神寧爐氣化裝置試車總結

黃 斌，王國梁，楊建榮，趙元琪，李俊挺，馬 釗

(神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司煤制油分公司 寧夏銀川 750411)

當前國內新型煤氣化技術在化工行業(yè)中的應用日趨增多，其中氣化爐是裝置運行的核心設備，而氣化爐、煤粉燒嘴乃至煤粉加壓輸送又是氣化爐長周期穩(wěn)定運行的關鍵，但已運行的干煤粉氣化裝置在運行過程中也暴露出水冷壁和燒嘴易燒損、煤粉流量不穩(wěn)定、合成氣帶灰、投資高等問題。神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司(以下簡稱神華寧煤集團)在已成功應用德士古水煤漿加壓氣化工藝和西門子干煤粉加壓氣化工藝的基礎上，總結各氣化裝置的運行經驗，聯(lián)合中國五環(huán)工程公司開發(fā)了具有自主知識產權的干煤粉加壓氣化技術——神寧爐氣化技術。

為了擺脫氣化技術的專利制約，并能真正掌握干煤粉氣化的核心技術，使所擁有的專利技術付諸于工業(yè)化生產，神華寧煤集團煤制油項目的氣化裝置采用了4臺神寧爐，氣化裝置內全部設備的國產化率大于98.5%。神寧爐氣化裝置于2017年初進入試車階段，2017年3月試車獲得成功[1- 4]。

1 神寧爐氣化技術

神寧爐氣化技術[5- 6]以粉煤為原料，氧氣和水蒸氣作為氣化劑，生產以H2和CO為主要成分的合成氣，氣化裝置包括煤粉干燥制備工序、煤粉加壓輸送工序、氣化工序、除渣工序、合成氣洗滌工序、黑水處理工序、黑水閃蒸工序、氮氣/CO2/氧氣工序以及公用工程工序。神寧爐燃燒室內徑為Ф 2 800 mm，激冷室內徑為Ф 4 000 mm，單臺氣化爐有效氣(CO+H2)產量為130 000～140 000 m3/h(標態(tài))，年操作時間8 000 h，氣化爐碳轉化率>98.5%，有效氣(CO+H2)體積分數>91%，合成氣含塵質量濃度≤0.5 mg/m3(標態(tài))，操作負荷77%～108%。

1.1 技術特點

(1)煤種適應性強：該技術采用干煤粉作為氣化原料，不受成漿性的影響；設計煤種含灰分質量分數16%～18%；氣化溫度高，可以氣化高灰熔點的煤，對煤種的適應性更為廣泛[7]。

(2)高效氣化爐：采用干煤粉加壓氣化、氣化爐頂置單個下噴式組合燒嘴、水冷壁、渣氣并流向下而行、降膜泡核蒸發(fā)激冷、水浴鼓泡和破泡方式除塵、液態(tài)排渣的結構，具有結構簡單、尺寸緊湊、便于維修、設備總噸位低、合成氣灰含量低等特點。

(3)選用新型側出料發(fā)送技術及點式硫化器：配置4根煤粉輸送管線，煤粉的輸送密度為400 kg/m3，需要的輸送氣體量少；給料器與氣化爐之間的壓差為0.6 MPa；在4根煤粉輸送管線上均設置煤粉流量調節(jié)閥以平衡壓差，保證4根煤粉輸送管線內的煤粉流量均衡。

(4)具有自主知識產權的組合燒嘴：優(yōu)化設計了點火燒嘴，解決了點火燒嘴點火不穩(wěn)定、可靠性差的技術難題；開發(fā)設計了新型三合一火焰檢測系統(tǒng)[8]，為氣化爐實時操作提供了可靠的視頻化檢測手段。

(5)高效的合成氣洗滌系統(tǒng)：進入激冷室的合成氣及熔渣經過激冷環(huán)的激冷水激冷，液態(tài)熔渣冷卻固化后與合成氣一起沿激冷室的下降管進入激冷室水浴，灰渣落入激冷室底部進入除渣單元；合成氣夾帶少量灰渣從激冷室水浴上升，經破泡網破泡后進入下游一級文丘里+分液罐+二級文丘里+洗滌塔進行分級洗滌。

(6)裝置互備率高，有效降低氣化爐停車風險：低壓煤粉輸送、黑水閃蒸處理、公用工程配置均進行了互備，有效避免因個別設備、閥門等故障造成氣化爐停車的風險。

(7)采用先進成熟的控制系統(tǒng)：成功消化吸收了引進的DCS和SIS儀表控制系統(tǒng)[9]，氣化爐的啟停和投料實現一鍵啟動，同時優(yōu)化了系統(tǒng)順控、聯(lián)鎖、儀表保護功能，使得儀表系統(tǒng)更加精煉、可靠與完善。

(8)三廢易于處理，對環(huán)境友好。

(9)全套氣化技術僅燒嘴和氣化爐為專利專有設備，其他設備均可國產。

1.2 工藝流程

神寧爐氣化技術工藝流程如圖1所示。低壓煤粉通過2只交替運行的鎖斗實現連續(xù)進入高壓煤粉給料罐。通過密相氣力輸送系統(tǒng)， 煤粉被加壓并通過載氣處于流態(tài)化狀態(tài)，然后通過4根煤粉輸送管線經主燒嘴進入氣化爐反應室，在反應室的高溫火焰下進行氣化反應。由于使煤粉完全氧化的氧氣量遠大于氣化反應所需用量，因此煤粉在反應室中進行部分氧化反應，產生富含H2和CO的合成氣。熱合成氣和液態(tài)渣通過下降管離開氣化爐反應室，一起向下流動進入氣化爐激冷室與激冷水混合，熔渣迅速固化，大部分粗渣進入激冷室下部的水浴中，小部分細灰隨合成氣進入下游工序。在氣化爐激冷室下游配置有合成氣洗滌單元，經過洗滌處理的合成氣被送入變換裝置。氣化爐激冷室以及合成氣洗滌單元產生的黑水被送至閃蒸系統(tǒng)脫除酸氣并回收熱量，閃蒸后的黑水、來自撈渣機的渣水和來自真空帶式過濾機的濾液被一起送至黑水處理系統(tǒng)，經固液分離后，大部分澄清水作為系統(tǒng)的回用水，一小部分灰水作為廢水送至污水處理單元進一步處理。

圖1 神寧爐氣化技術工藝流程

2 試車情況

首臺神寧爐于2017年3月19日開始投料試車，但由于缺乏運行以及系統(tǒng)控制的經驗，試車階段出現了一些問題，導致頻繁跳車，其主要原因如表1所示。

表1 神寧爐跳車主要原因

投料時間運行時間/min跳車原因2017-03-19T11:450主氧管線故障2017-03-19T19:310主氧管線故障2017-03-20T08:550主氧管線故障2017-03-20T10:311緩沖罐與氣化爐壓差<0.2 MPa2017-03-20T15:233第3根煤粉輸送管線密度大2017-03-20T16:2511頂部環(huán)隙溫度高2017-03-22T13:5437氧煤比低

經過3 d不斷優(yōu)化調整投料順控及部分聯(lián)鎖邏輯，神寧爐氣化裝置于2017年3月22日15：40投煤成功，氣化爐投煤量達到滿負荷時的總產氣量310 000 m3/h(標態(tài))，有效氣量155 000 m3/h(標態(tài))，遠超設計有效氣量[138 000 m3/h(標態(tài))]。氣化爐投煤量80 t/h的部分運行數據如表2所示。

本次神寧爐連續(xù)運行時間達6 d， 且運行1 d

后投煤量即達到了85 t/h，實現了高負荷運轉，各項參數均達到了設計要求,比氧耗、比煤耗、有效氣產量等均優(yōu)于同類氣化裝置。

表2 氣化爐投煤量80 t/h的部分運行數據

項目運行數據氣化爐壓力/MPa4.3主燒嘴氧氣流量/(m3·h-1,標態(tài))43 000進主燒嘴次高壓蒸汽量/(kg·h-1)1 200氣體組成/% φ(H2)29.50 φ(CO)60.70 φ(CO2)9.10 φ(CH4)0.04 φ(N2)0.79氧煤比/(m3·m-3,標態(tài))0.41爐渣殘?zhí)假|量分數/%<1.0濾餅殘?zhí)假|量分數/%<25碳轉化率/%>98.51 000 m3(CO+H2)氧耗/m3(標態(tài))275.61 000 m3(CO+H2)煤耗/kg512.8出激冷室粗煤氣溫度/℃222.5粗煤氣產量(濕基)/(m3·h-1,標態(tài))308 000有效氣產量(干基)/(m3·h-1,標態(tài))156 000

神寧爐氣化裝置試車過程中也出現了一些問題，影響了裝置的穩(wěn)定運行，但通過采取相應的解決措施，存在的問題基本得到解決，具體如表3所示。

表3 神寧爐氣化裝置試車過程中出現的問題及解決措施

存在的問題解決措施水冷壁循環(huán)水流量不足增大水冷壁泵葉輪尺寸渣系統(tǒng)鎖渣閥開關慢 鎖渣閥液壓油系統(tǒng)更換大直徑油管路 煤鎖斗泄壓盤閥頻繁無法開關泄壓盤閥增設旁路閥氣化爐燃燒室環(huán)隙溫度高增大環(huán)隙吹掃氣限流孔板孔徑撈渣機頻繁跳車更換頭輪電機變頻器

3 裝置單耗

神寧爐氣化裝置于2017年4月11日至14日連續(xù)3 d實現滿負荷運行，除脫鹽水和低低壓蒸汽外，其他各項消耗指標均達到了設計值，具體如表4所示。

由表4可見，各項消耗指標均達到了干煤粉氣化技術的先進水平。脫鹽水的實際單耗超出設計值的原因主要是過濾機濾布沖洗水用量大，后期需進行改造，以降低脫鹽水消耗；低低壓蒸汽的實際單耗超出設計值的原因主要是4個系列氣化裝置及其公用系統(tǒng)投用低低壓蒸汽伴熱系統(tǒng)所致。

表4 公用工程介質單耗1)

介質設計單耗實際單耗低壓氮氣/m3(標態(tài))19.618.1高壓氮氣/m3(標態(tài))3.500.04高壓二氧化碳/m3(標態(tài))179.20137.30循環(huán)冷卻水/t16.3314.52低壓鍋爐給水/t0.060.06脫鹽水/t0.570.68低低壓蒸汽/t0.0420.250中壓飽和蒸汽/t0.060.03次高壓蒸汽/kg11.109.42電/(kW·h)17.8015.70絮凝劑/kg0.010.01分散劑/kg0.090.09

注：1)生產1 000 m3(標態(tài))有效氣(CO+H2)的消耗

4 結語

(1)神寧爐干煤粉加壓氣化技術首次實現工業(yè)化運行，各項運行數據即達到設計要求，證明其是十分成熟、先進及高效的氣化技術。

(2)神寧爐干煤粉加壓氣化技術對煤種適應性強，氣化壓力高，生產能力大，安全可靠，開停車過程時間短，自控率高，操作方便。

(3)神寧爐干煤粉加壓氣化技術采用先進成熟的儀表控制系統(tǒng)，性能參數真實可靠，裝置互備率高，有效降低了氣化爐停車風險；余熱回收率高，合成氣洗滌效果好。

(4)神寧爐干煤粉加壓氣化技術公用工程介質單耗低，運行成本低，且三廢易于處理，對環(huán)境友好。