固定床氣化煤鎖充泄壓系統優化

李曉毅

(云南先鋒化工有限公司，云南 尋甸 655204)

我公司22.5萬m3/h(干氣)煤氣化裝置建有8臺(5開3備)固定床熔渣氣化爐，采用公司具有自主知識產權的碎煤熔渣加壓氣化技術，以褐煤為原料，生產甲醇合成原料氣。粗煤氣主要含CO、CO2、H2、CH4等。該裝置具有煤種適應性強、氧耗低、煤耗低、氣化強度高、氣化效率高，液態排渣，且灰渣可用于建筑材料等優點。

氣化爐主要由煤倉、煤溜槽、煤鎖、過渡倉、氣化爐、連接短節、激冷室、渣鎖及附件組成，配套設置有煤鎖系統、夾套系統、蒸氧系統、高壓冷卻水系統、燃燒器系統、排渣系統、激冷水系統、文丘里系統及其他公用系統。

氣化爐為雙煤鎖設置，采用互充工藝實現煤鎖氣回收。煤鎖系統設有中間緩沖罐，分級貯存煤鎖泄壓氣壓力能，實現壓力能梯級利用。該工藝系統與傳統工藝區別在于無需設置煤鎖氣洗滌系統、煤鎖氣氣柜及煤鎖氣壓縮機等設備設施，降低了設備投資和維護運行成本。與傳統的從煤氣系統中取氣對煤鎖進行充壓相比，避免了因使用粗煤氣充壓對生產系統煤氣負荷及壓力的影響，可根據終端產品合成工藝要求，終充壓及氣封的惰性氣體可采用高壓氮氣或二氧化碳氣體。我公司終端產品為甲醇，采用低溫甲醇洗裝置二氧化碳產品氣提壓后作為終充壓及氣封的惰性氣體。

1 煤鎖氣原充泄壓工藝

氣化爐設有雙煤鎖，每臺氣化爐設有一個體積為 21 m3中間緩沖罐。煤鎖設有煤鎖上閥①、煤鎖下閥②、充泄壓閥③、二次泄壓閥④、終充壓閥⑤、氣封閥⑥，如圖1所示。

①煤鎖上閥；②煤鎖下閥；③一次充泄壓閥；④二次泄壓閥；⑤終充壓閥；⑥氣封閥圖1 煤鎖氣互充工藝流程圖

煤鎖上閥①、充泄壓閥③、二次泄壓閥④、終充壓閥⑤關閉，煤鎖下閥②、氣封閥⑥開啟，實現給煤時與煤倉及充泄壓系統隔離。煤鎖與氣化爐壓力平衡，為帶壓狀態，煤鎖內原料煤進入氣化爐內給煤氣化反應供料。

煤鎖下閥②、氣封閥⑥、充泄壓閥③、終充壓閥⑤關閉，煤鎖上閥①、二次泄壓閥④開啟，實現煤鎖與氣化爐隔離。煤鎖為常壓狀態，為加煤過程，煤倉原料煤通過上閥進入常壓狀態煤鎖內。

煤鎖上閥①、煤鎖下閥②、氣封閥⑥關閉，充泄壓閥③、二次泄壓閥④、終充壓閥⑤開啟或關閉，實現充泄壓過程煤鎖與煤倉、氣化爐隔離，滿足煤鎖交替充泄壓要求。氣化爐一臺煤鎖空料需要加煤時，開啟充泄壓閥③，可將煤鎖氣泄至中間緩沖罐內緩存。煤鎖沒加時，可利用中間緩沖罐緩存的煤鎖氣對煤鎖進行一次充壓，以回收煤鎖氣壓力能。

1.1 工藝簡述

工藝流程見圖1。

1)加煤時，煤鎖上閥①、充泄壓閥③、二次泄壓閥④和終充壓閥⑤關閉，煤鎖與煤倉及充泄壓系統隔離；煤鎖下閥②開啟，煤鎖中原料煤進入氣化爐內，實現加煤；氣封閥⑥在煤鎖下閥②開啟前開啟，減少氣化爐內的煤氣上串至煤鎖，煤鎖處于帶壓狀態。

2)煤鎖煤空時，煤鎖上閥①、煤鎖下閥②和氣封閥⑥關閉，煤鎖與煤倉、氣化爐隔離。開啟充泄壓閥③，將空煤鎖內的壓力泄至中間緩沖罐。待壓力平衡后，煤鎖內的余壓經二次泄壓閥④泄放至除塵裝置處理后放空。當煤鎖內的壓力降至趨于常壓后，煤鎖上閥①開啟、二次泄壓閥④關閉，煤鎖處于常壓狀態。

3)空煤鎖上閥①打開，向空煤鎖中加煤。空煤鎖加滿煤后，煤鎖上閥①關閉，煤鎖充泄閥③開啟，采用中間緩沖罐內緩存的煤鎖氣對煤鎖進行充壓。待壓力平衡時，關閉煤鎖的一次充泄壓閥③，開終充壓閥⑤，采用高壓二氧化碳氣體將煤鎖壓力充至與氣化爐內壓力平衡，煤鎖進入帶壓狀態。

4)終充壓閥⑤關閉，充壓完畢。氣封閥⑥和煤鎖下閥②開啟，煤鎖向氣化爐中加煤，雙煤鎖交替循環。

2 存在的問題

煤鎖充泄壓采用兩級充壓、兩級泄壓，體積為 18 m3，煤鎖操作壓力 4.5 MPa(G)，煤鎖溫度 30 ℃，煤鎖氣經一級泄壓至體積 21 m3中間緩沖罐。泄壓至 3.44 MPa(G)后，開啟二次泄壓除塵后直接放空。煤鎖充壓采用緩沖罐氣體充壓至 2.53 MPa(G)，再采用后續低溫甲醇洗CO2充壓至與氣化爐壓力平衡。煤鎖氣組分見表1所示。

表1 煤鎖氣及粗煤氣組分

如表1所示，煤鎖氣中可燃組分物質的量分數為38.7%，熱值為 6.28 MJ/m3，二次泄壓至 2.53 MPa 直接放空。采用理想氣體狀態方程測算，放空氣量為 411.4 m3，可燃組分達 159.1 m3，熱量損失達 2582.8 MJ，相當于 88.12 kg 標準煤。煤氣化裝置5臺爐運行，平均每臺氣化爐 1 h 加煤4次，煤鎖氣放空量達 8227.96 m3/h，熱值折標煤為 1762.46 kg，一年(8000 h 計算)達 14099.67 t 標煤，造成了能源浪費。且煤鎖氣中含有少量乙烷、乙烯等VOC組分及微量異味物質，直接放空不符合環保需求。

3 煤鎖充泄壓系統優化

2015年至2018年，我公司基于能量回收及環保需求考慮，持續對煤鎖充泄壓系統進行提升改造，優化加煤操作，煤鎖充泄壓由兩級充壓、兩級泄壓升級為三級充壓、四級泄壓，具體為：

1)將煤氣化裝置8臺氣化爐8個中間緩沖罐分成兩組，每4臺煤鎖中間緩沖罐串聯成一組，一次緩存罐體積為(21×4)m3，二次緩存罐體積為(21×4)m3，增大緩沖空間，實現多級緩存。煤鎖泄壓氣經一次泄壓至一級中間緩沖罐，二次泄壓至另二級中間緩沖罐。

2)新增一臺 91.4 m3的煤鎖3次泄壓緩沖罐，3次泄壓至3次泄壓緩沖罐，送至去鍋爐燃燒，回收煤鎖氣中的可燃組分熱量。

3)3次泄壓后進行3次吹凈置換，進一步降低低壓放空部分可燃組分。

煤鎖充泄壓系統優化流程見圖2所示。

①鎖上閥；②煤鎖下閥；③一次泄壓二次充壓閥；④二次泄壓一次充壓閥；⑤三次泄壓閥；⑥四次泄壓閥；⑦終充壓閥；⑧氣封閥。圖2 煤鎖充泄壓系統優化流程

1)加煤時，煤鎖上閥①、一次泄壓二次充壓閥③、二次泄壓一次充壓閥④、三次泄壓閥⑤、四次泄壓閥⑥、終充壓閥⑦關閉，煤鎖與煤倉及充泄壓系統隔離，氣封閥⑧和煤鎖下閥②開啟。

2)煤鎖煤空時，煤鎖上閥①、煤鎖下閥②和氣封閥⑧關閉，煤鎖與煤倉及氣化爐隔離，開啟一次泄壓二次充壓閥③，將空煤鎖內的壓力泄放至一級緩沖罐。待壓力平衡后，開啟二次泄壓一次充壓閥④，將空煤鎖內的壓力泄放至二級緩沖罐。待壓力平衡后，三次泄壓閥⑤開啟，將空煤鎖內的壓力泄放煤鎖三次泄壓緩沖罐。當煤鎖壓力≤0.2 MPa(G)，開啟CO2氣封閥進行三次吹凈置換后，煤鎖壓力≤0.2 MPa(G)開啟四次泄壓閥⑥，現場放空；當煤鎖內的壓力降至趨于常壓后(與煤鎖壓差小于 27 kPa)，開啟煤鎖上閥①。

3)空煤鎖上閥①打開，向空煤鎖中加煤。空煤鎖加滿煤后，煤鎖上閥①關閉，開啟二次泄壓一次充壓閥④，采用二級緩沖罐緩存的煤鎖氣對煤鎖進行一次充壓。待壓力平衡時，關閉二次泄壓一次充壓閥④，開啟一次泄壓二次充壓閥③，采用一級緩沖罐緩存的煤鎖氣對煤鎖進行二次充壓。待壓力平衡時，開終充壓閥⑦，采用高壓二氧化碳氣體將煤鎖壓力充至與氣化爐內壓力平衡，煤鎖進入帶壓狀態。

4)終充壓閥⑦關閉，充壓完畢。氣封閥⑧和煤鎖下閥②開啟，煤鎖向氣化爐中加煤。

4 煤鎖充泄壓系統優化后效益分析

煤鎖充泄壓采用3級充壓、4級泄壓及三次吹凈置換方式，體積為 18 m3煤鎖操作壓力 4.5 MPa(G)，煤鎖溫度 30 ℃，煤鎖氣一次泄壓至體積 84 m3一級緩沖罐。泄壓至 3.98 MPa(G)后，煤鎖氣二次泄壓至體積 84 m3二級緩沖罐。泄壓至 2.88 MPa(G) 后，煤鎖氣3次泄壓至3次泄壓緩沖罐。泄壓至 0.2 MPa(G)后，采用CO2進行三次吹凈置換，進一步降低低壓放空部分可燃組分。

4.1 經濟性分析

如表2所示，忽略CO23次吹凈置換帶來的效益，煤鎖充泄壓系統優化后，4次泄壓壓力為 0.2 MPa，一次加煤放空氣量為 32.44 m3，較優化前可回收煤鎖氣 378.96 m3，回收可燃組分量 146.56 m3，回收熱量 2379.15 MJ，相當于回收 81.17 kg 標準煤。煤氣化裝置5臺爐運行，平均每臺氣化爐1小時加煤4次，送鍋爐可產高壓蒸汽14t，每小時鍋爐減少用煤 3.3 t；原料煤熱值按 13.98 MJ/kg，價格330元/t計，年可減少動力原料 27229.19 t，每年僅鍋爐原料煤成本可減少898.56萬元。

表2 優化前后對比表

4.2 生態效益

中國煤化工行業中排放的二氧化碳總量約為5億噸，占到全國二氧化碳排放總量的5%左右[3]。煤化工二氧化碳排量主要源于供熱供電鍋爐及煤氣化爐，二者比例約6∶4。如表2所示，煤氣化裝置煤鎖充泄壓系統優化后，一次加煤回收的煤鎖氣折標煤為 81.17 kg，5臺氣化爐運行，年節能量達 12987.96 t(標準煤)，年可減少溫室氣體排放量 37393.56 t，二氧化碳減排量達2%，具有較好的節能降碳效益。

5 結語

煤鎖充泄壓系統優化運用了公司3×260 t 循環流化床熱容量大、燃燒穩定等特點，爐膛溫度在 760 ℃ 以上，停留時間約 8 s，滿足處理煤鎖氣充分燃燒的技術條件要求。且鍋爐系統設有化工工藝氣摻燒系統，具有摻燒氣體的經驗優勢。優化運行后，實現煤鎖加煤及鍋爐平穩運行，鍋爐出口監測數據，非甲烷總烴(NMHC)小于 15 mg/m3，VOCs充分燃盡，優于 120 mg/m3排放標準。

公司煤鎖氣回收率大于90%，僅鍋爐原料煤成本節約2400余萬元，節能量達36000余t(折標煤)，減少二氧化碳碳排105000余t，在“能耗雙控”“雙碳”背景下，實現了降本增效，節能降耗，減污降碳協同效應。