水煤漿氣化碳轉(zhuǎn)化率低的成因分析及改進(jìn)技術(shù)研究

陳亮，陳西峰

(陜西延長石油延安能源化工有限責(zé)任公司，陜西 延安 727500)

延安能源化工有限責(zé)任公司作為大型高端能源化工企業(yè)，多年來堅(jiān)持發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。公司以煤、油田伴生氣、低品質(zhì)輕油為原料，生產(chǎn)高品質(zhì)的聚乙烯、聚丙烯、丁醇、2-PH和乙丙橡膠等多種化工產(chǎn)品。全國煤化工行業(yè)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，工藝比較成熟，但目前仍普遍存在碳轉(zhuǎn)化率低的問題。延安能化公司擁有水煤漿加壓氣化裝置三套，公司煤氣化裝置碳轉(zhuǎn)化率僅為92.56%，低于行業(yè)值(≥96%)。本文針對(duì)碳轉(zhuǎn)化率低的形成原因進(jìn)行了分析，結(jié)合分析原因，從氣化工藝參數(shù)和設(shè)備的角度進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，提高了有效氣產(chǎn)量，進(jìn)一步提高了碳轉(zhuǎn)化率。

1 煤氣化反應(yīng)原理

水煤漿經(jīng)高壓煤漿泵進(jìn)入氣化爐，煤粒在1 300 ℃ 高溫環(huán)境下，與純度大于99.6%的氧氣發(fā)生不完全的氧化、還原反應(yīng)，加壓氣化過程中生成了以氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷為主要成分的粗煤氣。

主要反應(yīng)有[1]：

其他組分發(fā)生的反應(yīng)有：

2 低碳轉(zhuǎn)化率原因分析

2.1 水煤漿的性能

衡量水煤漿性能的主要指標(biāo)為濃度、粘度及粒度分布。水煤漿的粒度分布對(duì)氣化過程中碳的轉(zhuǎn)化率影響較為顯著，大一些的煤粉顆粒在氣化爐反應(yīng)區(qū)的停留時(shí)間較短，且大顆粒在氣固相反應(yīng)時(shí)的接觸面積較小[2]，這兩個(gè)因素導(dǎo)致大顆粒煤在氣化過程中的碳轉(zhuǎn)化率較低。

從單純氣化的角度考慮，水煤漿濃度越高、粒度越小，越有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行[3-4]。但在實(shí)際生產(chǎn)中，還應(yīng)考慮水煤漿的流動(dòng)性及其在氣化爐中的霧化程度。因?yàn)樗簼{濃度越高、粒度越小時(shí)，水煤漿粘度越大，其流動(dòng)性變差，導(dǎo)致水煤漿輸送和霧化較困難[5-6]。

綜合考慮，氣化水煤漿的濃度通常控制在59%～62%，粘度小于1 200 mPa·s，并具有合適的粒度分布，即不同粒徑的煤粉顆粒滿足一定的配比。

2.2 氣化工藝燒嘴結(jié)構(gòu)尺寸

水煤漿氣化爐的工藝燒嘴是水煤漿加壓氣化的關(guān)鍵設(shè)備，工藝燒嘴大多為同心三套管形式，由內(nèi)到外分別是中心氧管、水煤漿管和外環(huán)氧管，外流道和內(nèi)流道輸送氧氣，中間流道輸送水煤漿，外部有冷卻水盤管。水煤漿和氧氣進(jìn)行混合霧化燃燒氣化，混合霧化效果與工藝燒嘴的結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)[7]。燒嘴中心氧管的出口和水煤漿管的出口均設(shè)計(jì)成縮口形式，外氧管口的縮口比例較大，水煤漿進(jìn)入預(yù)混合腔內(nèi)，在中心氧和外環(huán)氧的高速作用下稀釋和加速，提高了水煤漿的流變性能，確保水煤漿離開燒嘴后具有良好的霧化效果。

對(duì)于設(shè)計(jì)壓力6.5 MPa氣化工藝，燒嘴壓差一般需達(dá)到0.45 MPa以上，此時(shí)煤漿和氧氣可以實(shí)現(xiàn)良好的混合、霧化、燃燒及氣化[8-9]。公司技改前氣化爐燒嘴壓差最高0.32 MPa，混合霧化效果不佳。

2.3 氣化中心氧流量

氣化中心氧流量的大小既影響氣化爐內(nèi)火焰的拉伸長度，也影響水煤漿和氧氣的混合霧化效果。本裝置設(shè)計(jì)中心氧流量占總氧量的比例≤15%，實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，考慮到流量計(jì)偏差、操作工況及煤質(zhì)變化等多重因素影響，實(shí)際中心氧流量大約12%左右，并未達(dá)到設(shè)計(jì)值，影響了水煤漿和氧氣的混合霧化效果。

2.4 氧/煤比及氣化爐溫度

理論上用氧和碳的原子比來表示氧煤比，實(shí)際生產(chǎn)過程中可用氧氣流量與煤漿流量的體積比來表示，從而滿足氣化工藝生產(chǎn)需求。氧/煤比是影響德士古氣化爐加壓氣化的重要因素之一，其主要控制德士古氣化爐的爐溫，對(duì)碳的轉(zhuǎn)化率起著決定性作用[10-12]。

隨著氧/煤比的增大，氣化爐爐溫和碳轉(zhuǎn)化率逐漸升高，產(chǎn)氣率達(dá)到最大值后逐漸減小。相反，二氧化碳含量卻隨著氧/煤比的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。此外，氣化爐爐溫越高，氣化爐燒嘴及耐火磚等設(shè)備的使用壽命越短[13-14]。在提高碳轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，應(yīng)該控制合適的氧/煤比。公司氣化工藝現(xiàn)場通常控制氧/煤比在485～490，爐溫約1 240～1 260 ℃，相對(duì)設(shè)計(jì)值偏低。

3 改進(jìn)措施

3.1 控制水煤漿濃度和粒度分布

公司氣化裝置水煤漿濃度控制范圍58%～62%，平均濃度60%，在保證水煤漿濃度的前提下，對(duì)水煤漿的粒度分布進(jìn)行調(diào)整，技改前磨煤機(jī)鋼棒加入量偏少，鋼棒配比不合適，導(dǎo)致粗顆粒較多，對(duì)磨煤機(jī)鋼棒加入量和配比重新進(jìn)行計(jì)算調(diào)整，結(jié)果見表1。

通過調(diào)整不同規(guī)格鋼棒加入量，有效改善了水煤漿粒度分布，粗顆粒減少，細(xì)顆粒增加，粒度分布對(duì)比見表2。

表2 粒度分布對(duì)比Table 2 Comparison of particle size distribution

經(jīng)調(diào)整磨煤機(jī)不同直徑鋼棒的加入比例，細(xì)顆粒增加，固氣反應(yīng)接觸面積增大，反應(yīng)區(qū)停留時(shí)間延長，反應(yīng)更加充分，從而提高了碳轉(zhuǎn)化率。

3.2 優(yōu)化工藝燒嘴結(jié)構(gòu)尺寸

原氣化使用的工藝燒嘴運(yùn)行工況為80 m3/h，氣化長期以68 m3/h的低負(fù)荷運(yùn)行，煤漿氧氣的霧化效果較差，爐內(nèi)反應(yīng)不充分，影響了碳轉(zhuǎn)化效率。對(duì)氣化裝置工藝燒嘴壓差、氧/煤比、水煤漿粒度分布、粗煤氣組分等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行匯總分析，與北京航天十一所制定出工藝燒嘴優(yōu)化方案，具體見表3。

表3 工藝燒嘴優(yōu)化數(shù)據(jù)表Table 3 Optimization data table of process burner

使用優(yōu)化一的工藝燒嘴時(shí)，發(fā)現(xiàn)燒嘴噴頭處高溫輻射龜裂現(xiàn)象比較嚴(yán)重，在使用一個(gè)周期后，停止使用。使用優(yōu)化二的工藝燒嘴時(shí)，燒嘴噴頭處正常，滿負(fù)荷時(shí)燒嘴壓差可達(dá)到0.45 MPa以上，水煤漿與氧氣的霧化效果良好。

3.3 調(diào)整中心氧流量

本裝置設(shè)計(jì)中心氧流量占總氧量≤15%，生產(chǎn)運(yùn)行中控制在12%左右，粗煤氣甲烷含量大約4 500～5 000 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)值，通過甲烷含量可以看出中心氧流量偏小，煤漿氧氣霧化效果差。

生產(chǎn)運(yùn)行中對(duì)中心氧流量進(jìn)行了調(diào)整，適當(dāng)提高中心氧流量至15.5%，粗煤氣甲烷含量大約900～1 100 mg/L。

3.4 調(diào)整氧/煤比及溫度

氣化裝置在試生產(chǎn)階段，通常氧/煤比控制在485～490，爐溫大約1 240～1 270 ℃，氧/煤比和爐溫直接影響碳轉(zhuǎn)化率。

生產(chǎn)運(yùn)行中，根據(jù)原料煤灰熔點(diǎn)，對(duì)氧/煤比進(jìn)行了調(diào)整，漸漸提高氧/煤比495～500，爐溫大約1 280～1 300 ℃，提高氧氣量，從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析，更有利于碳和氧反應(yīng)，從而提高了碳轉(zhuǎn)化率。

4 調(diào)整效果

水煤漿加壓氣化過程碳的來源為原料煤中所含碳元素，氣化碳轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品氣體中的碳(CO、CO2)，甲烷占比可以忽略不計(jì)。

在煤質(zhì)、水煤漿濃度及變換氫/碳比穩(wěn)定的情況下，計(jì)算過程如下：

(1)根據(jù)變換氣至凈化裝置流量和氣化爐運(yùn)行負(fù)荷計(jì)算產(chǎn)氣量V：

V=V1/V2

式中V——每方水煤漿所產(chǎn)變換氣量，Nm3/m3；

V1——變換氣至凈化裝置流量，Nm3/h；

V2——?dú)饣癄t運(yùn)行負(fù)荷，m3/h。

未調(diào)整工況：氣化爐運(yùn)行負(fù)荷130 m3/h，變換氣流量192 000 Nm3/h；計(jì)算產(chǎn)氣量1 480 Nm3/m3。

調(diào)整后工況：氣化爐運(yùn)行負(fù)荷156 m3/h，變換氣流量244 000 Nm3/h；計(jì)算產(chǎn)氣量1 564 Nm3/m3。

(2)原料煤中碳含量C1：

C1=V3×ρ×CB×C2

式中C1——原料煤中碳含量,kg；

V3——水煤漿,1 m3；

ρ——水煤漿密度，1.2×103kg/m3;

CB——水煤漿濃度，60%；

C2——原料煤中碳元素含量，71.41%。

經(jīng)計(jì)算：原料煤中碳含量C1=1×1.2×103×60%×71.41%=514.15 kg。

(3)一氧化碳碳含量C3：

C3=V×V4×12/22.4

式中C3——一氧化碳碳含量，kg；

V——每方水煤漿所產(chǎn)變換氣量，Nm3/m3；

V4——一氧化碳體積百分比，38.02%。

未調(diào)整工況：C3=V×V4×12/22.4=1 480×38.02%×12/22.4=301.4 kg

調(diào)整后工況：C3=V×V4×12/22.4=1 564×38.02%×12/22.4=318.5 kg

(4)二氧化碳碳含量C4：

C4=V×V5×12/22.4

式中C4——二氧化碳碳含量，kg；

V——每方水煤漿所產(chǎn)變換氣量，Nm3/m3；

V5——二氧化碳體積百分比，22.01%。

未調(diào)整工況：C4=V×V5×12/22.4=1 480×22.01%×12/22.4=174.5 kg

調(diào)整后工況：C4=V×V5×12/22.4=1 564×22.01%×12/22.4=184.4 kg

(5)碳轉(zhuǎn)化率：

η=(C3+C4)/C1×100%

式中η——碳轉(zhuǎn)化率，%。

未調(diào)整工況：η=(C3+C4)/C1×100%=(301.4+174.5)/514.15×100%=92.56%

調(diào)整后工況：η=(C3+C4)/C1×100%=(318.5+184.4)/514.15×100%=97.81%

工藝調(diào)整后，氣化工藝的碳轉(zhuǎn)化率由92.56%提高至97.81%，提高了5.25%，效果明顯。

5 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)氣化裝置碳轉(zhuǎn)化率低的原因分析，結(jié)合本裝置運(yùn)行工況，通過調(diào)整磨煤機(jī)鋼棒加入量及配比，控制水煤漿粒度分布，減少粗顆粒含量，提高水煤漿性能；通過優(yōu)化工藝燒嘴流道尺寸，調(diào)整中心氧流量，提高燒嘴霧化效果，根據(jù)煤質(zhì)灰熔點(diǎn)分析數(shù)據(jù)，適當(dāng)提高氧/煤比，提高操作溫度，水煤漿加壓氣化碳的轉(zhuǎn)化率由92.56%提高至97.81%，提高了5.67%。實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)低耗、節(jié)能降耗。