惠州石化煤氣化原料適應(yīng)性分析

周建欣

(中海油惠州石化有限公司， 廣東惠州 516086)

1 工藝流程

中海油惠州石化有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)惠州石化)煤制氫氣化裝置采用美國(guó)Lummus公司的E-Gas氣化技術(shù)，配置3臺(tái)氣化爐，2開(kāi)1備。E-Gas氣化爐為氣體上流兩段式水煤漿加壓。在氣化爐一段注入煤漿和高壓氧氣，高溫合成氣和熔融灰渣在氣化爐一段中分離；高溫合成氣向上流動(dòng)，在氣化爐二段注入煤漿，高溫合成氣激冷后進(jìn)入停留段，在其中摧毀焦油成分；溫度降低到700～800 ℃后進(jìn)入合成氣冷卻器，回收合成氣的余熱后，進(jìn)入焦過(guò)濾器除去合成氣中夾帶的固體顆粒，再經(jīng)過(guò)水洗后送入下游裝置；少部分合成氣返回氣化爐成為工藝?yán)鋮s和吹掃氣體，過(guò)濾器過(guò)濾下來(lái)的固體顆粒通過(guò)高壓合成氣輸送到氣化爐一段再次反應(yīng)。氣化爐一段產(chǎn)生的熔融灰渣流經(jīng)下降管后，進(jìn)入激冷室，再經(jīng)過(guò)破渣機(jī)破碎，降至常壓，渣水被送至渣水分離系統(tǒng)。氣化部分的流程示意見(jiàn)圖1。

1—煤漿罐； 2—?dú)饣癄t； 3—停留段； 4—合成氣冷卻器； 5—汽包； 6—焦過(guò)濾器； 7—氯洗塔； 8—煤漿進(jìn)料泵； 9—煤漿循環(huán)泵。

2 各原料運(yùn)行效果

惠州石化煤制氫氣化裝置分別試驗(yàn)了水煤漿氣化爐通用的SY-2煤炭、SY-2煤炭和SY-3煤炭的混配原料、HM-1原料和石油焦的混配原料。HM-1原料和石油焦的混配原料中，石油焦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為80%和60%。使用SY-2煤炭時(shí)，氣化爐一段的溫度隨原料變化波動(dòng)較大，并容易引發(fā)氣化爐二段積灰，造成運(yùn)行不暢；合成氣中夾帶焦油也是該原料運(yùn)行的副反應(yīng)。使用SY-2煤炭和SY-3煤炭的混配原料時(shí)，隨著原料灰熔點(diǎn)升高，合成氣中夾帶焦油的情況得到了控制，但是氣化爐二段積灰問(wèn)題仍存在。使用HM-1原料和石油焦的混配原料時(shí)，氣化爐二段積灰的情況得到有效控制，氣化爐的運(yùn)行逐步穩(wěn)定。惠州石化煤制氫氣化裝置使用原料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原料參數(shù)

3 E-Gas氣化爐特點(diǎn)及對(duì)原料的要求

E-Gas氣化爐具有GE水煤漿氣流床氣化爐和殼牌粉煤氣流床氣化爐的特點(diǎn),為十字架型結(jié)構(gòu)(圖2)。一段為臥式布置，一段進(jìn)料噴嘴安裝在水平布置的反應(yīng)器兩側(cè)，煤漿和高壓氧氣沿著水平通道噴入。氣化爐豎直部分為二段位置，只注入煤漿，用以激冷來(lái)自氣化爐一段的高溫合成氣，并從二段反應(yīng)器頂部送到停留段[1-2]。

圖2 E-Gas氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

E-Gas氣化爐設(shè)計(jì)為液態(tài)排渣方式。要求氣化爐一段反應(yīng)溫度必須在原料的灰熔點(diǎn)以上，以保持熔融灰渣的順利流動(dòng)。同時(shí)，由于水平段的臥式布置，其一段反應(yīng)溫度要高于相應(yīng)的其它類(lèi)型頂噴式氣流床氣化爐的反應(yīng)溫度。受臥式反應(yīng)容器排渣的限制，內(nèi)部熔融灰渣從噴嘴流向渣口距離較遠(yuǎn)，會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)坡度，從而推動(dòng)爐膛內(nèi)的熔渣向渣口方向流動(dòng)。爐膛內(nèi)的渣層料位會(huì)對(duì)氣化爐一段反應(yīng)造成影響。渣層厚度增加時(shí)，氣化爐內(nèi)部有限空間減少，煤漿顆粒用于反應(yīng)的停留時(shí)間也會(huì)減少，噴嘴噴射出的霧化煤漿更容易攪動(dòng)渣層的熔渣，從而增加上行合成氣夾帶的熔渣量，給氣化爐二段的煤漿激冷帶來(lái)挑戰(zhàn)。

E-Gas氣化爐設(shè)計(jì)采用火管鍋爐回收高溫合成氣的熱量[3-4]。進(jìn)入火管鍋爐的合成氣中如有熔融灰渣，會(huì)在入口冷凝，從而堵塞爐管。為此，氣化爐二段必須把來(lái)自一段的高溫合成氣冷卻到1000 ℃左右，將合成氣夾帶的熔渣冷卻到灰熔點(diǎn)以下，使熔渣失去黏結(jié)特性。氣化爐二段是熔融灰渣從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的必經(jīng)區(qū)域和通道，通過(guò)激冷煤漿冷卻不了的熔渣會(huì)在上部爐壁上聚集和黏結(jié)，造成二段積灰。

二段激冷煤漿對(duì)二段積灰有抑制作用。在二段使用煤漿對(duì)合成氣進(jìn)行激冷，并將合成氣夾帶的熔渣進(jìn)行失活化處理。氣化爐二段中碳含量直接影響氣化爐二段積灰傾向。根據(jù)裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)，使用SY-2煤炭原料時(shí)，氣化爐開(kāi)始運(yùn)行的10 d內(nèi)，氣化爐二段是不會(huì)積灰的，伴隨原料灰熔點(diǎn)的變化而產(chǎn)生積灰；使用HM-1原料和石油焦(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%)的混配原料運(yùn)行時(shí)，氣化爐二段在運(yùn)行的30 d內(nèi)都沒(méi)有積灰，即使2臺(tái)二段煤漿噴嘴僅投用1臺(tái)也不會(huì)發(fā)生二段積灰。

通過(guò)以上分析可以看出，E-Gas氣化爐對(duì)原料的要求主要有以下幾點(diǎn)：第一，原料的灰熔點(diǎn)軟化溫度要高出氣化爐二段反應(yīng)溫度150～200 ℃，可使合成氣夾帶的熔渣失去黏結(jié)特性；第二，原料在氣化爐二段實(shí)際控制溫度(1 000 ℃左右)下的碳轉(zhuǎn)化率不能太高，要給氣化爐二段提供更多的碳組分，抑制熔渣在氣化爐二段的沉積和黏結(jié)；第三，原料的灰熔點(diǎn)要盡可能保持穩(wěn)定，灰熔點(diǎn)流動(dòng)溫度波動(dòng)不易過(guò)大，避免原料性質(zhì)變化造成氣化爐一段渣層厚度改變，從而影響夾帶熔渣的數(shù)量。

4 原料優(yōu)化

4.1 SY-2煤炭

以SY-2煤炭為原料時(shí)，氣化的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 SY-2煤炭操作數(shù)據(jù)

氣化爐溫度超出原料灰熔點(diǎn)流動(dòng)溫度80～100 ℃以上，以保持氣化爐一段爐膛渣的良好流動(dòng)狀態(tài)；二段溫度保持在960 ℃左右，可保持熔渣以固態(tài)存在于合成氣中，避免熔渣夾帶造成下游合成氣冷卻器堵塞。但是由于氣化爐二段溫度低于1 000 ℃，二段煤漿進(jìn)入爐膛后產(chǎn)生的煤焦油不能被完全分解，有微量部分被帶入下游低溫甲醇洗裝置，在循環(huán)甲醇中富集，造成冷甲醇循環(huán)障礙。

4.2 SY-2煤炭和SY-3煤炭的混配原料

使用SY-2煤炭和SY-3煤炭的混配原料時(shí)，氣化的主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 SY-2煤炭和SY-3煤炭混配原料操作數(shù)據(jù)

氣化爐溫度超出原料灰熔點(diǎn)流動(dòng)溫度80～100 ℃以上，以保持氣化爐一段爐膛渣的良好流動(dòng)狀態(tài)；二段溫度為1 000～1 020 ℃，可保持熔渣以固態(tài)存在于合成氣中，避免熔渣夾帶造成下游合成氣冷卻器堵塞。原料調(diào)整和優(yōu)化結(jié)果明顯，提高了一段和二段溫度，消除了殘留煤焦油，為下游甲醇洗裝置運(yùn)行掃清了焦油富集的難題。

4.3 HM-1原料和石油焦混配原料

使用HM-1原料和石油焦混配原料時(shí)，氣化的主要參數(shù)見(jiàn)表4。當(dāng)石油焦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，氣化爐溫度超出原料灰熔點(diǎn)流動(dòng)溫度120～160 ℃以上，以保持氣化爐一段爐膛渣的良好流動(dòng)狀態(tài)；二段溫度為1 000～1 020 ℃，可保持熔渣以固態(tài)存在于合成氣中，避免熔渣夾帶造成下游合成氣冷卻器堵塞。石油焦的加入存在兩個(gè)有利的因素：一是將原料的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)從7%～8%降低到了3%左右，有效降低了氣化爐中的灰渣；二是石油焦的較低反應(yīng)活性提高了氣化爐二段中碳含量水平。石油焦轉(zhuǎn)化率低的特性，對(duì)E-Gas氣化操作有利，氣化爐的二段積灰得到有效抑制。在HM-1原料和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%石油焦混配原料運(yùn)行的30 d內(nèi)，二段積灰的現(xiàn)象未發(fā)生，即使在氣化爐二段因進(jìn)料故障停掉1臺(tái)，也沒(méi)有發(fā)生二段積灰問(wèn)題，氣化爐的操作窗口得到了擴(kuò)大。

表4 HM-1原料和石油焦混配原料的操作數(shù)據(jù)

HM-1原料和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%石油焦混配原料運(yùn)行唯一不足是焦過(guò)濾器的壓差上漲過(guò)快。二段注入氣化爐的石油焦在爐內(nèi)發(fā)生熱解反應(yīng)后，未轉(zhuǎn)化碳的數(shù)量增加較多，下游合成氣夾帶的固體顆粒增多，造成焦過(guò)濾器入口氣體的固體含量增加[3]。

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的石油焦是在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的石油焦基礎(chǔ)上的優(yōu)化，目的是在保持氣化爐二段良好積灰抑制環(huán)境的同時(shí)，降低焦過(guò)濾器的處理負(fù)荷，達(dá)到氣化裝置穩(wěn)定運(yùn)行的目的。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的石油焦和HM-1混合做原料，氣化爐在穩(wěn)定運(yùn)行60 d基礎(chǔ)上，氣化爐二段積灰問(wèn)題得到解決，焦過(guò)濾器的壓差變化處于可控范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

E-Gas氣化作為一種新型氣流床氣化技術(shù)，和國(guó)內(nèi)目前眾多氣流床氣化技術(shù)一樣，都存在原料適應(yīng)性問(wèn)題。在生產(chǎn)中需要不斷分析和總結(jié)，尋找與E-Gas氣化技術(shù)相匹配的原料，同時(shí)做好原料性質(zhì)的均質(zhì)化管理，裝置的運(yùn)行才能安全穩(wěn)定。