李俊凱，李 國，吳 鵬，賴智樂

(中國五環(huán)工程有限公司 管道室，湖北 武漢 430223)

我國“富煤少油缺氣”的能源結(jié)構(gòu)，決定了煤炭在我國的能源戰(zhàn)略中具有重要作用。怎樣高效利用煤炭，是一項(xiàng)重要課題。煤氣化是煤炭潔凈利用的一種有效途徑，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益[1]。按照不同的進(jìn)料方式，煤氣化可分為粉煤氣化、水煤漿氣化等[2]。水煤漿氣化以其技術(shù)相對較成熟、投資較低的優(yōu)勢，成為目前實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用較多的煤氣化技術(shù)。我公司最近幾年承擔(dān)的兩個大型項(xiàng)目中，伊泰項(xiàng)目采用多元料漿氣化工藝，湖北三寧項(xiàng)目采用多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝。本文將以這兩個項(xiàng)目為基礎(chǔ)，對多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝與多元料漿氣化工藝進(jìn)行分析比較。

1 概述

1.1 水煤漿氣化流程

水煤漿氣化主要流程可分為煤漿制備、煤漿輸送、氣化、洗滌、渣水處理5部分。

1-磨煤機(jī)；2-磨機(jī)出料槽；3-低壓料漿泵；4-料漿儲槽；5-高壓料漿泵；6-氣化爐；7-鎖斗；8-撈渣機(jī)；9-黑水過濾器；10-文丘里洗滌器；11-灰水循環(huán)泵；12-洗滌塔；13-低壓閃蒸罐；14-真空閃蒸罐；15-灰水泵；16-澄清槽進(jìn)料泵；17-灰水槽；18-澄清槽；19-過濾機(jī)給料泵

圖1 多元料漿氣化流程圖

粉煤、水、添加劑一起進(jìn)入磨煤機(jī)共磨制得濃度約為60%的煤漿，然后煤漿自流至磨機(jī)出料槽，經(jīng)低壓煤漿泵去料漿儲槽，再通過高壓煤漿泵去燒嘴，在燒嘴附近與氧氣一起進(jìn)入氣化爐，在氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成以CO、H2為主要成分的粗合成氣。進(jìn)入激冷室，對熔渣進(jìn)行淬冷、降溫，對粗合成氣進(jìn)行冷卻、除灰以及夾帶的部分水分。淬冷、降溫后的爐渣經(jīng)鎖斗、撈渣機(jī)排出。粗合成氣經(jīng)文丘里洗滌器、洗滌塔除灰、洗滌后送往變換工段。洗滌塔底部部分黑水經(jīng)灰水循環(huán)泵向文丘里洗滌器及氣化爐激冷水分布器供水。 自氣化爐激冷室、洗滌塔排出的黑水分別減壓后送入低壓閃蒸罐。閃蒸氣從低壓閃蒸罐頂部送出，然后進(jìn)入灰水加熱器與來自脫氣水槽的洗滌塔給水進(jìn)行換熱冷卻，再經(jīng)水冷器進(jìn)一步冷卻后進(jìn)入低壓閃蒸分離器。不凝氣及飽和水汽視情況經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)送變換汽提或火炬。低壓閃蒸罐底部黑水進(jìn)入真空閃蒸罐。真空閃蒸罐排出的黑水經(jīng)澄清槽進(jìn)料泵送往澄清槽。真空閃蒸罐頂部出來的閃蒸氣經(jīng)真空閃蒸空冷器冷凝后進(jìn)入真空汽液分離器進(jìn)行氣液分離，冷凝液送往灰水槽。澄清槽底部黑水經(jīng)過濾機(jī)給料泵送往細(xì)渣過濾單元。經(jīng)澄清后的灰水自流入灰水槽，分別送往脫氣水槽、鎖斗沖洗水罐或去渣池。為防止灰水中溶解物在水系統(tǒng)中的累積和沉積，保持灰水中溶解物的平衡，部分灰水去廢水處理。上述即為多元料漿氣化工藝的典型流程，流程圖見圖1。

相比于多元料漿氣化工藝，多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝[3]增加了蒸發(fā)熱水塔，采用三級閃蒸。蒸發(fā)熱水塔為渣水處理工序的關(guān)鍵設(shè)備，目的是將酸性氣體、不凝性氣體與黑水分離，并回收黑水熱量，由蒸發(fā)室及熱水室組成。氣化爐激冷室、旋風(fēng)分離器、水洗塔排出的黑水經(jīng)過減壓閥進(jìn)入蒸發(fā)熱水塔中的蒸發(fā)室。然后再去低壓閃蒸罐、真空閃蒸罐閃蒸，經(jīng)閃蒸罐閃蒸后的黑水送往澄清槽。經(jīng)澄清后的灰水自流入灰水槽，部分灰水通過低壓灰水泵進(jìn)入蒸發(fā)熱水塔的熱水室，直接與氣化爐激冷室、旋風(fēng)分離器、水洗塔排出的黑水進(jìn)行換熱，部分送往鎖斗沖洗水罐、部分去廢水處理。多噴嘴對置式水煤漿氣化流程圖見圖2。

1-磨煤機(jī)；2-磨煤機(jī)出料槽；3-磨煤機(jī)出料槽泵；4-煤漿槽；5-煤漿給料泵；6-氣化爐；7-鎖斗；8-撈渣機(jī)；9-黑水過濾器；10-旋風(fēng)分離器；11-黑水循環(huán)泵；12-水洗塔；13-高溫?zé)崴茫?4-高溫?zé)崴蓿?5-蒸發(fā)熱水塔；16低壓閃蒸罐；17-真空閃蒸罐；18-低壓灰水泵；19-鎖斗沖洗水泵；20-灰水槽；21-澄清槽；22-澄清槽底物泵

圖2 多噴嘴對置式水煤漿氣化流程圖

1.2 兩種水煤漿氣化工藝對比

1.2.1 噴嘴數(shù)量及布置方式

多元料漿氣化工藝是西北化工研究院自主開發(fā)的一種水煤漿氣化技術(shù)，采用單只噴嘴頂噴布置(圖3)。多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝是華東理工大學(xué)與兗礦國拓共同研發(fā)的一種水煤漿氣化技術(shù)，采用四只噴嘴水平對置布置(圖4)。單只噴嘴的煤漿量對氣化爐的氣化效率有一定的影響。單只噴嘴在一定時間內(nèi)進(jìn)入氣化爐的煤漿不能太多，否則會降低噴嘴的效果，影響氣化爐的氣化效率。

圖3 單只噴嘴頂噴布置

圖4 四只噴嘴水平對置布置

1.2.2 裝置規(guī)模及投資

要保證氣化爐的氣化效率，單只噴嘴的煤漿量不能太大。如果在單只噴嘴相同的煤漿量的情況下，增加噴嘴數(shù)量會加大進(jìn)入氣化爐的煤漿量，從而可以增大裝置的規(guī)模，進(jìn)而降低投資成本。

1.2.3 碳轉(zhuǎn)化率

與多元料漿氣化工藝相比，多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝采用四只噴嘴水平對置布置，四股煤漿經(jīng)噴嘴水平進(jìn)入氣化爐，在氣化爐的中心匯合、發(fā)生碰撞，提高了煤漿的混合效果并延長了其在氣化爐內(nèi)的部分氧化反應(yīng)時間，反應(yīng)更充分，碳轉(zhuǎn)化率因此得以提高。

1.2.4 能量利用率

在蒸發(fā)熱水塔中，來自灰水槽的部分灰水直接與氣化爐激冷室、旋風(fēng)分離器、水洗塔排出的黑水進(jìn)行換熱，灰水溫度高，傳熱效率高，多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝在該處的能量利用率要優(yōu)于多元料漿氣化工藝。

1.2.5 凈化效果

多元料漿氣化工藝中，粗合成氣經(jīng)文丘里洗滌器、洗滌塔除灰、洗滌，達(dá)到初步凈化的目的。多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝則采用混合器、旋風(fēng)分離器、水洗塔的二次凈化方式，除灰更徹底，凈化效果更佳。

2 設(shè)備布置

設(shè)備布置應(yīng)滿足工藝設(shè)計(jì)和環(huán)境保護(hù)的要求，保證安全生產(chǎn)，方便操作、檢修和施工，并應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢煤蜌夂驐l件，做到經(jīng)濟(jì)合理。多元料漿氣化工藝與多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝在設(shè)備布置方面的主要區(qū)別在渣水處理框架。

圖5 多元料漿氣化工藝設(shè)備布置

多元料漿氣化工藝采用二級閃蒸，渣水處理框架為混凝土結(jié)構(gòu)，總高為33 m。按照工藝流程從上到下布置低壓閃蒸罐、真空閃蒸罐，澄清槽進(jìn)料泵和澄清槽均布置在地面上。低壓閃蒸罐在框架的高點(diǎn)，自氣化爐激冷室、洗滌塔排出的黑水有足夠的壓差進(jìn)入低壓閃蒸罐。之后黑水依靠重力流去真空閃蒸罐，自真空閃蒸罐底部出來的黑水經(jīng)澄清槽進(jìn)料泵送入澄清槽，見圖5。

多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝采用三級閃蒸，渣水處理框架同樣為混凝土結(jié)構(gòu)，總高為30 m。采用步步高布置，從下往上依次為蒸發(fā)熱水塔、低壓閃蒸罐、真空閃蒸罐，蒸發(fā)熱水塔和澄清槽布置在地面上，真空閃蒸罐支撐在框架的最高層。蒸發(fā)熱水塔底部黑水依靠壓差流入低壓閃蒸罐，低壓閃蒸罐底部黑水同樣依靠壓差送往真空閃蒸罐，自真空閃蒸罐底部出來的黑水自流入澄清槽，見圖6。采用這種布置方式，關(guān)鍵要確定蒸發(fā)熱水塔與低壓閃蒸罐的高度差、低壓閃蒸罐與真空閃蒸罐的高度差能否滿足工藝要求。蒸發(fā)熱水塔采用裙座形式支撐在地面上，低壓閃蒸罐、真空閃蒸罐均為耳式支座形式，分別支撐在EL23.500、EL30.000。通過計(jì)算可知，該高度差完全滿足工藝要求。

圖6 多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝設(shè)備布置

3 管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝和多元料漿氣化工藝均使用耐火磚結(jié)構(gòu)，需要定期拆卸氣化爐噴嘴進(jìn)行檢修。因此，布置氣化爐噴嘴層時，要預(yù)留足夠的操作空間和檢修空間。

(2)水煤漿氣化工藝在許多方面均具有優(yōu)勢，但也存在不足之處，黑水管線堵塞及磨損就是一個較大的問題[4]。當(dāng)黑水管線中的黑水流速慢時，固體顆粒易沉積在管道內(nèi)，堵塞管道；當(dāng)黑水管線中的黑水流速快時，則會導(dǎo)致彎頭易磨損。因此，布置該管道時，要有一定坡度，盡量減少彎頭，避免形成袋形，采用大半徑彎頭并且彎頭最好加厚耐磨處理。

(3)黑水過濾器的作用是除去進(jìn)入氣化爐的激冷水中的較大顆粒，長周期運(yùn)行后，激冷水管線和黑水過濾器均容易結(jié)垢，造成激冷水流量下降，影響系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，黑水過濾器需一開一備，兩路激冷水管線在中間位置匯合，閥門距離三通最近，以減少固體顆粒的沉淀。

(4)燒嘴層所需儀表橋架、儀表箱及儀表空氣管布置在該層樓面下。

4 結(jié)語

水煤漿氣化工藝在許多方面均具有優(yōu)勢，技術(shù)相對較成熟、投資較低，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用較多。相比于多元料漿氣化工藝，多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝采用4只噴嘴水平對置布置、增加一級閃蒸、在蒸發(fā)熱水塔中直接換熱等設(shè)計(jì)。這些優(yōu)化設(shè)計(jì)使得多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝在裝置規(guī)模及投資、碳轉(zhuǎn)化率、能量利用率、凈化效果等方面具有一定優(yōu)勢。