晉華爐氣化技術(shù)裝置的應(yīng)用

肖廷文，孫雙紅

(1.陽(yáng)煤集團(tuán)朔州能源有限責(zé)任公司，山西朔州 036800；2.陽(yáng)煤豐喜肥業(yè)〔集團(tuán)〕有限責(zé)任公司，山西運(yùn)城 044000)

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)煤化工產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，固定床、氣流床、流化床等各種煤氣化技術(shù)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，氣流床加壓煤氣化工藝技術(shù)由于具有單爐產(chǎn)氣量大、氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合成氣質(zhì)量好、煤種適應(yīng)性較寬等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用，逐漸成為國(guó)內(nèi)煤氣化工藝技術(shù)的主流。

氣流床工藝主要有粉煤氣化和水煤漿氣化，粉煤氣化以殼牌公司的Shell粉煤氣化和國(guó)內(nèi)的航天爐為代表，水煤漿氣化技術(shù)主要有GE公司的德士古氣化技術(shù)、華東理工大學(xué)與兗礦集團(tuán)合作開(kāi)發(fā)的多噴嘴對(duì)置式氣化專(zhuān)利技術(shù)以及清華大學(xué)與陽(yáng)煤豐喜、陽(yáng)煤化機(jī)合作研發(fā)的晉華爐煤氣化專(zhuān)利技術(shù)等[1-5]。這些氣化技術(shù)的共同特點(diǎn)是：煤種適應(yīng)性較寬，可利用粉煤制漿，氣化爐生產(chǎn)能力較大，操作溫度高，排渣形式為液態(tài)排渣，碳轉(zhuǎn)化率較高，煤氣中甲烷含量低，沒(méi)有焦油、苯、萘、酚等污染物產(chǎn)生，氣化爐灰渣可以用來(lái)制作水泥、陶粒、保溫材料、城市滲水磚、地板磚及家具等，“三廢”處理簡(jiǎn)單，易達(dá)到環(huán)保要求，對(duì)環(huán)境友好，生產(chǎn)控制水平較高，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化及計(jì)算機(jī)控制。其中晉華爐解決了水煤漿氣化爐氧耗煤耗偏高的問(wèn)題，現(xiàn)就晉華爐氣化技術(shù)運(yùn)行情況進(jìn)行總結(jié)。

1 晉華爐簡(jiǎn)介

晉華爐是陽(yáng)煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、山西陽(yáng)煤化工機(jī)械(集團(tuán))有限公司與清華大學(xué)山西清潔能源研究院在原清華Ⅱ代爐(水冷壁水煤漿氣化爐)的基礎(chǔ)上共同開(kāi)發(fā)的合成氣/蒸汽聯(lián)產(chǎn)水煤漿水冷壁煤氣化爐，是經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和創(chuàng)新，通過(guò)產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合，完成了專(zhuān)利研究、工藝包、工程設(shè)計(jì)和工程建設(shè)的新型、高效、節(jié)能的煤氣化技術(shù)。

2015年10月20日，單爐設(shè)計(jì)有效氣產(chǎn)量為35 000 m3/h(標(biāo)態(tài))、運(yùn)行壓力為4.0 MPa的晉華爐在陽(yáng)煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司臨猗分公司開(kāi)始動(dòng)工，計(jì)劃建設(shè)工期6個(gè)月。2016年4月1日，世界首臺(tái)晉華爐在陽(yáng)煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司一次投料、并氣成功，各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了國(guó)內(nèi)外以水煤漿為原料的同類(lèi)裝置運(yùn)行的先進(jìn)水平[6]。

2 主要工藝流程及工藝參數(shù)

從原煤儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)來(lái)的原料煤與添加劑，經(jīng)過(guò)計(jì)量進(jìn)入煤磨機(jī)與一定量的水混合，在煤磨機(jī)中形成粒度分布均勻、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61%的水煤漿，并送入大煤漿槽。大煤漿槽內(nèi)的煤漿依靠重力自流至高壓煤漿泵入口，煤漿由煤漿泵加壓后與來(lái)自空分的氧氣同時(shí)進(jìn)入工藝燒嘴。工藝燒嘴將水煤漿和氧氣一起送入氣化爐燃燒室，煤中的碳與氧氣、水及CO2等發(fā)生復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，生成以CO和H2為主的粗合成氣[7]。煤中的不可燃的灰分及部分沒(méi)有完全反應(yīng)的炭顆粒形成灰渣。氣化爐耐壓鋼殼內(nèi)有水冷壁、輻射廢鍋，水冷壁內(nèi)的鍋爐水出口壓力為4.5 MPa，氣化爐耐壓鋼殼的外壁溫度保持在100 ℃左右，而耐火磚氣化爐外壁溫度高達(dá)200 ℃以上，溫差大于100 ℃。

氣化反應(yīng)后生成的粗合成氣、熔渣等經(jīng)過(guò)氣化爐下部的輻射廢鍋回收高溫合成氣的熱量，產(chǎn)生高溫、高壓水蒸氣，并完成冷卻、洗滌過(guò)程，降溫后的合成氣經(jīng)碳洗塔進(jìn)一步洗滌后送往后工段。冷卻后的熔渣通過(guò)鎖斗和排渣管線定期排入渣池，攜帶細(xì)渣的黑水進(jìn)入渣水處理系統(tǒng)，經(jīng)處理后返回洗滌系統(tǒng)循環(huán)使用。晉華爐氣化技術(shù)工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 晉華爐氣化技術(shù)工藝參數(shù)

3 工藝特點(diǎn)及關(guān)鍵設(shè)備

(1) 采用特殊結(jié)構(gòu)的點(diǎn)火和運(yùn)行組合工藝燒嘴，簡(jiǎn)化了點(diǎn)火升溫過(guò)程，縮短了點(diǎn)火升溫的時(shí)間，不需更換燒嘴，點(diǎn)火、投料程序一體化；氣化爐啟動(dòng)速度快，從冷態(tài)開(kāi)車(chē)到滿負(fù)荷運(yùn)行僅需3～5 h(不包括蒸汽暖管時(shí)間)，節(jié)省開(kāi)車(chē)成本。

(2) 水冷壁采用垂直懸掛膜式壁結(jié)構(gòu)，布水均勻，無(wú)氣液分層，同時(shí)不用備爐。

(3) 獨(dú)特的環(huán)腔絕熱結(jié)構(gòu)，使環(huán)腔密封氣用量達(dá)到最小，比耐火磚爐壁溫度低100 ℃，極大地保護(hù)了氣化爐的設(shè)備安全，同時(shí)減少了熱量損失。

(4) 水冷壁與承壓殼體采用可靠的連接技術(shù)，更好地解決了在高達(dá)1 500 ℃工況下的水冷壁的膨脹難題，同時(shí)解決了密封問(wèn)題。

(5) 采用倒錐形排渣結(jié)構(gòu)，解決了1 400～1 500 ℃下的排渣通暢問(wèn)題，減輕了熔融狀態(tài)下渣對(duì)設(shè)備的磨蝕破壞。

(6) 輻射廢鍋采用獨(dú)特的環(huán)形單筒體和徑向雙面水冷壁結(jié)構(gòu)，能夠縮小其體積，提高熱效率。

(7) 輻射廢鍋采用內(nèi)置型，解決了高溫高壓下復(fù)雜的熱膨脹處理問(wèn)題及氣化室與輻射廢熱鍋爐水冷壁接口處的連接和密封難題。

(8) 核心部件出氣管為特殊的多相流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效避免堵渣、積灰及磨損問(wèn)題。

(9) 獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少了雙面受熱面的布置比例，設(shè)備體積和投資減少。

(10) 同等直徑的水冷壁氣化爐與原耐火磚結(jié)構(gòu)的氣化爐相比，燃燒室容積增大了3倍。

4 煤種試燒

2012年，二代晉華爐在石化聯(lián)合會(huì)現(xiàn)場(chǎng)考核驗(yàn)收時(shí)，采用了陽(yáng)泉無(wú)煙煤和神木煤的混煤，其灰熔點(diǎn)>1 520 ℃，最高摻混比例達(dá)到60%。

記得，上大學(xué)的時(shí)候，因?yàn)橄矚g喬丹，自己也曾那么喜歡過(guò)NBA。為了看總決賽，常翹課跑到商場(chǎng)甚至跑到小賣(mài)部蹭看電視。有一次，是在小飯館里，為了討得老板的歡心，我們幾個(gè)人還煞有介事地要了一碗面。最后，比賽看完了，也把飯館的幾壺開(kāi)水喝完了。還有一年，乒乓球世錦賽決賽，剛上班的我住集體宿舍，為了看比賽，竟然跑到一個(gè)剛結(jié)婚的同事家看到了半宿。兩口子困得東倒西歪的，我卻看得興高采烈。比賽是午夜結(jié)束的，同事送我出來(lái)的時(shí)候，怏怏不樂(lè)。我全然顧不上這些，連連拍著同事的肩膀說(shuō)，真好，真好，中國(guó)隊(duì)贏了。

2015年4月，陽(yáng)煤朔州能源有限責(zé)任公司對(duì)朔州煤進(jìn)行試燒經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，摻混比例最高達(dá)到100%，證明晉華爐完全可以100%使用朔州煤進(jìn)行氣化。

2015年10月，神華集團(tuán)北京低碳研究所承擔(dān)的國(guó)家863項(xiàng)目“低階煤熱解半焦制漿及氣流床半焦氣化研究”，在晉華爐上進(jìn)行了試燒，摻混比例達(dá)到55%，利用半焦進(jìn)行氣化，運(yùn)行數(shù)據(jù)良好。

5 裝置運(yùn)行情況

5.1 烘爐點(diǎn)火過(guò)程

氣化爐采用組合燒嘴，點(diǎn)火、烘爐與投料在一個(gè)燒嘴上一體化完成，不需要更換燒嘴，通過(guò)燃料氣和點(diǎn)火氧氣的放空和調(diào)節(jié)閥，將燃料氣與點(diǎn)火氧氣的流量調(diào)整至合理的數(shù)值，然后啟動(dòng)點(diǎn)火程序，自動(dòng)完成點(diǎn)火過(guò)程。

5.2 煤漿投料過(guò)程

烘爐溫度達(dá)到800 ℃后，開(kāi)始煤漿投料，水煤漿水冷壁氣化爐采用燃料氣伴燃下瞬間實(shí)現(xiàn)著火，完成煤漿投料過(guò)程。在投料成功后，觀火孔的攝像探頭及光敏探頭均有顯示，通過(guò)程控閥切換，退出烘爐的燃料氣及烘爐氧氣；中心氧氣管線由烘爐燃料氣切換成氧氣。整個(gè)點(diǎn)火及投料過(guò)程完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，方便快捷，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程操作簡(jiǎn)便，系統(tǒng)十分穩(wěn)定。

高壓煤漿泵通過(guò)電機(jī)變頻器調(diào)整轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)煤漿流量調(diào)節(jié)，加減量十分容易，流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確，反饋迅速，有助于對(duì)投煤量和氧煤比的精準(zhǔn)控制。從低灰熔點(diǎn)煤到高灰熔點(diǎn)煤，可以實(shí)現(xiàn)從氧量到煤量的任意調(diào)整，有利于控制熔渣特性，保證渣口壓差，實(shí)現(xiàn)順利排渣。

5.3 生產(chǎn)運(yùn)行情況

從2016年4月1日晉華爐原始投料成功到2017年11月1日，共停車(chē)7次(電力系統(tǒng)春、秋檢3次，空分更換轉(zhuǎn)子1次、年前停車(chē)檢修1次，氣化出氣管焊縫漏1次，碳洗塔改造1次)，累計(jì)運(yùn)行520 d，裝置運(yùn)行良好，有效氣體成分達(dá)到81%以上 。

6 結(jié)語(yǔ)

(1) 環(huán)保

采用水煤漿進(jìn)料，可處理低鹽、高有機(jī)物的廢水；爐溫高，灰渣中殘?zhí)剂康?，排渣成顆粒狀，易于收集處理；所產(chǎn)的廢水污染物易于處理，并可同化工生產(chǎn)各種工藝廢水濃縮后用作水煤漿制漿原料水，實(shí)現(xiàn)了水的循環(huán)利用。

(2) 節(jié)能

輻射廢鍋1 000 m3(標(biāo)態(tài))合成氣產(chǎn)飽和蒸汽量為0.5～1.0 t(煤種不同，產(chǎn)氣量也有所不同)。按300 kt/a氨醇裝置可多回收飽和蒸汽300 kt/a以上、蒸汽價(jià)格100元/t計(jì)，則年經(jīng)濟(jì)效益約為3 000萬(wàn)元。

(3) 經(jīng)濟(jì)

爐殼采用國(guó)產(chǎn)的14Cr1MoR，無(wú)需采用進(jìn)口的SA387，主體投資費(fèi)用降低40%；采用水冷壁技術(shù)，無(wú)需使用耐火磚，減少了耐火磚采購(gòu)、筑爐、維修成本；不需要備爐，減少固定投資5 000萬(wàn)元以上。

晉華爐一爐多供，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)供化工合成氣、供工藝和動(dòng)力用的高壓及高品質(zhì)蒸汽，可在化工、電力、燃?xì)狻⒐岬阮I(lǐng)域綜合應(yīng)用，為煤炭領(lǐng)域及煤化工清潔、綠色生態(tài)、高效發(fā)展提供了保障，并為企業(yè)帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫永才，劉偉.航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)淺析[J].化肥工業(yè)，2010，37(1)：18- 20.

[2] 朱玉營(yíng)，趙靜一，彭書(shū)，等.航天粉煤加壓氣化爐運(yùn)行總結(jié)[J].化肥工業(yè)，2012，39(4)：19- 21.

[3] 于廣鎖，牛苗任，梁欽鋒，等.氣流床水煤漿氣化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及開(kāi)發(fā)進(jìn)展[J].煤化工，2004，32(3)：1- 5.

[4] 呂運(yùn)江，潘榮，呂傳磊，等.德士古煤氣化工藝運(yùn)行方式總結(jié)[J].化肥工業(yè)，2008，35(1)：42- 45.

[5] 李福文，孫化祥，豐中田.多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)應(yīng)用總結(jié)[J].化肥工業(yè)，2012，39(6)：35- 37.

[6] 山西陽(yáng)煤豐喜肥業(yè)有限責(zé)任公司.晉華爐氣化技術(shù)工業(yè)裝置運(yùn)行總結(jié)[J].氮肥技術(shù)，2016，37(6)：11- 13.

[7] 韓喜民，原中秋，趙冬興，等.內(nèi)置廢鍋水冷壁晉華爐運(yùn)行總結(jié)[J].氮肥與合成氣，2017，45(7)：27- 29.