煤化工裝備如何“利其器”

郭文達

煤化工裝備如何“利其器”

郭文達

近十年來，隨著一批示范工程建成投產，具有自主知識產權技術的煤化工技術裝備開始從實驗室進入項目工程，中國煤化工裝備開始走在世界前列。目前，各煤化工項目的重點主要集中在產品經濟規模、核心工藝技術、氣化效率、綜合能耗、“三廢”排放等方面，每一個環節都決定著煤化工裝置能否安穩長滿優運行。而能否實現安穩長滿優運行，在今年更已形成了煤化工業績的分水嶺。工欲善其事，必先利其器。煤化工裝備應從哪些方向適應當前及未來產業發展需求呢？中國化工報記者上周進行了采訪。

預處理設備注重優化

預處理是開車的初始環節，設備的工況將影響整套裝置的運行，所以必須注重優化設計，注意解決各類小問題。

在談到預干燥器的設計時，航天長征化學工程股份有限公司總經理姜從斌表示，要重點注意四個方面。一是安全性設計。開車期間，要保證系統氧含量低于13%的情況下投煤，同時工藝系統設計還要求若氮氣加入系統進行停車時，要保證系統原料可全部泄出，尤其是設備或管道的死角處。二是在預干燥緩沖倉設計中要考慮煤粉堆積密度差異帶來的生產線設計能力匹配問題。如褐煤煤粉的堆積密度是450kg/m3，實際測量的粉煤的堆積密度為380kg/m3。三是滾筒的盤根，出口疏水、粉煤發送系統的能力設計要留有余量。四是氣力輸送管道上要設計氮氣助推系統，主要是在彎頭位置采用補充氮氣的方法，防止管道堵塞，此處要采用耐磨設計。

國電南瑞富通公司副總經理兼總工程師、GF國富爐開發項目負責人苗文華介紹說，富通經過全面分析，采用了適用于GF國富爐的原煤投料方法——重力作用投料法。原煤經皮帶機進入爐頂煤倉，在重力作用下首先進入干燥段，在干燥段原煤與來自冷卻段換熱后的煙氣進行換熱，換熱后煤的溫度升高到170℃，經引風機一部分進入國富爐冷卻段，剩余部分經布袋除塵器除塵后排空。

清華大學山西清潔能源研究院常務副院長張建勝教授則表示，華能爐采用兩段投煤處理法，并對二段投煤處理環節進行了優化，不但解決了廢鍋積灰的問題，改變飛灰特性，廢鍋入口溫度可提高至820℃，且不發生積灰問題，還比同類技術高出100℃左右，提高了操作靈活性和可靠性。

氣化裝備各顯神通

氣化裝置中，各種爐型可謂各擅勝場，這也是我國煤化工產業的“底氣”所在。對煤種適應性廣是航天爐的顯著特點，該爐在中化長山項目中應用褐煤成功，碳轉化率達到99.2%以上，有效氣(CO+H2)高達87%～90%，運行穩定，填補了航天爐在劣質煤領域的應用空白。

姜從斌告訴記者，鑒于褐煤的一些特性，在氣化裝置設計中要考慮一系列問題。褐煤具有高揮發性、高流動性，預處理完畢后，要降低褐煤與空氣接觸的機會，采用螺旋輸送機將煤送至磨煤機系統，實現高流動褐煤的穩定連續輸送；針對褐煤堆積密度低的特點，對煤加壓系統進行特別設計，調節循環時間，滿足穩定下料的要求；氣化燒嘴調整后，實際運行最大有效氣產量可達74000Nm3/h。

華能爐干煤粉加壓氣化技術利用化學激冷原理，在二段投入水蒸汽和煤粉，利用一段高溫煤氣顯熱發生煤的裂解和氣化反應，從而降低合成氣溫度。通過分級氣化、化學激冷處理過程，可使激冷氣循環量降低50%至70%，最大限度降低氣化島耗功、減小煤氣冷卻器和除塵器的設計尺寸。張建勝表示，應用煤氣化輻射換熱技術，研發人員建立了高溫高壓、強還原氣氛下CO和H2的輻射及對流傳熱系數的基礎數據，提出了二段氣化噴入煤粉以提高煤氣輻射傳熱系數的方法，進一步提高蒸汽產量和品質，氣化熱效率高達97%。

苗文華介紹了GF國富爐氣化工藝過程：干燥后的煤在重力作用下進入干餾段，在干餾段與來自加熱爐的高溫煤氣進行換熱，煤的溫度升高到550℃，在此溫度下發生熱解反應，熱解產生的荒煤氣(冷煤氣、焦油氣、熱解水)經高效旋風除塵器除塵后進入煤氣凈化與焦油回收系統。原煤熱解后生成高溫半焦，高溫半焦在重力作用下進入冷卻段，在冷卻段與來自干燥段的煙氣進行直接換熱，煙氣溫度升高到350℃左右，經旋風除塵器除塵后進入干燥段；換熱后半焦溫度低于100℃，經推焦機推出至埋刮板機，再經輸焦皮帶進入儲焦倉。以榆林長焰煤為例，100萬噸/年的低階煤分質綜合利用項目，工程投資約3.5億元，年產半焦65萬噸，焦油8.8萬噸，煤氣1.1億Nm3。

德國澤瑪克清潔能源技術有限公司負責人高俊表示，澤瑪克熔渣氣化技術選擇塊粉一體氣化爐，將塊煤從氣化爐頂部送入，而將粉煤或水煤漿通過不同類型的噴嘴噴入氣化爐的燃燒區，當煤種的氣化油含量高時，通過工藝調整，又可提高焦油產率。

滿足分質利用需求

眾所周知，我國煤炭資源以低階煤為主，優質煤炭資源并不多。“煤炭分質分級階梯利用是實現煤炭資源高效、合理、清潔利用的有效途徑之一。”新奧能源研究院副院長汪國慶博士說，分質利用從煤炭化學結構出發，充分利用煤炭自身含有的芳香族、脂肪族等官能團結構，獲得高附加值油品，提高工藝技術指標。相繼出臺的煤炭清潔高效利用行動計劃和能源技術革命創新行動計劃均明確提出了加強煤炭分質轉化技術創新。煤化工裝備，也必須適應這一需求。

苗文華表示，應用GF低階煤分質綜合利用技術及裝備，可將褐煤、長焰煤等低階煤及油頁巖等原料進行中、低溫干餾制取焦油、半焦、煤氣等產品。該裝置適用于煤礦企業就地轉化，以及煤化工企業產業升級。

據了解，錫林浩特國能能源公司2×50萬噸/年褐煤提質工程，采用國富公司自行研發的褐煤提質技術，分別于2009年9月和2011年3月建成兩條生產線，并順利投產運行。陜北乾元化工公司50萬噸/年長焰煤熱解工程，使用原料0～30mm長焰煤，目前主體設備GF國富爐已經安裝完成。

“目前國內外已經用于大規模生產實踐的主流爐型仍停留在較傳統的技術上，其他技術多停留在實驗室或中試階段。與傳統技術相比，GF低階煤分質綜合利用技術具有工藝可靠、投資省、運行成本低、占地面積小等優勢。”苗文華說。

姜從斌認為，結合粉煤氣化技術工藝流程特點，航天長征成立專項組開展了煤粉分質利用技術的研發，持續研究煤質對氣化影響機理，通過工藝流程優化及關鍵設備研發，保證了高的碳轉化率(對于普通煙煤大于99%)，粗細渣比例大于7:3，合成氣出口固體顆粒含量小于1mg/L，灰水排放量小于40噸/10萬Nm3(CO+H2)。

“煤種適應性好是華能爐兩段式干煤粉加壓氣化爐的傳統。”張建勝表示，該裝置對煤種的活性要求不高，能應用較寬范圍的煤種、焦炭等原料，在做好原料管理的前提下，幾乎可以氣化所有煤種，對灰含量要求低，含灰量5%～30%均可氣化。

據悉，華能爐采用水平多噴嘴進料方式，反應介質停留時間長，充分混合，碳轉化率高，可達99%，氣化爐捕渣率高，多噴嘴結構有利于單爐容量的放大設計，氣化爐冷煤氣氣化效率高，可達80%～84%，同時耗氧量低。多噴嘴的結構設計可對合成氣顯熱全熱回收，蒸汽產量高、氣化熱效率高，同時可副產中壓過熱蒸汽或飽和蒸汽，此過程采用強化換熱技術，采用的廢鍋可提高回收換熱效率，蒸汽產量比同類技術提高了15%～20%。