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        煤氣化方面德士古氣化爐帶水問題研究進展

        2021-01-08 15:12:18姚宇鵬
        化工設(shè)計通訊 2021年1期
        關(guān)鍵詞:冷室合成氣氣化爐

        姚宇鵬

        (內(nèi)蒙古東華能源有限責任公司,內(nèi)蒙古準格爾 010300)

        我國是煤炭資源消耗大國,在多種生產(chǎn)中需要使用煤炭為原料。當前的煤氣化工藝有著廣泛的應(yīng)用,許多企業(yè)具備成熟的氣流床氣化技術(shù)。煤氣化技術(shù)有著環(huán)境污染小、粗煤氣質(zhì)量好、原料選擇范圍廣、碳轉(zhuǎn)化率高、氣化強度大的特點。這種技術(shù)有著較長的持續(xù)性,而且操作比較方便靈活。但是,在實際生產(chǎn)中,容易出現(xiàn)帶水問題,難以維持德士古氣化爐的液位,不利于保障設(shè)備的穩(wěn)定性,會影響到工業(yè)生產(chǎn)。

        1 德士古煤氣爐的優(yōu)點概述

        德士古氣化爐有多方面優(yōu)勢,在環(huán)保、節(jié)能和能源綜合利用方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在運行過程中,可能出現(xiàn)激冷室?guī)畣栴},但是通過引入科學(xué)的管理措施,能保障德士古氣化爐長周期、安全、穩(wěn)定運行。和普通的流化床、固定床相比較,德士古水煤漿加壓氣化工藝有著以下幾方面優(yōu)點。

        1.1 有著較強煤炭種類適應(yīng)性

        德士古氣化爐能使用石油焦、煙煤、次煙煤等,并不會受到灰熔點的影響,在灰熔點比較高的情況下,加入適量的助溶劑。在使用過程中,盡可能選擇質(zhì)量好、灰熔點低的煤。原料煤都需要進行磨制,所以選擇粒徑10mm 左右的即可。

        1.2 有著連續(xù)生產(chǎn)性

        氧氣和煤漿的生產(chǎn)是連續(xù)的,這些原料能持續(xù)不斷進入氣化爐??梢栽O(shè)定固定程序排渣,有著較強的可操作性,不需要停車再排渣。

        1.3 有著較高的氣化壓力

        在高壓情況下,可以顯著降低比容積,實際的單爐產(chǎn)量比較大。所以在生產(chǎn)過程中,節(jié)約了煤氣壓縮需要花費的資金和能源。

        1.4 合成氣有著較高的質(zhì)量

        使用德士古氣化爐能保障煤氣的質(zhì)量,有效成分的比例高于80%,可用于生產(chǎn)甲醇。

        1.5 有著較高的氣化溫度

        氣化溫度介于1 200 ~1 350℃之間,煤的實際轉(zhuǎn)化率比較高。德士古氣化爐的運行溫度在1 250℃左右,同時能根據(jù)渣樣的狀況調(diào)整實際操作溫度,能保證96%的碳轉(zhuǎn)化率。高溫生產(chǎn)過程中,會產(chǎn)生一定的蒸汽,這些蒸汽能在其他生產(chǎn)中使用。

        1.6 有著較強的安全性

        德士古氣化爐使用濕法磨煤,把添加劑、水和煤加入磨煤機,這種濕磨的方式能避免爆炸危險,沒有傳統(tǒng)干磨法中可能出現(xiàn)的巨大安全隱患。

        1.7 德士古氣化爐生產(chǎn)有著一定的環(huán)保型

        在生產(chǎn)中,氣化爐的溫度比較高,不會產(chǎn)生酚或者焦油等污染環(huán)境的副產(chǎn)物。生產(chǎn)過程中排出的廢水包含氨氮合物,這種產(chǎn)物相比廢水更容易處理,處理成本比較低。同時,氣化系統(tǒng)能重復(fù)使用水資源,排出的廢水量比較小,處理難度顯著降低。在配制水煤漿的過程中,可以使用工廠產(chǎn)生的難以生化處理、包含大量有機物的廢水,使用這些廢水配制水煤漿,實現(xiàn)了循環(huán)利用。

        2 氣化爐帶水的現(xiàn)象

        1)激冷水進入激冷室之后沒有有效換熱,這樣會引發(fā)帶水問題。

        2)氣化爐支撐板邊緣溫度降低,由于合成氣中存在較多的水滴,可能會和支撐板發(fā)生熱量交換,進而讓支撐板熱量流失。如果上升管和下降管存在環(huán)隙阻塞,可能導(dǎo)致兩側(cè)出現(xiàn)溫度差別。

        3)如果氣化爐液位快速降低,同時洗滌塔液位比較高,可能導(dǎo)致水系統(tǒng)循環(huán)失衡。

        4)氣化爐底部打黑水出水量減少,氣化爐激冷室液位和閃蒸系統(tǒng)的黑水流量是串級的,所以如果激冷室液位比較低,那么打黑水的出水量也會顯著降低。

        5)洗滌塔合成氣溫度比較高,可能會導(dǎo)致氣化爐液位比較低,激冷水作用于合成氣的時間比較短,所以換熱量達不到要求。如果出現(xiàn)帶水問題,那么合成器中的水蒸氣也會有較多熱量,提升了出口溫度。

        6)文丘里壓差提升,頻繁波動。合成氣管道中加入激冷水后,也會把細灰?guī)нM管道中,從而影響到管道的通暢性,進而影響到設(shè)備的運行。

        激冷室?guī)畣栴}會引發(fā)嚴重后果,會影響到氣化系統(tǒng)的穩(wěn)定性,不利于工業(yè)生產(chǎn)的正常進行。激冷室?guī)畷嵘礈焖何唬圆焕诤蠊ざ蔚淖儞Q系統(tǒng)運作。帶水會導(dǎo)致操作系統(tǒng)出現(xiàn)大幅度波動,所以難以穩(wěn)定操作氣化爐,影響到有效氣的成分,所以只能減負荷運行設(shè)備,生產(chǎn)量降低。如果帶水問題相對嚴重,氣化爐液位下降程度大,就必須停車處理,會帶來經(jīng)濟損失。如果洗滌塔水質(zhì)固含量提升,那么會惡化激冷水水質(zhì),激冷環(huán)壽命顯著降低。在系統(tǒng)水循環(huán)失衡之后,灰水系統(tǒng)的處理負荷提升,在沒有有效處理的情況下,返回系統(tǒng)的灰水水質(zhì)不符合要求,形成帶水惡性循環(huán)。這種問題還會加快設(shè)備及管道堵塞、磨損和結(jié)垢的速度。

        3 氣化爐帶水的原因分析

        3.1 氣化爐負荷方面的原因

        氣化爐負荷會直接影響激冷室?guī)?。如果提升氣化爐負荷,那么通氣量和實際壓力變大,但是管道的直徑不會變化,所以在壓力增加的時候,氣體流速顯著提升。流速超過一定數(shù)值之后,就會把液體帶出激冷室,就會產(chǎn)生帶水問題。在激冷室中,高溫合成氣的激冷引發(fā)了沸騰傳熱。蒸汽溫度和加熱面問題的溫度差決定了液體的過熱程度,如果溫差比較小,那么液體只會輕微沸騰,這種情況屬于對流傳熱。

        在溫差較大的情況下,相應(yīng)的熱流密度和傳熱系數(shù)也會提升,這種情況屬于泡核沸騰傳熱。如果溫差繼續(xù)提升,數(shù)值到了臨界值之后,蒸汽泡的數(shù)量顯著提升,進而構(gòu)成傳熱系數(shù)較低的蒸汽膜,這種情況屬于膜狀沸騰傳熱,同時會出現(xiàn)激冷室?guī)畣栴}。

        由此可見,如果氣化爐負荷比較大,那么會提升熱負荷強度,激冷室中的泡核沸騰傳熱會轉(zhuǎn)變?yōu)槟罘序v傳熱模式,傳熱效率顯著降低,同時會帶走較多的水。

        3.2 氣化爐爐溫方面的原因

        在氣化爐的運行中,必須加強對溫度的控制。一般來說,提升爐溫能保障氣化反應(yīng)的效率,保障碳轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)氣量、反應(yīng)速率。但是溫度超過一定界限,氣體流速會提升、總氣量提升,激冷水中包含的飽和水蒸氣量提升,激冷室熱負荷變大。如果氣化爐溫度比較低,那么粗渣含碳量提升、產(chǎn)氣量下降、碳轉(zhuǎn)化率難以達到要求,可能導(dǎo)致堵塞問題。

        3.3 原料煤的質(zhì)量問題

        原料煤的灰熔點、內(nèi)水、反應(yīng)活性、黏溫特性也是影響帶水問題的重要因素,屬于解決帶水問題的重要突破口。煤灰的黏溫特性直接影響生產(chǎn)效果,煤灰的流動溫度和軟化溫度都需要符合要求。如果煤灰中的Fe2O3、Al2O3、CaO 含量比較高,那么會形成較多的細灰,難以快速凝固,所以隨著合成氣進入上升管和下降管的空隙中,可能引發(fā)阻塞問題。

        例如,在某裝置中使用了黑山煤炭和紅沙泉煤炭,黑山煤炭的灰熔點有著較大的波動,所以可能提升氣化爐溫度的波動范圍。另一種煤炭的成漿性比較差,其中的內(nèi)水含量高,所以形成的煤漿有著較大的黏度。這種煤炭反應(yīng)活性大,但是可磨指數(shù)低,黑山煤炭則有著較低的反應(yīng)活性和較高的可磨指數(shù)。為了讓黑山煤炭的粒度符合要求,加入了較多的鋼棒進行棒磨。

        4 德士古氣化爐帶水問題解決措施

        1)增加上升管的直徑,增加下降管和上升管之間的環(huán)形通道空間。緩和合成氣對液相的影響,降低氣體流通速度,這樣能限制夾帶水的動能,屬于從根源上消除合成氣帶水問題。氣化爐激冷室的上升管都是采用螺栓緊固的,所以能快速更換,維護需要投入的資金不多,這種方式能用于改造設(shè)備方面。

        2)擴大氣化爐激冷室空間。利用這種方式,能增加激冷室液面上部的分離區(qū)域,許多夾帶水會回流到氣化爐激冷室空間中。如果氣體流速相同,那么氣體夾帶水有著相同的動能,液滴帶出速度遠低于分離空間流速,因此會產(chǎn)生較多的合成氣帶水。如果設(shè)備滿負荷運行,洗滌塔和氣化爐能實現(xiàn)水平衡。這種情況下,夾帶水能順利回流。如果氣化爐嚴重帶水,那么采用控制氣化爐液位的方式,能擴大氣化爐激冷室液面上的空間,這樣能緩解帶水問題。為了保障氣化爐的液位符合生產(chǎn)要求,可以提升激冷室的尺寸,這種方案適合在設(shè)計新裝置的時候應(yīng)用。

        3)在氣化爐合成氣出口管線部位設(shè)置氣水分離器,這樣能把水分離出來,而后使其回到氣化爐激冷室中。采用這種措施,不僅能解決帶水問題,還能降低對激冷水的需求,改善激冷水水質(zhì)、洗滌塔水質(zhì),降低動力消耗,有利于簡化洗滌塔和氣化爐的操作,這種改造方案比較理想。

        例如,可以改造激冷室的直徑,也可以提升上升管的直徑,這樣能促進合成氣流的流動,提升了流動空間,避免對合成氣中的水顆粒做功。在設(shè)計氣化爐的過程中,可以提升下降管底部大鋸齒的數(shù)量,利用不規(guī)則鋸齒的作用,消除激冷室產(chǎn)生的氣泡。針對激冷室,設(shè)置破泡條,可以消除氣泡,避免出現(xiàn)膜狀傳熱的問題。利用鐘罩形狀的上升管,能提升防堵的效果。如果系統(tǒng)中的水質(zhì)比較差,可能在大黑水管線內(nèi)部形成水垢,也會在氣化爐激冷室中引發(fā)堵塞問題,所以采用一開一備用閥門的形式,避免出現(xiàn)被迫減負荷停車的問題。氣化爐屬于氣化設(shè)備的核心裝置,包括激冷室和燃燒室模塊,激冷室主要部件則包括激冷環(huán)、下降管和上升管,針對這些構(gòu)件都可以進行改造。

        4)提升氣化爐激冷水的排出量和供應(yīng)量。減少水沫的產(chǎn)生、降低激冷水和合成氣之間的熱流強度、改善激冷室水質(zhì)并且降低激冷水溫度。想要達到這個目的,需要提升閃蒸系統(tǒng)的負荷并且提升洗滌塔循環(huán)泵的功率,改變整體系統(tǒng)水平衡。

        5 結(jié)束語

        為了保障氣化系統(tǒng)的穩(wěn)定性,必須解決氣化爐合成氣帶水問題。引發(fā)帶水問題的原因是多元化的,可能是系統(tǒng)水質(zhì)、氧氣流量、原料煤、操作溫度、氣化爐負荷方面的問題。在實際操作中需要引入有效預(yù)防措施,如果出現(xiàn)了帶水問題,需要及時判斷帶水的具體原因,而后進行針對性調(diào)整,保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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