WHG干煤粉加压气化上行水激冷试验研究

刘振峰，杜孟洪

(河南龙宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

WHG干煤粉加压气化上行水激冷试验研究

刘振峰，杜孟洪

(河南龙宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

介绍了河南龙宇煤化工有限公司WHG干煤粉加压气化工艺的流程以及合成气上行水激冷方式。分析了激冷喷嘴、操作温度以及CO2工况等因素对WHG运行的影响。在多次调试和试运行的基础上提出了WHG干煤粉气化装置进一步的改进方向。

WHG；上行水激冷；激冷喷嘴； CO2工况；操作温度

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.005

目前，干煤粉气化炉的高温合成气冷却方式主要有合成气激冷和水激冷两种方式，水激冷方式又分合成气下行水激冷和合成气上行水激冷两种。壳牌合成气激冷方式是工业应用经验最丰富的干粉气化技术之一，其效率和工艺指标的先进性已经得到了验证和认可，而且在线率也在不断创造纪录，大部分客户已实现满负荷、长周期、安全、稳定运转，但仍存在堵渣、积灰、激冷气量不足、合成气冷却器积灰、飞灰过滤器因积灰导致过滤管超压断裂等问题。合成气下行水激冷方式的气化炉有德士古、航天炉和GSP等，此激冷方式也是比较成熟的气化工艺。相比于以上两种激冷方式，合成气上行水激冷方式的工业应用运行经验比较少，但此种激冷方式具有一定的优势，因此对合成气上行水激冷方式进行深入的研究在工业应用方面及经济与环境保护方面都具有重要的意义。

河南龙宇煤化工二期为40万t/a醋酸项目，其配套的煤气化装置为投煤量1 000～1 200t/d的WHG干煤粉加压气化炉(2台)，该装置采用合成气上行水激冷方式，本文结合WHG试验情况对合成气上行水激冷方式进行探索研究。

1 工艺技术

1.1 主要工序

WHG气化工艺采用干煤粉进料、纯氧气流床加压气化、液态排渣、含灰的粗合成气上行，熔渣下行，水/蒸汽雾化喷射激冷，激冷罐、文丘里洗涤器和洗涤塔冷却和洗涤粗合成气。该流程包括备煤与加压计量输送系统、气化及气体冷却洗涤系统、黑水处理系统等单元。WHG气化工序见图1。

图1 WHG气化工序

1.2 WHG干煤粉合成气上行水激冷

干煤粉气化水激冷分为合成气和熔渣流向相同的下行水激冷煤气化技术和合成气上行、熔渣下行的水激冷气化技术。WHG干煤粉气化装置采用熔渣下行、合成气上行水激冷的方式。在气化反应气体出口上方设置激冷室，正常操作时，通过设在激冷室筒壁上的多排多个水/汽组合型喷嘴实现对高温合成气喷水雾化冷却和固灰，同时激冷盒的位置采用辅助激冷蒸汽进行再次降温和固化。取代传统用后续返回气进行激冷的方法，简化了流程，取消压缩机，降低工程投资，节约了运行费用。两种激冷技术相比，上行激冷粉煤气化炉采用多烧嘴和膜式壁结构，寿命长，且碳转化率高。上行、下行两种激冷技术的性能指标比较见表1。

表1 上行、下行水激冷性能指标比较

1.3 WHG试验与设计关键参数对比

1.3.1 煤质特性

煤质的水分、挥发分、灰分、固定碳、灰熔点等特性指标对WHG炉的运行稳定具有重要的影响。因此确定合适的配煤、稳定的煤质以保障WHG炉长周期稳定运行。WHG煤质特性设计与试验对比见表2。

表2 WHG煤质特性设计与试验对比

1.3.2 合成气产量及组分

WHG设计氧负荷10.25kg/s，WHG在多次试验时氧负荷在80%左右。试验中产出的合成气量及组分试验值与设计值对比见表3。

表3 WHG产量及组分(体积分数)试验值与设计值对比

1.3.3 性能指标

WHG在试验过程中，碳转化率达到99%以上，煤气(干气)中有效气体(CO+H2)可以达到90%左右，冷煤气效率在80%左右。WHG在试验时环保效益也比较好，对环境几乎没有影响，气化污水中含氰化物少，容易处理。

通过对比试验中关键参数与设计，发现WHG在试验中基本上达到了设计指标。

2 影响WHG试验的关键因素

经过多次试验，发现影响WHG气化炉运行的主要工艺指标有：激冷喷嘴的喷射雾化效果、气化炉操作温度、CO2工况等。这些工艺指标直接决定了WHG气化炉的试验效果及试车运行时间的长短。

2.1 激冷喷嘴喷射雾化效果

WHG激冷流程采用水激冷和蒸汽辅助激冷，水激冷喷嘴对激冷效果至关重要。激冷喷嘴主要由给水管、蒸汽管、喷头、固定法兰、高温高压膨胀密封等构成。工作原理为：WHG激冷装置分两层控制在激冷室，每层8支激冷装置，每支激冷装置中间由水层和外层蒸汽层组成。水层利用高速喷射流使水雾化，通过喷嘴内层通道结构实现大覆盖角度的冷却。通过外层蒸汽侧喷孔喷射蒸汽实现喷嘴周围冷却，保护喷嘴。在WHG试验中发现，影响激冷喷嘴效果的两个重要指标为喷嘴的雾化质量和激冷喷嘴喷射的穿透力。

2.1.1 激冷喷嘴的雾化质量

激冷喷嘴喷射雾化质量的评价标准主要是喷雾粒径。雾化质量高时雾化的激冷水遇到热的合成气可以迅速气化，避免因大量湿气的存在造成积灰。雾化粒径越小，对喷嘴的雾化质量要求越高，但在提高了雾化质量的同时又减少了激冷喷嘴的喷水量，达不到所要求的激冷效果。不同条件下激冷喷嘴雾化试验数据见表4。

表4 激冷喷嘴雾化试验数据

由激冷喷嘴雾化试验效果可以看出，粒径在100μm、120μm时的雾化效果好于其他粒径时的雾化效果。

2.1.2 激冷喷嘴喷射穿透力

在WHG干煤粉气化装置多次的试验过程中发现，如果激冷喷嘴在一定背压下的喷射穿透力不够，即使喷嘴的雾化效果很好，也无法对合成气中心区域进行激冷，会造成融熔的灰渣在激冷段积灰堵塞。根据设计要求，激冷喷嘴需满足额定工作背压4MPa(g)、喷射距离≥0.7m(WHG反应室直径为1.4m)的要求。结合不同粒径下的喷雾效果，最终选择粒径在120μm左右。

但是根据多次试验发现，喷嘴存在喷孔过小、容易堵塞的问题，激冷喷嘴在要求的背压下很难达到要求的喷射距离，同时水激冷喷嘴存在雾化效果不好、穿透力不强、达不到合成气中心高温区域，以致合成气无法完全激冷的情况，导致激冷段出现积灰。激冷段积灰情况见图2。激冷水喷嘴堵塞情况见图3，粗合成气上行通道堵塞情况见图4。

图2 激冷段积灰情况

图3 激冷水喷嘴堵塞情况

图4 粗合成气上行通道堵塞情况

2.2 操作温度

操作温度是影响WHG干煤粉加压气化装置运行的关键因素之一，在WHG炉膛内反应生成的高温煤气(1 400～1 600℃)在气化炉炉膛出口用水和蒸汽激冷至850℃左右。在WHG试验的过程中采用配煤的方式解决单一煤种灰熔点不在操作窗口的问题，配煤后灰熔点在1 350℃左右。在多次的试验中发现，操作温度(合成气水激冷后的温度)对气化工况影响非常明显，不同操作温度下WHG装置的试验情况见表5。

表5 不同操作温度下WHG装置的试验情况

由不同操作温度下的开车试验可以发现，不同的气化操作温度对气化工况的影响非常明显，WHG粗合成气激冷后的温度应该控制在500～550℃较为理想。

2.3 CO2工况的影响

在氮气工况下，氧负荷80%时，WHG最长运行时间为95h35min，产出了合格的CO和H2，并打通了所有的工艺流程。此时各项工艺指标均在合理的范围内，激冷段压差033PDI0066在1kPa左右。当气化装置倒入CO2运行一段时间后工况开始发生变化，激冷段压差033PDI0066明显升高，导致气化装置停车。倒入CO2后033PDI0066变化情况见表6。

表6 倒入CO2后033PDI0066变化情况

在CO2工况下能够实现长周期、高负荷运行是干煤粉气化加压装置开车试验成功的重要标志。但WHG在CO2工况下进行了多次的试验均未实现突破性的进展，试验均出现类似的情况：在倒入CO2之前WHG能够实现长周期、平稳运行，倒入CO2后工况很快发生变化，激冷段的压差出现波动上涨，激冷段积灰导致装置停车。

3 试验小结

WHG干煤粉气化装置多次试验的结果如下。

(1)激冷喷嘴效果不理想，通过单一对激冷喷嘴的改进无法解决WHG激冷段积灰问题。

(2)合成气水激冷后的操作温度影响WHG运行情况，控制在500～550℃可以延长运行周期。

(3)WHG已实现在纯氮气工况下的长周期、高负荷运行，但CO2工况下的长周期、高负荷运行未能实现。

(4)在高温高压下，CO2与蒸汽及煤粉等发生了剧烈的化学反应导致了激冷段出现积灰情况。

4 改进方向

针对WHG干煤粉气化加压装置在多次试验中出现的问题，提出了下一步的改进方向。

(1)对激冷喷嘴进行升级改造，进一步提高激冷喷嘴的雾化效果及穿透力，解决激冷效果不好的问题。

(2)在水激冷的基础上增加循环激冷气压缩机装置，实现上行合成气激冷与上行水激冷相结合的方式。两种方式相结合可以充分利用水激冷和合成气激冷的优点，同时可以解决一种激冷方式的不足。

5 结语

WHG干粉煤加压气化装置是一种新型的粉煤加压气化装置，采用合成气上行水激冷的方式。WHG经过多次开车试验实现了氮气工况下的安全、平稳运行，打通了所有的工艺流程。WHG在多次的试验中均出现了CO2工况下激冷段积灰的问题，未能实现系统在CO2工况下的长周期、高负荷运行。WHG作为一种新的干粉煤气化装置已经取得阶段性成功，为研究合成气上行水激冷方式积累了宝贵的经验，同时为研究WHG粉煤气化装置上行水激冷方式奠定了基础，并提供了新的方向。

[1] 徐才福，夏吴，张宗飞.WHG气流床粉煤加压气化技术的开发与应用[J].化肥设计，2015，53(2)：1-4.

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[3] 张宗飞，夏吴，徐才福，姚强，游伟.新型五环炉干粉加压气化工艺及开车总结[J].化肥设计，2015，53(2)：12-16.

WHG Dry Pulverized Coal Gasification Upstream Water Quench Test

LIU Zhen-feng，DU Meng-hong

(HenanLongyuCoalChemicalCo.，Ltd.，YongchengHenan476600China)

This paper introduces the WHG dry pulverized coal gasification process and synthesis gas upstream water quenching method.It also analyzes the influence of the cooling nozzle，operating temperature and CO2conditions on the operation of WHG.On the basis of debugging and trial operation，the further improvement direction of WHG dry coal gasification unit is put forward.

WHG；upward water chilling；chilling nozzle；CO2operating mode；operating temperature

刘振峰(1981年—)，男，河南周口人，2005年毕业于河南大学化学工程与工艺专业，工程师，现任河南龙宇煤化工有限公司气化二厂厂长，主要从事煤气化技术与生产管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.005

TQ536.9

A

1004-8901(2017)01-0017-04

2016-09-27