伊北煤田煤炭固定床加壓氣化試驗研究

顧強(浙江省石油股份有限公司，浙江 杭州 310011)

0 引言

煤制天然氣是近幾年煤化工發(fā)展的重點，也是重要的煤炭清潔轉(zhuǎn)化形式，并且首次進入國家的天然氣發(fā)展規(guī)劃[1]。煤制天然氣工藝流程包括氣化、變換、凈化和甲烷化。雖然煤制天然氣起步較晚，但相對煤制甲醇、煤制油等行業(yè)，其工藝流程較短，主要生產(chǎn)流程成熟可靠[2]。其中氣化方式的選擇是煤制天然氣工藝流程的關(guān)鍵，國內(nèi)的很多知名專家也對此作了很多研究，并對其加壓氣化過程進行了模擬實驗，研究了固定床加壓氣化過程的機理[3]。

1 試驗裝置及其工藝流程

加壓固定床氣化試驗工藝流程如圖1所示。

圖1 煤氣化工藝流程示意圖

2 試驗煤種及煤質(zhì)分析

2.1 煤質(zhì)化驗

試驗采用的煤樣來自伊犁伊北煤田，首先對其進行化驗分析。化驗項目主要包括：工業(yè)分析、焦渣特征分析、元素分析、全硫分析以及硫形態(tài)分布、黏結(jié)指數(shù)、著火點、哈氏可磨性、葛金、灰熔融性溫度等。堆積密度通過量筒測量體積計算，特征溫度使用耐弛熱天平測得。部分分析指標見表1、表2、表3和表4。

表1 伊北煤田煤炭工業(yè)分析

表2 新汶伊犁煤元素分析(%)

表3 灰熔融性(℃)

表4 反應(yīng)活性(%)

2.2 煤質(zhì)特征分析

從表1至表4中可看出新汶伊犁煤為較難磨煤。煤的結(jié)渣性弱，中高發(fā)熱量。新汶伊犁煤的反應(yīng)活性1 100 ℃為100%，著火點較低，硫含量特低，根據(jù)檢測部分說明硫形態(tài)主要為有機硫。煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)表明：該煤因全水含量中高，熱穩(wěn)定性較好，結(jié)渣性中等，適宜作為固定床加壓氣化的原料。

3 固定床加壓氣化試驗及結(jié)果

3.1 氣化試驗

開始試驗前，需要先加滿料，同時封閉煤箱，然后氣化爐需要使用木炭完成點火操作，將準備好的木炭放置爐外進行預(yù)先引燃，預(yù)熱完成后加入爐內(nèi)，還需要附加一定量的煤料，并最后封閉爐頂法蘭，正式啟動空壓機以后，開始向爐內(nèi)進行鼓風作用，當氣化爐內(nèi)實時溫度升至800～900 ℃區(qū)間時，開始在爐內(nèi)加入適量水蒸氣，與此同時系統(tǒng)需要開始升壓，爐內(nèi)反應(yīng)層也會在此時逐步形成，這種升壓時間大多在60 min左右。

3.2 加壓固定床氣化試驗

在進行加壓氣化操作期間，溫度控制工作至關(guān)重要，屬于提高煤氣產(chǎn)量、減少消耗、提高質(zhì)量、降低最終生產(chǎn)成本的主要手段。此時的最佳操作溫度控制工作需要通過調(diào)節(jié)汽/氧比得以實現(xiàn)。汽氧比屬于對固定床氣化爐煤灰結(jié)渣行為造成影響和進行排灰操作的一項決定因素，同時也是對氣化過程造成根本影響的重要運行因素，屬于氣化爐采用的主要調(diào)溫手段，它能夠?qū)饣癄t實際操作溫度控制在最佳值前后，達到生產(chǎn)能力最優(yōu)化和經(jīng)濟效益最大化。結(jié)合初步摸索試驗結(jié)果，考慮到本次試驗的煤樣變形溫度DT在1 130 ℃，軟化溫度ST在1 160 ℃，有研究結(jié)果表明提高反應(yīng)壓力煤的灰熔融性溫度會降低，因此綜合考慮本次試驗操作溫度控制在1 050～1 110 ℃以內(nèi)，試驗也證明，在此溫度下氣化爐可以正常連續(xù)穩(wěn)定操作，煤氣質(zhì)量達到最優(yōu)，工業(yè)爐徑大，比試驗用爐抗結(jié)渣性強，可以適當提高氣化溫度，這有待于在以后的工業(yè)生產(chǎn)中進一步進行探索合適的氣化溫度。根據(jù)試驗情況判斷，在2.5 MPa壓力下操作時爐溫控制在1 100 ℃以內(nèi)，汽氧比為5.50 kg/Nm3時爐況比較穩(wěn)定煤氣質(zhì)量較好；在3.0 MPa壓力下操作時爐溫控制在1 080 ℃以內(nèi)，汽氧比為5.80 kg/Nm3時爐況比較穩(wěn)定，能產(chǎn)生質(zhì)量較好的煤氣。提高氣化反應(yīng)的壓力，會提高單位體積內(nèi)氣化劑濃度，增加煤焦與氣化劑接觸的時間，加速反應(yīng)進行，這時必須加大汽氧比，維持正常的反應(yīng)爐溫。同時水蒸汽消耗增加，而在加壓情況下，煤灰熔融性溫度會下降。因此提高反應(yīng)壓力宜增大汽氧比，爐內(nèi)最高控制溫度在3.0 MPa壓力情況下比在2.5 MPa壓力情況下略低。

從表5內(nèi)容中能夠看出：(1)氣化劑的消耗：隨著壓力提高，單位蒸汽消耗增加，蒸汽分解率下降；而氧耗應(yīng)該降低，但本次試驗氧耗降低不明顯，這可能與小型氣化爐熱損失較大有關(guān)，對工業(yè)化氣化爐，其氧耗隨著壓力增高，甲烷化反應(yīng)放熱增多，因而會略有下降。(2)煤氣組成：加壓氣化時產(chǎn)生的粗煤氣停留時間比常壓時成倍地增加，溫度相對較高，反應(yīng)速度快。隨著氣化壓力的提高，煤炭氣化強度增加，壓力提高有利于甲烷化反應(yīng)的進行，因此煤氣中的CH4含量有所增加，H2含量有所下降，CO總的趨勢下降。隨著壓力的增大，煤氣中甲烷含量提高熱值有所增加。

4 結(jié)語

4.1 煤質(zhì)對固定床加壓氣化工藝的適應(yīng)性

煤炭氣化無論在煤化工的工程投資和生產(chǎn)運行成本中都將占有1/3至1/2以上的高比，但固定床加壓氣化具有氣化效率高、氧氣消耗低、技術(shù)成熟、工業(yè)化經(jīng)驗豐富等優(yōu)勢[4]。從前面煤質(zhì)分析所知，伊犁伊北煤田的煤，反應(yīng)活性較好，有利于氣化反應(yīng)的進行，非常適合利用固定床加壓氣化技術(shù)生產(chǎn)煤制天然氣[5]。

表5 2.5 MPa和3.0 MPa兩個壓力條件下試驗指標匯總

4.2 氣化壓力對煤制天然氣過程的影響

加壓氣化爐的生產(chǎn)能力比常壓操作氣化爐要高很多，在3.0 MPa壓力之前接近倍。比如2.5 MPa操作壓力下的生產(chǎn)能力是常壓操作時的4～5倍。同時，氣化壓力的提高，有利于減少粗煤氣中的帶出物損失，加快氣化反應(yīng)速度的進行，延長氣、固相接觸反應(yīng)時間，從而提高了氣化強度。粗煤氣壓力越高，凈化裝置能耗相應(yīng)降低。當然壓力增加，材質(zhì)要求高，投資也大。