陈亮，陈西峰

(陕西延长石油延安能源化工有限责任公司，陕西 延安 727500)

延安能源化工有限责任公司作为大型高端能源化工企业，多年来坚持发展循环经济。公司以煤、油田伴生气、低品质轻油为原料，生产高品质的聚乙烯、聚丙烯、丁醇、2-PH和乙丙橡胶等多种化工产品。全国煤化工行业经过十几年的发展，工艺比较成熟，但目前仍普遍存在碳转化率低的问题。延安能化公司拥有水煤浆加压气化装置三套，公司煤气化装置碳转化率仅为92.56%，低于行业值(≥96%)。本文针对碳转化率低的形成原因进行了分析，结合分析原因，从气化工艺参数和设备的角度进行技术改进，提高了有效气产量，进一步提高了碳转化率。

1 煤气化反应原理

水煤浆经高压煤浆泵进入气化炉，煤粒在1 300 ℃ 高温环境下，与纯度大于99.6%的氧气发生不完全的氧化、还原反应，加压气化过程中生成了以氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷为主要成分的粗煤气。

主要反应有[1]：

其他组分发生的反应有：

2 低碳转化率原因分析

2.1 水煤浆的性能

衡量水煤浆性能的主要指标为浓度、粘度及粒度分布。水煤浆的粒度分布对气化过程中碳的转化率影响较为显著，大一些的煤粉颗粒在气化炉反应区的停留时间较短，且大颗粒在气固相反应时的接触面积较小[2]，这两个因素导致大颗粒煤在气化过程中的碳转化率较低。

从单纯气化的角度考虑，水煤浆浓度越高、粒度越小，越有利于气化反应的进行[3-4]。但在实际生产中，还应考虑水煤浆的流动性及其在气化炉中的雾化程度。因为水煤浆浓度越高、粒度越小时，水煤浆粘度越大，其流动性变差，导致水煤浆输送和雾化较困难[5-6]。

综合考虑，气化水煤浆的浓度通常控制在59%～62%，粘度小于1 200 mPa·s，并具有合适的粒度分布，即不同粒径的煤粉颗粒满足一定的配比。

2.2 气化工艺烧嘴结构尺寸

水煤浆气化炉的工艺烧嘴是水煤浆加压气化的关键设备，工艺烧嘴大多为同心三套管形式，由内到外分别是中心氧管、水煤浆管和外环氧管，外流道和内流道输送氧气，中间流道输送水煤浆，外部有冷却水盘管。水煤浆和氧气进行混合雾化燃烧气化，混合雾化效果与工艺烧嘴的结构尺寸相关[7]。烧嘴中心氧管的出口和水煤浆管的出口均设计成缩口形式，外氧管口的缩口比例较大，水煤浆进入预混合腔内，在中心氧和外环氧的高速作用下稀释和加速，提高了水煤浆的流变性能，确保水煤浆离开烧嘴后具有良好的雾化效果。

对于设计压力6.5 MPa气化工艺，烧嘴压差一般需达到0.45 MPa以上，此时煤浆和氧气可以实现良好的混合、雾化、燃烧及气化[8-9]。公司技改前气化炉烧嘴压差最高0.32 MPa，混合雾化效果不佳。

2.3 气化中心氧流量

气化中心氧流量的大小既影响气化炉内火焰的拉伸长度，也影响水煤浆和氧气的混合雾化效果。本装置设计中心氧流量占总氧量的比例≤15%，实际生产运行中，考虑到流量计偏差、操作工况及煤质变化等多重因素影响，实际中心氧流量大约12%左右，并未达到设计值，影响了水煤浆和氧气的混合雾化效果。

2.4 氧/煤比及气化炉温度

理论上用氧和碳的原子比来表示氧煤比，实际生产过程中可用氧气流量与煤浆流量的体积比来表示，从而满足气化工艺生产需求。氧/煤比是影响德士古气化炉加压气化的重要因素之一，其主要控制德士古气化炉的炉温，对碳的转化率起着决定性作用[10-12]。

随着氧/煤比的增大，气化炉炉温和碳转化率逐渐升高，产气率达到最大值后逐渐减小。相反，二氧化碳含量却随着氧/煤比的增大呈现出先减小后增大的变化趋势。此外，气化炉炉温越高，气化炉烧嘴及耐火砖等设备的使用寿命越短[13-14]。在提高碳转化率的同时，应该控制合适的氧/煤比。公司气化工艺现场通常控制氧/煤比在485～490，炉温约1 240～1 260 ℃，相对设计值偏低。

3 改进措施

3.1 控制水煤浆浓度和粒度分布

公司气化装置水煤浆浓度控制范围58%～62%，平均浓度60%，在保证水煤浆浓度的前提下，对水煤浆的粒度分布进行调整，技改前磨煤机钢棒加入量偏少，钢棒配比不合适，导致粗颗粒较多，对磨煤机钢棒加入量和配比重新进行计算调整，结果见表1。

通过调整不同规格钢棒加入量，有效改善了水煤浆粒度分布，粗颗粒减少，细颗粒增加，粒度分布对比见表2。

表2 粒度分布对比Table 2 Comparison of particle size distribution

经调整磨煤机不同直径钢棒的加入比例，细颗粒增加，固气反应接触面积增大，反应区停留时间延长，反应更加充分，从而提高了碳转化率。

3.2 优化工艺烧嘴结构尺寸

原气化使用的工艺烧嘴运行工况为80 m3/h，气化长期以68 m3/h的低负荷运行，煤浆氧气的雾化效果较差，炉内反应不充分，影响了碳转化效率。对气化装置工艺烧嘴压差、氧/煤比、水煤浆粒度分布、粗煤气组分等运行参数进行汇总分析，与北京航天十一所制定出工艺烧嘴优化方案，具体见表3。

表3 工艺烧嘴优化数据表Table 3 Optimization data table of process burner

使用优化一的工艺烧嘴时，发现烧嘴喷头处高温辐射龟裂现象比较严重，在使用一个周期后，停止使用。使用优化二的工艺烧嘴时，烧嘴喷头处正常，满负荷时烧嘴压差可达到0.45 MPa以上，水煤浆与氧气的雾化效果良好。

3.3 调整中心氧流量

本装置设计中心氧流量占总氧量≤15%，生产运行中控制在12%左右，粗煤气甲烷含量大约4 500～5 000 mg/L，远远超出设计值，通过甲烷含量可以看出中心氧流量偏小，煤浆氧气雾化效果差。

生产运行中对中心氧流量进行了调整，适当提高中心氧流量至15.5%，粗煤气甲烷含量大约900～1 100 mg/L。

3.4 调整氧/煤比及温度

气化装置在试生产阶段，通常氧/煤比控制在485～490，炉温大约1 240～1 270 ℃，氧/煤比和炉温直接影响碳转化率。

生产运行中，根据原料煤灰熔点，对氧/煤比进行了调整，渐渐提高氧/煤比495～500，炉温大约1 280～1 300 ℃，提高氧气量，从化学反应动力学分析，更有利于碳和氧反应，从而提高了碳转化率。

4 调整效果

水煤浆加压气化过程碳的来源为原料煤中所含碳元素，气化碳转化为产品气体中的碳(CO、CO2)，甲烷占比可以忽略不计。

在煤质、水煤浆浓度及变换氢/碳比稳定的情况下，计算过程如下：

(1)根据变换气至净化装置流量和气化炉运行负荷计算产气量V：

V=V1/V2

式中V——每方水煤浆所产变换气量，Nm3/m3；

V1——变换气至净化装置流量，Nm3/h；

V2——气化炉运行负荷，m3/h。

未调整工况：气化炉运行负荷130 m3/h，变换气流量192 000 Nm3/h；计算产气量1 480 Nm3/m3。

调整后工况：气化炉运行负荷156 m3/h，变换气流量244 000 Nm3/h；计算产气量1 564 Nm3/m3。

(2)原料煤中碳含量C1：

C1=V3×ρ×CB×C2

式中C1——原料煤中碳含量,kg；

V3——水煤浆,1 m3；

ρ——水煤浆密度，1.2×103kg/m3;

CB——水煤浆浓度，60%；

C2——原料煤中碳元素含量，71.41%。

经计算：原料煤中碳含量C1=1×1.2×103×60%×71.41%=514.15 kg。

(3)一氧化碳碳含量C3：

C3=V×V4×12/22.4

式中C3——一氧化碳碳含量，kg；

V——每方水煤浆所产变换气量，Nm3/m3；

V4——一氧化碳体积百分比，38.02%。

未调整工况：C3=V×V4×12/22.4=1 480×38.02%×12/22.4=301.4 kg

调整后工况：C3=V×V4×12/22.4=1 564×38.02%×12/22.4=318.5 kg

(4)二氧化碳碳含量C4：

C4=V×V5×12/22.4

式中C4——二氧化碳碳含量，kg；

V——每方水煤浆所产变换气量，Nm3/m3；

V5——二氧化碳体积百分比，22.01%。

未调整工况：C4=V×V5×12/22.4=1 480×22.01%×12/22.4=174.5 kg

调整后工况：C4=V×V5×12/22.4=1 564×22.01%×12/22.4=184.4 kg

(5)碳转化率：

η=(C3+C4)/C1×100%

式中η——碳转化率，%。

未调整工况：η=(C3+C4)/C1×100%=(301.4+174.5)/514.15×100%=92.56%

调整后工况：η=(C3+C4)/C1×100%=(318.5+184.4)/514.15×100%=97.81%

工艺调整后，气化工艺的碳转化率由92.56%提高至97.81%，提高了5.25%，效果明显。

5 结语

经过对气化装置碳转化率低的原因分析，结合本装置运行工况，通过调整磨煤机钢棒加入量及配比，控制水煤浆粒度分布，减少粗颗粒含量，提高水煤浆性能；通过优化工艺烧嘴流道尺寸，调整中心氧流量，提高烧嘴雾化效果，根据煤质灰熔点分析数据，适当提高氧/煤比，提高操作温度，水煤浆加压气化碳的转化率由92.56%提高至97.81%，提高了5.67%。实现高产低耗、节能降耗。