两段式干煤粉加压气化技术在300 kt/a甲醇装置中的应用

史 亮

(内蒙古鄂尔多斯市乌审旗世林化工公司 内蒙古鄂尔多斯017300)

两段式干煤粉加压气化炉是内蒙古鄂尔多斯市乌审旗世林化工公司(以下简称世林化工公司)煤制甲醇的核心装置，采用水冷壁结构及以渣抗渣原理，该装置无耐火砖衬里，运转周期长，无需备炉。该气化炉采用干煤粉加压进料方式，对称布置4只煤烧嘴，单炉投煤量1 000 t/d，以纯氧为气化剂，干煤粉被惰性气体(氮气或二氧化碳)携带，同氧化剂(氧气和蒸汽)一起通过煤粉喷嘴进入气化炉，气化炉炉膛温度高达1 400～1 600 ℃，压力4.0 MPa，碳转化率高达99%以上，吨精甲醇比氧耗620 m3(标态)，冷煤气效率达90%，液态排渣，所产粗煤气比较洁净，粗煤气中有效气(CO+H2)体积分数达85%～90%(干基)、CO2体积分数在5%～8%，副产中压蒸汽经过热后并网或自用。

1 气化工艺原理

两段式干煤粉加压气化炉采用干法进料气流床气化工艺，煤炭在高温下发生热化学反应。由于在气化炉内高温条件下发生多相反应，反应过程极为复杂，可能进行的化学反应很多。在高温条件下，生成的粗煤气中主要含CO，H2，CO2，H2O，N2和少量的H2S，COS，CH4等。在粉煤气流床气化炉中进行的气化反应过程及反应方程可概括如下。

(1)煤的干燥及裂解与挥发物的燃烧气化。由于气流床气化反应温度很高，煤粉受热速度极快，可认为煤粉中的残余水分瞬间快速蒸发，同时发生快速的热分解脱除挥发分，生成半焦和气体产物(CO，H2，CO2，H2S，N2，CH4和其他碳氢化合物CmHn)。在富含氧气的条件下，生成的气体产物中的可燃成分(CO，H2，CH4，CmHn)迅速与O2发生反应，并放出大量的热，使粉煤夹带流温度急剧升高，并维持气化反应的进行。

(2)固体颗粒与气化剂(氧气和蒸汽)之间的反应。脱除挥发分的粉煤固体颗粒或半焦中的固定碳在高温条件下与气化剂进行气化反应。

(3)挥发分的燃烧反应。剩余的氧与碳发生燃烧和气化反应，使氧消耗怠尽，炽热的半焦与水蒸气进行还原反应，生成CO和H2。

(4)与固体颗粒间的反应。高温的半焦颗粒，除与气化剂(蒸汽和氧气)进行气化反应外，与反应生成气也存在气化反应。在高温还原性气体存在的条件下，煤中的硫与H2和CO反应生成H2S和COS。

(5)反应生成气体彼此间进行的反应。在高温条件下，气化反应生成的气体活性很强，在它们自身被生成的同时，其相互之间也存在着可逆反应。上述反应按热效应分2种形式：①放热反应，即C-O2反应、CO-O2反应、H2-O2反应、水煤气变换反应、甲烷的生成反应等；②吸热反应，即C-CO2反应及C-H2O反应等。

2 工艺单元

(1)原料煤在磨煤单元经研磨、干燥、分离等工序制成合格煤粉，然后送至煤粉输送单元，并根据气化炉负荷相应调整磨煤系统负荷；若2套锁斗加压输送系统用煤量出现偏差时，及时将数控程序改为手动操作，实现系统经济稳定运行。

(2)煤粉输送单元由2套完全相同的锁斗加压输送系统组成，将磨煤单元送来的煤粉经锁斗加压送往气化炉的4只煤烧嘴。

(3)煤气化单元将经加压后的粉煤与氧气通过2对对称布置的煤烧嘴送入气化炉，在极为短暂的时间内完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化学过程，产生粗煤气；粗煤气在气化炉二段经减温喷淋冷却水激冷至800～900 ℃，使其中夹带的熔融态灰渣颗粒固化，粗煤气离开气化炉进入激冷罐，在激冷罐内与水发生传热、传质后送至湿法洗涤单元。另外，气化炉副产的中压蒸汽经过热后并入管网或自用。

(4)除渣单元将气化炉渣口流出的液态渣冷却、粒化，然后通过捞渣机和渣皮带输送机送往渣场。

(5)湿法洗涤单元将经过除尘后的粗煤气在文丘里洗涤器和湿洗塔内洗涤激冷，以脱除粗合成气中所含的氯化氢、氢氟酸和微量固体，洗涤后的煤气中含有一定量的蒸汽，有利于后续的变换反应。

(6)灰水处理单元将除渣单元、湿法洗涤单元及其他单元送来的废水进行闪蒸处理，再回收、循环利用。

(7)公用工程单元包括高压氮气系统、低压氮气系统、冷却水系统、工艺水系统、蒸汽/冷凝液系统，为其他各单元提供服务，满足各单元对氮气、各种工艺水及蒸汽的需要。

3 气化炉开车情况

3.1 系统开车情况

2012年8月5日18:20，煤气化装置电气、仪表及公用工程管网具备条件，进入开车阶段。该气化装置使用内蒙古当地低硫分和高挥发分原料煤，磨煤单元将煤粉粒径(d)工艺标准控制在≤90.0 μm的煤粉量占质量分数>90%，d≤5.0 μm的煤粉量占质量分数<10%；水汽系统升温至135 ℃，煤粉加压仓充压介质和煤线煤粉输送介质均为经二氧化碳压缩机压缩后的中压氮气(6.5 MPa)，空分装置产的6.5 MPa和8.1 MPa中压氮气进行补充；系统投料为数控控制，55%负荷下投料；4条煤线的煤粉流动速度均控制在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气化炉投料成功。

煤质成分分析(质量分数)：全水3.86%，灰分14.54%，挥发分32.26%，硫1.42%，固定碳49.32%。灰熔点：DT 950 ℃，ST 1 200 ℃，HT 1 210 ℃，FT 1 240 ℃(分析时间2012年8月5日20:00)。煤粉粒径分布及累计其质量分数(分析时间2012年8月6日01:30)见表1。

粗煤气成分(体积分数)：H236.19%,CO51.80%,CO26.83%,N24.27%,O2+Ar0.01%,总硫0.22%,CH4未检出(分析时间2012年8月6日16:35)。

气化炉炉渣成分(质量分数)：内水0.33%，灰分98.68%，挥发分0.29%，固定碳0.70%(分析时间2012年8月6日17:15)。

从以上开车数据可看出：煤粉粒度控制达到工艺标准，气化炉温度控制在1 150～1 200 ℃，粗煤气经过激冷温度降至670～700 ℃，粗煤气中有效气(CO+H2)体积分数达87.99%，CO2体积分数<7%。炉渣中挥发分和固定碳总质量分数<1%，炉渣中可燃物少，碳转化率高。

表1 煤粉粒径分布及其累计质量分数

3.2 主要问题及解决措施

(1)煤线密度计和速度计多次出现波动，煤粉在流动性和输送稳定性方面暴露出问题,进气化炉氧碳比难以控制。采取的措施：磨煤机出口物料温度控制在85～90 ℃；煤粉中内水质量分数严格控制在1%～2%；保证煤粉管线伴热正常投用；煤粉加压系统充压时要稳定；经调整，氧碳比能够稳定控制在0.80～0.85。

(2)根据对国内煤粉气化炉的调研，点火烧嘴、开车烧嘴易被损坏。采取的防范措施：注意点火烧嘴和开工烧嘴的安装,防止烧嘴机械性损伤或使气化炉水冷壁损坏；保持点火烧嘴和开工烧嘴通道清洁；气化炉55%负荷下投料，提高氧压并保持煤线密度计和速度计稳定，首先用手动控制将距离开工烧嘴最近的1只煤烧嘴进行投运，然后投运其对称的第2只煤烧嘴，再依次将剩余的2只煤烧嘴投运(一般4只对称布置的烧嘴中，有2只煤烧嘴距离开工烧嘴最近，然后根据煤线密度计和速度计的运行指标，选择投运其中1只煤烧嘴，然后依次投运剩余煤烧嘴)。4只煤烧嘴运行稳定后，系统进入加负荷阶段，气化炉负荷控制系统由手动控制模式转换至自动控制模式。

(3)中压循环水泵入口滤网抽瘪，运行稳定性差。采取的措施：改进中压循环水泵入口过滤器滤网，有效控制了有效过滤面积、滤网孔径和阻力；保证汽包水质,避免结垢而引起水冷壁管损坏和中压循环水泵损坏；在设备制造、管道安装、单体试车期间，注意保持系统的洁净性,以防止激冷环堵塞。

(4)防止煤烧嘴冷却套和膨胀节损坏。采取的措施：装配时，在煤烧嘴罩上进行双面焊，作防护；用耐火材料填充膨胀节；在煤烧嘴冷却水入口和出口处增设温度计,以便对煤烧嘴冷却套进行实时监控。

(5)防止煤烧嘴罩损坏。采取的措施：严格控制煤烧嘴伸入气化炉内的长度；适当加大烧嘴罩冷却水流量；稳定磨煤单元操作，保证进炉氧碳比稳定；严格监控煤的品质，包括固定碳、水分、挥发分含量和灰熔点，若更换煤种,必须及时调整各相关工艺控制参数；根据煤灰熔点，严格控制炉温和适当降低氧碳比。

(6)防止黑水和灰水管线堵塞。采取的措施：稳定炉温；更换煤种时，应检测灰分含量,防止生成大渣块,保证黑水管线循环正常；均匀平稳添加絮凝剂，注意闪蒸系统水的黏度和密度变化,适当加大循环水排放量,以防止因沉降效果减弱导致水中杂质过多而堵塞管道系统。