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摘 要:本文简述了二氧化碳气化剂倒入壳牌气化炉系统后所产生的影响,并提出了生产中所遇到的问题以及解决方法。
关键词:氮气二氧化碳壳牌气化炉煤粉锁斗中图分类号:G632 文献标识码:A 文章编号:1672-8882(2014)04-083-02以二氧化碳作为载体的煤气化技术是荷兰壳牌公司为适应中国煤制甲醇产业市场而开发的最新专利技术。该技术是在煤气化装置中用二氧化碳作为气化剂,在生产过程中输送煤粉。此前壳牌煤气化工艺是以氮气作为加压输送介质,此工艺生产的合成气适用于燃气发电或合成氨生产。由于合成气中含有大量氮气,这种工艺不适用于煤制甲醇装置。为了适应中国煤制甲醇的市场要求,壳牌公司开发了以二氧化碳作为气化剂的新工艺。为了使这一工艺成功应用,我们利用尿素装置的高压二氧化碳,设计了二氧化碳和氮气的加压卸压实验装置。通过对两种介质运行的试验结果对比分析,我们修改了装置运行顺空程序和部分参数,有效预防了低压凝结堵煤事故的发生,确保了二氧化碳气化剂在煤制甲醇项目中的成功应用。
氮气/二氧化碳系统分别由ASU装置的氮气、二氧化碳机组为气化装置供应VHP和HP氮气和二氧化碳。气化装置开停车期间及二氧化碳机组异常情况下氮气机组供应氮气进入氮气/二氧化碳系统,待甲醇装置能供应足量的二氧化碳后,启动二氧化碳机组,投入二氧化碳切除氮气,氮气机组投入备用状态。这些氮气或二氧化碳在气化装置中通过多管分配到各用户。
VHP氮气/二氧化碳（8.0MPa）从ASU装置来分为两部分:一部分通过管道DN80-NCVHP1-30002经30XV-0009和30PV-0013进入反吹气系统,经E3051加热、V3052缓冲后作为气化炉激冷段和HPHT飞灰过滤器的反吹气源;一部分通过管道DN100-NCVHP1-30001经30PV-0001、30XV-0001进入高压氮气/二氧化碳缓冲罐（V-3051）。
HP氮气/二氧化碳（5.2MP）从V3051出来的气体分为两路,一股从V-3051由30PV-0003A、30PV-0003B（分程调节）降压后经DN250-NCHP1-30002管道进入不稳定的排放管网,其用户为煤粉锁斗（V-1204A/B）;另一股为稳定的氮气/二氧化碳管网,该管网的氮气/二氧化碳大部分由CO2压缩机三段出口提供,当气量不足时通过30PV-0002A、30PV-0002B（分程调节）降压后的V-3051气体介入来稳定管网的压力。
以下是壳牌气化炉只用CO2作为气化剂对系统的影响:
1. 煤粉锁斗工作情况
根据二氧化碳减压减温情况及相关资料,注意到煤气化装置煤粉加压锁斗在减压时可能出现较低温度,引起装置操作的不稳定。为分析测试煤粉锁斗中高压二氧化碳减压可能出现的减温问题,根据现有煤气化设备及现场条件设计了二氧化碳减压试验模拟装置,模拟煤粉锁斗减压运行时可能出现的减温情况。
煤粉锁斗在常压下接受来自常压煤粉储罐的煤粉,煤粉在煤粉锁斗中通过来自超高压二氧化碳缓冲罐（8.1Mpag,120℃）减压（减至4.9Mpag）来的二氧化碳充压至4.4Mpag,与加料罐压力平衡后,将煤粉下排至加料罐。卸料后的煤粉锁斗,排出罐内二氧化碳气体,减压至常压。在此过程中,有两次大的减压过程,一是二氧化碳从8.1Mpag,120℃减压至4.9Mpag（4.4Mpag）,计算表明减温约为35℃,进煤粉锁斗的气体温度约为85℃;二是二氧化碳从4.4Mpag、80℃减压至2.0Mpag,并进一步减压至常压,计算表明减温约为45℃,排出气体温度约为40℃,罐内温度亦为40℃。证明二氧化碳对煤粉锁斗的冲压泄压以及下料过程不会有影响。而且气化炉的负荷越高产出的二氧化碳量越充足,二氧化碳压缩机四段出口压力就越高,煤粉锁斗的冲压速度就越快,从而有效的保证了对气化炉煤粉的供应。
2．二氧化碳对氧煤比的影响
一是氮气倒二氧化碳; 煤粉管线用氮气作为输送煤粉的载体时,煤粉密度的修正值为341.25kg/ m3左右;如果改用二氧化碳作为输送煤粉的载体时,煤粉密度修正值为536.25kg/ m3左右;二氧化碳与氮气作为载体导致煤粉管线密度上的差异是因为二氧化碳的分子量比氮气高。这样就会造成氧煤比实际高,应适当调低氧煤比,否则会造成气化炉温度高,易造成后系统积灰。二是二氧化碳倒氮气;如果系统因为跳煤烧嘴或其他原因而导致负荷降低时,为了保护二氧化碳机组,防止发生喘振损坏设备;这种情况有必要将二氧化碳倒为氮气,但是倒成氮气之后氧煤比是虚高,应适当调高氧煤比,防止氧煤比过低造成系统堵渣。从而影响长周期的稳定运行,降低经济效益。
3．飞灰排放罐的工作情况
飞灰排放罐在冲压时在顶部有两路二氧化碳,在底部有一路纯氮气作为流化氮气。在这里二氧化碳对飞灰排放罐的影响较小,原因有三点:一是飞灰排放罐正常生产时的温度达到180℃以上即可,而低锥流化氮温度为240℃是一直有量的,而二氧化碳只有在冲压时用,所以冲压时二氧化碳对飞灰排放罐温度影响不大;二是灰是由煤粉在气化炉里高温燃烧形成的,经过分析灰的全水以及内水含量几乎是零,所以泄压时飞灰排放罐泄压也不会对灰有影响;三是飞灰排放罐下灰管的管径较大,均为DN200的管子,很少出现架桥现象;综上三点可以证明二氧化碳对飞灰排放罐基本无负面影响。
4．高温高压飞灰过滤器的工作情况
当二氧化碳倒入气化炉系统后,高温高压飞灰过滤器的24组滤棒的反吹气会用到二氧化碳,由于这24组滤棒是精密陶瓷材料,而合成气经过滤棒去湿洗时所带出来的飞灰会粘在滤棒上,由于飞灰具有一定的粘性,所以对反吹气压力和温度要求都比较高,要求反吹压力是气化炉压力的1.8～2.0倍,要求反吹温度不得低于180℃。一是当气化炉负荷为85%时,二氧化碳压缩机四段出口压力既可达到7.5 Mpag,除去一部分压降到达高温高压飞灰过滤器的实际压力也能达到7.0 Mpag,一般正常生产时气化炉的压力在3.6 Mpag～3.7Mpag,所以二氧化碳倒入气化炉系统后滤棒的反吹压力符合要求;当煤粉锁斗两个系列进行冲压时,反吹气最低压力6.5 Mpag,当飞灰排放罐与煤粉锁斗两个系列同时冲压时应以煤粉锁斗为先,避免把滤棒反吹压力拉得太低,影响反吹效果。二是二氧化碳经过反吹气加热器加热到235℃～245℃进入超高压氮气/二氧化碳缓冲罐,而超高压氮气/二氧化碳缓冲罐的出口阀与气化炉压力是自动加串级来实现控制的,所以经过超高压氮气/二氧化碳缓冲罐的出口阀对压力调整之后,到达反吹气缓冲罐的实际温度为215℃～225℃,高于反吹气温度要求的180℃;综上两点证明二氧化碳倒入气化炉系统后对高温高压飞灰过滤器基本无影响。
5．气化炉停车后的处理
由于二氧化碳属于酸性气体,氮气是惰性气体;所以当气化炉系统事故跳车或因故停车,特别是需要较长时间停车时,要对正常生产时使用二氧化碳的设备和管道用纯氮气进行置换。最好要置换三次以上,然后冲入纯氮气保护,防止二氧化碳对设备和管道造成腐蚀,影响设备和管道的正常使用寿命。
6．经济效益
根据生产情况,二氧化碳压缩机于12月10日开车正常,15:00将煤粉输送介质倒为二氧化碳,共运行四天,12月18日二氧化碳压缩机振动高跳车,停二氧化碳。在运行中因二氧化碳压缩机振值高,氮气没有完全切出来。合成气组分如下:
CO2投用前后合成气组分数据对比
由以上数据可知,用二氧化碳输送,合成气中氮气含量明显下降,有效气含量上升,这样就降低了甲醇合成回路的循环量,降低了合成气机组的蒸汽消耗, 90%负荷下驰放气量由最高35KNm3/h降到最低3KNm3/h,每小时多产甲醇5-7吨。该技术的运用,将使煤气化装置生产的合成气完全符合甲醇合成的化学工艺技术要求,从而使煤气化甲醇装置在满负荷运行状态下每天增产甲醇200吨。
7．总结
以上论述是在生产实践中的一些总结,实践证明二氧化碳气化剂在壳牌气化炉煤制甲醇项目中可以成功应用。二氧化碳倒入气化炉系统后不仅可以改善氮气用量大时氮气压缩机三段四段出口压力低的问题,还可以提高甲醇产量提高经济效益,而且负荷越高效果越明显 。国内生产甲醇厂家较多,甲醇产量已经超过市场需求,这就需要我们降低成本来提高竞争力。我厂二氧化碳气化剂在煤制甲醇项目中的成功应用,得到了壳牌专家的认可和赞扬。此方法必定会全国范围广泛推广和应用。
关键词:氮气二氧化碳壳牌气化炉煤粉锁斗中图分类号:G632 文献标识码:A 文章编号:1672-8882(2014)04-083-02以二氧化碳作为载体的煤气化技术是荷兰壳牌公司为适应中国煤制甲醇产业市场而开发的最新专利技术。该技术是在煤气化装置中用二氧化碳作为气化剂,在生产过程中输送煤粉。此前壳牌煤气化工艺是以氮气作为加压输送介质,此工艺生产的合成气适用于燃气发电或合成氨生产。由于合成气中含有大量氮气,这种工艺不适用于煤制甲醇装置。为了适应中国煤制甲醇的市场要求,壳牌公司开发了以二氧化碳作为气化剂的新工艺。为了使这一工艺成功应用,我们利用尿素装置的高压二氧化碳,设计了二氧化碳和氮气的加压卸压实验装置。通过对两种介质运行的试验结果对比分析,我们修改了装置运行顺空程序和部分参数,有效预防了低压凝结堵煤事故的发生,确保了二氧化碳气化剂在煤制甲醇项目中的成功应用。
氮气/二氧化碳系统分别由ASU装置的氮气、二氧化碳机组为气化装置供应VHP和HP氮气和二氧化碳。气化装置开停车期间及二氧化碳机组异常情况下氮气机组供应氮气进入氮气/二氧化碳系统,待甲醇装置能供应足量的二氧化碳后,启动二氧化碳机组,投入二氧化碳切除氮气,氮气机组投入备用状态。这些氮气或二氧化碳在气化装置中通过多管分配到各用户。
VHP氮气/二氧化碳（8.0MPa）从ASU装置来分为两部分:一部分通过管道DN80-NCVHP1-30002经30XV-0009和30PV-0013进入反吹气系统,经E3051加热、V3052缓冲后作为气化炉激冷段和HPHT飞灰过滤器的反吹气源;一部分通过管道DN100-NCVHP1-30001经30PV-0001、30XV-0001进入高压氮气/二氧化碳缓冲罐（V-3051）。
HP氮气/二氧化碳（5.2MP）从V3051出来的气体分为两路,一股从V-3051由30PV-0003A、30PV-0003B（分程调节）降压后经DN250-NCHP1-30002管道进入不稳定的排放管网,其用户为煤粉锁斗（V-1204A/B）;另一股为稳定的氮气/二氧化碳管网,该管网的氮气/二氧化碳大部分由CO2压缩机三段出口提供,当气量不足时通过30PV-0002A、30PV-0002B（分程调节）降压后的V-3051气体介入来稳定管网的压力。
以下是壳牌气化炉只用CO2作为气化剂对系统的影响:
1. 煤粉锁斗工作情况
根据二氧化碳减压减温情况及相关资料,注意到煤气化装置煤粉加压锁斗在减压时可能出现较低温度,引起装置操作的不稳定。为分析测试煤粉锁斗中高压二氧化碳减压可能出现的减温问题,根据现有煤气化设备及现场条件设计了二氧化碳减压试验模拟装置,模拟煤粉锁斗减压运行时可能出现的减温情况。
煤粉锁斗在常压下接受来自常压煤粉储罐的煤粉,煤粉在煤粉锁斗中通过来自超高压二氧化碳缓冲罐（8.1Mpag,120℃）减压（减至4.9Mpag）来的二氧化碳充压至4.4Mpag,与加料罐压力平衡后,将煤粉下排至加料罐。卸料后的煤粉锁斗,排出罐内二氧化碳气体,减压至常压。在此过程中,有两次大的减压过程,一是二氧化碳从8.1Mpag,120℃减压至4.9Mpag（4.4Mpag）,计算表明减温约为35℃,进煤粉锁斗的气体温度约为85℃;二是二氧化碳从4.4Mpag、80℃减压至2.0Mpag,并进一步减压至常压,计算表明减温约为45℃,排出气体温度约为40℃,罐内温度亦为40℃。证明二氧化碳对煤粉锁斗的冲压泄压以及下料过程不会有影响。而且气化炉的负荷越高产出的二氧化碳量越充足,二氧化碳压缩机四段出口压力就越高,煤粉锁斗的冲压速度就越快,从而有效的保证了对气化炉煤粉的供应。
2．二氧化碳对氧煤比的影响
一是氮气倒二氧化碳; 煤粉管线用氮气作为输送煤粉的载体时,煤粉密度的修正值为341.25kg/ m3左右;如果改用二氧化碳作为输送煤粉的载体时,煤粉密度修正值为536.25kg/ m3左右;二氧化碳与氮气作为载体导致煤粉管线密度上的差异是因为二氧化碳的分子量比氮气高。这样就会造成氧煤比实际高,应适当调低氧煤比,否则会造成气化炉温度高,易造成后系统积灰。二是二氧化碳倒氮气;如果系统因为跳煤烧嘴或其他原因而导致负荷降低时,为了保护二氧化碳机组,防止发生喘振损坏设备;这种情况有必要将二氧化碳倒为氮气,但是倒成氮气之后氧煤比是虚高,应适当调高氧煤比,防止氧煤比过低造成系统堵渣。从而影响长周期的稳定运行,降低经济效益。
3．飞灰排放罐的工作情况
飞灰排放罐在冲压时在顶部有两路二氧化碳,在底部有一路纯氮气作为流化氮气。在这里二氧化碳对飞灰排放罐的影响较小,原因有三点:一是飞灰排放罐正常生产时的温度达到180℃以上即可,而低锥流化氮温度为240℃是一直有量的,而二氧化碳只有在冲压时用,所以冲压时二氧化碳对飞灰排放罐温度影响不大;二是灰是由煤粉在气化炉里高温燃烧形成的,经过分析灰的全水以及内水含量几乎是零,所以泄压时飞灰排放罐泄压也不会对灰有影响;三是飞灰排放罐下灰管的管径较大,均为DN200的管子,很少出现架桥现象;综上三点可以证明二氧化碳对飞灰排放罐基本无负面影响。
4．高温高压飞灰过滤器的工作情况
当二氧化碳倒入气化炉系统后,高温高压飞灰过滤器的24组滤棒的反吹气会用到二氧化碳,由于这24组滤棒是精密陶瓷材料,而合成气经过滤棒去湿洗时所带出来的飞灰会粘在滤棒上,由于飞灰具有一定的粘性,所以对反吹气压力和温度要求都比较高,要求反吹压力是气化炉压力的1.8～2.0倍,要求反吹温度不得低于180℃。一是当气化炉负荷为85%时,二氧化碳压缩机四段出口压力既可达到7.5 Mpag,除去一部分压降到达高温高压飞灰过滤器的实际压力也能达到7.0 Mpag,一般正常生产时气化炉的压力在3.6 Mpag～3.7Mpag,所以二氧化碳倒入气化炉系统后滤棒的反吹压力符合要求;当煤粉锁斗两个系列进行冲压时,反吹气最低压力6.5 Mpag,当飞灰排放罐与煤粉锁斗两个系列同时冲压时应以煤粉锁斗为先,避免把滤棒反吹压力拉得太低,影响反吹效果。二是二氧化碳经过反吹气加热器加热到235℃～245℃进入超高压氮气/二氧化碳缓冲罐,而超高压氮气/二氧化碳缓冲罐的出口阀与气化炉压力是自动加串级来实现控制的,所以经过超高压氮气/二氧化碳缓冲罐的出口阀对压力调整之后,到达反吹气缓冲罐的实际温度为215℃～225℃,高于反吹气温度要求的180℃;综上两点证明二氧化碳倒入气化炉系统后对高温高压飞灰过滤器基本无影响。
5．气化炉停车后的处理
由于二氧化碳属于酸性气体,氮气是惰性气体;所以当气化炉系统事故跳车或因故停车,特别是需要较长时间停车时,要对正常生产时使用二氧化碳的设备和管道用纯氮气进行置换。最好要置换三次以上,然后冲入纯氮气保护,防止二氧化碳对设备和管道造成腐蚀,影响设备和管道的正常使用寿命。
6．经济效益
根据生产情况,二氧化碳压缩机于12月10日开车正常,15:00将煤粉输送介质倒为二氧化碳,共运行四天,12月18日二氧化碳压缩机振动高跳车,停二氧化碳。在运行中因二氧化碳压缩机振值高,氮气没有完全切出来。合成气组分如下:
CO2投用前后合成气组分数据对比
由以上数据可知,用二氧化碳输送,合成气中氮气含量明显下降,有效气含量上升,这样就降低了甲醇合成回路的循环量,降低了合成气机组的蒸汽消耗, 90%负荷下驰放气量由最高35KNm3/h降到最低3KNm3/h,每小时多产甲醇5-7吨。该技术的运用,将使煤气化装置生产的合成气完全符合甲醇合成的化学工艺技术要求,从而使煤气化甲醇装置在满负荷运行状态下每天增产甲醇200吨。
7．总结
以上论述是在生产实践中的一些总结,实践证明二氧化碳气化剂在壳牌气化炉煤制甲醇项目中可以成功应用。二氧化碳倒入气化炉系统后不仅可以改善氮气用量大时氮气压缩机三段四段出口压力低的问题,还可以提高甲醇产量提高经济效益,而且负荷越高效果越明显 。国内生产甲醇厂家较多,甲醇产量已经超过市场需求,这就需要我们降低成本来提高竞争力。我厂二氧化碳气化剂在煤制甲醇项目中的成功应用,得到了壳牌专家的认可和赞扬。此方法必定会全国范围广泛推广和应用。