楊 向 陽(yáng)

（中海石油華鶴煤化有限公司， 黑龍江 鶴崗 154100）

基于GE水煤漿氣化裝置系統(tǒng)隱患排查及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

楊 向 陽(yáng)

（中海石油華鶴煤化有限公司， 黑龍江 鶴崗 154100）

煤氣化是以水和氧氣或二氧化碳為氣化劑發(fā)生反應(yīng)而生成氣的一種氣化技術(shù)。目前常用的氣化裝置系統(tǒng)多為GE氣化裝置。該裝置系統(tǒng)中的GE水煤漿氣化爐運(yùn)行反應(yīng)具有周期性，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的隱患排查也應(yīng)具有周期性。其裝置系統(tǒng)主要包括磨煤系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)和渣水系統(tǒng)三部分。GE氣化技術(shù)具有較強(qiáng)的原料適應(yīng)性，合成產(chǎn)品中的有效成分較高，對(duì)爐內(nèi)熱量的利用率較高，但其對(duì)煤質(zhì)的要求高，通常是灰熔點(diǎn)地且活性高的煤，并且工藝中燒嘴的壽命較短，因此，對(duì)GE氣化裝置系統(tǒng)進(jìn)行定期隱患排查具有重要意義。

GE水煤漿氣化裝置；隱患排查；優(yōu)化設(shè)計(jì)

煤氣化是利用水和二氧化碳或氧氣為氣化劑同煤發(fā)生反應(yīng)而生成氣體的一種煤炭技術(shù)。煤氣化工程，能夠減少燃煤直接燃燒帶來(lái)的污染和提高燃煤利用率，是我國(guó)煤潔凈技術(shù)的發(fā)展方向。GE水煤漿氣化技術(shù)，又稱德士古水煤氣化技術(shù)，是目前煤氣化技術(shù)裝置中較為先進(jìn)的系統(tǒng)裝置。其主要包括三個(gè)系統(tǒng)裝置，分別是磨煤、氣化和渣水三流程[1]。在水煤漿氣化中，能夠生成氫氣和一氧化碳及其它氣體的合成氣。該氣化技術(shù)裝置具有較強(qiáng)的原料煤適應(yīng)性，對(duì)有較高的碳轉(zhuǎn)化率，生成物中的有效成分高，但其燒嘴的壽命較短，且裝置生產(chǎn)具有一定的危險(xiǎn)性。為此，必須對(duì)其系統(tǒng)裝置進(jìn)行定期排查。

1 GE水煤漿氣化裝置的隱患表現(xiàn)

GE水煤漿氣化裝置的隱患主要分為生產(chǎn)物中有害物質(zhì)的危害和氣化生產(chǎn)過(guò)程的安全隱患。

1.1 氣化生成物質(zhì)的危害

GE水煤漿氣化生產(chǎn)所產(chǎn)生的有害物質(zhì)主要是氧氣、氫氣、粉塵、甲烷、一氧化碳和硫化氫等，這些物質(zhì)多是易燃易爆物質(zhì)。尤其是氧氣，具有極強(qiáng)的阻燃性，很容易引發(fā)爆炸。當(dāng)爐溫達(dá)到1300℃時(shí)，已經(jīng)超過(guò)生產(chǎn)合成氣體的燃點(diǎn)，此時(shí)若爐內(nèi)氣體泄漏，與空氣相遇后可引發(fā)爆炸事故。同時(shí)，硫化氫和一氧化碳均為毒性物質(zhì)，若此類氣體泄漏于通風(fēng)條件不好的地方，可致人員中毒甚至死亡。

1.2 GE水煤漿氣化生產(chǎn)過(guò)程中的安全隱患

粉塵的危害主要是空氣污染，GE水煤漿氣化渣池或制備區(qū)易產(chǎn)生粉塵，污染空氣。人體內(nèi)吸入粉塵則會(huì)引起氣短、咳嗽及胸痛等不適癥狀。若長(zhǎng)期處于粉塵環(huán)境中，則易引起肺部病變，即塵肺病。另外，振動(dòng)和噪聲污染也具有較強(qiáng)的危害作用。GE水煤漿氣化生產(chǎn)過(guò)程中，尤其是在磨煤程序中，棒磨機(jī)、煤漿泵、抽引器等機(jī)器均產(chǎn)生一定的噪聲，進(jìn)而引起心血管、聽(tīng)覺(jué)等方面的疾病，同時(shí)也會(huì)影響工作人員的情緒和工作效率，甚至可能會(huì)造成事故。一旦各種機(jī)泵不能很好地振動(dòng)功能，可以引起設(shè)備基礎(chǔ)、連接件、管道焊縫等發(fā)生松動(dòng)、脫落或損傷，儀表也失去穩(wěn)定性，此類故障隱患，不僅降低了設(shè)備性能，影響了生產(chǎn)，也可能會(huì)導(dǎo)致事故發(fā)生。

2 GE水煤漿氣化裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

GE水煤漿氣化裝置的生產(chǎn)過(guò)程中具有一定的安全隱患，要實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，避免各種危險(xiǎn)事故的發(fā)生，必須定期對(duì)氣化裝置進(jìn)行排查。當(dāng)然，最為關(guān)鍵的在布置設(shè)備時(shí)能夠做到科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，以降低或防范各種危險(xiǎn)因素的發(fā)生，排除各種隱患存在的可能性。

2.1 布置GE水煤漿氣化裝置的要求

GE水煤漿氣化生產(chǎn)主要包括磨煤、氣化及處理渣水三個(gè)工序。在不同的工序，其存在的危險(xiǎn)隱患是不同的，在布置裝置設(shè)計(jì)時(shí)所要達(dá)到的要求也不同。處理渣水和氣化工序是重要的生產(chǎn)裝置。設(shè)計(jì)氣化裝置時(shí)，應(yīng)避免在地震烈度超過(guò)8度的地區(qū)。同時(shí)，同村莊和居民區(qū)的防火間距應(yīng)超過(guò)一百五十米，衛(wèi)生防護(hù)應(yīng)在兩千米之外。在結(jié)構(gòu)安排上，應(yīng)使用敞開(kāi)式。如果使用封閉式廠房，屋面和外墻體應(yīng)用夾芯鋼板進(jìn)行維護(hù)，達(dá)到防火標(biāo)準(zhǔn)[2]。同時(shí)，還要安裝事故防爆風(fēng)機(jī)，且同室內(nèi)危害氣體報(bào)警設(shè)備連接起來(lái)形成聯(lián)鎖報(bào)警體系。倘若氣體出現(xiàn)泄漏而發(fā)生爆炸，則會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)聯(lián)鎖，即刻將室內(nèi)危害氣體排空。設(shè)計(jì)制備工序裝置時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)裝置除塵器，選用帶式除塵裝置。分別設(shè)計(jì)在緩沖煤倉(cāng)、磨煤機(jī)煤倉(cāng)及破碎間等揚(yáng)塵處，并對(duì)粉塵進(jìn)行回收利用。設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)，應(yīng)選擇低噪音設(shè)備，建立隔音廠房，并將高噪音泵布置在隔音廠房。進(jìn)行氧氣放空時(shí)也應(yīng)設(shè)計(jì)有消音裝置。處理渣水的水角閥門(mén)應(yīng)裝置在室內(nèi)，以利用其隔音功能。休息室和裝置操作間使用材料應(yīng)具有較強(qiáng)的吸音和隔音功能。

2.2 布置GE水煤漿氣化裝置管道的要求

裝置管道設(shè)置不僅要滿足其儀表流程圖和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，還要達(dá)到安全可靠、經(jīng)濟(jì)美觀、便于施工、操作和維護(hù)，不同工序?qū)芾斫橘|(zhì)的設(shè)計(jì)要求也不相同。水煤漿管道設(shè)計(jì)應(yīng)防止流動(dòng)阻滯區(qū)，嚴(yán)禁有袋形出現(xiàn)。水平煤漿管道設(shè)計(jì)中，其坡度要大于千分之五，儀表應(yīng)設(shè)計(jì)在管道上端[3]。高壓煤漿泵管道出口壓力大，振動(dòng)力強(qiáng)，應(yīng)設(shè)計(jì)好此處的支吊架。氣化工序時(shí)事故多發(fā)工序，其管道裝置支架應(yīng)為非易燃物，并讓管道穩(wěn)固接地，同電氣橋架等間要有足夠的間距，嚴(yán)禁閥門(mén)置于管件彎頭，尤其是急彎管件。在處理渣水的工序中，灰水或黑水管道含有較多固體物，容易形成壁垢。設(shè)計(jì)置管時(shí)禁止出現(xiàn)袋形，應(yīng)按照“步步低”及“步步高”的原則進(jìn)行，彎頭處應(yīng)用三通替代，可方便清洗[4]。黑水角閥后的管道應(yīng)選用具有內(nèi)襯的耐磨復(fù)合材料及加厚管道，以降低黑水的磨蝕和沖擊。

2.3 GE水煤漿氣化裝置中磨煤工序的優(yōu)化設(shè)計(jì)

磨煤系統(tǒng)通常是一臺(tái)磨煤系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)氣化爐，如果一臺(tái)磨煤泵出現(xiàn)故障則會(huì)減少對(duì)氣化爐煤漿的供應(yīng)，進(jìn)而影響氣化生產(chǎn)，為此在GE水煤漿氣化裝置的磨煤工序設(shè)計(jì)中加設(shè)一個(gè)低壓泵解決了這個(gè)問(wèn)題。此低壓泵可以將此煤漿槽煤漿轉(zhuǎn)至彼煤漿槽，轉(zhuǎn)移泵的加設(shè)，使操作更加靈活，且能夠保證低壓泵故障時(shí)磨機(jī)不會(huì)停產(chǎn)，或單臺(tái)磨機(jī)故障能夠向氣化爐提供短期煤漿，或能夠防止煤漿分層、沉淀以及方便清槽檢修等。加設(shè)煤漿槽工作流程設(shè)計(jì)圖如下圖1。

圖1 優(yōu)化后煤漿轉(zhuǎn)移泵工作流程圖Fig.1 Coal slurry transfer pump flow chart after optimization

2.4 GE水煤漿氣化裝置中氣化工序的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在氣化爐開(kāi)車、停車和故障發(fā)生時(shí)，超高壓氮?dú)饽軌驅(qū)t頭水煤漿及氧氣管線和氣化爐等進(jìn)行吹掃以及進(jìn)行氮?dú)獗Ｗo(hù)。在氣化工序設(shè)計(jì)中優(yōu)化超高壓氮?dú)庀到y(tǒng)，在每套氣化爐系統(tǒng)加用一臺(tái)專用的氮?dú)饩彌_罐，并在其與中心氧氣管間加一專用的氮?dú)獯祾吖芫€。具體裝置比較分別見(jiàn)下圖2、圖3。優(yōu)化后的超高壓氮?dú)庀到y(tǒng)中，如果氣化爐發(fā)生停車，系統(tǒng)先將氧氣管線上游切斷閥關(guān)閉，而后打開(kāi)氮?dú)饩彌_罐吹掃氧氣管線，直至其形成“氮塞”，此后關(guān)閉氧氣管與氮?dú)饩彌_罐間的氮?dú)狻４藭r(shí)，打開(kāi)共用氮?dú)獯祾吖揲y門(mén)，使其對(duì)吹掃氧氣管線，使專用緩沖氮?dú)夤迌?nèi)的壓力能夠保證“氮塞”。優(yōu)化后的超高壓氮?dú)庀到y(tǒng)中“氮塞”具有較強(qiáng)的可靠性，氣化爐也增強(qiáng)了其安全性。

圖2 優(yōu)化前GE超高壓氮?dú)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig.2 GE UHP nitrogen system design before optimization

圖3 優(yōu)化后GE超高壓氮?dú)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.3 GE UHP nitrogen system design after optimization

在氣化工序中，不僅要優(yōu)化超高氮?dú)庀到y(tǒng)的設(shè)計(jì)，還要對(duì)優(yōu)化安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、燒嘴冷卻系統(tǒng)。在爐化安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加用了煤漿管線同氣化室間的壓差聯(lián)鎖、激冷室同氣化室及氣化室合成氣同激冷水之間的壓差聯(lián)鎖等跳車和聯(lián)鎖警報(bào)功能，以提高氣化爐的安全性。在燒嘴冷卻水裝置設(shè)計(jì)中，加用了氮封，以及爆破片。這些改進(jìn)措施大大增強(qiáng)了氣化工序的安全性。

2.5 GE水煤漿氣化裝置中處理渣水工序優(yōu)化設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期以來(lái)，氣化爐合成氣中存在帶灰?guī)畣?wèn)題，產(chǎn)生此問(wèn)題的原因除了與碳洗塔的設(shè)計(jì)不合理、操作不規(guī)范和技術(shù)本身因素外，還與碳洗塔的空塔氣速有關(guān)。在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空塔氣速為0.291 mm/s時(shí)，合成氣中帶灰?guī)畣?wèn)題嚴(yán)重，而塔內(nèi)直徑為3 800 mm時(shí)則無(wú)此現(xiàn)象發(fā)生。在渣水處理工序中，氣化爐下放的鎖斗用來(lái)收集爐渣[5]。通過(guò)交變?nèi)萜鱽?lái)排放水及渣至渣池。一個(gè)渣池對(duì)應(yīng)一臺(tái)鎖斗。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，撈渣機(jī)容易發(fā)生故障，一旦撈渣機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題就立即禁止鎖斗排放渣水，鎖斗容積最大容渣量每小時(shí)不足5 m3，而撈渣機(jī)的檢修一般需4 h，因而，改變鎖斗容積設(shè)計(jì)方能滿足撈渣機(jī)檢修用時(shí)。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)將鎖斗容積設(shè)計(jì)為24 m3，確保能容納4 h的渣水量[6]。

為了減少渣水的少排放或零排放，在GE水煤漿氣化裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)中，加設(shè)了真空閃蒸設(shè)計(jì)。通常情況下，氣化系統(tǒng)裝置只使用一級(jí)真空閃蒸，閃蒸溫在60 ℃左右，真空度在-0.08 MPa(G)，使沉降槽中黑水因溫度高而產(chǎn)生大量蒸汽，使現(xiàn)場(chǎng)彌漫著蒸汽。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，使用兩級(jí)真空閃蒸分離器。一級(jí)真空閃蒸的壓力是-0.07 MPa,閃蒸溫是70 ℃，二級(jí)真空閃蒸壓力較一級(jí)下降0.023 MPa，閃蒸溫是44 ℃。黑水經(jīng)過(guò)二級(jí)真空閃蒸后進(jìn)入沉降槽，因黑水溫度的降低，使其蒸汽量大大減少，改善了環(huán)境。兩級(jí)真空閃蒸分離器設(shè)計(jì)圖如下圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的兩級(jí)真空閃蒸系統(tǒng)圖Fig.4 Two vacuum flash system diagram after optimization

2.6 GE水煤漿氣化裝置中放空除氧系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

水煤漿氣化裝置中的除氧大多直接排放至大氣中，此除氧法浪費(fèi)了氧資源，因其蒸汽的彌漫也給環(huán)境帶來(lái)影響。為此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中將除氧器管線上加設(shè)了氣-液分離罐和水冷器，此法可將氧冷卻會(huì)進(jìn)行火炬燃燒排放，冷凝的液體經(jīng)灰水槽回收再用。同時(shí)，由于火炬總管壓力變化，會(huì)使放空蒸汽不能正常進(jìn)入火炬系統(tǒng)，此時(shí)則利用放空管線直接放空。另外，在放空管線上加設(shè)了消音設(shè)置。放空管線上加設(shè)消音器能夠降低蒸汽放空時(shí)的噪音，減少噪音污染。

GE水煤漿氣化裝置時(shí)當(dāng)前較為先進(jìn)的水煤漿氣化生產(chǎn)技術(shù)，此技術(shù)有較強(qiáng)的適應(yīng)性和較高的碳轉(zhuǎn)化率等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的水煤漿氣化技術(shù)。然而，GE水煤漿氣化技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中還存在諸多危險(xiǎn)因素，如氧氣、氫氣、粉塵、甲烷、一氧化碳和硫化氫等氣化生成物的危險(xiǎn)和生產(chǎn)過(guò)程中氣化裝置設(shè)計(jì)、安裝及操作等因素導(dǎo)致的安全隱患等。為此，對(duì)這些安全隱患進(jìn)行定期排查和檢修將對(duì)GE水煤漿氣化生產(chǎn)工作具有重要意義。同時(shí)，也應(yīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中，不斷地發(fā)現(xiàn)各種問(wèn)題并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提高水煤漿氣化生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

本文從GE水煤漿氣化裝置的基本設(shè)計(jì)需求出發(fā)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，從氣化生產(chǎn)工藝的磨煤、氣化和處理渣水三個(gè)工序流程方面對(duì)該氣化裝置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。從優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容可以看出，基本上全是基于安全和環(huán)保兩方面進(jìn)行改進(jìn)，這不僅是安全生產(chǎn)的必然要求，也是現(xiàn)實(shí)發(fā)展的需要。盡管有些改進(jìn)還需要進(jìn)一步實(shí)踐驗(yàn)證，甚至有些改進(jìn)存在較多爭(zhēng)議，但對(duì)GE水煤漿氣化裝置進(jìn)行不斷研究和改進(jìn)是生產(chǎn)和社會(huì)的必然趨勢(shì)，在今后的生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)不斷加強(qiáng)技術(shù)改進(jìn)，為生產(chǎn)的安全、環(huán)保及高效提供保障。

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Hidden Trouble Investigation and Optimization Design of GE Water Coal Slurry Gasification Plant System

YANG Xiang-yang
（CNOOC Huahe Coal Chemical Co.,Ltd., Heilongjiang Hegang 154100，China）

Coal gasification is a kind of gasification technology which takes water and oxygen or carbon dioxide as gasification agent to produce gas. Now the common gasification device system is GE gasification device. The operation of GE coal water slurry gasifier in the device system is periodic, and the corresponding hidden trouble investigation is periodic, too. The system mainly includes coal grinding system, gasification system and slag water system.GE gasification technology has strong adaptability of raw materials, and effective components in synthetic products are higher. The utilization rate of heat in the furnace is high, but the requirement for coal quality is high, it usually requires coal with ash melting point and high activity, and the life of burner in the process is short. So it is of great significance to carry out periodic hidden trouble investigation for GE gasification plant system.

GE coal slurry gasification plant; Hidden trouble investigation; Optimization

TQ 546

A

1671-0460（2015）09-2165-04

2015-07-10

楊向陽(yáng)（1986-），男，安徽省濉溪縣人，助理工程師，2008年畢業(yè)于齊齊哈爾大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)，研究方向：化工設(shè)備及管道管理工作。E-mail：yk860924@163.com。