趙保強(qiáng)

(陽(yáng)煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司,山西 太原 030400)

引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)能源的需求量將越來(lái)越大。煤作為一種儲(chǔ)存量極大的能源，由于其在使用過(guò)程當(dāng)中存在較為嚴(yán)重的粉塵污染，以及其相應(yīng)能源利用率不高的問(wèn)題，極大地限制了其應(yīng)用[1-3]。探討煤的高效清潔利用，將是我國(guó)乃至世界在能源與環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域當(dāng)中的一個(gè)重大研究課題。

GPS氣化技術(shù)因其具有能源利用效能高、環(huán)保性能好、容量大等優(yōu)點(diǎn)，成為了解決當(dāng)前能源問(wèn)題和環(huán)保問(wèn)題的一個(gè)較好的選擇。GPS干煤粉氣化技術(shù)是20世紀(jì)70年代由德國(guó)的燃料研究所研究開(kāi)發(fā)，并將其投入到實(shí)際商業(yè)運(yùn)行當(dāng)中的一種煤粉的氣化的技術(shù)。該技術(shù)的特點(diǎn)就是以干粉的方式將原料煤進(jìn)行入爐，在燃燒器和燒嘴的夾帶下，將該氣化劑與煤粉一起送入到氣化爐當(dāng)中，在爐中的高壓、高溫作用下，其混合物迅速并充分混合，進(jìn)行燃燒和氣化，生成主要由CO與H2所組成的混合氣體[4-6]。神華煤業(yè)集團(tuán)50萬(wàn)t/a商業(yè)化運(yùn)行的煤基烯烴項(xiàng)目，于2010年試車(chē)成功，它是我國(guó)同時(shí)也是世界上第一套采用GSP干煤粉氣化技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的項(xiàng)目。由于這是GPS技術(shù)在我國(guó)乃至世界上的首次工業(yè)化的應(yīng)用，所以其在具體的工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，暴露出了眾多工藝設(shè)計(jì)上所存在的不合理的問(wèn)題，所以，改進(jìn)并優(yōu)化GSP干煤粉氣化技術(shù)就顯得十分必要[7-10]。

1 GSP干煤粉氣化技術(shù)的應(yīng)用

1.1 GSP干煤粉氣化技術(shù)特點(diǎn)分析

GSP干煤粉氣化技術(shù)作為一種較為先進(jìn)的煤氣化技術(shù)，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：

1) 所用煤的種類(lèi)適應(yīng)性強(qiáng)。采用GSP干煤粉氣化技術(shù)進(jìn)行煤氣轉(zhuǎn)化，所使用的煤原料具有較為廣泛的適應(yīng)性，從品質(zhì)較差的褐煤，到次煙煤和煙煤，再到石油焦和無(wú)煙煤，都可以作為進(jìn)行氣化的煤原料。而且，也可以將不同的煤原料進(jìn)行摻雜混燒[11]。

2) 對(duì)環(huán)境的污染小。采用GSP干煤粉氣化技術(shù)具有污水排放量較小，不存在有害氣體排放問(wèn)題，而且生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的爐渣因其不含有有害物質(zhì)，可以作為建筑材料使用。

3) 生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)較好。采用GSP干煤粉氣化技術(shù)能實(shí)現(xiàn)煤中碳的轉(zhuǎn)化率超過(guò)99%以上，其轉(zhuǎn)化氣當(dāng)中，不含有重?zé)N，CO和H2的含量超過(guò)90%以上，甲烷的含量低于0.05%，其對(duì)應(yīng)冷煤氣的效率超過(guò)了80%以上。同時(shí)，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，煤的能耗低、耗氧量小[12]。

4) 生產(chǎn)的操作彈性大。采用GSP干煤粉氣化技術(shù)，其生產(chǎn)負(fù)荷量為70%～110%，生產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用較低，所使用的設(shè)備壽命較長(zhǎng)。

5) 其他特點(diǎn)。采用GSP干煤粉氣化技術(shù)還具有生產(chǎn)自動(dòng)化水平較高，生產(chǎn)較為安全，生產(chǎn)設(shè)備的停、開(kāi)車(chē)較為方便等特點(diǎn)。

1.2 GSP干煤粉氣化技術(shù)的應(yīng)用

采用GSP干煤粉氣化技術(shù)所生產(chǎn)的產(chǎn)品可以用于不同的領(lǐng)域。

1) 用于甲醇的生產(chǎn)。甲醇是當(dāng)前化工和能源行業(yè)應(yīng)用較廣泛的一種產(chǎn)品。與國(guó)外的生產(chǎn)技術(shù)相比較，我國(guó)生產(chǎn)甲醇的技術(shù)較為落后，競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。依據(jù)我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用以煤作為原料，采用煤氣化技術(shù)來(lái)擴(kuò)大生產(chǎn)甲醇的能力，這對(duì)于提高我國(guó)在甲醇生產(chǎn)方面的能力將會(huì)具有十分重要的意義。

2) 用于氨的合成。當(dāng)前，我國(guó)是世界上合成氨的最大消費(fèi)和生產(chǎn)國(guó)，除了少數(shù)廠家是以重油和天然氣作為原料來(lái)生產(chǎn)氨之外，其他企業(yè)大多數(shù)都是以無(wú)煙煤作為原料來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)的，但是傳統(tǒng)的常壓間歇固定床氣化技術(shù)能耗較高，生產(chǎn)能力不大，而且生產(chǎn)當(dāng)中污染還較為嚴(yán)重。相比之下，采用GSP干煤粉氣化技術(shù)則具有適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)能力大、環(huán)保、氣化率高等優(yōu)點(diǎn)，其在氨的合成中有著廣闊的應(yīng)用前景。

3) 用于煤制油的生產(chǎn)。煤制油就是在前期采用煤粉氣化技術(shù)，在后期采用F-T合成技術(shù)，該技術(shù)成為我國(guó)能源戰(zhàn)略當(dāng)中一個(gè)比較重要的戰(zhàn)略措施。

4) 用于循環(huán)發(fā)電。發(fā)電是最早應(yīng)用GSP干煤粉氣化技術(shù)的一個(gè)領(lǐng)域。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)對(duì)電力的需求量也在不斷的上升，目前我國(guó)發(fā)電主要采用燃煤的方式，但該方式存在大量硫化物和氮氧化物的排放問(wèn)題，而采用煤氣化循環(huán)發(fā)電的方式，則能去有效地解決該問(wèn)題。

5) 其他應(yīng)用。除了上述應(yīng)用之外，GSP干煤粉氣化技術(shù)還可以用于大量生產(chǎn)氫氣、制備燃料煤氣等。

2 GSP干煤粉氣化技術(shù)的優(yōu)化方案

神華煤業(yè)集團(tuán)50萬(wàn)t/a煤基烯烴項(xiàng)目自2010年試車(chē)以來(lái)，出現(xiàn)了眾多的問(wèn)題，并有針對(duì)性地進(jìn)行了多次優(yōu)化。

2.1 組合燒嘴上的優(yōu)化

組合燒嘴位于GPS的氣化爐當(dāng)中，其在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題有：1) 燒嘴的面端容易被燒壞，使用壽命較短。2) 點(diǎn)火燒嘴在點(diǎn)火時(shí)，存在穩(wěn)定性不好的問(wèn)題，從而嚴(yán)重地影響到生產(chǎn)的正常開(kāi)車(chē)；3) 氣化爐內(nèi)存在流暢狀態(tài)不好的問(wèn)題，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致氣化爐的水冷壁出現(xiàn)燒穿破裂。而且，在投煤的過(guò)程當(dāng)中，還存在氣化爐爐壁熱損失大的問(wèn)題。

相應(yīng)的優(yōu)化方案為：1)針對(duì)燒嘴端面燒壞問(wèn)題，可以采用冷卻水強(qiáng)制冷卻的方法對(duì)其進(jìn)行保護(hù),同時(shí)，將燒嘴內(nèi)的冷卻水由對(duì)流優(yōu)化成強(qiáng)制的旋流，通過(guò)流速的提高，來(lái)提高降溫效果，并且，將燒嘴的材料改為薄壁的管材；2) 針對(duì)點(diǎn)火不穩(wěn)定問(wèn)題，可以使用高能量的點(diǎn)火方式，來(lái)避免由于積灰結(jié)焦或者低溫、積水而導(dǎo)致的點(diǎn)火不穩(wěn)定的問(wèn)題。3) 針對(duì)流場(chǎng)不佳的問(wèn)題，可以通過(guò)增大最外層夾套冷卻水的流通面積來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 粗煤氣洗滌上的優(yōu)化

在粗煤氣洗滌上存在的問(wèn)題有：1) 在氣化爐激冷室的出口，合成氣所攜帶的灰渣量較大，氣化室除渣效果較差，使得粗煤氣當(dāng)中所含的灰渣量加大；2) 黑水旁路的閃蒸系統(tǒng)在使用的過(guò)程當(dāng)中存在堵塞和磨損嚴(yán)重問(wèn)題；3) 由于文丘里洗滌水當(dāng)中存在較多的固體顆粒，從而導(dǎo)致閥門(mén)被磨損嚴(yán)重，且排液管容易被堵塞；4) 旁路的閃蒸系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)閃蒸分離的作用。

相應(yīng)的優(yōu)化措施為：1) 通過(guò)在氣化爐的出口增加一套鼓泡塔，來(lái)對(duì)合成氣進(jìn)行粗洗，從而實(shí)現(xiàn)顆粒與灰分的有效分離；2) 在預(yù)熱器之前通過(guò)增加一套氣液分離罐，從而實(shí)現(xiàn)既能除塵，又能進(jìn)行氣液分離，這樣就能有效地解決堵塞原料氣換熱器的問(wèn)題；3) 在原來(lái)原料氣的分離罐上再增加3層相應(yīng)的塔盤(pán)，用來(lái)強(qiáng)化其清洗過(guò)程；4) 將現(xiàn)有的閃蒸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使用單管程的換熱器，防止堵塞；5)通過(guò)靜態(tài)混合器的設(shè)置，來(lái)提高冷測(cè)合成氣體的溫度，從而降低熱、冷端的溫差，防止換熱器因結(jié)垢出現(xiàn)堵塞。

2.3 水冷壁燒損后工藝調(diào)整措施

提高水冷壁的循環(huán)水量，從之前既定的量提高到300 t/h，改變氧氣旋風(fēng)照的角度和煤粉噴入的角度，調(diào)整火焰的形狀，降低氧氣與煤粉的螺旋混合強(qiáng)度，降低給水冷壁上層所帶來(lái)的影響，調(diào)節(jié)主燒嘴氧煤比開(kāi)車(chē)大小，防止主燒嘴氧煤比的改變?cè)斐上到y(tǒng)短時(shí)間的過(guò)氧改變，改變氣化用煤質(zhì)，開(kāi)車(chē)最早階段，運(yùn)用容易掛渣的煤，改變氣化爐無(wú)掛渣作用。

2.4 煤粉輸送系統(tǒng)特殊元件問(wèn)題

對(duì)特殊元件進(jìn)行測(cè)繪，調(diào)整材料，將疏松的元件上層增加防護(hù)擋板，而且適當(dāng)進(jìn)行延長(zhǎng)，讓其和容器的內(nèi)壁保持平齊，完善之后，煤粉的流量十分穩(wěn)定，能夠給整個(gè)工藝流程奠定基礎(chǔ)。

2.5 氣化爐投煤流量波動(dòng)問(wèn)題處理

完善煤粉的進(jìn)料管線，加裝流量控制設(shè)備和回流管線，把壓差改為流量控制?；亓鞴芫€令煤粉在未進(jìn)入氣化爐時(shí)運(yùn)用三通閥重新回到低壓煤粉倉(cāng)，于回流設(shè)備上加裝減壓儀器，于減壓儀器前增加背壓閥，在煤粉循環(huán)時(shí)提高煤粉管線的壓力與氣化爐的壓力一致，投料階段三閥切到氣化爐方向就可以滿(mǎn)足要求。通過(guò)這樣的方式，煤粉在投料階段不會(huì)有很大的改變，提高回流管線的作用，避免投料初煤粉結(jié)塊帶來(lái)投料時(shí)鎖斗進(jìn)料以及卸料不暢通，導(dǎo)致煤粉給料不能滿(mǎn)足要求出現(xiàn)跳車(chē)情況。

3 優(yōu)化效果分析

3.1 優(yōu)化后粗煤氣中含塵量的變化

GSP干煤粉氣化技術(shù)在經(jīng)過(guò)相應(yīng)的優(yōu)化以后，其相應(yīng)的含塵量問(wèn)題得到了有效的解決，見(jiàn)表1所示。

表1 粗煤氣在優(yōu)化前、后含塵量的變化

從表1可以看出，GSP干煤粉氣化技術(shù)的優(yōu)化有效地降低了粗煤氣中的含塵量。在技術(shù)優(yōu)化前，粗煤氣中的含塵量超過(guò)了2 mg·m-3，而經(jīng)過(guò)優(yōu)化以后，其相應(yīng)的含塵量普遍低于0.5 mg·m-3，表明該優(yōu)化的效果較好。

3.2 氣化爐中有效氣體成分的變化

將優(yōu)化前、后的氣化爐中的氣體通過(guò)多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，通過(guò)技術(shù)優(yōu)化以后，能將氣化爐煤氣中的有效成分進(jìn)行相應(yīng)的提高，其測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化前、后有效氣體含量測(cè)定

從表2可以看出，GSP干煤粉氣化技術(shù)在經(jīng)過(guò)優(yōu)化以后，其生產(chǎn)氣當(dāng)中的有效氣(即氫氣與一氧化碳的總量)出現(xiàn)了一定的提升，其中，2#爐有效氣的含量提升了超過(guò)2%。同時(shí)，對(duì)比優(yōu)化前、后的CO2含量發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化之后，能有效地降低CO2的生成。

優(yōu)化后的工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化后相關(guān)的工藝參數(shù)

4 總結(jié)

GSP干煤粉氣化技術(shù)作為一種煤轉(zhuǎn)化為氣的技術(shù)，因其具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，而在生產(chǎn)當(dāng)中具有較大的應(yīng)用價(jià)值。由于該技術(shù)屬于一種較為先進(jìn)的技術(shù)，其在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用較少，所以在具體的應(yīng)用當(dāng)中，出現(xiàn)了眾多的問(wèn)題，針對(duì)這一系列問(wèn)題，通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)優(yōu)化，能有效地提高燒嘴的使用壽命，點(diǎn)火的成功率，同時(shí)，優(yōu)化以后，煤氣的含塵量從之前的超過(guò)2 mg·m-3，降到低于0.5 mg·m-3，同時(shí)，有效成分也上升了2%左右。