粉煤氣化技術用于500 kt/a合成氨項目總結

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(兗礦新疆煤化工有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

貴州開陽500 kt/a合成氨項目是大型煤化工項目。該項目由兗礦集團與貴州開磷集團共同投資建設，是國家批準的貴陽煤磷化工(國家)生態工業示范基地重點項目，總投資43億元人民幣，占地2136畝，于2010年底開工建設，2012年6月完成建設安裝，進入試運行階段。

本項目由中國天辰化學工程公司負責總體設計，多家化建公司參與建設。由于地質條件和原始地貌復雜，場平、地基處理、基礎與框架施工難度大，增加了項目投資，對工程項目的進展影響較大。整個廠區生產裝置分布在三個臺階上，第一臺階為空分、熱電，標高1 178 m，第二個臺階布置氣化、凈化、合成，標高1 170 m，第三個臺階為公用工程及生產輔助設施，標高1 157 m。

空分裝置由法液空成套提供，供氧能力6×104m3/h，氣化采用引進科林氣化技術基礎上再經過開發創新的開陽爐(3+1頂噴式干煤粉加壓氣流床氣化技術)、合成氣凈化采用耐硫變換、大連理工大學低溫甲醇洗，合成氣精制采用杭州中泰的液氮洗工藝，氨合成采用瑞士卡薩利中壓氨合成技術。硫回收采用荷蘭荷豐超級克勞斯工藝。

在煤氣化技術的選擇上，貴州開陽進行了多方調研。為適應貴州煤灰分高、灰熔點高、煤礦小而分布廣的煤種特點，同時也為自主知識產權粉煤氣化技術工業示范項目積累工程經驗，確定引進原德國科林公司的粉煤氣化技術燃燒室部分并進行創新，在引進合同中約定所有創新技術歸兗礦集團擁有。在技術調研評估期間，認識到若采用科林氣化技術的合成氣激冷洗滌及渣水處理單元風險過高，因此選擇了具有自主知識產權、已在多噴嘴對置水煤漿氣化技術上應用成熟的合成氣初步凈化及含渣水處理技術。

1 干煤粉氣化技術

煤氣化裝置是合成氨項目的龍頭。2007年8月引進德國科林氣化技術，兗礦集團和設計單位、科研院校經過長達兩年多時間的調研、實驗和設計改造，最終確定設計方案。裝置于2010年底開工建設，2012年6月完成建設安裝。設計年操作時間8 000 h，設計單臺氣化爐滿負荷運行有效氣產量為7×104m3/h。

該氣化裝置包括磨煤干燥、煤粉供料、氣化、合成氣初步凈化、含渣水處理等工序。粉煤制備為常規成熟技術；煤粉供料系統采用兗礦集團干煤粉中試技術；開陽氣化爐的上半部分，即氣化室，采用科林技術并加以創新改造；氣化爐的下半部分，即激冷室及其后面的粗合成氣初步凈化和渣水處理工序為成熟的自主產權技術。

在設備加工制造方面，氣化裝置的國產化率很高；除燒嘴為國外制造(現已國產化)，其余設備均國產化。

2 工藝流程

工藝流程如圖1。由磨煤干燥單元制備的合格煤粉存于常壓粉倉。粉倉內的煤粉通過三個煤粉鎖斗向一個發料罐供料。發料罐設有三路煤粉管線，分別對應于氣化爐頂部的三個工藝燒嘴，向氣化爐供料。在氣化爐頂部中心位置還設有一個具有點火、開工及長明火功能的燒嘴。該燒嘴的點火開工原料為LPG和純氧，在三個工藝燒嘴投用后該燒嘴原料適當減量，但始終保持運行。

高溫合成氣與熔融灰渣經氣化爐渣口進入激冷室洗滌冷卻；其中粗渣經鎖斗排出氣化爐，合成氣則進入初步凈化單元進一步洗滌除塵后送至合成界區。洗滌除塵后的渣水在渣水處理單元內實現渣水分離及灰水的循環利用，同時回收熱量。閃蒸后的黑水進入澄清槽沉淀后送入壓濾機，以濾餅形式排出界區。

圖1 貴州開陽氣化爐裝置流程示意圖

合成氣初步凈化工序采用了“分級凈化”流程。經洗滌激冷室流出的合成氣攜帶著細灰首先進入混合器和旋風分離器，進行“粗分”。分離了相對較大顆粒的合成氣再進入水洗塔進行“精分”，將大部分細顆粒脫除，從而保證洗滌塔洗滌后的合成氣灰含量在1 mg/m3以下。與引進技術相比，不僅系統的壓力損失小，而且洗滌能力強，操作彈性大，合成氣中帶灰量很低，無需預變換可直接進入變換工段。

3 煤質數據

裝置運行以來，先后氣化了很多煤種，主要有青龍煤、大宏煤、回歸與玖圓混配煤等。由于貴州煤礦較小，分布廣泛，如何獲得煤質穩定的煤一直是開陽公司面臨的一個難題。

采用貴州當地煤為原料，由于灰熔點較高，根據煤質的不同，加入不同的助熔劑以降低灰熔點。煤質分析如表1所示。可見，有的煤種灰分含量超過25%，并經常波動到29%，最高入爐灰分含量達到36.77%。同時灰熔點FT超過1 400 ℃。另外，貴州煤的一個普遍特點是，揮發分低、氧元素少，屬于典型的無煙煤，氣化活性也較差。在國內同類氣化裝置中(合成氣激冷流程)，尚沒有以如此高灰、高灰熔點的煤為原料。

表1 原料煤煤質分析數據

注：①為添加助熔劑數據。

4 裝置運行情況

2012年10月氣化爐首次點火開工，2013年1月21日打通整個合成氨流程。由于該氣化裝置燃燒室部分采用科林氣化技術并首次在國內工業生產裝置應用，投料開車時正值科林公司宣布破產之際，在沒有得到任何技術擁有方的指導和支持下，兗礦集團召集公司內外煤氣化專家和技術骨干，組成顧問組進行現場指導。貴州開陽化工公司在兗礦干煤粉中試氣化爐試車的基礎上結合現場實際情況，同時借鑒兄弟工廠在粉煤氣化技術方面的經驗，完成了包括煤粉供料系統、氣化爐點火開工系統、氣化爐燒嘴改造、氣化爐渣口銜接、氣化爐下降管改造和氣化爐水冷壁環隙密封防串氣等多項技術難題攻關。特別針對出氣化爐合成氣細灰含量大的問題，分別對合成氣初步凈化單元及設備進行了優化和改造，取得了突破性進展。這也是目前國內唯一一套處理高灰分含量煤種(約26%)的初步凈化系統。試車具體情況簡介如下。

4.1 聯動試車

2012年6月轉入聯動試車階段，期間主要解決了磨機震動、煤粉流量調控、煤粉流動不暢、固體質量流量計標定、邏輯順控及安全聯鎖優化等問題，為后期的化工投料順利開展奠定了良好的基礎。

4.2 投料試車

2012年10月，氣化爐轉入投料試車階段。10月25日氣化爐點火成功；31日氣化爐成功投煤。11月3日，A#氣化爐連續運行8 h后，手動停車，檢查水冷壁掛渣情況。2013年1月21日，A#爐連續運行109 h，打通全流程，順利產出產品合成氨。

該階段主要解決點火開工燒嘴的點火成功率過低、氣化爐壓力調控、氣化爐渣口不合理和氣化爐水冷壁環隙串氣、灰水水質差等問題。

4.3 試生產

(1)氣化爐運行優化

氣化裝置于2013年2月轉入試生產階段。由于對該氣化爐能夠承受的溫度還處于摸索之中，擔心燒損水冷壁，因此操作氧煤比值偏低，熱通量約3.5 MW，說明水冷壁渣層較厚，同時渣口壓差也明顯有增大趨勢，表明操作爐溫偏低，碳轉化率低，導致灰渣比較高，達到7∶3，相關運行參數如表2所示。然而，低氧煤比操作雖然能更好保護水冷壁，但也直接導致氣化爐排渣不暢。由于科林氣化爐渣口較小，合成氣流速高，渣口積渣時更容易發生“偏流”，影響下降管的水膜均布，嚴重威脅下降管安全運行。

表2 氣化爐運行指標比較

意識到上述問題后，貴州開陽化工以原料煤的粘溫特性為依據，通過控制氧煤比、甲烷和二氧化碳含量(蒸汽煤比穩定)，同時參考熱通量和渣的形態、可燃物含量等參數，逐步提高操作爐溫，甲烷含量降低50%，二氧化碳增加了3個百分點，氣化爐熱通量明顯增加，有效降低了灰渣比。為了解決渣口排渣不暢問題，從氣化爐燒嘴改造入手，從而改變氣化爐的流場，火焰下移解決了渣口排渣不暢問題。停車后檢查表明，爐內掛渣情況良好，氣化爐經受了較高爐溫的考驗，對高灰熔點煤有較好的適應性。

(2)合成氣初步凈化系統優化

通過提高爐溫，碳轉化率明顯增加，細灰量也顯著減少，灰渣比降低到3∶7。然而，在目前所有配套水激冷流程的煤氣化裝置中，原料煤的灰分幾乎都在10%左右；對于灰分高達26%的原料煤，即使碳轉化率達98%以上，其細灰量仍是其他同等規模氣化裝置的3倍左右。由于目前所有的水激冷流程氣化裝置從未有過洗滌如此高細灰含量合成氣的工程實踐，因此，該工況對合成氣初步凈化系統是一個全新的考驗。運行發現，在100 h左右時，洗滌塔壓降明顯增大，帶水嚴重，手動停車。拆檢洗滌塔后發現塔盤堵塞嚴重，表明當時的工藝狀況不適應高細灰含量合成氣的洗滌，需要進一步優化。

綜合分析現場現象和運行條件，貴州開陽化工聯合華東理工大學調整了初步凈化工藝，同時對混合器、旋風分離器和洗滌塔的內件結構尺寸進行了優化和改造，全面強化除塵能力，充分發揮該技術的分級凈化功能。改造后的初步凈化系統運行及合成氣變換爐壓降表明，該洗滌凈化技術既解決了洗滌塔堵塞問題，又保證了優良的除灰效果，表明貴州開陽化工已掌握了高灰分煤的合成氣高效除塵技術，為貴州當地煤的高效清潔利用奠定了重要基礎。

隨著對該氣化技術認識的不斷深入，依托自身在煤化工技術上的工程積累，通過大量的改造和優化，貴州開陽化工有限公司目前已基本掌握了該氣化裝置的運行性能，并積累了大量工程經驗。氣化爐單爐實現112%負荷下正常運行，氣化爐單爐運行情況下平均每小時合成氨產量35 t以上，合成氨日產量達到849.7 t的好成績，目前氣化裝置正在做開陽爐72 h性能考核工作。

4.4 操作參數及工藝指標

優化條件下操作參數及工藝指標如下：

(1)氣化爐壓力 3.8 MPa

(2)煤粉流量 45 t/h

(3)氧氣流量 2.3×104m3/h

(4)蒸汽流量 3.9 t/h

(5)熱通量 4.8 MW

(6)合成氣流量 14×104m3/h(濕基)

(7)氣體成分 H227.1%；CO 61.3%；CO24.4%；N26.0%；CH458×10-6；H2S 1.1%

5 總 結

貴州開陽化工有限公司從2009年底開工建設到如今生產基本穩定、達產，走過了較為艱難的路程，氣化爐單爐負荷到達112%，合成氨系統能力達到98%，連續運行達到65 d，主要得益于兗礦集團煤化工方面的技術人員優勢和中試基地優勢，在不斷吸取同類型裝置經驗、教訓的同時，通過自主創新和聯合國內科研院所不斷攻關、優化，基本消除了制約氣化爐安全、穩定、長周期運行的主要因素。因氣化系統自身原因造成停車的次數不斷減少，運行周期不斷延長，目前氣化裝置各項經濟技術指標較好，特別是在解決云貴川地區高灰分、高灰熔點煤的氣化與洗滌凈化方面，積累了寶貴經驗。