多元料漿煤氣化裝置試車(chē)總結(jié)

李文虎，王 濤，丁海洋，張 博

(陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工有限公司，陜西榆林 718500)

陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工有限公司甲醇中心氣化裝置一期填平補(bǔ)齊項(xiàng)目，于2018年9月破土動(dòng)工，2020年12月22日一次性原始開(kāi)車(chē)成功。該裝置單爐日處理原煤1 600 t，氣化爐運(yùn)行壓力為6.5 MPa。截至2021年2月，該裝置首臺(tái)氣化爐原始開(kāi)車(chē)已實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行突破60 d，標(biāo)志著該項(xiàng)目正式進(jìn)入由試生產(chǎn)轉(zhuǎn)向工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行。在整個(gè)試車(chē)過(guò)程中，從準(zhǔn)備、投料及裝置試運(yùn)行的情況來(lái)看，有諸多的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)值得總結(jié)和整改。

1 工藝流程

氣化裝置采用西北化工研究院的多元料漿加壓氣化技術(shù)，該技術(shù)包括煤漿制備、氣化、灰水處理及變換熱回收4個(gè)工序。原料煤經(jīng)破碎后與水(含部分裝置廢水)、添加劑一起送入磨煤機(jī)共磨制漿，制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62%左右的料漿。料漿經(jīng)高壓料漿泵進(jìn)入氣化爐后在6.50 MPa、1 300 ℃左右的條件下發(fā)生劇烈的反應(yīng)，生成以CO、CO2、H2為主的粗合成氣。多元料漿氣化反應(yīng)生成的粗煤氣夾帶氣化原料中未轉(zhuǎn)化組分和由部分灰形成的液態(tài)熔渣一起并流進(jìn)入氣化爐下部的激冷室。激冷水與出氣化爐渣口的高溫氣流接觸，部分激冷水汽化對(duì)粗煤氣和夾帶的固體及熔渣進(jìn)行淬冷、降溫。進(jìn)入氣化爐的激冷水中攜帶的較大固體顆粒經(jīng)黑水過(guò)濾器除去。熔渣被淬冷固化，并沉入氣化爐底部水浴。粗煤氣與水直接接觸進(jìn)行冷卻，大部分細(xì)灰留在水中。粗煤氣經(jīng)激冷室分離出部分粗煤氣中夾帶的水分，從氣化爐旁側(cè)的出氣口引出，經(jīng)文丘里洗滌器增濕浸潤(rùn)、洗滌塔除塵洗滌后送往下游變換工段。氣化爐激冷室、洗滌塔的排放黑水送往灰水系統(tǒng)。黑水經(jīng)過(guò)閃蒸，閃蒸汽與系統(tǒng)循環(huán)水換熱后分離出的氣體送入變換汽提塔，分離出的液體入脫氣水槽脫除其中的氣體，然后在泵的作用下送入洗滌系統(tǒng)循環(huán)使用。閃蒸后的黑水逐級(jí)濃縮后送往澄清槽，經(jīng)沉淀澄清后的灰水部分送往鎖斗沖洗水罐、部分送往渣池、部分送往脫氣水槽，同時(shí)為了保持循環(huán)水中可溶性鹽及腐蝕性離子的濃度平衡，將一部分灰水送往廢水處理站進(jìn)行處理。澄清后分離出的濁液經(jīng)澄清槽底泵送往細(xì)渣離心機(jī)，進(jìn)一步分離出其中的細(xì)渣，濾液返回至澄清槽[1-2]。

2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 原料規(guī)格

原料煤采用魏墻原煤(DC)和小紀(jì)汗煤(NOC), 原料煤種數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 原料煤種數(shù)據(jù)對(duì)比表

2.2 煤漿特性

在DC設(shè)計(jì)工況和NOC正常操作工況下的煤漿特性數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 煤漿特性數(shù)據(jù)對(duì)比

2.3 粗煤氣數(shù)據(jù)

出洗滌塔煤氣設(shè)計(jì)工況為：溫度242.25 ℃，壓力6.27 MPa，煤氣密度31.06 kg/m3。在該設(shè)計(jì)工況下，出洗滌塔煤氣各組分體積流量見(jiàn)表3。

表3 出洗滌塔粗煤氣設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表

3 化工試車(chē)及生產(chǎn)運(yùn)行情況

3.1 試車(chē)情況

2020年12月22日13:02：00一次性投料成功后，因現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整氣化爐導(dǎo)壓管高壓氮?dú)忾y門(mén)開(kāi)度，14:14：00 氣化爐壓差(02703PDT006C)高跳車(chē)，于15:56：00連投成功，18:20：00升壓至6.0 MPa，現(xiàn)場(chǎng)檢查無(wú)漏點(diǎn)，23:55：00降壓至2 MPa開(kāi)始向變換導(dǎo)氣，催化劑硫化開(kāi)始，12月24日12:00：00變換系統(tǒng)硫化結(jié)束，具備向凈化裝置送氣的條件，12月25日00:25：00開(kāi)始向下游凈化裝置導(dǎo)氣，12月28日14:14：00開(kāi)始加負(fù)荷，目前已高負(fù)荷穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行突破60 d，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行75 d，為后續(xù)A、B氣化爐單系統(tǒng)開(kāi)車(chē)開(kāi)創(chuàng)良好局面。總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為實(shí)現(xiàn)新裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行奠定結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)，筆者對(duì)試運(yùn)行過(guò)程中的生產(chǎn)情況進(jìn)行分析總結(jié)。

3.2 原料煤數(shù)據(jù)分析

試車(chē)期間所采用的原料煤為DC，分別于2021年1月18日和25日對(duì)DC進(jìn)行采樣分析,主要分析DC的全水含量、揮發(fā)分含量、灰分含量、熱值、硫含量及灰熔點(diǎn)，分析數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表4。

表4 試車(chē)期間原料煤數(shù)據(jù)分析

3.3 2021年1月氣化爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

2021年1月21日—27日，在氣化爐操作壓力為5.98 MPa、操作溫度為1 200 ℃、煤漿體積流量為99 m3/h、氧氣壓力為8.45 MPa、氧氣體積流量為49 998 m3/h的穩(wěn)定運(yùn)行工況下，氣化爐氣化燃燒水煤漿后經(jīng)過(guò)激冷室降溫、洗滌塔水浴洗滌后出洗滌塔粗煤氣平均體積流量為380 591 m3/h平均溫度為235.1 ℃、平均壓力為5.82 MPa。具體參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 氣化爐運(yùn)行參數(shù)記錄

3.4 2021年1月洗滌塔出口粗煤氣氣體組分分析

2021年1月21日—27日，對(duì)水煤漿進(jìn)行采樣分析，其平均黏度為875.5 mPa·s、煤漿平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.51%、平均pH為8.31，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。在該煤漿濃度特性及以上工況下，洗滌塔出口粗煤氣氣體組分(體積分?jǐn)?shù))見(jiàn)表7。

表6 運(yùn)行煤漿分析數(shù)據(jù)

表7 氣體組分分析數(shù)據(jù)

3.5 2021年1月一、二期粗細(xì)渣渣樣分析數(shù)據(jù)

氣化燃燒產(chǎn)生的灰渣經(jīng)過(guò)激冷室水浴后，一部分通過(guò)鎖斗循環(huán)泵循環(huán)進(jìn)入鎖斗，通過(guò)鎖斗間斷性地排入渣池中，進(jìn)入渣池的渣稱(chēng)為粗渣。另一部分通過(guò)排黑帶入閃蒸系統(tǒng)，通過(guò)閃蒸器進(jìn)行熱量回收及黑水濃縮后進(jìn)入澄清槽沉降，沉降后的渣稱(chēng)為細(xì)渣[3-4]。通過(guò)對(duì)一期和二期的粗、細(xì)渣采樣分析，其含碳量分析見(jiàn)表8、表9。

表8 一期粗細(xì)渣分析數(shù)據(jù)

表9 二期粗細(xì)渣分析數(shù)據(jù)

3.6 數(shù)據(jù)處理及計(jì)算辦法

有效氣量qV是指裝置單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的有效氣(CO+H2)的體積流量，其計(jì)算公式為：

(1)

式中：qV,S為洗滌塔出口濕氣總體積流量，m3/h；p為洗滌塔出口濕氣總壓力，MPa；ps,b為洗滌塔飽和蒸汽壓力，MPa；ηi為粗煤氣干基i組分氣體體積分?jǐn)?shù)，%。

出氣化界區(qū)氣體成分的體積分?jǐn)?shù)，即洗滌塔出口干基氣體中i組分氣體體積分?jǐn)?shù)ηi，可通過(guò)手動(dòng)分析檢測(cè)得出。

碳轉(zhuǎn)化率XC是指參與氣化反應(yīng)后轉(zhuǎn)化進(jìn)入粗煤氣產(chǎn)品的碳占入爐總碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其計(jì)算公式為：

(2)

式中：σC為干基原料煤中碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；qV,lj為入爐料漿體積流量,m3/h;wlj為料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

產(chǎn)氣率(干氣冷煤氣效率)η是指單位干煤產(chǎn)生的干基氣體高位熱值與單位干煤高位發(fā)熱量的比值，其計(jì)算公式為：

(3)

式中:；ρS為多元料漿密度，kg/m3；Qgr,d為入爐煤干基高位熱值，kJ/kg。

3.7 計(jì)算結(jié)果

3.7.1 有效氣量

查水溫與飽和蒸汽壓力得：235.26 ℃對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力為3.07 MPa。帶入式(1)計(jì)算得到有效氣量為144 012 m3/h。

送合成裝置有效氣流量計(jì)(02711FT135)對(duì)應(yīng)3 d的體積流量分別為127 472 m3/h、127 797 m3/h、128 336 m3/h,平均值為127 868 m3/h。

此次標(biāo)定時(shí)和一期使用的2/3煤質(zhì)相同，按煤漿量進(jìn)行換算氣化爐(02703F01C)產(chǎn)的有效氣體積流量為122 000 m3/h。

根據(jù)洗滌塔出口濕氣總量計(jì)算的有效氣量大于流量計(jì)計(jì)量值，也大于煤漿換算的有效氣量。由于流量計(jì)自身的準(zhǔn)確性標(biāo)定難以進(jìn)行，無(wú)法確定洗滌塔出口濕煤氣流量計(jì)是否準(zhǔn)確，待A爐、B爐開(kāi)車(chē)后對(duì)比驗(yàn)證。目前只能按照02711FT135的平均值(127 868 m3/h)作為后續(xù)計(jì)算依據(jù)。

3.7.2 碳轉(zhuǎn)化率

由于碳轉(zhuǎn)化率計(jì)算需要用到洗滌塔出口濕氣總量，也要用到干基原料煤中碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由于無(wú)法進(jìn)行原料煤元素的定量分析，因此無(wú)法計(jì)算。

從表8、表9可以看出：粗、細(xì)渣二期殘?zhí)己勘纫黄诟撸f(shuō)明爐溫偏低，從干氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.3%也可以看出爐溫偏低。

3.7.3 產(chǎn)氣率

多元料漿密度按1 200 kg/m3帶入式(3)計(jì)算得到產(chǎn)氣率(干氣)為2.19 m3干氣/kg干煤。

3.8 應(yīng)對(duì)措施

經(jīng)過(guò)連續(xù)168 h的穩(wěn)定運(yùn)行檢測(cè)，根據(jù)運(yùn)行采集數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算得出：出界區(qū)有效氣量為127 868 m3/h。根據(jù)煤漿換算為雙爐100%負(fù)荷，外送有效氣總體積流量為241 968 m3/h；干氣中有效氣(CO+H2)體積分?jǐn)?shù)為79.56%,未達(dá)標(biāo)(指標(biāo)為小于80.8%)。

產(chǎn)氣率(干氣)為2.19 m3干氣/kg干煤。

二期粗渣殘?zhí)己枯^一期粗渣殘?zhí)己枯^高。

粗渣殘?zhí)己扛撸淄楹扛撸蛇m當(dāng)通過(guò)提高氧煤比來(lái)提高爐溫，改變中心氧量，改變燒嘴霧化效果，將甲烷體積分?jǐn)?shù)控制在0.15%～0.20%，此時(shí)干氣中CO2含量會(huì)升高，有效氣占干氣比例會(huì)進(jìn)一步降低。但因渣中殘?zhí)甲兩伲行饪偭孔兓厔?shì)未知。因此可通過(guò)操作調(diào)整，尋找到有效氣產(chǎn)量較高的氧煤比和中心氧占比。

優(yōu)化燒嘴尺寸，提高燒嘴的霧化效果，改變燒嘴火焰，在提高干氣中有效氣含量的同時(shí)降低粗、細(xì)渣中碳含量，達(dá)到增產(chǎn)有效氣的目的。

4 試車(chē)期間存在的不足

冬季試車(chē)防凍工作落實(shí)不扎實(shí)，發(fā)生機(jī)泵和管線結(jié)凍現(xiàn)象，主要有除氧水泵(02704P01A/C)軸承箱凍裂，造成高壓灰水系統(tǒng)無(wú)備機(jī)；各區(qū)域儀表根部頻繁結(jié)凍，儀表假指示，導(dǎo)致人員誤操作，影響工況穩(wěn)定運(yùn)行。

氣化爐取壓管氮?dú)饬髁空{(diào)節(jié)閥開(kāi)度難以判斷，導(dǎo)致開(kāi)車(chē)調(diào)整開(kāi)度時(shí)，渣口壓差高聯(lián)鎖停車(chē)。

煤漿泵出口蓄能器氣囊緩沖壓力與泵出口壓力不匹配，使開(kāi)車(chē)后煤漿泵出口管道振動(dòng)，經(jīng)過(guò)重新充壓后穩(wěn)定。

裝置開(kāi)車(chē)后，變換酸性氣系統(tǒng)帶液，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行帶入火炬管網(wǎng)，導(dǎo)致管網(wǎng)壓力高，造成相關(guān)工藝指標(biāo)不合格，迫使凈化工段退出合成氣，影響后系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)試車(chē)期間運(yùn)行工況不斷調(diào)整與優(yōu)化，尋求在較高產(chǎn)氣量下的氧煤比及中心氧比例，控制粗渣殘?zhí)己俊⒔档蜌怏w組分中甲烷含量。不斷累積新工況下的操作經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化操作、優(yōu)化工藝工況，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)干基有效氣體積分?jǐn)?shù)≥80.77%。