史 亮

(內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗世林化工公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯017300)

兩段式干煤粉加壓氣化爐是內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗世林化工公司(以下簡稱世林化工公司)煤制甲醇的核心裝置，采用水冷壁結(jié)構(gòu)及以渣抗渣原理，該裝置無耐火磚襯里，運轉(zhuǎn)周期長，無需備爐。該氣化爐采用干煤粉加壓進料方式，對稱布置4只煤燒嘴，單爐投煤量1 000 t/d，以純氧為氣化劑，干煤粉被惰性氣體(氮氣或二氧化碳)攜帶，同氧化劑(氧氣和蒸汽)一起通過煤粉噴嘴進入氣化爐，氣化爐爐膛溫度高達1 400～1 600 ℃，壓力4.0 MPa，碳轉(zhuǎn)化率高達99%以上，噸精甲醇比氧耗620 m3(標態(tài))，冷煤氣效率達90%，液態(tài)排渣，所產(chǎn)粗煤氣比較潔凈，粗煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數(shù)達85%～90%(干基)、CO2體積分數(shù)在5%～8%，副產(chǎn)中壓蒸汽經(jīng)過熱后并網(wǎng)或自用。

1 氣化工藝原理

兩段式干煤粉加壓氣化爐采用干法進料氣流床氣化工藝，煤炭在高溫下發(fā)生熱化學反應(yīng)。由于在氣化爐內(nèi)高溫條件下發(fā)生多相反應(yīng)，反應(yīng)過程極為復雜，可能進行的化學反應(yīng)很多。在高溫條件下，生成的粗煤氣中主要含CO，H2，CO2，H2O，N2和少量的H2S，COS，CH4等。在粉煤氣流床氣化爐中進行的氣化反應(yīng)過程及反應(yīng)方程可概括如下。

(1)煤的干燥及裂解與揮發(fā)物的燃燒氣化。由于氣流床氣化反應(yīng)溫度很高，煤粉受熱速度極快，可認為煤粉中的殘余水分瞬間快速蒸發(fā)，同時發(fā)生快速的熱分解脫除揮發(fā)分，生成半焦和氣體產(chǎn)物(CO，H2，CO2，H2S，N2，CH4和其他碳氫化合物CmHn)。在富含氧氣的條件下，生成的氣體產(chǎn)物中的可燃成分(CO，H2，CH4，CmHn)迅速與O2發(fā)生反應(yīng)，并放出大量的熱，使粉煤夾帶流溫度急劇升高，并維持氣化反應(yīng)的進行。

(2)固體顆粒與氣化劑(氧氣和蒸汽)之間的反應(yīng)。脫除揮發(fā)分的粉煤固體顆粒或半焦中的固定碳在高溫條件下與氣化劑進行氣化反應(yīng)。

(3)揮發(fā)分的燃燒反應(yīng)。剩余的氧與碳發(fā)生燃燒和氣化反應(yīng)，使氧消耗怠盡，熾熱的半焦與水蒸氣進行還原反應(yīng)，生成CO和H2。

(4)與固體顆粒間的反應(yīng)。高溫的半焦顆粒，除與氣化劑(蒸汽和氧氣)進行氣化反應(yīng)外，與反應(yīng)生成氣也存在氣化反應(yīng)。在高溫還原性氣體存在的條件下，煤中的硫與H2和CO反應(yīng)生成H2S和COS。

(5)反應(yīng)生成氣體彼此間進行的反應(yīng)。在高溫條件下，氣化反應(yīng)生成的氣體活性很強，在它們自身被生成的同時，其相互之間也存在著可逆反應(yīng)。上述反應(yīng)按熱效應(yīng)分2種形式：①放熱反應(yīng)，即C-O2反應(yīng)、CO-O2反應(yīng)、H2-O2反應(yīng)、水煤氣變換反應(yīng)、甲烷的生成反應(yīng)等；②吸熱反應(yīng)，即C-CO2反應(yīng)及C-H2O反應(yīng)等。

2 工藝單元

(1)原料煤在磨煤單元經(jīng)研磨、干燥、分離等工序制成合格煤粉，然后送至煤粉輸送單元，并根據(jù)氣化爐負荷相應(yīng)調(diào)整磨煤系統(tǒng)負荷；若2套鎖斗加壓輸送系統(tǒng)用煤量出現(xiàn)偏差時，及時將數(shù)控程序改為手動操作，實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟穩(wěn)定運行。

(2)煤粉輸送單元由2套完全相同的鎖斗加壓輸送系統(tǒng)組成，將磨煤單元送來的煤粉經(jīng)鎖斗加壓送往氣化爐的4只煤燒嘴。

(3)煤氣化單元將經(jīng)加壓后的粉煤與氧氣通過2對對稱布置的煤燒嘴送入氣化爐，在極為短暫的時間內(nèi)完成升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒及轉(zhuǎn)化等一系列物理和化學過程，產(chǎn)生粗煤氣；粗煤氣在氣化爐二段經(jīng)減溫噴淋冷卻水激冷至800～900 ℃，使其中夾帶的熔融態(tài)灰渣顆粒固化，粗煤氣離開氣化爐進入激冷罐，在激冷罐內(nèi)與水發(fā)生傳熱、傳質(zhì)后送至濕法洗滌單元。另外，氣化爐副產(chǎn)的中壓蒸汽經(jīng)過熱后并入管網(wǎng)或自用。

(4)除渣單元將氣化爐渣口流出的液態(tài)渣冷卻、粒化，然后通過撈渣機和渣皮帶輸送機送往渣場。

(5)濕法洗滌單元將經(jīng)過除塵后的粗煤氣在文丘里洗滌器和濕洗塔內(nèi)洗滌激冷，以脫除粗合成氣中所含的氯化氫、氫氟酸和微量固體，洗滌后的煤氣中含有一定量的蒸汽，有利于后續(xù)的變換反應(yīng)。

(6)灰水處理單元將除渣單元、濕法洗滌單元及其他單元送來的廢水進行閃蒸處理，再回收、循環(huán)利用。

(7)公用工程單元包括高壓氮氣系統(tǒng)、低壓氮氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、蒸汽/冷凝液系統(tǒng)，為其他各單元提供服務(wù)，滿足各單元對氮氣、各種工藝水及蒸汽的需要。

3 氣化爐開車情況

3.1 系統(tǒng)開車情況

2012年8月5日18:20，煤氣化裝置電氣、儀表及公用工程管網(wǎng)具備條件，進入開車階段。該氣化裝置使用內(nèi)蒙古當?shù)氐土蚍趾透邠]發(fā)分原料煤，磨煤單元將煤粉粒徑(d)工藝標準控制在≤90.0 μm的煤粉量占質(zhì)量分數(shù)>90%，d≤5.0 μm的煤粉量占質(zhì)量分數(shù)<10%；水汽系統(tǒng)升溫至135 ℃，煤粉加壓倉充壓介質(zhì)和煤線煤粉輸送介質(zhì)均為經(jīng)二氧化碳壓縮機壓縮后的中壓氮氣(6.5 MPa)，空分裝置產(chǎn)的6.5 MPa和8.1 MPa中壓氮氣進行補充；系統(tǒng)投料為數(shù)控控制，55%負荷下投料；4條煤線的煤粉流動速度均控制在6.5～7.5 m/s，煤粉密度均控制在290～305 kg/m3。2012年8月6日16:00氣化爐投料成功。

煤質(zhì)成分分析(質(zhì)量分數(shù))：全水3.86%，灰分14.54%，揮發(fā)分32.26%，硫1.42%，固定碳49.32%?；胰埸c：DT 950 ℃，ST 1 200 ℃，HT 1 210 ℃，F(xiàn)T 1 240 ℃(分析時間2012年8月5日20:00)。煤粉粒徑分布及累計其質(zhì)量分數(shù)(分析時間2012年8月6日01:30)見表1。

粗煤氣成分(體積分數(shù))：H236.19%,CO51.80%,CO26.83%,N24.27%,O2+Ar0.01%,總硫0.22%,CH4未檢出(分析時間2012年8月6日16:35)。

氣化爐爐渣成分(質(zhì)量分數(shù))：內(nèi)水0.33%，灰分98.68%，揮發(fā)分0.29%，固定碳0.70%(分析時間2012年8月6日17:15)。

從以上開車數(shù)據(jù)可看出：煤粉粒度控制達到工藝標準，氣化爐溫度控制在1 150～1 200 ℃，粗煤氣經(jīng)過激冷溫度降至670～700 ℃，粗煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數(shù)達87.99%，CO2體積分數(shù)<7%。爐渣中揮發(fā)分和固定碳總質(zhì)量分數(shù)<1%，爐渣中可燃物少，碳轉(zhuǎn)化率高。

表1 煤粉粒徑分布及其累計質(zhì)量分數(shù)

3.2 主要問題及解決措施

(1)煤線密度計和速度計多次出現(xiàn)波動，煤粉在流動性和輸送穩(wěn)定性方面暴露出問題,進氣化爐氧碳比難以控制。采取的措施：磨煤機出口物料溫度控制在85～90 ℃；煤粉中內(nèi)水質(zhì)量分數(shù)嚴格控制在1%～2%；保證煤粉管線伴熱正常投用；煤粉加壓系統(tǒng)充壓時要穩(wěn)定；經(jīng)調(diào)整，氧碳比能夠穩(wěn)定控制在0.80～0.85。

(2)根據(jù)對國內(nèi)煤粉氣化爐的調(diào)研，點火燒嘴、開車燒嘴易被損壞。采取的防范措施：注意點火燒嘴和開工燒嘴的安裝,防止燒嘴機械性損傷或使氣化爐水冷壁損壞；保持點火燒嘴和開工燒嘴通道清潔；氣化爐55%負荷下投料，提高氧壓并保持煤線密度計和速度計穩(wěn)定，首先用手動控制將距離開工燒嘴最近的1只煤燒嘴進行投運，然后投運其對稱的第2只煤燒嘴，再依次將剩余的2只煤燒嘴投運(一般4只對稱布置的燒嘴中，有2只煤燒嘴距離開工燒嘴最近，然后根據(jù)煤線密度計和速度計的運行指標，選擇投運其中1只煤燒嘴，然后依次投運剩余煤燒嘴)。4只煤燒嘴運行穩(wěn)定后，系統(tǒng)進入加負荷階段，氣化爐負荷控制系統(tǒng)由手動控制模式轉(zhuǎn)換至自動控制模式。

(3)中壓循環(huán)水泵入口濾網(wǎng)抽癟，運行穩(wěn)定性差。采取的措施：改進中壓循環(huán)水泵入口過濾器濾網(wǎng)，有效控制了有效過濾面積、濾網(wǎng)孔徑和阻力；保證汽包水質(zhì),避免結(jié)垢而引起水冷壁管損壞和中壓循環(huán)水泵損壞；在設(shè)備制造、管道安裝、單體試車期間，注意保持系統(tǒng)的潔凈性,以防止激冷環(huán)堵塞。

(4)防止煤燒嘴冷卻套和膨脹節(jié)損壞。采取的措施：裝配時，在煤燒嘴罩上進行雙面焊，作防護；用耐火材料填充膨脹節(jié)；在煤燒嘴冷卻水入口和出口處增設(shè)溫度計,以便對煤燒嘴冷卻套進行實時監(jiān)控。

(5)防止煤燒嘴罩損壞。采取的措施：嚴格控制煤燒嘴伸入氣化爐內(nèi)的長度；適當加大燒嘴罩冷卻水流量；穩(wěn)定磨煤單元操作，保證進爐氧碳比穩(wěn)定；嚴格監(jiān)控煤的品質(zhì)，包括固定碳、水分、揮發(fā)分含量和灰熔點，若更換煤種,必須及時調(diào)整各相關(guān)工藝控制參數(shù)；根據(jù)煤灰熔點，嚴格控制爐溫和適當降低氧碳比。

(6)防止黑水和灰水管線堵塞。采取的措施：穩(wěn)定爐溫；更換煤種時，應(yīng)檢測灰分含量,防止生成大渣塊,保證黑水管線循環(huán)正常；均勻平穩(wěn)添加絮凝劑，注意閃蒸系統(tǒng)水的黏度和密度變化,適當加大循環(huán)水排放量,以防止因沉降效果減弱導致水中雜質(zhì)過多而堵塞管道系統(tǒng)。