固定床气化煤锁充泄压系统优化

李晓毅

(云南先锋化工有限公司，云南 寻甸 655204)

我公司22.5万m3/h(干气)煤气化装置建有8台(5开3备)固定床熔渣气化炉，采用公司具有自主知识产权的碎煤熔渣加压气化技术，以褐煤为原料，生产甲醇合成原料气。粗煤气主要含CO、CO2、H2、CH4等。该装置具有煤种适应性强、氧耗低、煤耗低、气化强度高、气化效率高，液态排渣，且灰渣可用于建筑材料等优点。

气化炉主要由煤仓、煤溜槽、煤锁、过渡仓、气化炉、连接短节、激冷室、渣锁及附件组成，配套设置有煤锁系统、夹套系统、蒸氧系统、高压冷却水系统、燃烧器系统、排渣系统、激冷水系统、文丘里系统及其他公用系统。

气化炉为双煤锁设置，采用互充工艺实现煤锁气回收。煤锁系统设有中间缓冲罐，分级贮存煤锁泄压气压力能，实现压力能梯级利用。该工艺系统与传统工艺区别在于无需设置煤锁气洗涤系统、煤锁气气柜及煤锁气压缩机等设备设施，降低了设备投资和维护运行成本。与传统的从煤气系统中取气对煤锁进行充压相比，避免了因使用粗煤气充压对生产系统煤气负荷及压力的影响，可根据终端产品合成工艺要求，终充压及气封的惰性气体可采用高压氮气或二氧化碳气体。我公司终端产品为甲醇，采用低温甲醇洗装置二氧化碳产品气提压后作为终充压及气封的惰性气体。

1 煤锁气原充泄压工艺

气化炉设有双煤锁，每台气化炉设有一个体积为 21 m3中间缓冲罐。煤锁设有煤锁上阀①、煤锁下阀②、充泄压阀③、二次泄压阀④、终充压阀⑤、气封阀⑥，如图1所示。

①煤锁上阀；②煤锁下阀；③一次充泄压阀；④二次泄压阀；⑤终充压阀；⑥气封阀图1 煤锁气互充工艺流程图

煤锁上阀①、充泄压阀③、二次泄压阀④、终充压阀⑤关闭，煤锁下阀②、气封阀⑥开启，实现给煤时与煤仓及充泄压系统隔离。煤锁与气化炉压力平衡，为带压状态，煤锁内原料煤进入气化炉内给煤气化反应供料。

煤锁下阀②、气封阀⑥、充泄压阀③、终充压阀⑤关闭，煤锁上阀①、二次泄压阀④开启，实现煤锁与气化炉隔离。煤锁为常压状态，为加煤过程，煤仓原料煤通过上阀进入常压状态煤锁内。

煤锁上阀①、煤锁下阀②、气封阀⑥关闭，充泄压阀③、二次泄压阀④、终充压阀⑤开启或关闭，实现充泄压过程煤锁与煤仓、气化炉隔离，满足煤锁交替充泄压要求。气化炉一台煤锁空料需要加煤时，开启充泄压阀③，可将煤锁气泄至中间缓冲罐内缓存。煤锁没加时，可利用中间缓冲罐缓存的煤锁气对煤锁进行一次充压，以回收煤锁气压力能。

1.1 工艺简述

工艺流程见图1。

1)加煤时，煤锁上阀①、充泄压阀③、二次泄压阀④和终充压阀⑤关闭，煤锁与煤仓及充泄压系统隔离；煤锁下阀②开启，煤锁中原料煤进入气化炉内，实现加煤；气封阀⑥在煤锁下阀②开启前开启，减少气化炉内的煤气上串至煤锁，煤锁处于带压状态。

2)煤锁煤空时，煤锁上阀①、煤锁下阀②和气封阀⑥关闭，煤锁与煤仓、气化炉隔离。开启充泄压阀③，将空煤锁内的压力泄至中间缓冲罐。待压力平衡后，煤锁内的余压经二次泄压阀④泄放至除尘装置处理后放空。当煤锁内的压力降至趋于常压后，煤锁上阀①开启、二次泄压阀④关闭，煤锁处于常压状态。

3)空煤锁上阀①打开，向空煤锁中加煤。空煤锁加满煤后，煤锁上阀①关闭，煤锁充泄阀③开启，采用中间缓冲罐内缓存的煤锁气对煤锁进行充压。待压力平衡时，关闭煤锁的一次充泄压阀③，开终充压阀⑤，采用高压二氧化碳气体将煤锁压力充至与气化炉内压力平衡，煤锁进入带压状态。

4)终充压阀⑤关闭，充压完毕。气封阀⑥和煤锁下阀②开启，煤锁向气化炉中加煤，双煤锁交替循环。

2 存在的问题

煤锁充泄压采用两级充压、两级泄压，体积为 18 m3，煤锁操作压力 4.5 MPa(G)，煤锁温度 30 ℃，煤锁气经一级泄压至体积 21 m3中间缓冲罐。泄压至 3.44 MPa(G)后，开启二次泄压除尘后直接放空。煤锁充压采用缓冲罐气体充压至 2.53 MPa(G)，再采用后续低温甲醇洗CO2充压至与气化炉压力平衡。煤锁气组分见表1所示。

表1 煤锁气及粗煤气组分

如表1所示，煤锁气中可燃组分物质的量分数为38.7%，热值为 6.28 MJ/m3，二次泄压至 2.53 MPa 直接放空。采用理想气体状态方程测算，放空气量为 411.4 m3，可燃组分达 159.1 m3，热量损失达 2582.8 MJ，相当于 88.12 kg 标准煤。煤气化装置5台炉运行，平均每台气化炉 1 h 加煤4次，煤锁气放空量达 8227.96 m3/h，热值折标煤为 1762.46 kg，一年(8000 h 计算)达 14099.67 t 标煤，造成了能源浪费。且煤锁气中含有少量乙烷、乙烯等VOC组分及微量异味物质，直接放空不符合环保需求。

3 煤锁充泄压系统优化

2015年至2018年，我公司基于能量回收及环保需求考虑，持续对煤锁充泄压系统进行提升改造，优化加煤操作，煤锁充泄压由两级充压、两级泄压升级为三级充压、四级泄压，具体为：

1)将煤气化装置8台气化炉8个中间缓冲罐分成两组，每4台煤锁中间缓冲罐串联成一组，一次缓存罐体积为(21×4)m3，二次缓存罐体积为(21×4)m3，增大缓冲空间，实现多级缓存。煤锁泄压气经一次泄压至一级中间缓冲罐，二次泄压至另二级中间缓冲罐。

2)新增一台 91.4 m3的煤锁3次泄压缓冲罐，3次泄压至3次泄压缓冲罐，送至去锅炉燃烧，回收煤锁气中的可燃组分热量。

3)3次泄压后进行3次吹净置换，进一步降低低压放空部分可燃组分。

煤锁充泄压系统优化流程见图2所示。

①锁上阀；②煤锁下阀；③一次泄压二次充压阀；④二次泄压一次充压阀；⑤三次泄压阀；⑥四次泄压阀；⑦终充压阀；⑧气封阀。图2 煤锁充泄压系统优化流程

1)加煤时，煤锁上阀①、一次泄压二次充压阀③、二次泄压一次充压阀④、三次泄压阀⑤、四次泄压阀⑥、终充压阀⑦关闭，煤锁与煤仓及充泄压系统隔离，气封阀⑧和煤锁下阀②开启。

2)煤锁煤空时，煤锁上阀①、煤锁下阀②和气封阀⑧关闭，煤锁与煤仓及气化炉隔离，开启一次泄压二次充压阀③，将空煤锁内的压力泄放至一级缓冲罐。待压力平衡后，开启二次泄压一次充压阀④，将空煤锁内的压力泄放至二级缓冲罐。待压力平衡后，三次泄压阀⑤开启，将空煤锁内的压力泄放煤锁三次泄压缓冲罐。当煤锁压力≤0.2 MPa(G)，开启CO2气封阀进行三次吹净置换后，煤锁压力≤0.2 MPa(G)开启四次泄压阀⑥，现场放空；当煤锁内的压力降至趋于常压后(与煤锁压差小于 27 kPa)，开启煤锁上阀①。

3)空煤锁上阀①打开，向空煤锁中加煤。空煤锁加满煤后，煤锁上阀①关闭，开启二次泄压一次充压阀④，采用二级缓冲罐缓存的煤锁气对煤锁进行一次充压。待压力平衡时，关闭二次泄压一次充压阀④，开启一次泄压二次充压阀③，采用一级缓冲罐缓存的煤锁气对煤锁进行二次充压。待压力平衡时，开终充压阀⑦，采用高压二氧化碳气体将煤锁压力充至与气化炉内压力平衡，煤锁进入带压状态。

4)终充压阀⑦关闭，充压完毕。气封阀⑧和煤锁下阀②开启，煤锁向气化炉中加煤。

4 煤锁充泄压系统优化后效益分析

煤锁充泄压采用3级充压、4级泄压及三次吹净置换方式，体积为 18 m3煤锁操作压力 4.5 MPa(G)，煤锁温度 30 ℃，煤锁气一次泄压至体积 84 m3一级缓冲罐。泄压至 3.98 MPa(G)后，煤锁气二次泄压至体积 84 m3二级缓冲罐。泄压至 2.88 MPa(G) 后，煤锁气3次泄压至3次泄压缓冲罐。泄压至 0.2 MPa(G)后，采用CO2进行三次吹净置换，进一步降低低压放空部分可燃组分。

4.1 经济性分析

如表2所示，忽略CO23次吹净置换带来的效益，煤锁充泄压系统优化后，4次泄压压力为 0.2 MPa，一次加煤放空气量为 32.44 m3，较优化前可回收煤锁气 378.96 m3，回收可燃组分量 146.56 m3，回收热量 2379.15 MJ，相当于回收 81.17 kg 标准煤。煤气化装置5台炉运行，平均每台气化炉1小时加煤4次，送锅炉可产高压蒸汽14t，每小时锅炉减少用煤 3.3 t；原料煤热值按 13.98 MJ/kg，价格330元/t计，年可减少动力原料 27229.19 t，每年仅锅炉原料煤成本可减少898.56万元。

表2 优化前后对比表

4.2 生态效益

中国煤化工行业中排放的二氧化碳总量约为5亿吨，占到全国二氧化碳排放总量的5%左右[3]。煤化工二氧化碳排量主要源于供热供电锅炉及煤气化炉，二者比例约6∶4。如表2所示，煤气化装置煤锁充泄压系统优化后，一次加煤回收的煤锁气折标煤为 81.17 kg，5台气化炉运行，年节能量达 12987.96 t(标准煤)，年可减少温室气体排放量 37393.56 t，二氧化碳减排量达2%，具有较好的节能降碳效益。

5 结语

煤锁充泄压系统优化运用了公司3×260 t 循环流化床热容量大、燃烧稳定等特点，炉膛温度在 760 ℃ 以上，停留时间约 8 s，满足处理煤锁气充分燃烧的技术条件要求。且锅炉系统设有化工工艺气掺烧系统，具有掺烧气体的经验优势。优化运行后，实现煤锁加煤及锅炉平稳运行，锅炉出口监测数据，非甲烷总烃(NMHC)小于 15 mg/m3，VOCs充分燃尽，优于 120 mg/m3排放标准。

公司煤锁气回收率大于90%，仅锅炉原料煤成本节约2400余万元，节能量达36000余t(折标煤)，减少二氧化碳碳排105000余t，在“能耗双控”“双碳”背景下，实现了降本增效，节能降耗，减污降碳协同效应。