王慧，王艷波

（河南能源化工集團(tuán)中原大化公司甲醇事業(yè)部氣化廠，河南457000）

殼牌氣化爐13、16單元簡(jiǎn)介

王慧，王艷波

（河南能源化工集團(tuán)中原大化公司甲醇事業(yè)部氣化廠，河南457000）

殼牌氣化爐采用比較先進(jìn)的煤制氣技術(shù)。根據(jù)工藝任務(wù)的不同，分為幾個(gè)工段。本文從設(shè)備結(jié)構(gòu)，工藝流程，及熱量利用三個(gè)方面簡(jiǎn)單介紹了13、16工段，同時(shí)提及了其他工段。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的一些問題提出了一些需要注意的參數(shù)。

殼牌；煤氣化；設(shè)備結(jié)構(gòu)；分離；熱量；節(jié)能

殼牌煤制氣技術(shù)作為一項(xiàng)越來越成熟的工藝，已經(jīng)為越來越多的廠家所接受。更多的了解該設(shè)計(jì)的理念，是一項(xiàng)重要的工作。

殼牌氣化爐研發(fā)始于1972年，是荷蘭殼牌公司的產(chǎn)品。自1994年起工業(yè)化應(yīng)用，荷蘭比赫納姆的IGCC裝置消耗2000t/d的國(guó)際商品煤。中原大化公司2004年購(gòu)入該項(xiàng)目，2008年投入生產(chǎn)［1］。殼牌裝置可分為11、12、13、14、15、16、17及公共單元。11單元的崗位任務(wù)是準(zhǔn)備干煤粉；12單元的崗位任務(wù)是儲(chǔ)存并輸送煤粉至13單元；13單元包括V-1301，和V-1302兩個(gè)罐體，V-1303將兩個(gè)罐體相連。13單元是裝置的核心單元，反應(yīng)室就內(nèi)置在V-1301罐體中。14單元是收渣下渣單元；15單元是收灰下灰單元；16單元是粗合成氣的濕洗單元；17是廢水的初級(jí)水處理單元；公共單元包括CO2管網(wǎng)和N2管網(wǎng)，以及工藝水罐，酸堿罐，儀表風(fēng)網(wǎng)，工廠風(fēng)網(wǎng)，為上述單元提供所需的吹掃氣，充壓氣，以及儀表動(dòng)力?？傮w來說，11、12單元屬于原材料的制備；13是煤制氣的核心；14、15、16都屬于輔助分離單元。公共單元屬于服務(wù)單元［2］。

13，16的物料簡(jiǎn)圖如圖1。

1　V-1301、V-1303、V-1302的結(jié)構(gòu)

1.1內(nèi)層與外層

V-1301與V-1302兩個(gè)罐體通過V-1303相連。兩個(gè)罐體及V-1303均是雙層結(jié)構(gòu)，外層與內(nèi)層之間形成環(huán)形空間。內(nèi)層是大量細(xì)管組成的膜式壁，通過細(xì)管中的冷卻水及時(shí)移走熱量，保證罐體各處的溫度穩(wěn)定。外層與內(nèi)層之間通過呼吸孔相通，呼吸孔內(nèi)外之間的壓差僅有3kPa左右，中原大化氣化爐（V-1301）的反應(yīng)壓力設(shè)定在3.85～3.90MPa之間，因此高壓主要由外層承受，反應(yīng)溫度即內(nèi)層設(shè)計(jì)溫度13TI9001大概在1550℃左右，經(jīng)過膜式壁的降溫，環(huán)形空間的溫度只有240℃度左右，因此高溫主要由內(nèi)層承受。這樣雙層的結(jié)構(gòu)避免了單層結(jié)構(gòu)既要承受高溫，又要承受高壓的問題，可有效的降低工藝條件對(duì)設(shè)備材質(zhì)的要求，降低設(shè)備成本。

圖1　

V-1301、V-1303、V-1302內(nèi)層膜式壁由各個(gè)獨(dú)立的換熱器組成，按照合成氣的走向順序分別是：反應(yīng)室E-1320，激冷段E-1301，輸氣段E-1302，氣體返回室E-1303A，換熱器E-1306、E-1303B/C/D。其中，E-1320、E-1301內(nèi)嵌在V-1301中，E-1302內(nèi)嵌在V-1303中，其余的內(nèi)嵌在V-1302中。E-1320又可細(xì)分為頂錐，反應(yīng)段膜式壁，馬弗爐，底錐，熱裙及擋渣屏（從上至下）。E-1320與E-1301之間有呼吸孔，呼吸孔連通內(nèi)層與外層。壓縮機(jī)K-1301送來的激冷氣先進(jìn)入環(huán)形空間，然后由反應(yīng)室上面的呼吸孔進(jìn)入內(nèi)層。

1.24燒嘴分布

罐體的核心部位是反應(yīng)室E-1320，干煤粉在反應(yīng)室里實(shí)現(xiàn)合成氣的氣化。4個(gè)燒嘴直接插入到反應(yīng)室的內(nèi)層。這里為了體現(xiàn)V-1301的4燒嘴結(jié)構(gòu)，刻意將煤粉給料倉(cāng)V-1205A/B分開描述；V-1205A提供1#、2#燒嘴的供煤，V-1205B提供3#，4#燒嘴的供煤。實(shí)際上4個(gè)燒嘴位于同一水平面上，逆時(shí)針分布順序?yàn)?#、4#、2#，3#（俯視，從V-1301的上部往下看），那么，1#和2#是相對(duì)的燒嘴；3#和4#是相對(duì)的燒嘴（燒嘴連線近似與氣化爐剖面圓的直徑重合）。實(shí)際上，為了形成更好的流場(chǎng)，1#燒嘴所在的直線與2#燒嘴所在的直線夾角為15度；3#燒嘴所在的直線與4#燒嘴所在的直線夾角為15度；這樣，當(dāng)干煤粉在V-1205與V-1301的壓力差下從燒嘴中噴出的時(shí)候，相對(duì)燒嘴的噴向并不正對(duì)，而是交錯(cuò)的，形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的湍流。

1.3煤燒嘴結(jié)構(gòu)

4燒嘴分布的單個(gè)燒嘴結(jié)構(gòu)都是相同的：分為內(nèi)層和外層。內(nèi)層煤粉進(jìn)入，純氧和水蒸氣從內(nèi)層與外層之間的夾套進(jìn)入；因?yàn)椴牧厦悍凼菬斓娘@著特征，所以燒嘴也稱為煤燒嘴。

1.4點(diǎn)火燒嘴和開工燒嘴

殼牌氣化爐開車階段采用二級(jí)點(diǎn)火，點(diǎn)火燒嘴和開工燒嘴的軌道也直接插入到E-1320內(nèi)層，點(diǎn)火燒嘴的軌道口在下，開工燒嘴的軌道口在上。開工燒嘴的軌道與水平方向有1個(gè)向上的夾角，軌道口基本與煤燒嘴在同一個(gè)平面上。

2　工藝動(dòng)態(tài)描述

此處忽略開車階段的過程，僅從穩(wěn)態(tài)正常生產(chǎn)階段進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。

經(jīng)過11單元處理后的原煤粉經(jīng)過12單元的加壓輸送從煤燒嘴的內(nèi)層進(jìn)入氣化爐反應(yīng)室E-1320，與從煤燒嘴夾套中進(jìn)入反應(yīng)室的純氧與水蒸氣混合物接觸，由于相對(duì)燒嘴夾角15度的設(shè)計(jì)，反應(yīng)物從4燒嘴同時(shí)噴出，即形成旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)。

一般認(rèn)為，煤粉在反應(yīng)室里主要發(fā)生了如下兩個(gè)反應(yīng)：

其中負(fù)號(hào)表示生成反應(yīng)熱。中原大化的O/C比值在0.89與0.95之間，而第一個(gè)反應(yīng)O/C比是0.5，這說明過量的氧氣與煤粉（簡(jiǎn)化為C）發(fā)生了第三個(gè)反應(yīng)［4］

該反應(yīng)也是放熱反應(yīng)。實(shí)際上，殼牌氣化爐的反應(yīng)熱足夠滿足繼續(xù)反應(yīng)的需要。反應(yīng)進(jìn)行不需要提供額外的熱量，整體反應(yīng)是放熱的，多余的反應(yīng)熱通過換熱器E-1320及時(shí)移走，以保證反應(yīng)室的溫度恒定。

反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)室后，在合適的溫度及壓力條件下，（中原大化氣化爐的壓力控制在3.85～3.9MPa，反應(yīng)室的溫度13TI9001不能直接測(cè)量，經(jīng)過熱量核算的粗算，實(shí)際在1470度左右），瞬間進(jìn)行反應(yīng)，煤粉被氣化成粗合成氣，粗合成氣夾帶著不能反應(yīng)的飛灰以及沒有來得及反應(yīng)的煤粉螺旋上升，此時(shí)，由于停留時(shí)間的限制，不能反應(yīng)的煤粉由于溫度的作用，處于熔融態(tài)，在離心力的作用下，稍大點(diǎn)的熔融態(tài)物塊被甩到E-1320內(nèi)壁上，冷卻后流動(dòng)性下降，緩慢經(jīng)反應(yīng)段膜式壁，部分經(jīng)馬弗爐，底錐，熱裙及擋渣屏流向渣口，去往14收渣單元。新的熔融態(tài)物塊又被持續(xù)的甩到冷卻壁上，形成流動(dòng)性的渣壁。粗合成氣和小的飛灰則持續(xù)向上，行至E-1301，在這里被K-1301送來的激冷氣直接冷卻，同時(shí)被E-1301的冷卻水間接冷卻至大約900℃（13TI9002），之后繼續(xù)向下游前進(jìn)，被E-1302、E-1303A冷卻，同時(shí)在E-1303A處轉(zhuǎn)向，因此E-1303A又稱氣體返回室。到達(dá)E-1306、E-1306的冷卻介質(zhì)是V-1304（汽包）的飽和蒸汽，飽和蒸汽的溫度相對(duì)于對(duì)應(yīng)的飽和冷卻水溫度更低，冷卻效果更好，此處被冷卻至 650攝氏度左右（13TI9003）、13TI9001、13TI9002、13TI9003這三個(gè)溫度都不是實(shí)測(cè)溫度，都是根據(jù)熱量衡算計(jì)算出來的。殼牌氣化爐對(duì)于13TI9003的溫度有著特別的要求：13TI9003=T4*2/3-150，其中，T4是指煤粉的流化溫度（FT），因?yàn)镋-1306這個(gè)換熱器位于粗合成氣的流道上，導(dǎo)致粗合成氣的流通橫截面積減少，且粗合成氣夾帶的飛灰容易在此聚集，若是此處溫度過高，飛灰粘性增加，更加劇了飛灰集聚的可能性。事實(shí)上，中原大化廠在開車初期，確實(shí)多次因?yàn)檫@個(gè)原因?qū)е麓趾铣蓺庠诖颂幍牧魍ㄋ俣仍龃?，E-1306兩端壓差過高，存在膜式壁磨穿的風(fēng)險(xiǎn)而停車。為了減少此處飛灰的聚集，除了溫度的控制外，殼牌還設(shè)計(jì)了一處反吹，通過8.7MPa的CO2反吹氣吹落停留在E-1306上的浮灰，保證合成氣的流通橫截面。以及遍布V-1301、V-1303、V-1302的59個(gè)敲擊振打裝置不間斷的逐個(gè)敲擊，以期振落各換熱器上的浮灰，保證換熱器的換熱效果。之后粗合成氣經(jīng)過E-1303B/C/D的冷卻，降溫至380℃左右離開V-1302，整個(gè)V-1302可以說是由換熱器E-1303A、E-1306、E-1303B/C/D所組成，這些換熱器的冷卻介質(zhì)是來自鍋爐的鍋爐水，經(jīng)過合成氣的換熱后返回汽包V-1304，生成副產(chǎn)品中壓蒸汽，4.95～5.10MPa，并入中壓蒸汽管網(wǎng)，給整個(gè)系統(tǒng)提供伴熱及加熱低溫介質(zhì)，因此V-1302是合成氣冷卻器（SGC）的同時(shí)，也可稱之為“鍋爐”。

粗合成氣到達(dá)S-1501（飛灰濾罐）后，利用24組濾棒，每組48根，通過過濾除去其中夾帶的飛灰。24組濾棒的反吹氣也由8.7MPa的CO2提供，通過文丘里的減壓不間斷的逐組吹落在濾棒上的浮灰，保證濾棒的再生。此處設(shè)置壓差表可以反應(yīng)濾棒的積灰情況。被分離出的飛灰隨后落入V-1501，每3h一次被清理出系統(tǒng)。除灰后的合成氣一部分直接去往K-1301參與激冷，一部分送往C-1601濕洗，濕洗所用的工藝水來自于空分工段的透平冷凝液或者脫鹽水。C-1601濕洗罐的填料采用亂堆方式，合成氣自下往上，工藝水自上往下，通過填料組成的彎曲路徑密切接觸，實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)傳熱，最終，煤中的Cl，F(xiàn)等元素燃燒后轉(zhuǎn)化成的對(duì)應(yīng)的HCl，HF等及NH3和微量固體從合成氣中被分離，濕洗后的廢水送往17單元進(jìn)行初級(jí)水處理，經(jīng)過濕洗后的合成氣以1：1.3的比例分為兩股，較少的一股送往甲醇工段合成甲醇，較多的一股與從S-1501出來的一部分匯合去K-1301壓縮機(jī)做激冷氣。激冷氣的溫度大約在240℃。為了提升酸性氣的溶解度，C-1601中加入了21%（質(zhì)量百分比）的NaOH。

K-1301做為激冷氣壓縮機(jī)，由電機(jī)帶動(dòng)，電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速經(jīng)過變速箱的兩次提速，高速軸帶動(dòng)葉輪給合成氣提供動(dòng)力，轉(zhuǎn)速可達(dá)8000～9000轉(zhuǎn)/分。在實(shí)際生產(chǎn)中，高速軸的軸向震動(dòng)振值是54μm，是個(gè)必須關(guān)注的參數(shù)。

3　氣包（V-1304）即水氣系統(tǒng)

氣化爐水汽系統(tǒng)的流程簡(jiǎn)圖如圖2。

圖2　

V-1304通過3臺(tái)循環(huán)水泵P-1301A/B/C（圖中未標(biāo)出）將鍋爐水送往各換熱器進(jìn)行冷卻，冷卻水得到熱量，變成飽和蒸汽，回到V-1304，在V-1304實(shí)現(xiàn)氣液分離，之后的飽和蒸汽一部分送往15單元給其提供伴熱，防止15單元的飛灰溫度過低，其中的水蒸氣以水珠的形式出現(xiàn)，增加飛灰的黏性，導(dǎo)致下灰不暢，一部分送往E-1306跟粗合成氣換熱，變成過熱蒸汽，并入中壓蒸汽管網(wǎng)。氣液分離后的V-1304罐中，下部是飽和水溶液，上部是飽和蒸汽。罐上部用隔板把罐分為大小兩室，下部連通，因?yàn)殄仩t水管道與大室底部連通，導(dǎo)致低溫鍋爐水直接進(jìn)入了大室，根據(jù)“密相輸送”原理，大室液位略低于小室液位。鍋爐水溫度是140攝氏度左右，汽包水溫度是265攝氏度左右，汽包壓力控制在4.95～5.10MPa。正是根據(jù)鍋爐水獲得的熱量等于合成氣失去的熱量，算得13TI9001，13TI9002，13TI9003。上圖主要是為了說明氣化爐的熱量衡算，因此兩處V-1304的排放未標(biāo)出，一路是間斷排污，主要是排出V-1304中累計(jì)的SiO2，F(xiàn)e等雜質(zhì)；一路是連續(xù)排污，主要是排出V-1304中的鹽分。此外，還有一路汽包水去跟氧氣進(jìn)行了預(yù)熱；開車階段，有一路開工蒸汽進(jìn)入汽包，隨著循環(huán)水泵，給整個(gè)氣化爐升溫。

附：中原大化中化室給汽包水做的分析項(xiàng)目及分析結(jié)果為：pH9.51、電導(dǎo)14.03μs/cm、SiO243.2μg/L送往甲醇工段的合成氣組分（體積百分比/%）為CO67.39、H220.03、CO210.18、N21.50、O2+A0.186+ H2S0.11×10-4。

4　結(jié)語(yǔ)

殼牌氣化爐采用了先進(jìn)的煤制氣技術(shù)，且實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)連續(xù)生產(chǎn)，對(duì)不同煤種也有一定的適應(yīng)性。反應(yīng)所需熱量由反應(yīng)自身的熱量提供，沒有額外熱源，且提供出副產(chǎn)品中壓蒸汽。物料，熱量都得到了有效利用。中原大化公司在2014年的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)了長(zhǎng)周期263dA級(jí)運(yùn)行。

［1］柴誠(chéng)敬，張國(guó)亮.化工流體流動(dòng)與傳熱［M］化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］賈紹義，柴誠(chéng)敬.化工傳質(zhì)與分離過程，化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］陳之川，工業(yè)化學(xué)與化工計(jì)算［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，1992.

［4］馬沛生，化工熱力學(xué)［M］，化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.05.016

TQ545

C

1008-1267（2015）05-0047-04

2015-06-03

王慧（1982～），女，本科，助理工程師。

王艷波（1981～），男，本科，助理工程師。