劉振峰，杜孟洪

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

WHG干煤粉加壓氣化上行水激冷試驗(yàn)研究

劉振峰，杜孟洪

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

介紹了河南龍宇煤化工有限公司W(wǎng)HG干煤粉加壓氣化工藝的流程以及合成氣上行水激冷方式。分析了激冷噴嘴、操作溫度以及CO2工況等因素對(duì)WHG運(yùn)行的影響。在多次調(diào)試和試運(yùn)行的基礎(chǔ)上提出了WHG干煤粉氣化裝置進(jìn)一步的改進(jìn)方向。

WHG；上行水激冷；激冷噴嘴； CO2工況；操作溫度

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.005

目前，干煤粉氣化爐的高溫合成氣冷卻方式主要有合成氣激冷和水激冷兩種方式，水激冷方式又分合成氣下行水激冷和合成氣上行水激冷兩種。殼牌合成氣激冷方式是工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)最豐富的干粉氣化技術(shù)之一，其效率和工藝指標(biāo)的先進(jìn)性已經(jīng)得到了驗(yàn)證和認(rèn)可，而且在線率也在不斷創(chuàng)造紀(jì)錄，大部分客戶已實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷、長(zhǎng)周期、安全、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，但仍存在堵渣、積灰、激冷氣量不足、合成氣冷卻器積灰、飛灰過濾器因積灰導(dǎo)致過濾管超壓斷裂等問題。合成氣下行水激冷方式的氣化爐有德士古、航天爐和GSP等，此激冷方式也是比較成熟的氣化工藝。相比于以上兩種激冷方式，合成氣上行水激冷方式的工業(yè)應(yīng)用運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)比較少，但此種激冷方式具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)合成氣上行水激冷方式進(jìn)行深入的研究在工業(yè)應(yīng)用方面及經(jīng)濟(jì)與環(huán)境保護(hù)方面都具有重要的意義。

河南龍宇煤化工二期為40萬t/a醋酸項(xiàng)目，其配套的煤氣化裝置為投煤量1 000～1 200t/d的WHG干煤粉加壓氣化爐(2臺(tái))，該裝置采用合成氣上行水激冷方式，本文結(jié)合WHG試驗(yàn)情況對(duì)合成氣上行水激冷方式進(jìn)行探索研究。

1 工藝技術(shù)

1.1 主要工序

WHG氣化工藝采用干煤粉進(jìn)料、純氧氣流床加壓氣化、液態(tài)排渣、含灰的粗合成氣上行，熔渣下行，水/蒸汽霧化噴射激冷，激冷罐、文丘里洗滌器和洗滌塔冷卻和洗滌粗合成氣。該流程包括備煤與加壓計(jì)量輸送系統(tǒng)、氣化及氣體冷卻洗滌系統(tǒng)、黑水處理系統(tǒng)等單元。WHG氣化工序見圖1。

圖1 WHG氣化工序

1.2 WHG干煤粉合成氣上行水激冷

干煤粉氣化水激冷分為合成氣和熔渣流向相同的下行水激冷煤氣化技術(shù)和合成氣上行、熔渣下行的水激冷氣化技術(shù)。WHG干煤粉氣化裝置采用熔渣下行、合成氣上行水激冷的方式。在氣化反應(yīng)氣體出口上方設(shè)置激冷室，正常操作時(shí)，通過設(shè)在激冷室筒壁上的多排多個(gè)水/汽組合型噴嘴實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫合成氣噴水霧化冷卻和固灰，同時(shí)激冷盒的位置采用輔助激冷蒸汽進(jìn)行再次降溫和固化。取代傳統(tǒng)用后續(xù)返回氣進(jìn)行激冷的方法，簡(jiǎn)化了流程，取消壓縮機(jī)，降低工程投資，節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用。兩種激冷技術(shù)相比，上行激冷粉煤氣化爐采用多燒嘴和膜式壁結(jié)構(gòu)，壽命長(zhǎng)，且碳轉(zhuǎn)化率高。上行、下行兩種激冷技術(shù)的性能指標(biāo)比較見表1。

表1 上行、下行水激冷性能指標(biāo)比較

1.3 WHG試驗(yàn)與設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

1.3.1 煤質(zhì)特性

煤質(zhì)的水分、揮發(fā)分、灰分、固定碳、灰熔點(diǎn)等特性指標(biāo)對(duì)WHG爐的運(yùn)行穩(wěn)定具有重要的影響。因此確定合適的配煤、穩(wěn)定的煤質(zhì)以保障WHG爐長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。WHG煤質(zhì)特性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)對(duì)比見表2。

表2 WHG煤質(zhì)特性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)對(duì)比

1.3.2 合成氣產(chǎn)量及組分

WHG設(shè)計(jì)氧負(fù)荷10.25kg/s，WHG在多次試驗(yàn)時(shí)氧負(fù)荷在80%左右。試驗(yàn)中產(chǎn)出的合成氣量及組分試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比見表3。

表3 WHG產(chǎn)量及組分(體積分?jǐn)?shù))試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比

1.3.3 性能指標(biāo)

WHG在試驗(yàn)過程中，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到99%以上，煤氣(干氣)中有效氣體(CO+H2)可以達(dá)到90%左右，冷煤氣效率在80%左右。WHG在試驗(yàn)時(shí)環(huán)保效益也比較好，對(duì)環(huán)境幾乎沒有影響，氣化污水中含氰化物少，容易處理。

通過對(duì)比試驗(yàn)中關(guān)鍵參數(shù)與設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)WHG在試驗(yàn)中基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2 影響WHG試驗(yàn)的關(guān)鍵因素

經(jīng)過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)影響WHG氣化爐運(yùn)行的主要工藝指標(biāo)有：激冷噴嘴的噴射霧化效果、氣化爐操作溫度、CO2工況等。這些工藝指標(biāo)直接決定了WHG氣化爐的試驗(yàn)效果及試車運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短。

2.1 激冷噴嘴噴射霧化效果

WHG激冷流程采用水激冷和蒸汽輔助激冷，水激冷噴嘴對(duì)激冷效果至關(guān)重要。激冷噴嘴主要由給水管、蒸汽管、噴頭、固定法蘭、高溫高壓膨脹密封等構(gòu)成。工作原理為：WHG激冷裝置分兩層控制在激冷室，每層8支激冷裝置，每支激冷裝置中間由水層和外層蒸汽層組成。水層利用高速噴射流使水霧化，通過噴嘴內(nèi)層通道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大覆蓋角度的冷卻。通過外層蒸汽側(cè)噴孔噴射蒸汽實(shí)現(xiàn)噴嘴周圍冷卻，保護(hù)噴嘴。在WHG試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，影響激冷噴嘴效果的兩個(gè)重要指標(biāo)為噴嘴的霧化質(zhì)量和激冷噴嘴噴射的穿透力。

2.1.1 激冷噴嘴的霧化質(zhì)量

激冷噴嘴噴射霧化質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要是噴霧粒徑。霧化質(zhì)量高時(shí)霧化的激冷水遇到熱的合成氣可以迅速氣化，避免因大量濕氣的存在造成積灰。霧化粒徑越小，對(duì)噴嘴的霧化質(zhì)量要求越高，但在提高了霧化質(zhì)量的同時(shí)又減少了激冷噴嘴的噴水量，達(dá)不到所要求的激冷效果。不同條件下激冷噴嘴霧化試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 激冷噴嘴霧化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由激冷噴嘴霧化試驗(yàn)效果可以看出，粒徑在100μm、120μm時(shí)的霧化效果好于其他粒徑時(shí)的霧化效果。

2.1.2 激冷噴嘴噴射穿透力

在WHG干煤粉氣化裝置多次的試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，如果激冷噴嘴在一定背壓下的噴射穿透力不夠，即使噴嘴的霧化效果很好，也無法對(duì)合成氣中心區(qū)域進(jìn)行激冷，會(huì)造成融熔的灰渣在激冷段積灰堵塞。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，激冷噴嘴需滿足額定工作背壓4MPa(g)、噴射距離≥0.7m(WHG反應(yīng)室直徑為1.4m)的要求。結(jié)合不同粒徑下的噴霧效果，最終選擇粒徑在120μm左右。

但是根據(jù)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴嘴存在噴孔過小、容易堵塞的問題，激冷噴嘴在要求的背壓下很難達(dá)到要求的噴射距離，同時(shí)水激冷噴嘴存在霧化效果不好、穿透力不強(qiáng)、達(dá)不到合成氣中心高溫區(qū)域，以致合成氣無法完全激冷的情況，導(dǎo)致激冷段出現(xiàn)積灰。激冷段積灰情況見圖2。激冷水噴嘴堵塞情況見圖3，粗合成氣上行通道堵塞情況見圖4。

圖2 激冷段積灰情況

圖3 激冷水噴嘴堵塞情況

圖4 粗合成氣上行通道堵塞情況

2.2 操作溫度

操作溫度是影響WHG干煤粉加壓氣化裝置運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，在WHG爐膛內(nèi)反應(yīng)生成的高溫煤氣(1 400～1 600℃)在氣化爐爐膛出口用水和蒸汽激冷至850℃左右。在WHG試驗(yàn)的過程中采用配煤的方式解決單一煤種灰熔點(diǎn)不在操作窗口的問題，配煤后灰熔點(diǎn)在1 350℃左右。在多次的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，操作溫度(合成氣水激冷后的溫度)對(duì)氣化工況影響非常明顯，不同操作溫度下WHG裝置的試驗(yàn)情況見表5。

表5 不同操作溫度下WHG裝置的試驗(yàn)情況

由不同操作溫度下的開車試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，不同的氣化操作溫度對(duì)氣化工況的影響非常明顯，WHG粗合成氣激冷后的溫度應(yīng)該控制在500～550℃較為理想。

2.3 CO2工況的影響

在氮?dú)夤r下，氧負(fù)荷80%時(shí)，WHG最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間為95h35min，產(chǎn)出了合格的CO和H2，并打通了所有的工藝流程。此時(shí)各項(xiàng)工藝指標(biāo)均在合理的范圍內(nèi)，激冷段壓差033PDI0066在1kPa左右。當(dāng)氣化裝置倒入CO2運(yùn)行一段時(shí)間后工況開始發(fā)生變化，激冷段壓差033PDI0066明顯升高，導(dǎo)致氣化裝置停車。倒入CO2后033PDI0066變化情況見表6。

表6 倒入CO2后033PDI0066變化情況

在CO2工況下能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)周期、高負(fù)荷運(yùn)行是干煤粉氣化加壓裝置開車試驗(yàn)成功的重要標(biāo)志。但WHG在CO2工況下進(jìn)行了多次的試驗(yàn)均未實(shí)現(xiàn)突破性的進(jìn)展，試驗(yàn)均出現(xiàn)類似的情況：在倒入CO2之前WHG能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)周期、平穩(wěn)運(yùn)行，倒入CO2后工況很快發(fā)生變化，激冷段的壓差出現(xiàn)波動(dòng)上漲，激冷段積灰導(dǎo)致裝置停車。

3 試驗(yàn)小結(jié)

WHG干煤粉氣化裝置多次試驗(yàn)的結(jié)果如下。

(1)激冷噴嘴效果不理想，通過單一對(duì)激冷噴嘴的改進(jìn)無法解決WHG激冷段積灰問題。

(2)合成氣水激冷后的操作溫度影響WHG運(yùn)行情況，控制在500～550℃可以延長(zhǎng)運(yùn)行周期。

(3)WHG已實(shí)現(xiàn)在純氮?dú)夤r下的長(zhǎng)周期、高負(fù)荷運(yùn)行，但CO2工況下的長(zhǎng)周期、高負(fù)荷運(yùn)行未能實(shí)現(xiàn)。

(4)在高溫高壓下，CO2與蒸汽及煤粉等發(fā)生了劇烈的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致了激冷段出現(xiàn)積灰情況。

4 改進(jìn)方向

針對(duì)WHG干煤粉氣化加壓裝置在多次試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，提出了下一步的改進(jìn)方向。

(1)對(duì)激冷噴嘴進(jìn)行升級(jí)改造，進(jìn)一步提高激冷噴嘴的霧化效果及穿透力，解決激冷效果不好的問題。

(2)在水激冷的基礎(chǔ)上增加循環(huán)激冷氣壓縮機(jī)裝置，實(shí)現(xiàn)上行合成氣激冷與上行水激冷相結(jié)合的方式。兩種方式相結(jié)合可以充分利用水激冷和合成氣激冷的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以解決一種激冷方式的不足。

5 結(jié)語

WHG干粉煤加壓氣化裝置是一種新型的粉煤加壓氣化裝置，采用合成氣上行水激冷的方式。WHG經(jīng)過多次開車試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了氮?dú)夤r下的安全、平穩(wěn)運(yùn)行，打通了所有的工藝流程。WHG在多次的試驗(yàn)中均出現(xiàn)了CO2工況下激冷段積灰的問題，未能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在CO2工況下的長(zhǎng)周期、高負(fù)荷運(yùn)行。WHG作為一種新的干粉煤氣化裝置已經(jīng)取得階段性成功，為研究合成氣上行水激冷方式積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)為研究WHG粉煤氣化裝置上行水激冷方式奠定了基礎(chǔ)，并提供了新的方向。

[1] 徐才福，夏吳，張宗飛.WHG氣流床粉煤加壓氣化技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[J].化肥設(shè)計(jì)，2015，53(2)：1-4.

[2] 侯凌云，侯曉春.噴嘴技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2007.

[3] 張宗飛，夏吳，徐才福，姚強(qiáng)，游偉.新型五環(huán)爐干粉加壓氣化工藝及開車總結(jié)[J].化肥設(shè)計(jì)，2015，53(2)：12-16.

WHG Dry Pulverized Coal Gasification Upstream Water Quench Test

LIU Zhen-feng，DU Meng-hong

(HenanLongyuCoalChemicalCo.，Ltd.，YongchengHenan476600China)

This paper introduces the WHG dry pulverized coal gasification process and synthesis gas upstream water quenching method.It also analyzes the influence of the cooling nozzle，operating temperature and CO2conditions on the operation of WHG.On the basis of debugging and trial operation，the further improvement direction of WHG dry coal gasification unit is put forward.

WHG；upward water chilling；chilling nozzle；CO2operating mode；operating temperature

劉振峰(1981年—)，男，河南周口人，2005年畢業(yè)于河南大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，工程師，現(xiàn)任河南龍宇煤化工有限公司氣化二廠廠長(zhǎng)，主要從事煤氣化技術(shù)與生產(chǎn)管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.005

TQ536.9

A

1004-8901(2017)01-0017-04

2016-09-27