碎煤加壓氣化爐開工火炬設置的改進

(中海油大同SNG項目組，山西 大同 037613)

碎煤加壓氣化工藝技術是我國在上世紀70年代末引進的德國魯奇公司的煤氣化技術，碎煤Mark4工藝技術在我國運行多年，已完全成熟，其工藝流程為粒度為6～50 mm的原料煤由煤鎖在3.1 MPa(g)的壓力下，由上加入到氣化爐內，與來自底部爐箅的氣化劑——氧氣和高壓蒸汽逆流接觸發生化學反應，生成含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、甲烷等成分的粗煤氣，生成的粗煤氣將熱量傳遞給溫度逐步下降的煤層，以600～700 ℃的溫度離開氣化爐。離開氣化爐的粗煤氣首先進入到文丘里噴淋洗滌冷卻器，并在此被冷卻至204 ℃，絕大部分重組分被冷凝洗滌下來，隨后氣液混合物進入到廢熱鍋爐，回收粗煤氣的大量顯熱和潛熱，洗滌冷凝混合液被送往煤氣水處理裝置進行進一步物理處理，而被冷卻至180 ℃的粗煤氣經氣液分離后送出氣化界區。如果氣化爐計劃停車或者緊急停車，粗煤氣不再送出界區，而是直接進入到氣化界區內的熱火炬進行焚燒。

圖1 碎煤氣化裝置主要工藝流程

1 國內碎煤氣化裝置開工火炬配置情況

碎煤氣化裝置主要工藝流程見圖1。碎煤加壓氣化裝置的火炬系統是專為魯奇第三代加壓氣化爐配套使用的，上世紀70年代末由山西化肥廠成套引進西德魯奇公司的工藝和設備。根據其作用，碎煤加壓氣化爐裝置火炬系統分為熱火炬系統和冷火炬系統。當時國內氣化裝置的氣化爐臺數較少，基本上是每4臺氣化爐配備1套熱火炬和冷火炬。隨著國內現代煤化工的快速發展，碎煤氣化裝置氣化爐臺數大量增加，如果仍按照4臺氣化爐配備1套火炬系統的標準，將增加裝置投資，且還會造成多點放空。由于火炬系統只在開停車期間使用，幾臺熱火炬的長明燈長時間燃燒將消耗大量燃料氣。另外，由于氣化爐的操作水平和維護保養水平的逐步提高，單臺氣化爐年運行天數基本在250d以上，開停車的次數大大減少，氣化爐在線率的提高，降低了火炬系統的使用率。因此，在大唐克什克騰煤制天然氣公司碎煤氣化置換氣化火炬系統中，由4臺爐配置1套火炬系統的設計改變為8臺爐配置1套開工火炬系統，在幾年的運行中，該火炬系統的配置完全可以滿足生產的需要。后來新建的碎煤氣化裝置火炬系統，基本按照8臺氣化爐配備1套火炬系統的標準建造。

2 碎煤加壓氣化裝置火炬系統的作用

碎煤加壓氣化裝置每個系列設置1套開工火炬系統用于在氣化爐開車、停車和事故操作期間，氣化爐產生的粗煤氣泄壓排放氣燃燒后排放，從而保證氣化爐的安全穩定運行，并使排放廢氣達到大氣污染物綜合排放標準。一般情況下，1套碎煤加壓氣化裝置每個系列設置1套冷火炬和1套熱火炬系統。冷火炬主要用于氣化爐吹掃、置換階段和蒸汽升溫階段的排放，熱火炬用于氣化爐空氣點火和切氧后以及緊急事故和計劃停車階段的排放。

2.1 冷火炬的優缺點

碎煤加壓氣化爐開停車火炬設置中，冷火炬主要在開車初期(即氣化爐加煤完畢后)使用。用高壓蒸汽對煤層加熱，加熱后蒸汽和由受熱后的燃料煤分解揮發分的氣體一同通過氣化煤氣出口進入到冷火炬總管，在冷火炬中放空。該設備結構簡單，維修操作方便，相當于一個就地放空管。

雖然該工藝設備操作簡單，但是由于通過其排放的氣體只經過初步的洗滌分離而并未進行細化處理，所以這種排放方式簡單、粗放、直接。冷火炬主要在氣化爐蒸汽升溫開始到結束的這一段時間內(即蒸汽升溫階段)使用。加熱的燃料煤層會隨著溫度的不斷上升逐步開始熱解，有大量的氣體解析出來。所謂煤的熱解就是指由于溫度的不斷升高，分子間振動逐漸加劇，當振動強度大于分子和分子以及原子鍵生成能時，分子中的原子鍵能就會斷裂。因此，當煤層溫度高于85～120 ℃時煤層就會開始熱分解，這時就會有一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣等氣體解析出來，我們稱之為煤的干燥過程。當溫度升至120～200 ℃時，吸附在煤顆粒小孔間的硫化物、甲烷、二氧化碳等有害氣體也被解析放出來，我們稱之為煤炭的脫吸階段。當溫度升至200～300 ℃時，原料煤進入正式熱分解，這時就會出現一定量的氣態產物和烴類產物，比如一氧化碳、二氧化碳、硫化氫等，少量的煤焦油此時開始解析出來，我們稱為煤的開始熱解階段。當溫度升至300～400 ℃及以上時，煤的熱解速度加快，大量的焦油和氣體被析放出來，尤其是焦油混合物幾乎全部在此溫度范圍內被析放出來。在這一階段析放的氣體主要為甲烷及其同系物，此外還有一些不飽和烴(CmHn)、氫氣及有毒氣體等，我們稱為一次性氣體。黏結性的煤在此時解析的焦油不飽和烴和有毒氣體尤為明顯。煤在這一階段由膠質狀態轉變為半焦煤狀態，此階段稱為膠質體固化階段。氣化爐蒸汽升溫階段采用的是高中壓蒸汽，其溫度一般在380～450 ℃這個范圍內，也就是說蒸汽升溫階段煤層最終的平均溫度也基本在這個溫度范圍之內。從蒸汽升溫到升溫結束，基本需要3h左右，煤層的溫度會隨著時間的延續不斷上升，與此同時不斷有氣體從煤中解析出來，解析出來的氣體由氣化爐進入到冷火炬總管中。這種排放方式將大量的廢氣和少量的氣態焦油通過蒸汽帶入冷火炬中，并被直接排放到大氣中，對環境有污染。由于當時環保要求并不嚴格，且對排放的管理不夠，沒有引起各個生產單位足夠的重視，這種排放方式一直存在。由于排放的尾氣并沒有經過嚴格地收集處理，只是通過煤氣化爐出口噴射洗滌后就直接排放，尤其是在開車期間，現場彌漫著刺鼻的氣味，并有少量煤塵飄落。隨著環保管理要求越來越嚴格，該尾氣必須經過合理回收處理才可排放。因此，就需在進冷火炬之前設置洗滌分離裝置，對該尾氣進行洗滌分離后，再焚燒或進一步處理。

2.2 熱火炬的作用

熱火炬使用分兩個階段：第一階段，氣化爐空氣點火后直至氣化爐提壓，并網前在熱火炬處排放；第二階段，氣化爐停車期間煤氣粗煤氣在熱火炬高空燃燒。

熱火炬主要作用是焚燒氣化爐開車、停車和緊急停車過程中的粗煤氣，在進熱火炬之前的粗煤氣設置有洗滌器和分離器，對粗煤氣進一步進行除塵和除焦油處理，并且在熱火炬底部也設置分液罐來對粗煤氣進行再次分離，防止氣體的帶液以及攜帶物阻塞火炬頭。開車過程中的煤氣進入到熱火炬中進行焚燒。

在氣化爐停車泄壓排完煤后，一般用蒸汽進行氣化爐的吹掃，一個目的是為了防止氣化爐的布氣孔堵塞，另一個目的是將氣化爐內剩余的粗煤氣置換出去。該排放氣一般在熱火炬里放空焚燒，經過熱火炬處理完的尾氣可滿足環保排放要求。

3 開工火炬應用情況

實際生產中，進冷火炬前的氣體中含有很多成分，尤其還有少量的煤塵和焦油沒有進行洗滌和分離，雖然該設備簡單，投資也小，但是該氣體不具備達標排放。在山西化肥廠和大唐克旗煤制天然氣公司，包括后建的一些化工廠的氣化裝置中都設置了冷火炬和熱火炬，但是在實際應用中，由于冷火炬排放不合格，該冷火炬設備基本不投用，在蒸汽升溫階段的排放氣大都經過熱火炬進行焚燒。雖然投用的企業在進冷火炬之前增建了洗滌分離器和噴淋水系統，但也不能滿足環保的要求。有的企業已經考慮將該氣體送往蓄熱回收裝置進行處理，有的企業考慮再增加1臺熱火炬取代該冷火炬。

4 取消冷火炬的影響及解決辦法

碎煤加壓氣化裝置冷火炬主要用于氣化開車蒸汽升溫階段，如果只設置1臺熱火炬而取消冷火炬，當1臺氣化爐正在空氣運行而另1臺氣化爐由于非正常原因需要停車時，空氣運行的壓力只有0.3～0.4 MPa(g)，而即將停車的氣化爐的停車壓力至少在3MPa(g)左右，這樣就只能有1臺氣化爐使用火炬，嚴重影響裝置的生產負荷和安全生產。對于裝置規模較小的氣化裝置一般有5臺(4開1備)氣化爐的氣化裝置，可以增加1臺熱火炬或進入全廠總火炬進行泄壓排放，從而取消冷火炬，這樣的排放完全滿足生產要求。

對于裝置規模比較大的氣化裝置，氣化爐停1臺車對整個生產負荷影響較小，其余氣化爐完全可以增減負荷來應對，即使出現1臺氣化爐開車而另外1臺停車的情況，也可以使停車的氣化爐保壓，等待開車完成后再泄壓。

因此，考慮到環保因素，建議在國內新建和改進的碎煤加壓氣化裝置中逐漸取消冷火炬的設置，而只設置熱火炬，增加對蒸汽升溫階段排放氣的洗滌效果，并將其導入熱火炬中進行焚燒。這樣減少了冷火炬管線和設備的設置，裝置減少了投資，且排放氣更安全、更環保。只設置熱火炬完全可以代替冷火炬的功能，并能對氣體進行處理，達到環保要求。

5 結語

根據目前工業氣體排放的要求，將氣化爐的所有開車尾氣進行洗滌分離后送往熱火炬進行焚燒，完全可以滿足生產和環保的要求，建議新建(在建)碎煤加壓氣化裝置開工火炬取消冷火炬的設置。

[1]賀永德.現代煤化工技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2011.

[2]謝克昌.煤炭氣化技術[M].北京：化學工業出版社，2012.