的石油焦摻燒比例，且氣化裝置運行穩定，裝置的技術指標穩定，對石油焦原料具有較強的適應性。E-Gas氣化爐的主要控制參數包括一段爐溫、二段爐溫和余鍋入口溫度，主要監控指標包括二段壓差、余鍋壓差、合成氣產量、有效氣組分和碳轉化率等。

3.1 一段爐溫

石油焦的反應活性及可燃性相對較差。E-Gas氣化爐在摻燒石油焦原料運行時，一段操作溫度與灰熔點差值控制在100～160 K。如果一段爐溫過低，不僅渣口容易堵渣，二段壓差及余鍋壓差也不易控制；如果一段爐溫過高，對氣化爐襯里腐蝕較快，容易導致爐壁出現熱點而埋下安全隱患。根據原料的灰熔點變化，氧煤比在氣化爐運行初期應控制在較低值，到中后期再緩慢提高。隨著裝置運行，氣化爐水平段積灰增加、燒嘴霧化壓差下降，導致氣化爐一段反應時間縮短，反應效果下降。因此，在裝置運行后期，需要提高爐溫，以保證二段壓差的穩定。氣化爐不同原料下運行溫度的變化見圖2。

由圖2可知：一段爐溫實際不是處在一個較固定的區域。原因在于混合原料的灰熔點性質會有變化，需根據灰熔點的變化來調整氣化爐一段爐溫，以保證一段操作溫度與灰熔點差值在合適的范圍之內，避免出現渣口堵渣或者超溫現象。

圖2 氣化爐一段爐溫與運行時間

3.2 二段爐溫和余鍋入口溫度

E-Gas氣化爐二段爐溫控制在1 020±10 ℃，余鍋入口溫度控制在670～760 ℃。主要從熱利用效率、二段壓差、余鍋壓差變化和焦過濾器壓差變化方面進行綜合平衡和分析，選取合適的控制參數。

(1) 熱利用效率。二段煤漿注入的目的就是為了充分利用氣化爐一段的高溫潛熱。二段爐溫過高，表明二段煤漿加入量過少，熱利用效率較低；二段爐溫過低，表明加入的二段煤漿轉化率偏低，未轉化碳經過余鍋和過濾器后，又會通過注焦口送回氣化爐一段，降低了熱利用效率。

(2) 二段壓差。氣化爐二段爐溫不能高于或接近原料灰熔點，避免黏性飛灰在氣化爐爐壁上聚集，形成二段積灰，導致二段壓差升高，使氣化爐爐壁出現局部熱點，影響氣化爐的長周期運行。

(3) 余鍋壓差。二段及余鍋入口溫度過高，蒸汽產量會增加，但是，在氣化爐二段沒有被完全冷卻凝固的黏性飛灰會在余鍋冷卻，黏附于合成氣管束上，既降低了換熱效率，又增大了余鍋壓差，增加了管束的磨蝕程度。二段及余鍋入口溫度過低，在降低余鍋蒸汽產量的同時，達不到原料中焦油的有效分解溫度，會將過多的焦油帶到后序工段，影響裝置運行情況和周期。

(4) 焦過濾器壓差。二段及余鍋入口溫度偏高，二段煤漿的轉化率提高，未轉化碳數量降低，攜帶進入焦過濾器的固體總量降低，焦過濾器壓差上升速度降低。如果溫度過高，超過焦過濾器的設計溫度會損壞過濾器；如果溫度偏低，氣化爐二段因轉化率降低，未轉化碳增加，攜帶進入焦過濾器的固體總量會增加，加大過濾器負荷；當入口溫度低到合成氣露點以下時，還會產生凝液，造成濾芯露點腐蝕和永久堵塞損壞。氣化爐二段溫度與運行時間、余鍋入口溫度與運行時間的關系分別見圖3、圖4。

圖3 氣化爐二段爐溫與運行時間

圖4 余鍋入口溫度與運行時間

由圖3和圖4可以看出，氣化爐二段爐溫和余鍋入口溫度在整個運行過程中都比較穩定，對氣化爐整體的穩定運行比較有利。

(5) 二段壓差和余鍋壓差

E-Gas氣化爐二段壓差表明了氣化爐二段爐壁內側積灰的程度，壓差數值越高，積灰程度越大。操作要點是盡可能保持二段壓差在最小值，避免其升高。二段壓差升高，說明氣化爐二段產生積灰現象，需要提高一段爐溫來減小積灰程度。二段壓差波動，說明原料的性質發生變化，導致一段爐溫波動，合成氣夾帶固體量波動，進而導致余鍋壓差上漲。由于余鍋壓差上漲后不可逆，所以二段壓差的穩定控制顯得尤為重要。氣化爐二段壓差與氣化爐運行時長、余鍋壓差與氣化爐運行時長的關系分別見圖5、圖6。

圖5 氣化爐二段壓差與氣化爐運行時長

圖6 余鍋壓差與氣化爐運行時長

由圖5和圖6可知：氣化爐一二段壓差有波動，這是由原料性質變化導致爐溫波動造成；在氣化爐運行前期，余鍋的壓差上漲比較緩慢，到了后期上漲速度較快，更凸顯一段爐溫穩定控制的重要性。因此，二段壓差和余鍋壓差也是氣化爐長周期運行的核心，需長期摸索并積累運行控制經驗。

(6) 產品指標和碳轉化率

E-Gas氣化爐使用高石油焦比例的混合原料運行期間，產品質量較好，合成氣量較高，合成氣有效氣質量分數達到80%以上，碳轉化率高。運行期間，合成氣流量和組分有小幅波動，是氣化爐負荷及爐溫調整導致，屬正常現象。在石油焦摻混原料運行過程中，渣水處理系統比較穩定，水質較好，沒有出現傳統黑水閃蒸系統存在的各種問題。摻燒比例分別為80%、70%、60%的石油焦合成氣流量和組成分別見圖7、圖8、圖9，各摻燒比的碳轉化率和運行時長關系圖見圖10。

圖7 80%石油焦摻燒比例的合成氣流量和組成

圖8 70%石油焦摻燒比例的合成氣流量和組成

圖9 60%石油焦摻燒比例的合成氣流量和組成

圖10 碳轉化率和運行時長的關系

由圖7～圖10可知：氣化爐運行期間，無論爐溫高低，碳轉化率都處在較高水平，表明E-Gas氣化對石油焦原料的特殊適應性；合成氣中的固體全循環返回一段再次反應，渣中殘碳通過渣水回收處理返回磨煤系統。這是首次在氣化工藝中實現了氣相和液相未轉化碳的全循環加工工藝。

4 結語

惠州石化煤制氫的E-Gas氣化爐使用高石油焦比例工業化裝置運行平穩，技術指標穩定。其石油焦含量遠超國內目前在運的水煤漿氣化裝置，為煉廠高硫焦的加工提供了新的思路。