GSP干煤粉氣化關鍵技術優化研究

馬銀劍,井云環

(神華寧夏煤業集團有限責任公司,寧夏銀川 750411)

0 引 言

新型、高效、節能的粉煤加壓煤氣化技術是支撐煤化工發展的關鍵,也是煤化工關鍵設備和工藝國產化的重中之重[1-3]。經過近10年的發展,煤粉加壓氣化技術得到了發展和創新。研究者對粉煤加壓氣化工藝和氣化爐流場結構特性進行研究[4-7]。GSP加壓氣流床氣化技術是20世紀70年代末由前民主德國GDR燃料研究所開發并投入商業化運營的干煤粉氣化技術,迄今已完成了不同規模、多地域煤種的系列中試裝置基礎研究和工藝驗證[8]。1979年建立了一套3 MW冷壁爐和5 MW冷墻爐中試裝置,完成了一系列基礎研究和工藝驗證工作。1984年采用GSPTM氣化技術建立了1套原料處理能力為30 t/h商業化裝置,1998年后該裝置生產出的合成氣被用于甲醇生產及聯合循環發電[9]。

寧東能源化工基地是國家重點開發建設的13個煤炭基地、6個煤電基地、7個煤化工基地和國家第二批循環經濟示范園區之一,也是寧夏自治區舉全區之力開發建設的“一號工程”。神華寧夏煤業集團50萬t/a煤基烯烴項目氣化裝置于2008年開工建設,2010年9月30日機械竣工,2010年底投料試車成功,2012年7月裝置大技改后達到設計產能,具有裝置規模大、工藝流程長、技術密集度高等優點。GSP煤氣化工藝規模由720 t/d擴大到世界最大2 000 t/d,首次實現大規模工業化應用[10-11]。因無國內外先例,工業化示范工程在裝置施工建設及運行階段需克服放大效應影響大,工程化數據不全,工業生產原料復雜等困難。且GSP氣化裝置大規模工程擴容后暴露出工藝設計不合理、系統控制難等制約裝置平穩高效運行的瓶頸問題。本文在分析GSP干煤粉氣化技術的基礎上,對氣化爐組合燒嘴和粗煤氣洗滌系統進行優化改造,并對改造效果進行分析,以期為相關工作人員提供參考。

1 GSP干煤粉氣化技術概況

GSP干煤粉氣化技術是第四代煤氣化技術,采用4開1備的運行模式,干煤粉加壓后,通過3條煤粉線輸送進氣化爐與純氧反應[12]。壓力3.8～4.1 MPa(A)、溫度1 450 ～1 650 ℃下,煤與氧氣發生不完全反應生成CO、H2、H2S,另外進入氣化爐的中壓蒸氣與CO反應生成H2及CO2。氣化爐燃燒室采用水冷壁結構,生產過程采用動態掛渣的“以渣抗渣”原理。氣化爐水冷壁上熔渣的表面形態直接決定氣化爐能否持續穩定運行,但目前鮮見熔渣沉積過程、機理及其表面形態的研究。袁宏宇等[13]在石蠟模擬裝置上研究不同條件下爐內熔渣厚度的整體分布規律。貢文政等[14]在小型熱模裝置上進行掛渣試驗,研究熔渣在氣化爐內的沉積特性,發現爐內溫度高、煤灰熔融溫度低、火焰長度高時,熔渣在爐壁上附著越光滑,覆蓋面積越大。激冷室采用全激冷流程,通過激冷水噴頭對粗煤氣降溫、洗滌,產生的粗渣通過排渣系統外運,經過激冷洗滌的粗煤氣出氣化爐進入兩級文丘里洗滌器、部分冷凝器、原料氣分離罐,而后進入變換系統[15]。

1.1 粉煤加壓輸送單元

煤加壓及進料生產單元是將來自磨煤及干燥裝置的粉煤貯存,經高壓N2/CO2加壓后通過高壓N2/CO2氣力輸送將粉煤通過管道送到氣化爐內,實現了從常壓連續到加壓間歇再到加壓連續的轉換。技術主要特點如下：①采用高壓CO2氣力密相輸送,減少粗煤氣中N2含量。開車時,使用來自空分裝置的N2作為輸送氣體,待下游酸性氣體脫除裝置再生的CO2氣體可用時,輸送氣體逐步切換成CO2。②整個過程用惰性氣體密封和輸送,并由程序控制自動進行,操作可靠安全。③粉煤鎖斗系統采用4個鎖斗輪流操作,實現煤粉的連續供給。

1.2 氣化單元

氣化單元是在高溫加壓環境下,粉煤與純氧、過熱蒸汽在氣化爐內發生部分氧化反應制備合成氣。氣化爐在高溫加壓條件下發生多相反應,影響因素較多,過程極為復雜。技術特點如下：① 采用點火燒嘴和煤燒嘴組合的聯合燒嘴,操作控制簡單;② 氣化溫度1 450～1 650℃,氣化壓力3.8～4.1 MPa(G),產品氣體潔凈,不含重烴,甲烷含量極低,煤氣中有效氣體(CO+H2)含量達到85%以上;③ 與水煤漿氣化相比,氧耗低15% ～25%;④ 熱效率高,冷煤氣效率78% ～83%;⑤ 氣化爐采用水冷壁結構,無耐火磚襯里,維護量較少,氣化爐內無傳動部件,運轉周期長;⑥ 采用合成氣下行的水激冷工藝流程,減少粗煤氣帶灰量。

1.3 除渣單元

除渣單元主要處理來自氣化爐底部的爐渣。本單元技術特點如下：① 基于煤種最大含灰量設計,同時考慮非正常操作高渣量工況;②爐渣采用破渣機破碎至合格粒度,采用刮板撈渣機將渣撈出至運渣汽車;③氣化爐高溫排出的熔渣經激冷后成玻璃狀顆粒,性質穩定,對環境幾乎沒有影響。

1.4 氣體洗滌單元

來自氣化爐被水激冷和飽和的粗合成氣在本單元進一步用水洗滌除塵、除鹵,洗滌后的合成氣作為產品送往變換裝置。技術特點如下：①洗滌采用了兩級文丘里串聯部分冷凝器的工藝設計,其中部分冷凝器起到了很好的脫除細小固體顆粒的作用;②洗滌去除粗合成氣中少量的細飛灰及鹵化物。

1.5 黑水閃蒸單元

本單元主要處理煤氣化裝置的黑水,包括來自氣化爐與洗滌單元的排放水,將黑水中細灰進一步濃縮并回收熱量后送入下游黑水處理單元。本單元技術特點如下：①黑水經常壓和真空兩級閃蒸,將溶解于黑水中的H2S、NH3、HCN等有害氣體閃蒸出來并送往焚燒爐,黑水中固體得到進一步濃縮;②經閃蒸的氣體冷卻后的氣體冷凝液送往循環水罐回用,減少了系統外補充水量。

2 裝置運行中存在問題及優化

2.1 組合燒嘴

GSP氣化爐組合燒嘴采用點火開工和煤粉燒嘴一體化的結構,燒嘴在應用過程中出現以下問題：①點火燒嘴點火不穩定,嚴重影響氣化爐的正常開車。自2011年氣化裝置運行以來,點火燒嘴頻繁燒壞,火焰檢測系統故障不斷,點火成功率不到50%。②煤粉燒嘴端面燒損,燒嘴使用壽命短。③在氣化爐投煤期間,氣化爐爐膛壁面熱損失很高,爐內流場狀態不佳,長周期運行,水冷壁易破裂、燒穿。

優化措施：①采用高能量點火方式,克服低溫、積水、積灰結焦等不良運行環境;② 保證穩定點火的基礎上,提高氧氣噴頭的耐高溫能力,即采用冷卻水強制冷卻的方法,保護氧氣噴頭端面不被燒損;③煤粉投運后,在點火燒嘴氧氣通道中通入一定比例高壓蒸汽,降低氧氣比例,使點火燒嘴頭部火焰著火點推離端面;④點火燒嘴冷卻水冷卻方式由對流結構優化為強制旋流,提高流速,點火燒嘴冷卻水夾套材質優化為薄壁管結構;⑤增大最外層冷卻水夾套流通面積,保證主燒嘴充分換熱。

通過上述優化后,燒嘴運行故障率大幅減少。統計氣化爐4個月內停車原因,發現有13次聯鎖跳車,主要是氣化爐外圍系統設備故障導致停車,燒嘴本身原因導致的停車很少。本運行周期內氣化爐點火燒嘴及主燒嘴運行穩定,解決了原燒嘴點火槍尖停車即換的問題,一次點火成功率及停車后點火成功率高,可重復性強。

發現主燒嘴冷卻水外沿存在燒損跡象,主要是由于點火燒嘴冷卻水夾套伸出氧氣通道出口外沿,高速、高溫、旋轉的氧氣射流沖刷水夾套外沿,導致水夾套外沿破損。通過縮短點火燒嘴外夾套總長度,保證冷卻水夾套縮回氧氣通道出口外沿以內,同時使夾套外倒角直徑變大,減弱應力集中現象,問題得到改善。

2.2 粗煤氣洗滌

原設計中氣化爐粗煤氣洗滌采用多個噴嘴霧化噴淋對粗煤氣進行冷降溫除塵,實際運行中,粗煤氣含塵量遠未達到小于1 mg/m3要求,導致變換系統粗合成氣加熱器、變換保護床堵塞嚴重[8]。主要存在以下問題：① 粗煤氣中細灰含量大,氣化爐激冷室的除渣效果差,激冷室出口合成氣帶灰渣量較大;②文丘里洗滌水中固含量高,導致排液管線堵塞,閥門磨損,裝置停車數次增加;③ 黑水旁路閃蒸使用后磨損及堵塞嚴重;④旁路閃蒸系統采用先冷卻后閃蒸,這種設計使得閃蒸沒有推動力,實質為減壓過程,無法實現閃蒸分離功能,文丘里洗滌水開路控制后,借用旁路閃蒸系統采取連續運行模式,充分暴露出了旁路閃蒸易堵塞和磨損的問題。

主要優化措施：①變換原料氣預熱器前增加氣液分離罐,達到氣液分離及除塵效果,減少原料氣換熱器堵塞;②氣化爐合成氣出口增加鼓泡塔,實現合成氣粗洗,對合成氣中粗顆粒和灰分進行洗滌分離;③在現有原料氣分離罐上部再增加3層塔盤,將原料氣分離罐設計為“洗滌塔”,強化精洗過程;④將現有洗滌水流程改為澄清處理后的高壓循環水→文丘里→原料氣分離罐→鼓泡塔→閃蒸系統,減少系統磨損;⑤優化現有旁路閃蒸系統,采用單管程換熱器,盡量避免管道袋型,防止堵塞;由于增加鼓泡塔后水量,同時配套增加了1套澄清槽;⑥設置靜態混合器,提高冷側合成氣溫度,降低換熱器冷熱端溫度差,防止換熱管結垢堵塞。

經過上述技術優化,合成氣含塵量降到0.5 mg/m3以下,氣化爐實現4開1備運行目標。2012年底4爐連續運行最長達673 h(技改前4爐運行最長37 h),基本保持4爐運行,日產甲醇達到5 000 t/d的設計產量,最高已突破日產5 500 t。2012年累計生產精甲醇101.64萬t。通過上述2項關鍵技術的優化改造,GSP干煤粉氣化裝置性能大幅提升,關鍵運行指標達到或超過了設計指標。

3 改造效果分析

3.1 改造后關鍵運行數據分析

氣化設計煤煤質分析見表1,改造前后氣化關鍵數據對比見表2。由表2可知,改造后氣化溫度、投煤量、有效氣組分、產量及碳轉化率均達到或超過了設計值。各氣化指標明顯好轉。

改造前后粗煤氣塵含量對比見表3。由表3可知,改造后粗煤氣塵含量由大于2 mg/m3降低到＜0.5 mg/m3,實現小于1 mg/m3的設計要求,改造效果良好。

表1 氣化設計煤煤質分析Table 1 Coal properties of gasified coal

表2 氣化爐設計與優化后參數對比Table 2 Comparison of gasification parameter before and after design and optimization

表3 改造前后粗煤氣塵含量對比Table 3 Comparison of dust content in crude gas before and after transformation

3.2 氣化爐有效氣成分提高

粉煤加壓氣化工藝特點為：通過高溫高壓的氣化反應,使噴入氣化爐的煤粉與氧氣、水蒸氣發生反應,生成合成氣(CO、H2、CO2、CH4等),其中 CO 和H2為有效氣,有效氣含量越高,氣化效率越高。2～4號爐投料后,從2012-04-29—2012-06-14的合成氣中有效氣(H2+CO)含量見表4(每天分析6次,取平均值)。

表4 有效氣含量統計Table 4 Statistics of effective gas contents

由表4可知,2號氣化爐合成氣中有效氣含量較高,CO+H2含量大于93%,比原燃燒器提高了1.57%,說明燃燒器優化后,粉煤與氧氣混合效果較好,氣化反應效率高;2號氣化爐CO2和CH4含量低,說明氣化爐溫度適中,既能夠保證氣化反應所需溫度,又能保證高碳轉化率。

3.3 水冷壁熱損降低

根據運行經驗,氣化爐熱損保持在2～3 MW,同時合成氣中CO2、CH4含量低,H2、CO含量高即為氣化爐運行的最佳狀態。氣化爐爐膛掛渣情況如圖1所示。可知,氣化爐拱頂渣層較為稀松,氣化爐爐膛中下部渣層較厚,渣層均勻,說明國產化組合燒嘴的掛渣效果很好,有效保護了膜式水冷壁。

圖1 氣化爐掛渣情況Fig.1 Condition of slag hanging in gasifier

為了全面對比國產化組合燒嘴應用情況,先后在3號爐、1號爐安裝了國產化組合燒嘴,使用效果均優于西門子燒嘴,尤其表現在氣化爐流場方面,氣化爐熱損穩定,燒嘴使用壽命延長,能夠滿足裝置長周期運行要求。

3.4 氣化爐運行時間延長

煤化工項目中龍頭裝置是氣化系統,作為產業鏈的最前端裝置,直接影響著整個項目的連續運行。2011—2012年氣化爐累計運行時間見表5。由表5可知,技術優化后,2012年5臺氣化爐的累計運行時間是2011年的2～3倍。

表5 氣化爐累計運行時間Table 5 Cumulative running time of gasifier

4 結 語

GSP干煤粉氣化技術首次實現大規模工業化應用,因缺乏工業化放大經驗、裝置大規模工程擴容后暴露一系列問題。如點火燒嘴無法點火、燒嘴端面燒損、水冷壁燒穿、粗煤氣帶灰嚴重,洗滌水固含量高等。通過重新設計氣化爐組合燒嘴、優化改造粗煤氣洗滌系統等措施實現了氣化爐點火燒嘴點火成功率達98%以上,粗煤氣中含塵量降到0.5 mg/m3以下,解決了制約裝置穩定滿負荷運行的關鍵技術瓶頸問題,為以后裝置實現滿負荷、長周期、穩定運行奠定了基礎,為國內煤化工選擇煤化工氣化技術開辟了一條新路線。

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