粉煤氣化技術(shù)用于500 kt/a合成氨項(xiàng)目總結(jié)

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(兗礦新疆煤化工有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

貴州開陽500 kt/a合成氨項(xiàng)目是大型煤化工項(xiàng)目。該項(xiàng)目由兗礦集團(tuán)與貴州開磷集團(tuán)共同投資建設(shè)，是國(guó)家批準(zhǔn)的貴陽煤磷化工(國(guó)家)生態(tài)工業(yè)示范基地重點(diǎn)項(xiàng)目，總投資43億元人民幣，占地2136畝，于2010年底開工建設(shè)，2012年6月完成建設(shè)安裝，進(jìn)入試運(yùn)行階段。

本項(xiàng)目由中國(guó)天辰化學(xué)工程公司負(fù)責(zé)總體設(shè)計(jì)，多家化建公司參與建設(shè)。由于地質(zhì)條件和原始地貌復(fù)雜，場(chǎng)平、地基處理、基礎(chǔ)與框架施工難度大，增加了項(xiàng)目投資，對(duì)工程項(xiàng)目的進(jìn)展影響較大。整個(gè)廠區(qū)生產(chǎn)裝置分布在三個(gè)臺(tái)階上，第一臺(tái)階為空分、熱電，標(biāo)高1 178 m，第二個(gè)臺(tái)階布置氣化、凈化、合成，標(biāo)高1 170 m，第三個(gè)臺(tái)階為公用工程及生產(chǎn)輔助設(shè)施，標(biāo)高1 157 m。

空分裝置由法液空成套提供，供氧能力6×104m3/h，氣化采用引進(jìn)科林氣化技術(shù)基礎(chǔ)上再經(jīng)過開發(fā)創(chuàng)新的開陽爐(3+1頂噴式干煤粉加壓氣流床氣化技術(shù))、合成氣凈化采用耐硫變換、大連理工大學(xué)低溫甲醇洗，合成氣精制采用杭州中泰的液氮洗工藝，氨合成采用瑞士卡薩利中壓氨合成技術(shù)。硫回收采用荷蘭荷豐超級(jí)克勞斯工藝。

在煤氣化技術(shù)的選擇上，貴州開陽進(jìn)行了多方調(diào)研。為適應(yīng)貴州煤灰分高、灰熔點(diǎn)高、煤礦小而分布廣的煤種特點(diǎn)，同時(shí)也為自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)粉煤氣化技術(shù)工業(yè)示范項(xiàng)目積累工程經(jīng)驗(yàn)，確定引進(jìn)原德國(guó)科林公司的粉煤氣化技術(shù)燃燒室部分并進(jìn)行創(chuàng)新，在引進(jìn)合同中約定所有創(chuàng)新技術(shù)歸兗礦集團(tuán)擁有。在技術(shù)調(diào)研評(píng)估期間，認(rèn)識(shí)到若采用科林氣化技術(shù)的合成氣激冷洗滌及渣水處理單元風(fēng)險(xiǎn)過高，因此選擇了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、已在多噴嘴對(duì)置水煤漿氣化技術(shù)上應(yīng)用成熟的合成氣初步凈化及含渣水處理技術(shù)。

1 干煤粉氣化技術(shù)

煤氣化裝置是合成氨項(xiàng)目的龍頭。2007年8月引進(jìn)德國(guó)科林氣化技術(shù)，兗礦集團(tuán)和設(shè)計(jì)單位、科研院校經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)兩年多時(shí)間的調(diào)研、實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)改造，最終確定設(shè)計(jì)方案。裝置于2010年底開工建設(shè)，2012年6月完成建設(shè)安裝。設(shè)計(jì)年操作時(shí)間8 000 h，設(shè)計(jì)單臺(tái)氣化爐滿負(fù)荷運(yùn)行有效氣產(chǎn)量為7×104m3/h。

該氣化裝置包括磨煤干燥、煤粉供料、氣化、合成氣初步凈化、含渣水處理等工序。粉煤制備為常規(guī)成熟技術(shù)；煤粉供料系統(tǒng)采用兗礦集團(tuán)干煤粉中試技術(shù)；開陽氣化爐的上半部分，即氣化室，采用科林技術(shù)并加以創(chuàng)新改造；氣化爐的下半部分，即激冷室及其后面的粗合成氣初步凈化和渣水處理工序?yàn)槌墒斓淖灾鳟a(chǎn)權(quán)技術(shù)。

在設(shè)備加工制造方面，氣化裝置的國(guó)產(chǎn)化率很高；除燒嘴為國(guó)外制造(現(xiàn)已國(guó)產(chǎn)化)，其余設(shè)備均國(guó)產(chǎn)化。

2 工藝流程

工藝流程如圖1。由磨煤干燥單元制備的合格煤粉存于常壓粉倉。粉倉內(nèi)的煤粉通過三個(gè)煤粉鎖斗向一個(gè)發(fā)料罐供料。發(fā)料罐設(shè)有三路煤粉管線，分別對(duì)應(yīng)于氣化爐頂部的三個(gè)工藝燒嘴，向氣化爐供料。在氣化爐頂部中心位置還設(shè)有一個(gè)具有點(diǎn)火、開工及長(zhǎng)明火功能的燒嘴。該燒嘴的點(diǎn)火開工原料為L(zhǎng)PG和純氧，在三個(gè)工藝燒嘴投用后該燒嘴原料適當(dāng)減量，但始終保持運(yùn)行。

高溫合成氣與熔融灰渣經(jīng)氣化爐渣口進(jìn)入激冷室洗滌冷卻；其中粗渣經(jīng)鎖斗排出氣化爐，合成氣則進(jìn)入初步凈化單元進(jìn)一步洗滌除塵后送至合成界區(qū)。洗滌除塵后的渣水在渣水處理單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)渣水分離及灰水的循環(huán)利用，同時(shí)回收熱量。閃蒸后的黑水進(jìn)入澄清槽沉淀后送入壓濾機(jī)，以濾餅形式排出界區(qū)。

圖1 貴州開陽氣化爐裝置流程示意圖

合成氣初步凈化工序采用了“分級(jí)凈化”流程。經(jīng)洗滌激冷室流出的合成氣攜帶著細(xì)灰首先進(jìn)入混合器和旋風(fēng)分離器，進(jìn)行“粗分”。分離了相對(duì)較大顆粒的合成氣再進(jìn)入水洗塔進(jìn)行“精分”，將大部分細(xì)顆粒脫除，從而保證洗滌塔洗滌后的合成氣灰含量在1 mg/m3以下。與引進(jìn)技術(shù)相比，不僅系統(tǒng)的壓力損失小，而且洗滌能力強(qiáng)，操作彈性大，合成氣中帶灰量很低，無需預(yù)變換可直接進(jìn)入變換工段。

3 煤質(zhì)數(shù)據(jù)

裝置運(yùn)行以來，先后氣化了很多煤種，主要有青龍煤、大宏煤、回歸與玖圓混配煤等。由于貴州煤礦較小，分布廣泛，如何獲得煤質(zhì)穩(wěn)定的煤一直是開陽公司面臨的一個(gè)難題。

采用貴州當(dāng)?shù)孛簽樵?，由于灰熔點(diǎn)較高，根據(jù)煤質(zhì)的不同，加入不同的助熔劑以降低灰熔點(diǎn)。煤質(zhì)分析如表1所示。可見，有的煤種灰分含量超過25%，并經(jīng)常波動(dòng)到29%，最高入爐灰分含量達(dá)到36.77%。同時(shí)灰熔點(diǎn)FT超過1 400 ℃。另外，貴州煤的一個(gè)普遍特點(diǎn)是，揮發(fā)分低、氧元素少，屬于典型的無煙煤，氣化活性也較差。在國(guó)內(nèi)同類氣化裝置中(合成氣激冷流程)，尚沒有以如此高灰、高灰熔點(diǎn)的煤為原料。

表1 原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

注：①為添加助熔劑數(shù)據(jù)。

4 裝置運(yùn)行情況

2012年10月氣化爐首次點(diǎn)火開工，2013年1月21日打通整個(gè)合成氨流程。由于該氣化裝置燃燒室部分采用科林氣化技術(shù)并首次在國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)裝置應(yīng)用，投料開車時(shí)正值科林公司宣布破產(chǎn)之際，在沒有得到任何技術(shù)擁有方的指導(dǎo)和支持下，兗礦集團(tuán)召集公司內(nèi)外煤氣化專家和技術(shù)骨干，組成顧問組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。貴州開陽化工公司在兗礦干煤粉中試氣化爐試車的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，同時(shí)借鑒兄弟工廠在粉煤氣化技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)，完成了包括煤粉供料系統(tǒng)、氣化爐點(diǎn)火開工系統(tǒng)、氣化爐燒嘴改造、氣化爐渣口銜接、氣化爐下降管改造和氣化爐水冷壁環(huán)隙密封防串氣等多項(xiàng)技術(shù)難題攻關(guān)。特別針對(duì)出氣化爐合成氣細(xì)灰含量大的問題，分別對(duì)合成氣初步凈化單元及設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化和改造，取得了突破性進(jìn)展。這也是目前國(guó)內(nèi)唯一一套處理高灰分含量煤種(約26%)的初步凈化系統(tǒng)。試車具體情況簡(jiǎn)介如下。

4.1 聯(lián)動(dòng)試車

2012年6月轉(zhuǎn)入聯(lián)動(dòng)試車階段，期間主要解決了磨機(jī)震動(dòng)、煤粉流量調(diào)控、煤粉流動(dòng)不暢、固體質(zhì)量流量計(jì)標(biāo)定、邏輯順控及安全聯(lián)鎖優(yōu)化等問題，為后期的化工投料順利開展奠定了良好的基礎(chǔ)。

4.2 投料試車

2012年10月，氣化爐轉(zhuǎn)入投料試車階段。10月25日氣化爐點(diǎn)火成功；31日氣化爐成功投煤。11月3日，A#氣化爐連續(xù)運(yùn)行8 h后，手動(dòng)停車，檢查水冷壁掛渣情況。2013年1月21日，A#爐連續(xù)運(yùn)行109 h，打通全流程，順利產(chǎn)出產(chǎn)品合成氨。

該階段主要解決點(diǎn)火開工燒嘴的點(diǎn)火成功率過低、氣化爐壓力調(diào)控、氣化爐渣口不合理和氣化爐水冷壁環(huán)隙串氣、灰水水質(zhì)差等問題。

4.3 試生產(chǎn)

(1)氣化爐運(yùn)行優(yōu)化

氣化裝置于2013年2月轉(zhuǎn)入試生產(chǎn)階段。由于對(duì)該氣化爐能夠承受的溫度還處于摸索之中，擔(dān)心燒損水冷壁，因此操作氧煤比值偏低，熱通量約3.5 MW，說明水冷壁渣層較厚，同時(shí)渣口壓差也明顯有增大趨勢(shì)，表明操作爐溫偏低，碳轉(zhuǎn)化率低，導(dǎo)致灰渣比較高，達(dá)到7∶3，相關(guān)運(yùn)行參數(shù)如表2所示。然而，低氧煤比操作雖然能更好保護(hù)水冷壁，但也直接導(dǎo)致氣化爐排渣不暢。由于科林氣化爐渣口較小，合成氣流速高，渣口積渣時(shí)更容易發(fā)生“偏流”，影響下降管的水膜均布，嚴(yán)重威脅下降管安全運(yùn)行。

表2 氣化爐運(yùn)行指標(biāo)比較

意識(shí)到上述問題后，貴州開陽化工以原料煤的粘溫特性為依據(jù)，通過控制氧煤比、甲烷和二氧化碳含量(蒸汽煤比穩(wěn)定)，同時(shí)參考熱通量和渣的形態(tài)、可燃物含量等參數(shù)，逐步提高操作爐溫，甲烷含量降低50%，二氧化碳增加了3個(gè)百分點(diǎn)，氣化爐熱通量明顯增加，有效降低了灰渣比。為了解決渣口排渣不暢問題，從氣化爐燒嘴改造入手，從而改變氣化爐的流場(chǎng)，火焰下移解決了渣口排渣不暢問題。停車后檢查表明，爐內(nèi)掛渣情況良好，氣化爐經(jīng)受了較高爐溫的考驗(yàn)，對(duì)高灰熔點(diǎn)煤有較好的適應(yīng)性。

(2)合成氣初步凈化系統(tǒng)優(yōu)化

通過提高爐溫，碳轉(zhuǎn)化率明顯增加，細(xì)灰量也顯著減少，灰渣比降低到3∶7。然而，在目前所有配套水激冷流程的煤氣化裝置中，原料煤的灰分幾乎都在10%左右；對(duì)于灰分高達(dá)26%的原料煤，即使碳轉(zhuǎn)化率達(dá)98%以上，其細(xì)灰量仍是其他同等規(guī)模氣化裝置的3倍左右。由于目前所有的水激冷流程氣化裝置從未有過洗滌如此高細(xì)灰含量合成氣的工程實(shí)踐，因此，該工況對(duì)合成氣初步凈化系統(tǒng)是一個(gè)全新的考驗(yàn)。運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，在100 h左右時(shí)，洗滌塔壓降明顯增大，帶水嚴(yán)重，手動(dòng)停車。拆檢洗滌塔后發(fā)現(xiàn)塔盤堵塞嚴(yán)重，表明當(dāng)時(shí)的工藝狀況不適應(yīng)高細(xì)灰含量合成氣的洗滌，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

綜合分析現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象和運(yùn)行條件，貴州開陽化工聯(lián)合華東理工大學(xué)調(diào)整了初步凈化工藝，同時(shí)對(duì)混合器、旋風(fēng)分離器和洗滌塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化和改造，全面強(qiáng)化除塵能力，充分發(fā)揮該技術(shù)的分級(jí)凈化功能。改造后的初步凈化系統(tǒng)運(yùn)行及合成氣變換爐壓降表明，該洗滌凈化技術(shù)既解決了洗滌塔堵塞問題，又保證了優(yōu)良的除灰效果，表明貴州開陽化工已掌握了高灰分煤的合成氣高效除塵技術(shù)，為貴州當(dāng)?shù)孛旱母咝鍧嵗玫於酥匾A(chǔ)。

隨著對(duì)該氣化技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷深入，依托自身在煤化工技術(shù)上的工程積累，通過大量的改造和優(yōu)化，貴州開陽化工有限公司目前已基本掌握了該氣化裝置的運(yùn)行性能，并積累了大量工程經(jīng)驗(yàn)。氣化爐單爐實(shí)現(xiàn)112%負(fù)荷下正常運(yùn)行，氣化爐單爐運(yùn)行情況下平均每小時(shí)合成氨產(chǎn)量35 t以上，合成氨日產(chǎn)量達(dá)到849.7 t的好成績(jī)，目前氣化裝置正在做開陽爐72 h性能考核工作。

4.4 操作參數(shù)及工藝指標(biāo)

優(yōu)化條件下操作參數(shù)及工藝指標(biāo)如下：

(1)氣化爐壓力 3.8 MPa

(2)煤粉流量 45 t/h

(3)氧氣流量 2.3×104m3/h

(4)蒸汽流量 3.9 t/h

(5)熱通量 4.8 MW

(6)合成氣流量 14×104m3/h(濕基)

(7)氣體成分 H227.1%；CO 61.3%；CO24.4%；N26.0%；CH458×10-6；H2S 1.1%

5 總 結(jié)

貴州開陽化工有限公司從2009年底開工建設(shè)到如今生產(chǎn)基本穩(wěn)定、達(dá)產(chǎn)，走過了較為艱難的路程，氣化爐單爐負(fù)荷到達(dá)112%，合成氨系統(tǒng)能力達(dá)到98%，連續(xù)運(yùn)行達(dá)到65 d，主要得益于兗礦集團(tuán)煤化工方面的技術(shù)人員優(yōu)勢(shì)和中試基地優(yōu)勢(shì)，在不斷吸取同類型裝置經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)的同時(shí)，通過自主創(chuàng)新和聯(lián)合國(guó)內(nèi)科研院所不斷攻關(guān)、優(yōu)化，基本消除了制約氣化爐安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行的主要因素。因氣化系統(tǒng)自身原因造成停車的次數(shù)不斷減少，運(yùn)行周期不斷延長(zhǎng)，目前氣化裝置各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較好，特別是在解決云貴川地區(qū)高灰分、高灰熔點(diǎn)煤的氣化與洗滌凈化方面，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。