胡慶麗，彭愛軍，唐 亮

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

幾種典型煤氣化工藝設(shè)備布置方案探討

胡慶麗，彭愛軍，唐 亮

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

結(jié)合工程實(shí)例，分析和探討了Shell干煤粉氣化工藝、WHG煤粉加壓氣化工藝、某新型粉煤氣化工藝以及多元料槳?dú)饣に嚨难b置設(shè)備布置方案，總結(jié)氣化工藝設(shè)備布置的主要特點(diǎn)，以期對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)改造在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、節(jié)約占地、減少項(xiàng)目投資等方面起到指導(dǎo)意義。

粉煤氣化工藝；水煤漿氣化工藝；設(shè)備布置

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.007

煤化工是我國化工行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，煤氣化技術(shù)作為煤化工的核心所在，在我國新型煤化工產(chǎn)業(yè)中迅速發(fā)展。目前，隨著化工裝置生產(chǎn)規(guī)模的不斷增大，作為源頭的氣化爐，其單臺(tái)生產(chǎn)能力往往難以滿足下游產(chǎn)能或擴(kuò)展生產(chǎn)的需要，有些化工企業(yè)在一臺(tái)氣化爐生產(chǎn)能力難以滿足生產(chǎn)需要的情況下，開始著手籌備建設(shè)一套新氣化爐裝置；對(duì)于新建煤制烯烴、煤制天然氣、煤制油等大型項(xiàng)目，企業(yè)更傾向于選擇直接新建多系列氣化爐(2臺(tái)氣化爐系列或多臺(tái)氣化爐系列)布置于同一結(jié)構(gòu)框架。本文結(jié)合實(shí)際案例，對(duì)目前廣泛應(yīng)用的幾種典型粉煤氣化工藝和水煤漿氣化工藝的裝置設(shè)備布置方案進(jìn)行分析和探討，總結(jié)氣化工藝設(shè)備布置的主要特點(diǎn)，以期在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、節(jié)約占地、減少項(xiàng)目投資等方面，對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)和改造起到借鑒意義。

1 粉煤氣化工藝

粉煤氣化技術(shù)是當(dāng)前世界上最先進(jìn)的煤氣化技術(shù)之一，因其具有煤種適應(yīng)性廣、原料能耗低、碳轉(zhuǎn)化率高、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。本文主要針對(duì)成熟先進(jìn)的Shell干煤粉氣化技術(shù)、國產(chǎn)化五環(huán)爐粉煤加壓技術(shù)、由某煤炭研究所和某工程公司共同開發(fā)的新型干煤粉氣化技術(shù)，以下就這3種粉煤氣化工藝的設(shè)備布置方案展開討論。

1.1 Shell干煤粉氣化工藝

Shell干煤粉氣化工藝作為粉煤氣化技術(shù)的代表，具有發(fā)展迅速、技術(shù)領(lǐng)先、環(huán)境友好、開車運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，工藝主要流程包括：磨煤及干燥、煤粉加壓及給料、煤氣化、除渣、除灰、濕洗及初步水處理。目前市場(chǎng)上以單臺(tái)投煤能力1 000t/d和2 000t/d居多(典型案例分別見圖1和圖2)，單臺(tái)氣化爐能力最大可達(dá)到3 000t/d(案例見圖3)，氣化爐燒嘴由4個(gè)增加為6個(gè)；在設(shè)備布置方面，2 000t/d與1 000t/d相比，需考慮大型磨煤機(jī)檢修、大小濾袋布置、大型放空管道布置、框架基礎(chǔ)沉降等因素，將磨煤框架與煤氣化框架脫開適當(dāng)距離布置。3 000t/d氣化爐因生產(chǎn)能力增大，下游單元處理能力及公用工程規(guī)模隨之增大，因除灰系統(tǒng)煤種含灰量較大需增加一套旋風(fēng)除灰設(shè)備，氣化框架由原2跨增加為3跨，同時(shí)受現(xiàn)有磨煤機(jī)處理能力限制，磨煤系統(tǒng)由原2臺(tái)磨煤機(jī)(1開1備)增加到3臺(tái)磨煤機(jī)(2開1備)，設(shè)備布置單層建筑面積超過了GB50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定的最大允許建筑面積2 000m2(耐火等級(jí)為一級(jí))，故在磨煤框架和煤氣化框架之間設(shè)置了防火墻進(jìn)行防火分區(qū)。Shell干煤粉氣化工藝的氣化爐設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，質(zhì)量較重，且配套有廢熱鍋爐系統(tǒng)，項(xiàng)目投資大，目前多系列氣化爐布置于同一框架還比較少見。某大型企業(yè)選擇3系列Shell干煤粉氣化爐(單臺(tái)投煤量3 000t/d)，基于規(guī)模較大等因素影響，3系列氣化爐分別位于3個(gè)獨(dú)立框架，依據(jù)合成氣(H2、CO、NH3、HCN等混合氣)爆炸極限，煤氣化裝置火災(zāi)危險(xiǎn)類別為乙類，設(shè)備布置參照GB50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》執(zhí)行，根據(jù)表4.2.12石油化工廠總平面布置的防火間距(m)，乙類裝置之間最小距離為20m，三框架之間距離為30m，滿足防火規(guī)范要求。

圖1 Shell干煤粉氣化工藝1 000t/d典型設(shè)備布置

圖2 Shell干煤粉氣化工藝2 000t/d典型設(shè)備布置

圖3 某工程Shell干煤粉氣化工藝3 000t/d設(shè)備布置

圖4 某工程Shell下行水激冷流程氣化工藝1 000t/d設(shè)備布置

Shell公司新開發(fā)的下行水激冷流程氣化技術(shù)氣化爐結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量較輕，單臺(tái)氣化爐能力1 000t/d，其工藝流程為：磨煤及干燥、煤粉加壓及給料、煤氣化、除渣、除灰、濕洗及初步水處理，比干煤粉氣化工藝流程減少了合成氣冷卻器、飛灰過濾器、激冷氣壓縮機(jī)等極易在運(yùn)行中發(fā)生事故的大型設(shè)備，大大縮減了項(xiàng)目投資，單臺(tái)氣化爐設(shè)備布置見圖4。本案例煤種含水量較高，在氣化框架增加煤粉預(yù)干燥系統(tǒng)，框架增加為5跨。若此新工藝在實(shí)踐過程中環(huán)保性能好、運(yùn)行穩(wěn)定，為增大合成氣生產(chǎn)能力，則雙系列或多系列氣化爐布置在同一框架的設(shè)計(jì)方案將成為企業(yè)的優(yōu)選。

1.2 五環(huán)爐(WHG)粉煤加壓氣化工藝

中國五環(huán)工程有限公司與科研院所及制造廠共同研究開發(fā)了五環(huán)爐粉煤加壓氣化技術(shù)，工藝流程包括：磨煤及干燥、煤粉加壓及給料、煤氣化、除渣、合成氣水浴激冷及濕洗、初步水處理，該工藝裝置于2009年和2010年分別建立了2套投煤量1 200t/d的示范裝置和1套投煤量1 200t/d的示范裝置，設(shè)備布置分別見圖5和圖6。五環(huán)爐單系列氣化工藝1 200t/d設(shè)備布置方案將灰水處理閃蒸工序布置在氣化框架，因而相比Shell干煤粉氣化工藝1 000t/d典型設(shè)備布置圖增加了1跨；五環(huán)爐(WHG)2套爐示范裝置則采用了雙系列氣化爐平行布置在同一框架，備煤框架布置3臺(tái)磨機(jī)(2開1備)供2臺(tái)氣化爐，在工藝流程上相比2臺(tái)氣化爐單獨(dú)布置節(jié)約了1臺(tái)備用磨機(jī)，氣化框架中兩系列共用的設(shè)備和公用工程占1跨，節(jié)約占地。除結(jié)構(gòu)復(fù)雜的五環(huán)爐本體采用平行復(fù)制布置外，其他單元兩個(gè)系列采用了鏡像布置，這樣能使鏡像布置在外形方面更加美觀，但對(duì)于后期設(shè)備采購和配管提出了更高要求。五環(huán)爐雙系列布置方案在增大生產(chǎn)規(guī)模、節(jié)約工廠用地、減少項(xiàng)目投資等方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，為干煤粉氣化相似爐型的多系列布置提供了參考和借鑒。

圖5 五環(huán)爐雙系列氣化爐1 200t/d設(shè)備布置

圖6 五環(huán)爐單系列氣化爐1 200t/d設(shè)備布置

圖7 某新型氣化工藝4系列氣化爐2 200t/d設(shè)備布置

1.3 某新型粉煤氣化工藝

某煤炭科學(xué)研究所和某工程公司共同開發(fā)了投煤2 200t/d的新型干煤粉氣化技術(shù)，工藝流程包括：磨煤及低壓輸送、煤粉加壓輸送、氣化、除渣、合成氣洗滌、黑水閃蒸，該氣化技術(shù)除具有干煤粉氣化技術(shù)氧耗低、煤耗低、煤種適應(yīng)性廣等一系列優(yōu)點(diǎn)外，還具有氣化爐生產(chǎn)能力大、操作壓力高、采用新型組合燒嘴、氣化工藝系統(tǒng)相對(duì)簡單等優(yōu)勢(shì)。某項(xiàng)目該煤氣化工藝技術(shù)設(shè)備布置方案以4系列氣化爐(A系列、B系列、C系列和D系列)為1個(gè)聯(lián)合生產(chǎn)區(qū)域，見圖7，該工藝布置方案區(qū)別于Shell工藝和WHG工藝布置的特點(diǎn)之一，是磨煤框架以獨(dú)立裝置布置，而沒有與氣化裝置聯(lián)合布置； A系列和B系列共用一個(gè)框架，C系列和D系列共用一個(gè)框架，相鄰的兩個(gè)氣化系列共用一個(gè)黑水處理工序、氣化介質(zhì)供應(yīng)工序和公用工程工序。根據(jù)結(jié)構(gòu)專業(yè)的規(guī)定，AB系列框架與CD系列框架之間留出寬度為2m的伸縮縫，由于此聯(lián)合生產(chǎn)區(qū)域單層建筑面積>2 000m2，則在AB系列和CD系列之間設(shè)置了防火墻進(jìn)行防火分區(qū)；對(duì)于設(shè)備布置和管道布置，A系列和B系列采用鏡像布置(包括氣化爐)，CD系列為AB系列的平行復(fù)制。

上述介紹的Shell和WHG粉煤加壓氣化工藝由于煤粉輸送易造成堵塞以及節(jié)約輸煤管線等問題，在布置方面通常將磨煤框架與氣化框架設(shè)計(jì)為聯(lián)合布置以縮短煤粉輸送距離，而該工藝裝置由于氣化爐集中布置，占地面積較大，則將磨煤框架與氣化框架脫開布置，并相應(yīng)增加了一套低壓煤粉輸送系統(tǒng)(新增煤粉儲(chǔ)倉和煤粉發(fā)送裝置)，將大袋式過濾器布置在磨煤框架(新增煤粉儲(chǔ)倉上方)，可有效降低氣化框架的高度。多系列氣化爐集中布置方案使得裝置布置更為緊湊，安裝檢修生產(chǎn)維護(hù)更為方便，占地面積更為節(jié)約，是化工裝置大型化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 水煤漿氣化工藝

水煤漿氣化工藝于20世紀(jì)80年代初進(jìn)入我國，經(jīng)過30多年的研究開發(fā)和推廣，已成為我國煤氣化技術(shù)的主導(dǎo)技術(shù)之一。其主要工藝流程包括：料漿制備、料漿加壓氣化、粗煤氣凈化、排渣和灰水處理。各種水煤漿工藝流程大致相似，設(shè)備布置也比較典型和完善，本文以某項(xiàng)目使用西北化工研究院開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多元料漿氣化技術(shù)為案例進(jìn)行分析和探討，設(shè)備布置見圖8(氣化爐為2開1備)。

圖8 某工程多元料漿氣化工藝3系列氣化爐1 000t/d設(shè)備布置

因漿液(液固兩相流)極易對(duì)氣化爐燒嘴造成磨損，煤漿氣化工藝通常都有備爐系統(tǒng)，因此工業(yè)生產(chǎn)雙系列布置或多系列布置更為常見。多系列氣化爐集中布置易于施工吊裝、操作維修和生產(chǎn)管理，但由于氣化框架建筑面積較大，同時(shí)煤漿和渣水輸送較為穩(wěn)定，通常將磨煤裝置、氣化裝置、渣水處理裝置分開布置，其防火距離要求根據(jù)各裝置火災(zāi)危險(xiǎn)類別滿足GB50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》表4.2.12石油化工廠總平面布置的防火間距(m)。上述某新型粉煤氣化工藝設(shè)備布置方案與水煤漿氣化工藝設(shè)備布置方案相似，比較煤粉輸送和水煤漿輸送系統(tǒng)，水煤漿氣化輸送系統(tǒng)更為簡單，設(shè)備少，無易堵塞的煤粉重力流系統(tǒng)，煤槳輸送框架和氣化框架相比較矮，投資成本較低，但水煤漿氣化爐燒嘴易于損壞，檢修頻率較高，且其在碳轉(zhuǎn)化率、冷煤氣效率和煤氣有效成分百分比等方面不如干煤粉氣化工藝高。水煤漿氣化因國產(chǎn)化技術(shù)成熟可靠、氣化爐結(jié)構(gòu)簡單易于制造、煤漿液輸送穩(wěn)定、煤氣除塵簡單、投資成本較低等優(yōu)勢(shì)，在我國氣化技術(shù)發(fā)展中依然具有良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

(1)Shell干煤粉氣化技術(shù)(廢鍋流程)在我國應(yīng)用廣泛，運(yùn)行穩(wěn)定，熱量回收率高，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，單套系列設(shè)備布置方案成熟，由于其工藝系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備較多，雙系列或多系列氣化爐集中布置尚有一定難度。新型Shell下行水激冷流程氣化技術(shù)氣化爐結(jié)構(gòu)簡單，減少了廢鍋冷卻、飛灰處理、激冷氣壓縮等系統(tǒng)，簡化了工藝流程，縮減了項(xiàng)目投資，隨著項(xiàng)目規(guī)模的大型化，此技術(shù)在我國雙系列或多系列氣化爐集中布置領(lǐng)域具有很大的市場(chǎng)空間。

(2)五環(huán)爐氣化工藝和某新型粉煤氣化工藝屬于國產(chǎn)化技術(shù)，此兩種工藝技術(shù)提供了雙系列和多系列氣化爐集中布置方案，在增大生產(chǎn)規(guī)模、節(jié)約工廠用地、減少項(xiàng)目投資、方便維修操作管理等方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。

(3)水煤漿氣化工藝是成熟可靠的國產(chǎn)化氣化技術(shù)，具有氣化爐結(jié)構(gòu)簡單、工藝流程簡潔、操作安全可靠、氣化框架高度較低、項(xiàng)目投資成本少等諸多優(yōu)勢(shì)，其多系列氣化爐集中布置也比較典型和成熟，在我國已有多套成功投產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，也為其他氣化爐集中布置提供了經(jīng)驗(yàn)和值得借鑒之處。

(4)多系列氣化爐布置(當(dāng)煤氣化裝置火災(zāi)危險(xiǎn)類別為乙類時(shí))應(yīng)注意根據(jù)GB50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定，高層廠房的單層最大允許建筑面積2 000m2，當(dāng)單層面積超過限制時(shí)，應(yīng)依據(jù)此規(guī)范進(jìn)行防火分區(qū)；適當(dāng)時(shí)可將磨煤單元、氣化單元、渣水處理單元分開布置(單系列或雙系列布置時(shí)各單元可形成聯(lián)合布置)，各單元防火距離應(yīng)滿足GB50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》表4.2.12石油化工廠總平面布置的防火間距(m)。

修改稿日期： 2016-10-11

Discussing on Equipment Layout of Several Representative Coal Gasification Process

HU Qing-li，PENG Ai-jun，TANG Liang

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223China)

Combined with the engineering examples，this paper analyzes and discusses the equipment layout of Shell coal gasification process，WHG coal gasification process，a new coal gasification process and multi-element slurry gasification process.It has also summarizes the main features of gasification process and equipment layout，hoping to provide guidance to the subsequent design，production and transformation in terms of meeting the design specifications，expanding the scale of production，saving industrial land and reducing project investment.

coal gasification process；slurry gasification process；equipment layout

胡慶麗(1982年—)，女，河南商丘人，2007年畢業(yè)于鄭州大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事化工工程設(shè)計(jì)等工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.007

TQ 545

B

1004-8901(2017)01-0027-06