Shell煤气化产品气中氮气含量调整研究

赵冬冬

(河南龙宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

河南龙宇煤化工有限公司(以下简称龙宇煤化工)气化炉采用Shell粉煤加压气化工艺，该工艺以研磨合格的干煤粉为原料，采用空分精馏后纯度在99.5%以上的氧气为气化剂。研磨合格的煤粉经氮气加压后，与来自空分的氧气在煤烧嘴内混合后喷入气化炉膛进行不完全燃烧，所产生液态渣经激冷、破碎、降压后排出界外，所产生的夹带飞灰的合成气经激冷、除灰、洗涤[1]后送至下游变换装置。

1 Shell煤气化工艺流程

Shell煤气化工艺流程见图1。原煤在氮气环境中送入磨煤机研磨、干燥，磨制合格的磨煤输送至煤粉给料罐中备用。合格的煤粉通过载气送入气化炉煤烧嘴，与空分装置送来的高压氧气在气化炉炉膛中不完全燃烧，所产生的合成气在气化炉激冷段冷却。合成气经飞灰过滤器过滤后送入湿洗塔洗涤净化。系统所过滤的飞灰经惰性气体气提、降压后转送到飞灰贮罐；排渣系统及湿洗系统所产生的污水经闪蒸、汽提、澄清后送至污水处理站处理。

2 Shell煤气化装置所使用的惰性气分析[2]

Shell气化炉所使用的惰性气分为氮气和二氧化碳两部分。氮气主要用于气化炉激冷气压缩机密封、气化炉振打器密封、煤粉输送管道流化、飞灰输送管道流化、除灰系统下料等；二氧化碳主要用于粉煤锁斗充压、煤烧嘴吹扫、煤进料罐充压、高温高压飞灰过滤器气体反吹、气化炉反吹等。

3 合成气中降低氮气含量的主要措施

由于煤气化系统中所涉及的诸如煤粉、氧气、飞灰、合成气等物料不与二氧化碳和氮气反应，且都不直接对空排放，因而在煤粉输送、飞灰输送、气化炉密封、管道吹扫等场所，考虑使用二氧化碳替代氮气的措施是可行的[3]。

3.1 二氧化碳替代氮气作为煤粉输送载气

Shell煤气化工艺中，煤粉由氮气作为载气输送至气化炉内进行燃烧。在气化初始开车时，合成气变换及酸性气脱除工序还没有进入生产状态，没有产生二氧化碳，此时载气压缩机入口气为低压氮气。随着合成气变换及酸性气脱除工序开车，低温甲醇洗洗涤吸收合成气中的二氧化碳，经甲醇再生并送至载气压缩机入口，与空分来的氮气一起加压后送至煤气化使用。

载气压缩机入口气添加二氧化碳气体后，气化炉内二氧化碳浓度将逐步提升，这促进气化炉内煤粉与二氧化碳、水蒸气与二氧化碳之间的反应，从而提高产品气中一氧化碳和氢气的含量。载气中添加80%二氧化碳时合成气中氮气含量的变化见图2。

通过图3、图4的对比可以直观地发现，二氧化碳代替部分氮气作为煤粉输送载气时，合成气中有效气(一氧化碳与氢气)明显上升。

(1)16QI0005A分析的合成气中H2含量从21.77%降低到19.03%，减少了2.74%。

(2)16QI0005B分析的合成气中CO含量从58.13%增加到64.08%，增加了5.95%。

(3)16QI0005C分析的合成气中CO2含量从2.33%增加到9.75%，增加了7.42%。

(4) 16QI0005E分析的合成气中N2含量从14.01%减少到3.54%，减少了10.47%。

(5) 合成气中的有效气成分16QI0005A+16QI0005B的量从79.9%增加到83.11%，增加了3.21%。

煤粉载气(氮气)中添加二氧化碳，合成气组分中的氮气量减少，不仅能够降低煤气化装置氮气消耗，还可以减少产品气中氮气含量，使得甲醇合成工序的弛放气减少，合成效率提高。氮气/二氧化碳混合作为载气使用。

使用二氧化碳替代氮气作为煤粉输送载气，根据分析结果可知，合成气中氮气含量可由14%降至3.5%，随着负荷提升，降幅明显。

3.2 二氧化碳替代氮气作为安全阀吹扫气

在Shell煤气化装置中，涉及合成气的安全阀共有10台，由于合成气具有腐蚀性，为防止合成气中水分在安全阀管道处凝结、对管道造成腐蚀，按照设计，需在安全阀前对管道进行吹扫，保持管道的干燥。根据计算，每台安全阀吹扫气量为300Nm3/h，因此，从安全阀吹扫气进入合成气系统的氮气量约3 000Nm3/h。

满负荷下，合成气产量为18.2万Nm3/h，安全阀吹扫气按3 000 Nm3/h计算，将该部分氮气替换为二氧化碳后，合成气中的氮气含量将下降1.65%。安全阀及其吹扫气现场图片见图5。

图5 安全阀及其吹扫气现场图片

3.3 二氧化碳替代氮气

气化炉产生的3.96MPa、340℃的合成气经过高温高压飞灰过滤器过滤后，与湿洗系统来的合成气混合后去激冷气压缩机，作为气化炉激冷气使用。激冷气压缩机工艺流程见图6。

图6 激冷气压缩机工艺流程注：1-激冷器压缩机；2-气化炉；3-飞灰过滤器；4-湿洗塔

在正常运行时，激冷气压缩机前置气及一级密封气流量约1 000Nm3/h，其目的是密封合成气，防止其外漏。激冷气压缩机前置气及干气密封系统见图7。

按满负荷下合成气产量为18.2万Nm3/h计算，该部分氮气替换为二氧化碳后，合成气中的氮气含量将下降0.55%。

3.4 振打器密封气

为防止气化炉输气管、气体返回室、合成气冷却器等部位积灰，在气化炉设计时加装了58台振打器(见图8)。由于受合成气腐蚀，振打器密封容易造成密封氮气外漏，因而，密封氮气与气化炉压力差的设定是必要的。正常运行期间，密封氮气进入气化炉，流量约为600 Nm3/h。

按满负荷下合成气产量为18.2万Nm3/h计算，该部分氮气替换为二氧化碳后，合成气中的氮气含量将下降0.33%。

4 措施实施后的成果

上述措施实施后，合成气中氮气含量由14%下降至0.97%。合成气中氮气含量的降低对甲醇氢

回收弛放气、变换冷凝液、甲醇产量均有不同程度的影响。

图7 激冷气压缩机前置气及干气密封系统

图8 气化炉振打器及密封气现场图片

4.1 合成气中氮气含量降低后对弛放气的影响

合成气中氮气含量降低前，龙宇煤化工甲醇合成弛放气约2万Nm3/h，其中H2与CO占50%左右，氮气含量降低后，弛放气量减排7 000 Nm3/h。由此可见，合成气中氮气量的减少，显著降低了H2与CO的放空量，提高了合成气利用率，仅此一项每天可减少有效气放空量约8.4 万Nm3。

4.2 合成气中氮气含量降低后的影响

经各项措施后，系统氮气含量从14%下降为1%左右，变换冷凝液中氨氮含量由8 000mg/L下降至400mg/L，降低了污水系统处理负荷。二氧化碳替代氮气前后变换冷凝液氨氮变化见图9。

图9 二氧化碳替代氮气前后变换冷凝液氨氮变化

4.3 合成气中氮气含量降低后对甲醇产量的影响

在实施系统氮气含量降低的各项措施时，合成气中有效气(H2与CO)比例上升约4%，甲醇增产明显。

5 结语

目前，龙宇煤化工合成气系统中氮气含量已经降至为0.9%～1.2%，氮气含量的降低促进了甲醇产量的提高，降低了污水系统处理负荷，提高了合成效率，而且还能减少系统的氮气流量，保证了系统的氮气压力稳定，对系统的长周期、高产、高效运行起到了重要作用。