輸運(yùn)床氣化裝置合成氣冷卻操作研究

王鵬偉，李曉宏，高 偉，蘭偉偉，任 燁

（陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心，陜西 西安710075）

輸運(yùn)床煤氣化技術(shù)（TRIG）是由美國(guó)KBR公司開(kāi)發(fā)的一種新型循環(huán)流化床氣化技術(shù)，其機(jī)械設(shè)計(jì)和操作基于成熟應(yīng)用的流化催化裂化（FCC）技術(shù)，后者已有70多年成功的商業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[1]。輸運(yùn)床氣化技術(shù)與傳統(tǒng)的循環(huán)流化床氣化技術(shù)相比，其固體循環(huán)速率和氣體流速較快，氣化爐提升管內(nèi)氣固混合物密度提升較高[2]，從而具有較高的生產(chǎn)能力和碳轉(zhuǎn)化率，并且混合均勻、傳熱和傳質(zhì)速率較高，是實(shí)現(xiàn)煤炭潔凈高效綜合利用的重要技術(shù)。輸運(yùn)床煤氣化技術(shù)的最大特點(diǎn)是干粉進(jìn)料、干法排渣(非熔渣)、合成氣廢鍋回收顯熱。

陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心在TRIG技術(shù)基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了超大型輸運(yùn)床煤氣化技術(shù)（KSY）。目前，已在陜西興平建成100 t/d的輸運(yùn)床氣化中試試驗(yàn)裝置，由輸運(yùn)床氣化系統(tǒng)和焦油裂解系統(tǒng)兩大部分組成。其中，合成氣冷卻器是合成氣冷卻的關(guān)鍵設(shè)備，采用間壁式換熱器將1 200℃的高溫合成氣直接冷卻至315℃，同時(shí)副產(chǎn)3.5 MPa中壓蒸汽，但其在試車過(guò)程中出現(xiàn)了許多問(wèn)題，如煙氣冷凝、進(jìn)氣管箱堵塞、襯里管道超溫等，影響裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)對(duì)合成氣冷卻器在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題展開(kāi)討論，并采取了相應(yīng)的解決措施，基本解決了存在的問(wèn)題。

1 合成氣冷卻器結(jié)構(gòu)和工藝流程

輸運(yùn)床氣化中試試驗(yàn)裝置主要包括進(jìn)料系統(tǒng)、氣化爐、焦油裂解器（TCD）、廢熱鍋爐、顆粒物控制器（PCD）、排灰系統(tǒng)、合成氣洗滌系統(tǒng)、循環(huán)氣系統(tǒng)，其工藝流程示意圖如圖1所示。粉煤經(jīng)惰性氣體加壓后，與氣化劑（氧氣、蒸汽）進(jìn)入氣化爐中，在2.316 MPa、950℃條件下進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成含一定量飛灰的高溫粗合成氣。含有飛灰的高溫粗合成氣進(jìn)入TCD，在2.313 MPa、1 200℃條件下再次進(jìn)行反應(yīng)，除去合成氣中攜帶的少量焦油、甲烷以及部分殘?zhí)亢?，?jīng)合成氣冷卻器冷卻到315℃，然后進(jìn)入三級(jí)旋風(fēng)分離器除去大部分粉塵，再經(jīng)顆粒物控制器干法除塵和堿洗塔工序后，含灰質(zhì)量濃度小于l mg/m3的潔凈合成氣送到下游工段。

1.1 合成氣冷卻器結(jié)構(gòu)

合成氣冷卻器主要由殼體、刀鞘式換熱管、封頭、合成氣進(jìn)氣管箱組成。鍋爐水走管程與上部設(shè)置的自然循環(huán)立式汽包相連，合成氣走殼程，可由1 200℃直接冷卻至315℃，同時(shí)殼程內(nèi)充裝石英砂，既可以強(qiáng)化傳熱，又可以吸附合成氣中攜帶的部分焦油和灰分。

合成氣冷卻器殼體內(nèi)壁設(shè)有耐火澆注料層，耐火澆注料具有耐高溫、耐磨蝕及導(dǎo)熱系數(shù)低等性能，可避免高溫?zé)煔饧肮腆w與殼體壁面接觸，有效防止了高溫?zé)煔馀c固體對(duì)殼體壁面的沖刷磨蝕，并大幅度降低設(shè)備殼體的工作溫度，從而降低了設(shè)備的投資強(qiáng)度、延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。刀鞘式換熱管可以適應(yīng)合成氣長(zhǎng)時(shí)間的沖刷，也保證了高溫差下引起的換熱管的自由膨脹和高效的傳熱效率。

圖1 輸運(yùn)床氣化試驗(yàn)工藝流程示意圖

合成氣冷卻器進(jìn)氣口分為三層，由經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)帶耐火襯里的管箱組成，從下到上第一層管箱有4個(gè)進(jìn)氣口，二、三層各有6個(gè)進(jìn)氣口，合成氣進(jìn)氣口內(nèi)徑較小，襯里施工難度較大，襯里材料采用自流型澆注料。

1.2 合成氣冷卻器工藝流程

輸運(yùn)床合成氣冷卻流程如圖2所示。合成氣冷卻是依據(jù)熱傳導(dǎo)和熱輻射的原理，利用密度為1 600 kg/m3的石英砂（砂子粒徑分布見(jiàn)表1）作為熱載體，在合成氣冷卻器殼程中與自殼程下部進(jìn)入的高溫合成氣接觸進(jìn)行熱量交換，換熱后的砂子和合成氣與管程的鍋爐水通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱輻射，實(shí)現(xiàn)能量交換。鍋爐水經(jīng)換熱后汽化，帶走熱量，從而實(shí)現(xiàn)合成氣的降溫和副產(chǎn)244℃、3.5 MPa中壓蒸汽[3]。

圖2 合成氣冷卻流程圖

表1 砂子粒徑分布

2 存在的問(wèn)題及解決措施

2.1 存在的問(wèn)題

2.1.1 煙氣冷凝

開(kāi)車初期，氣化爐、TCD使用天然氣和柴油升溫時(shí)，柴油和天然氣燃燒后的煙氣中含有一定量的水蒸氣，水蒸氣易在合成氣冷卻器錐部冷凝，冷凝后的水與合成氣冷卻器中沉積的飛灰混合，形成泥狀混合物，后期泥狀混合物中的水慢慢蒸發(fā)后會(huì)形成塊狀固體，導(dǎo)致停車后合成氣冷卻器退砂困難。如果在冬季開(kāi)車，合成氣冷卻器錐部可能會(huì)出現(xiàn)泥狀混合物凍結(jié)。無(wú)論是形成塊狀固體還是出現(xiàn)凍結(jié)，均給合成氣冷卻器停車后退砂帶來(lái)很多困難。

2.1.2 進(jìn)氣管箱堵塞

由于設(shè)備進(jìn)氣管線設(shè)計(jì)存在缺陷，當(dāng)不斷向合成氣冷卻器內(nèi)加砂子時(shí)，其內(nèi)部物料不斷增多，床層密度不斷增大，一、二層管箱進(jìn)氣阻力也不斷增大，大量氣體從第三層管箱進(jìn)入設(shè)備。當(dāng)其物料達(dá)到一定量時(shí)，一、二層管箱逐漸出現(xiàn)堵塞，甚至徹底堵死，高溫含塵合成氣均從第三層進(jìn)入合成氣冷卻器，前后系統(tǒng)壓差增大，并且此時(shí)管箱氣速較大，對(duì)襯里管道磨損較為嚴(yán)重，可能導(dǎo)致襯里管道發(fā)生局部超溫。

2.1.3 出口襯里管道超溫

為研究合成器冷卻器出口襯里管道超溫的原因，以陜西崔木煤為原料煤，進(jìn)行了兩次輸運(yùn)床氣化試驗(yàn)。試驗(yàn)1氣化爐溫度950℃、壓力1.1 MPa，TCD溫度1 050℃、壓力1.05 MPa，總氣量8 566 m3/h；試驗(yàn)2氣化爐溫度在950℃、壓力1.3 MPa，TCD溫度在880℃、壓力1.25 MPa，總氣量12 160 m3/h，由于工況異常，導(dǎo)致試驗(yàn)2 TCD溫度比氣化爐的溫度還低。

在試驗(yàn)2中，合成氣冷卻器出口、三級(jí)旋風(fēng)分離器出口、PCD入口3臺(tái)熱電偶因探頭損壞，可監(jiān)測(cè)合成氣冷卻器出口溫度的僅剩合成氣冷卻器頂部的熱電偶TI-11403，該熱電偶溫度最高達(dá)到390℃，通過(guò)加砂及調(diào)節(jié)汽包出口蒸汽壓力等手段，該溫度依然在報(bào)警值378℃以上，其出口至三級(jí)旋風(fēng)分離器之間襯里管道外壁局部出現(xiàn)超溫，在3個(gè)彎頭處最高溫度達(dá)到305℃，略高于外壁設(shè)計(jì)溫度300℃，通過(guò)臨時(shí)緊急采取蒸汽/氮?dú)鈱?duì)超溫外壁進(jìn)行吹掃降溫保護(hù)措施，最終將外壁溫度控制在260℃左右。

在試驗(yàn)1中，合成氣冷卻器出口襯里管道未出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，為了對(duì)試驗(yàn)2中超溫的原因進(jìn)行剖析，對(duì)兩次試驗(yàn)過(guò)程中合成氣冷卻器進(jìn)/出口相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，見(jiàn)表2。

表2 兩次試驗(yàn)合成氣冷卻器相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)照

由表2可知，試驗(yàn)1與試驗(yàn)2中合成氣冷卻器的入口溫度相差不大，總加砂量基本一致，但試驗(yàn)2出口溫度明顯高于試驗(yàn)1，分析原因主要有以下幾點(diǎn)：

一是試驗(yàn)2中PCD出口總氣量偏高：試驗(yàn)2中PCD出口總氣量為12 160 m3/h，遠(yuǎn)大于試驗(yàn)1中的8 566 m3/h，導(dǎo)致合成氣中從氣化爐、TCD中攜帶的殘?zhí)考盎伊吭黾?，氣體及固體顆粒的總熱容增大；二是氣化爐、TCD旋風(fēng)效率低：由于總氣量偏高、粉煤粒徑較設(shè)計(jì)值偏細(xì)、氣化反應(yīng)效率偏低，造成合成氣中固體粉塵含量高，這些因素綜合導(dǎo)致旋風(fēng)分離器分離效率低，進(jìn)一步造成粉塵后移，導(dǎo)致合成氣冷卻器及出口襯里管道溫度偏高；三是TCD出口溫度偏低：試驗(yàn)1中氣化爐溫度在950℃左右，TCD出口溫度最高達(dá)1 000℃，試驗(yàn)2氣化爐溫度在950℃左右，TCD出口溫度在800℃左右，較低的溫度導(dǎo)致煤粉的碳轉(zhuǎn)化率偏低，大量固體物料被氣體攜帶進(jìn)入合成氣冷卻器，總熱容增大；四是合成氣冷卻器床層料位偏低：對(duì)比兩次試驗(yàn)的床層壓降，試驗(yàn)2為0.199 MPa，該值低于試驗(yàn)1的0.254 MPa，較低的床層降低了合成氣冷卻器的換熱系數(shù)，兩次試驗(yàn)加砂總量基本一致，但試驗(yàn)2的床層料位較試驗(yàn)1偏低，分析原因可能是由于試驗(yàn)2總氣量大，導(dǎo)致部分粗砂被帶入后系統(tǒng)所致；五是合成氣冷卻器至三級(jí)旋風(fēng)分離器之間襯里管道設(shè)計(jì)不合理：12 m襯里管道設(shè)計(jì)3個(gè)90 °彎頭，較多的彎頭增加了管道阻力，并且彎頭處容易磨損；同時(shí)由于襯里管道內(nèi)徑較小，只有耐磨層而無(wú)保溫層，管道隔熱能力差。

2.2 解決措施

2.2.1 在升溫階段降低系統(tǒng)壓力，并且使用210℃的預(yù)熱氮?dú)鈱?duì)合成氣冷卻器錐部進(jìn)行氮?dú)忸A(yù)熱，降低煙氣中水蒸氣的露點(diǎn)溫度，防止煙氣在合成氣冷卻器內(nèi)發(fā)生冷凝，影響合成氣冷卻器停車后的排砂操作。同時(shí)當(dāng)合成氣冷卻器頂部溫度達(dá)到230℃～260℃時(shí)，再開(kāi)始向合成氣冷卻器內(nèi)加砂，可有效防止因加砂導(dǎo)致合成氣冷卻器溫度降低后出現(xiàn)煙氣冷凝、在其錐部形成塊狀固體。

2.2.2 將第三層管箱徹底堵死，讓高溫含塵合成氣從一、二層管箱進(jìn)入合成氣冷卻器，有利于合成氣冷卻器內(nèi)砂子的流化，增強(qiáng)合成氣冷卻器的換熱效率，并徹底解決了一、二層管箱的堵塞及第三層管箱的磨損問(wèn)題，同時(shí)降低了前后系統(tǒng)的壓差，有利于合成氣冷卻器的穩(wěn)定操作。

2.2.3 重新設(shè)計(jì)更換合成氣冷卻器至三級(jí)旋風(fēng)分離器之間的12 m襯里管道，90 °彎頭由3個(gè)減至1個(gè)，同時(shí)加厚襯里管道耐磨層，增加保溫層。

2.2.4 盡可能早的退出流化氮?dú)饧伴_(kāi)車空氣，降低TCD出口總氣量。

2.2.5 提高系統(tǒng)壓力，降低氣化爐、TCD提升管氣速，減少殘?zhí)?、半焦、煤灰的后移，降低合成氣冷卻器的熱負(fù)荷。

2.2.6 在溫度可控范圍內(nèi)，提高氣化爐、TCD反應(yīng)溫度。最大程度提高氣化反應(yīng)效率、碳轉(zhuǎn)化率，降低TCD出口粗合成氣中殘?zhí)康膸肓?，減小總熱值。

2.2.7 摸索氣化爐、TCD的最佳氣速，調(diào)整至利于旋風(fēng)分離器的最佳工況，增強(qiáng)旋風(fēng)分離效率。

2.2.8 提高合成氣冷卻器內(nèi)換熱效率。通過(guò)調(diào)節(jié)汽包的液位高度及控制出口蒸汽壓力等手段，控制汽包液位在40%～70%、壓力在3.5 MPa左右，提高合成氣冷卻器內(nèi)鍋爐水與合成氣的換熱效率。

3 結(jié) 語(yǔ)

合成氣冷卻器是輸運(yùn)床氣化裝置合成氣冷卻的主要設(shè)備，對(duì)其安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)穩(wěn)定工藝操作，提高氣化爐、TCD溫度，降低反應(yīng)器氣速和氣量，增強(qiáng)旋風(fēng)分離效率，精準(zhǔn)控制汽包液位和壓力，提高合成氣冷卻器的換熱效果，確保輸運(yùn)床氣化裝置能夠長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。輸運(yùn)床粉煤氣化裝置合成氣冷卻器冷凝、堵塞、超溫問(wèn)題的有效解決，可以更進(jìn)一步提升輸運(yùn)床氣化工藝的使用效果，對(duì)國(guó)內(nèi)超大型粉煤氣化工藝的發(fā)展具有重要意義。