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        多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)在工程應(yīng)用中的優(yōu)化及改造

        2018-04-18 12:17:24趙礦生
        氮肥與合成氣 2018年1期
        關(guān)鍵詞:耐火磚灰水水煤漿

        趙礦生

        (山東兗礦國拓科技工程有限公司,山東滕州 277527)

        多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)是由兗礦集團(tuán)和華東理工大學(xué)共同開發(fā)的,技術(shù)人員通過理論研究、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、工業(yè)中試、工業(yè)示范、工業(yè)放大等技術(shù)開發(fā)過程,掌握了多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)的工程放大規(guī)律,并證明了其研究與放大方法是科學(xué)的、正確的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模於似湎蚋笠?guī)??缭降睦碚撆c工程化基礎(chǔ)。多噴嘴氣化技術(shù)先后被應(yīng)用到“九五”、“十五”、“十一五”、“十二五”國家863科技研發(fā)項(xiàng)目中,已形成了日處理煤1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,4 000 t和 4.0 MPa、6.5 MPa不同壓力等級的系列爐型[1-3]。

        目前,多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)已被國內(nèi)外47家用戶應(yīng)用,共計(jì)建設(shè)143臺氣化爐,至今已經(jīng)有22家企業(yè)60臺氣化爐投入運(yùn)行。已投產(chǎn)運(yùn)行的生產(chǎn)裝置可證明多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)是先進(jìn)的、成熟的、可靠的,不同爐型和壓力等級的工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明,多噴嘴氣化技術(shù)碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%,有效氣成分高,比氧耗和比煤耗低,合成氣中塵含量低,工藝燒嘴及耐火磚壽命長[4-5]。

        從2005年第1套千噸級工業(yè)示范裝置投產(chǎn)以來,技術(shù)人員不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),并持續(xù)從以下幾個(gè)方面對多噴嘴氣化技術(shù)工藝流程及關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級和改善,使得工藝流程更趨合理,關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行周期更長,工況更穩(wěn)定。

        1 氣化爐拱頂高徑比優(yōu)化

        1.1 存在的問題

        多噴嘴對置式水煤漿氣化爐第1套工業(yè)示范裝置曾出現(xiàn)過因拱頂高徑比偏低導(dǎo)致拱頂磚壽命短且易超溫等現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)第1套工業(yè)示范裝置時(shí),氣化爐拱頂部位的高徑比取值比中試爐型的略低,投產(chǎn)后造成高溫區(qū)域靠近拱頂,煤漿與氧氣對撞后形成的向上撞擊流股速度過高,氣化爐拱頂磚受到高溫和沖刷的雙重作用,難以在拱頂部位的耐火磚表面形成有效的渣膜保護(hù),造成拱頂耐火磚蝕損速率偏高(拱頂磚壽命短),導(dǎo)致拱頂磚發(fā)生超溫現(xiàn)象。

        1.2 處理措施

        2016年之前,在現(xiàn)有條件下采取了以下措施:①將燒嘴的外環(huán)氧通道間隙適當(dāng)加大,使氧氣的噴口速度由設(shè)計(jì)的140 m/s降低至100~110 m/s,在保證霧化效果的前提下,降低上升氣流的速度,以減小對拱頂耐火磚的沖刷。②適當(dāng)降低氣化爐的負(fù)荷的同時(shí),可提高氣化爐的操作壓力,以保證燒嘴外環(huán)氧氣的噴口速度始終維持在100~110 m/s,氣化爐生產(chǎn)負(fù)荷提高后,系統(tǒng)操作壓力相應(yīng)提高;并在此基礎(chǔ)上,制定了合理的壓力負(fù)荷對應(yīng)關(guān)系,要求操作人員按照壓力負(fù)荷對應(yīng)關(guān)系調(diào)整氣化爐負(fù)荷。③嚴(yán)格控制原料煤的質(zhì)量和煤漿的制備質(zhì)量,保證原料煤灰熔點(diǎn)和煤漿濃度的穩(wěn)定。

        通過上述優(yōu)化調(diào)整,氣化爐裝置拱頂耐火磚壽命均能達(dá)到8 000 h以上。2016年,先后對第1套工業(yè)示范裝置的2臺氣化爐進(jìn)行升級改造,通過增加氣化爐拱頂高度、增大高徑比值、降低上升流股流速,使物料的停留時(shí)間分布更為合理,提高了爐內(nèi)單位容積內(nèi)顆粒濃度,強(qiáng)化了顆粒之間的碰撞,提高了氣化效率。目前氣化爐生產(chǎn)負(fù)荷達(dá)130%,系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良,氣化運(yùn)行穩(wěn)定。結(jié)合工業(yè)示范的工程經(jīng)驗(yàn),后續(xù)所有項(xiàng)目中,在設(shè)計(jì)階段進(jìn)一步優(yōu)化氣化爐拱頂高徑比取值,氣化爐拱頂耐火磚壽命已超過12 000 h。

        2 耐火磚結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        氣化爐燃燒室為進(jìn)行氣化與燃燒反應(yīng)的氣流床反應(yīng)器,氣化爐金屬殼體設(shè)計(jì)溫度約425 ℃。為防止高溫火焰使金屬殼體受熱變形,多噴嘴對置式水煤漿氣化爐燃燒室采用耐火磚結(jié)構(gòu),耐火磚分為3層,從里到外依次為向火面磚(Cr-Al-Zr磚)、背襯磚(Cr-Al磚)、隔熱磚(純Al2O3)。爐體耐火磚從上到下依次為拱頂、筒體、錐底,為了便于局部更換,在燒嘴的上、下部分別設(shè)置托磚架。

        2.1 存在的問題

        氣化爐燃燒室砌筑耐火磚后,燃燒室內(nèi)徑比氣化爐殼體內(nèi)徑縮減1 000 mm左右,造成氣化爐燃燒室內(nèi)有效反應(yīng)容積減小,從而制約了裝置提產(chǎn)的要求。

        2.2 處理措施

        對氣化爐隔熱襯里進(jìn)行減薄優(yōu)化,主要對背襯磚厚度進(jìn)行了削減,同時(shí)增加隔熱磚厚度。在相同鋼殼體內(nèi)徑下,減薄優(yōu)化后的氣化爐爐膛有效容積顯著增大,有利于在不增加設(shè)備投資的情況下提高氣化爐處理能力。

        通過理論計(jì)算,比較減薄優(yōu)化前、后的耐火襯里結(jié)構(gòu)。減薄優(yōu)化前,由于背襯磚厚度引起的熱阻增加,耐火磚層、托磚架和爐殼內(nèi)的整體溫度分布均比減薄優(yōu)化后的低,托磚架和筋板的最高溫度比減薄優(yōu)化后低約60 ℃,最低溫度比減薄優(yōu)化后低約30 ℃;爐殼和鰭片中的最高溫度比減薄優(yōu)化后低約30 ℃,最低溫度比減薄優(yōu)化后低約20 ℃。因此,減薄優(yōu)化后的耐火襯里結(jié)構(gòu)雖然會增加爐殼和托磚架超溫的風(fēng)險(xiǎn),但由于溫度升高并不明顯,這一風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)當(dāng)在可控范圍內(nèi)。

        3 蒸發(fā)熱水塔結(jié)構(gòu)升級

        多噴嘴氣化工藝中渣水處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是蒸發(fā)熱水塔,氣化爐及煤氣化初步凈化系統(tǒng)來的渣水分別減壓后導(dǎo)入蒸發(fā)熱水塔蒸發(fā)室,渣水大量汽化,溶解在水中的酸性氣體解吸;蒸發(fā)室產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入熱水室與循環(huán)灰水直接接觸換熱,使灰水得到最大程度的升溫。

        3.1 存在的問題

        在早期設(shè)計(jì)中,蒸發(fā)熱水塔熱水室采用填料結(jié)構(gòu)形式,由于填料塔的特殊結(jié)構(gòu)形式,個(gè)別廠家曾出現(xiàn)過填料段積灰和帶水現(xiàn)象,致使熱回收效率降低,同時(shí)存在停車檢修時(shí)填料清理困難、需回裝等問題。

        3.2 處理措施

        對后期設(shè)計(jì)裝置中的蒸發(fā)熱水塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整,通過對氣、液、固三相介質(zhì)的混合傳遞過程的深入研究,設(shè)計(jì)出傳質(zhì)強(qiáng)化、抗堵渣能力強(qiáng)的塔盤結(jié)構(gòu)形式,采用新一代的塔盤式閃蒸-換熱一體化技術(shù)。該塔盤形式具有自清潔功能,大大提高了工業(yè)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

        該技術(shù)基于蒸發(fā)與冷凝分離原理,將旋流流動、閃蒸相變與直接換熱3個(gè)過程耦合在一個(gè)塔器內(nèi),含渣黑水處理系統(tǒng)流程簡單、投資少、易放大且操作彈性寬,能更高效地完成含渣黑水的熱量回收、灰水的利用和除渣這3個(gè)工藝任務(wù),系統(tǒng)的熱量可進(jìn)一步得到綜合利用。

        將塔盤式閃蒸-換熱一體化的蒸發(fā)熱水塔應(yīng)用于水煤漿氣化過程后,借助旋流閃蒸,粗合成氣初步洗滌后的黑水中液態(tài)水閃蒸為蒸汽,黑水中所溶解的酸性氣體、不凝性氣體也一并得以閃蒸脫除,進(jìn)一步提高了灰水水質(zhì)。由于氣化灰水的水質(zhì)優(yōu)良,焓值高,完全能滿足粗合成煤氣除塵洗滌的要求,且出界區(qū)合成氣水氣比高,減少了后續(xù)工段的蒸汽需求。

        4 水洗塔塔盤形式改造

        4.1 存在的問題

        氣流床煤氣化生成的粗合成氣中細(xì)灰含量較高,若不能有效分離,將給合成氣凈化系統(tǒng)帶來較大的影響。在早期設(shè)計(jì)的裝置中,合成氣洗滌核心設(shè)備水洗塔采用全泡罩塔盤式結(jié)構(gòu),部分裝置運(yùn)行到后期時(shí),出現(xiàn)了下部與灰水接觸的塔盤結(jié)垢,造成水洗塔帶水,進(jìn)而影響合成氣洗滌效果,致使系統(tǒng)波動。

        4.2 處理措施

        在水洗塔中部設(shè)置2~4層篩孔塔盤,利用渣水處理系統(tǒng)返回的灰水對合成氣進(jìn)行洗滌;在洗塔上部設(shè)置 2~4 層泡罩塔盤,用變換單元返回的清潔冷凝液對合成氣進(jìn)行最終洗滌。通過對水洗塔的結(jié)構(gòu)改造并結(jié)合合成氣分級凈化除灰工藝,實(shí)現(xiàn)了氣化裝置出氣化界區(qū)合成氣中含塵質(zhì)量濃度低于1 mg/m3(標(biāo)態(tài))的技術(shù)目標(biāo),為氣化裝置穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了良好的條件,保證了合成氣的凈化質(zhì)量,并降低了能量消耗。

        5 結(jié)語

        從2005年第1套采用多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)的工業(yè)示范裝置投產(chǎn)至今,技術(shù)人員通過理論結(jié)合裝置的實(shí)際運(yùn)行情況,已對多套裝置進(jìn)行優(yōu)化升級,通過優(yōu)化氣化爐高徑比,延長了氣化爐拱頂磚使用壽命;對水洗塔塔盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,既保證了合成氣的洗滌效果,又避免了水洗塔帶水的問題;蒸發(fā)熱水塔換熱室填料塔升級為塔盤結(jié)構(gòu),更好地保證了閃蒸汽與低溫灰水的熱接觸,可保障設(shè)備運(yùn)行周期內(nèi)滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行;優(yōu)化氣化爐耐火磚的方案,可滿足有提產(chǎn)要求的用戶。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 孫銘緒.多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)工程設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)計(jì),2007,17(5):3- 7.

        [2] 張大晶.多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)設(shè)備概況[J].化肥工業(yè),2009,36(2):41- 43.

        [3] 劉進(jìn)波.多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)工業(yè)應(yīng)用總結(jié)[J].化肥設(shè)計(jì),2012,50(2):50- 51.

        [4] 李福文,孫化祥,豐中田.多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)應(yīng)用總結(jié)[J].化肥工業(yè),2012,39(6):35- 37.

        [5] 路文學(xué).新型多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用[J].現(xiàn)代化工,2006,26(8):52- 54.

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