豐喜非熔渣－熔渣分級氣化爐介紹及在醇改尿系統中的運行特點

趙東興，白 璟

［山西陽煤豐喜肥業（集團）有限責任公司臨猗分公司，山西臨猗 044100］

0 引 言

山西陽煤豐喜臨猗分公司所使用的非熔渣－熔渣分級氣化爐在2006年1月投產后為100kt／a甲醇裝置提供水煤氣，后經擴建至甲醇200kt／a的發氣能力。2008年底，因甲醇市場下滑，停產后，公司在原甲醇系統的基礎上進行醇改尿的工程擴建，采用非熔渣－熔渣分級氣化爐生產煤氣一部分供低壓合成甲醇系統使用，另一部分供合成氨系統使用。合成氨系統于2010年7月10日投料成功，目前工藝運行穩定，初步達到設計能力?，F將這種煤氣化的特點及生產過程中出現的一些運行狀況總結如下。

1 分級氣化（爐）的原理及特點

非熔渣－熔渣分級氣化技術是一種全新的氣化技術，主要特點如下。

1.1 分級向氣化爐內注入氧氣

大部分氧氣從爐頂部燒嘴同水煤漿一起進入氣化爐，少部分氧氣從爐側壁氧氣噴嘴進入氣化爐。以氧氣為霧化劑，利用分步給氧技術，建立了兩個氣化區，噴嘴位于相對爐膛內溫度較低的氣化段內。

1.2 燒嘴壽命提高

氣化爐主燒嘴和側壁氧氣噴嘴分別向氣化爐內加氧，使氣化爐主燒嘴的氧氣量可脫離爐內部分氧化反應所需的碳與氧的化學當量比約束，改變了主燒嘴局部區域氧化強度過高的狀態，使氣化爐軸向溫度均衡并有所提高（如圖1），充分發揮氣化爐全容積的氣化功能。

圖1 氣化爐軸向溫度分布示意

分級給氧氣流床氣化爐軸向溫度分布得到優化。從燒嘴向下形成低—高—低溫度曲線，高溫區從燒嘴端部下移，使燒嘴處于相對低的溫度區域，使出渣口接近高溫區，同時提高了氣化爐內平均溫度。工業生產實踐表明：燒嘴壽命達106d，比傳統工藝長一倍；煤種適應性寬，可采用灰熔點1 400℃的煤，比傳統工藝高100℃。

1.3 分級給氧氣流床氣化爐的流場更為合理

圖2 分級氣化爐內速度矢量分布

如圖2所示，由于二次給氧在氧氣入口處形成反擴散火焰，氧氣進入了爐頂部區域。而傳統的氣化爐沒有水平方向的給氧，在爐頂部形成了缺氧的黑區，不能承擔氣化反應。分級給氧工藝二次給氧反擴散火焰的卷吸使部分煤顆粒和氧進入爐頂部區域。由于水平方向只有質量很小的氧氣射流，在向下主氣流作用下，即使水平方向氧氣流速達到160m／s也不會射到對面爐壁；水平方向射流中沒有固體煤顆粒射入，只從主氣流中卷吸部分煤顆粒參與燃燒和氣化，不會產生過度高溫威脅爐頂磚。以上兩方面使分級給氧工藝具有本質上的安全性。這一點也在工業生產中得到驗證：不投入二次給氧時，爐頂磚上附有厚厚的高低不平蜂窩狀渣層，投入二次給氧后，爐頂磚上附有致密均勻的渣層。

分級給氧氣化工藝流場的優勢在于，恰到好處地利用了爐頂部區域傳統工藝的黑區完成氣化過程，而沒有過度反應影響爐頂磚的壽命。

1.4 生產中的優化措施

在生產過程中，經過反復的實踐摸索，形成獨特的工藝思路。

（1）將中心氧流量控制在1 800m3／h左右，二次氧流量控制1 200m3／h（兩個二次氧燒嘴各600m3／h），使高溫火焰在爐內的分布更趨合理，避免了氣化爐拱頂超溫。

（2）因氣化室筒體長度加長了400mm，能把氣化負荷提高至118%，同時氣體在爐內的停留時間增加，碳轉化率提高，粗渣中的碳含量降至15%以下。新增的3＃爐、4＃爐激冷室的直徑由φ2 800mm增加到φ3 200mm，使日投煤量由500t增加到700t。

（3）氧氣的分級調整，使氧氣進入氣化的通道總截面積增加，可以增加單爐供氧量，降低空分液氧泵的出口壓力，延長液氧泵使用壽命。沒有二次氧燒嘴，氧壓到5.2MPa，爐子加氧到12 800m3／h，就再也提高不了，有二次氧燒嘴以后，氣化爐加量能在同樣的氧壓下，總投氧量超過13 500m3／h，也相應地提高了投煤量。

2 特別設計采用新型高壓、真空閃蒸技術及特殊防磨裝置

閃蒸結構由傳統閃蒸進料結構改為耐磨高效閃蒸內件，將黑水減壓角閥與后系統的閃蒸設備直接相連，并在閃蒸角閥后采用加裝一道減壓多孔板的特殊辦法，減輕對角閥的磨損。極大地延長了進料部件的使用壽命。開車至今，灰水系統的減壓角閥從未出問題。

3 碳洗塔采用十字形分布器，無升氣管

碳洗塔的下部采用十字形分布器，去掉了升氣管，使氣體在分布器的孔眼處出來，亦降低了氣體流速，增大氣液接觸面積，達到在水中充分洗塵的目的，提高了碳洗塔的洗滌效果。采用十字形分布器的另一好處是，在開停車過程中（特別是聯投），很有效地避免了由于應力變化而脫落的大塊垢片進入碳洗塔，堵塞碳洗塔底部黑水出口和閃蒸角閥，解決了碳洗塔在開車過程中排水不暢易堵塞的問題。

碳洗塔氣相除塵采用特制高效塔板，除塵效果明顯，產品氣含灰量遠遠低于變換工段要求的指標，延長了變換催化劑使用壽命。

4 閃蒸系統各級設備的標高布置特殊

灰水處理系統堵塞是制約氣化長周期安全運行的主要因素之一。其他兄弟廠家的黑水系統在運行過程中都普遍存在結垢嚴重、運行周期短等問題。針對這一問題，我公司經過討論研究后，決定將高閃定位在27m標高的平面，將真閃定位在20m標高的平面，真閃下液靠重力自流到沉降槽（不再使用真閃下液的給料泵），以期徹底解決困擾德士古氣化爐長周期運行的灰水處理系統堵塞問題。改進后（如圖3），我公司的黑水系統在多年的運行過程中沒有出現過堵塞問題，為系統長周期穩定運行提供了有力的保障。停車后的高閃罐、真閃罐清灰工作極為簡單，利用停車過程中的循環沖洗即可。

圖3 閃蒸系統各級設備標高布置

5 去掉撈渣機，渣池移至界區外，現場干凈，實現清潔生產

目前，其他兄弟廠家使用的撈渣機普遍存在損壞頻繁，維修費用高，特別是其鏈條一般都使用進口鏈條。我公司針對這種情況經過研究，決定去掉撈渣機，改為將粗渣直接排放到沉淀池，然后用抓斗撈出的方法。即簡化了流程，又節約了費用。到目前為止，系統的粗渣沉淀以及抓斗系統從沒有干擾過氣化爐的開停車。

6 生產運行中出現的一些狀況

6.1 煤漿泵打量波動

6.1.1 煤漿泵打量波動的現象及原因

氣化采用的煤漿泵是由上海大隆制造的國產化三缸單作用柱塞式隔膜泵。由于高壓煤漿貯槽上部的煤漿進料沒有設置振動篩，煤漿泵運行到20d以后，經常會有燒嘴壓差變小或者來回波動的現象，由原來正常的450kPa左右，減至220～380kPa來回波動，同時造成系統發氣量減少。時好時壞，波動起來沒有規律可循。后經分析為煤漿中的雜質過多，如鐵絲、焊頭等，以及運行時間過長后，泵的進口匯液管處沉積太多的矸石大顆粒，在泵吸入時夾雜在單向閥的閥座上，造成單向閥吸入或排出煤漿時閉合不嚴，或者運行時間過長后，閥座磨損，密封不良。

6.1.2 煤漿泵波動造成發氣不穩，甲烷高

一旦出現煤漿泵打量差，立即伴隨著發氣量低，CO2含量增大的現象，CO2由原來的18%增大到22%以上，同時還會在合成氨系統或甲醇系統反映出甲烷增多的現象，合成氨系統的新鮮氣甲烷含量由正常的1%增加到2.5%。造成這種現象的原因是，各隔膜腔的供料量不一致，同樣的氧煤比分解到每一個脈沖都不相同，造成甲烷總量高。

6.1.3 處理辦法

（1）在泵的外部敲擊單向閥。這種處理辦法效果不好，也容易造成設備損壞，基本不采用。

（2）煤漿泵進口匯液管導淋排放，置換底部含矸石顆粒多的煤漿。這種辦法略有效果，但造成大量煤漿外排，不宜回收，煤的消耗增大。

（3）原料皮帶上的電磁鐵，由于皮帶上面的煤層厚，處理鐵絲等雜物不完全。所以，在煤稱重給料機出口，再加一處電磁鐵，并在進磨機前的進料口加一個柵格，用以阻擋塑料瓶、塑料袋等雜物，并且加強清理沖洗滾筒篩。這種辦法在長期堅持后，會減少煤漿泵打量波動次數。

（4）氣化爐的運行時間要按計劃執行，到60d左右必須進行檢修，對煤漿泵進行隔膜腔及閥座清理。

6.2 煤氣中氮含量對甲醇和合成氨系統的影響

由于高壓氮氣吹掃閥的內漏，以及氧氣純度不高、煤本身含有一定量的氮元素等影響，致使生產過程中水煤氣中總是存在一定量的氮氣，在原來單獨生產甲醇時，這些不參與反應的氮氣會造成甲醇合成循環氣中惰性氣體含量增高，合成轉換率降低，循環系統負荷增加，弛放氣量增大；但在醇改尿后的合成氨系統里，氮氣屬于反應氣體，這種現象不再成為影響因素。而且低壓醇系統的弛放氣送入氮氫壓縮機的進口，整個系統不再會因氮含量高而造成放空。

6.3 氣化工段對全廠水汽的回收利用

6.3.1 回收精餾殘液對系統的影響

甲醇精餾產生的殘液COD含量高，直接排放達不到環保要求，所以送入煤漿制備系統代替一部分一次水。原始的設計是送入一次水儲槽，由磨機給水泵定量送入棒磨機，長時間運行后出現了磨機給水管道堵塞，泵葉輪結垢的現象，但是從精餾崗位泵送來的殘液管從沒有出現結垢，由此判斷是精餾殘液中的有機酸與一次水的鈣鎂離子反應生難溶性的鹽類。經過化驗后證實了這一想法。所以，只要避免一次水與甲醇精餾殘液的直接混合即可。

經過改造后，把殘液直接加入磨機，不再與一次水混合，這種現象消失。

6.3.2 對高閃汽的完全利用

豐喜非熔渣－熔渣分級氣化爐的黑水處理采用兩級閃蒸，高壓閃蒸汽0.5MPa，真空閃蒸汽40kPa，高閃汽的利用原始設計是送至老系統的固定床造氣，但是由于送入固定床造氣的蒸汽管線長，并且固定床造氣屬于間歇式使用，壓力波動大，利用效果不理想。在醇改尿工程中，將高閃汽用獨立的蒸汽管送至甲醇精餾系統的加壓塔再沸器使用，三臺爐運行大約有26～30t／h的蒸汽完全利用；經再沸器冷凝后送入一個獨立的冷凝液儲槽，再用熱水泵打回氣化的除氧器循環使用。實現了高閃汽的全循環利用。

6.3.3 對尿素解吸廢液的利用

本次醇改尿工程的CO2汽提尿素系統采用尿素水解解吸工藝回收碳銨液，產生的解吸廢液有80t／h左右，降溫后送入氣化系統作為碳洗塔的塔盤冷凝液使用，避免了尿素含氨氮廢水的排放，并且減少了整個系統的外供水量。但需要注意的是，解吸廢液中的氨含量不可持續增高，否則帶入脫碳時微量氨由于低溫會與CO2形成碳銨結晶堵塞系統。我們運行的經驗數據是不高于20×10－6即可。

6.4 汽氣比的變化

豐喜氣化系統沒有高壓灰水換熱器這一裝置，來自除氧器的高壓灰水約100℃直接經高壓泵進入碳洗塔，好處是少了設備，減少投資，并且沒有灰水換熱器的堵塞之憂。這種工藝對于生產100kt／a單醇系統來說，因為變換需要的汽氣比低，可以滿足要求；但是在醇改尿后，為合成氨系統而設置的變換，汽氣比就不甚滿足要求了。平常僅在1.1左右，幾乎沒有富裕。而我廠新上的3＃、4＃爐的激冷室由φ2 800mm改為φ3 200mm，這樣做的好處是可以增加高溫煤氣除塵效果，增加氣化爐負荷，但也造成了出碳洗塔的水煤氣溫度低，致使變換的汽氣比進一步降低。目前的辦法也只有加大φ3 200mm爐的負荷，提高出氣溫度，并且在醇烴化工段多產一部分甲醇，用以消除變換的CO高造成的影響。

7 運行結論

非熔渣－熔渣分級氣化爐在我公司運行近6a以來，為公司的煤氣化轉型，產品結構優化調整起到了關鍵的作用。其運行穩定，工藝操作指標彈性大，可以摻燒的煤種多，消化了一部分工業廢水，并且沒有產生任何污染；緩解了目前煤氣化的煤質要求苛刻，單臺爐運行時間短，檢修任務重，清堵除垢工作困難等現狀。在一定程度上為企業降低了產品成本，贏得了可觀的效益。