基于GE水煤漿氣化裝置系統(tǒng)隱患排查及優(yōu)化設(shè)計研究

楊 向 陽

（中海石油華鶴煤化有限公司， 黑龍江 鶴崗 154100）

基于GE水煤漿氣化裝置系統(tǒng)隱患排查及優(yōu)化設(shè)計研究

楊 向 陽

（中海石油華鶴煤化有限公司， 黑龍江 鶴崗 154100）

煤氣化是以水和氧氣或二氧化碳為氣化劑發(fā)生反應(yīng)而生成氣的一種氣化技術(shù)。目前常用的氣化裝置系統(tǒng)多為GE氣化裝置。該裝置系統(tǒng)中的GE水煤漿氣化爐運行反應(yīng)具有周期性，對其進行相應(yīng)的隱患排查也應(yīng)具有周期性。其裝置系統(tǒng)主要包括磨煤系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)和渣水系統(tǒng)三部分。GE氣化技術(shù)具有較強的原料適應(yīng)性，合成產(chǎn)品中的有效成分較高，對爐內(nèi)熱量的利用率較高，但其對煤質(zhì)的要求高，通常是灰熔點地且活性高的煤，并且工藝中燒嘴的壽命較短，因此，對GE氣化裝置系統(tǒng)進行定期隱患排查具有重要意義。

GE水煤漿氣化裝置；隱患排查；優(yōu)化設(shè)計

煤氣化是利用水和二氧化碳或氧氣為氣化劑同煤發(fā)生反應(yīng)而生成氣體的一種煤炭技術(shù)。煤氣化工程，能夠減少燃煤直接燃燒帶來的污染和提高燃煤利用率，是我國煤潔凈技術(shù)的發(fā)展方向。GE水煤漿氣化技術(shù)，又稱德士古水煤氣化技術(shù)，是目前煤氣化技術(shù)裝置中較為先進的系統(tǒng)裝置。其主要包括三個系統(tǒng)裝置，分別是磨煤、氣化和渣水三流程[1]。在水煤漿氣化中，能夠生成氫氣和一氧化碳及其它氣體的合成氣。該氣化技術(shù)裝置具有較強的原料煤適應(yīng)性，對有較高的碳轉(zhuǎn)化率，生成物中的有效成分高，但其燒嘴的壽命較短，且裝置生產(chǎn)具有一定的危險性。為此，必須對其系統(tǒng)裝置進行定期排查。

1 GE水煤漿氣化裝置的隱患表現(xiàn)

GE水煤漿氣化裝置的隱患主要分為生產(chǎn)物中有害物質(zhì)的危害和氣化生產(chǎn)過程的安全隱患。

1.1 氣化生成物質(zhì)的危害

GE水煤漿氣化生產(chǎn)所產(chǎn)生的有害物質(zhì)主要是氧氣、氫氣、粉塵、甲烷、一氧化碳和硫化氫等，這些物質(zhì)多是易燃易爆物質(zhì)。尤其是氧氣，具有極強的阻燃性，很容易引發(fā)爆炸。當(dāng)爐溫達到1300℃時，已經(jīng)超過生產(chǎn)合成氣體的燃點，此時若爐內(nèi)氣體泄漏，與空氣相遇后可引發(fā)爆炸事故。同時，硫化氫和一氧化碳均為毒性物質(zhì)，若此類氣體泄漏于通風(fēng)條件不好的地方，可致人員中毒甚至死亡。

1.2 GE水煤漿氣化生產(chǎn)過程中的安全隱患

粉塵的危害主要是空氣污染，GE水煤漿氣化渣池或制備區(qū)易產(chǎn)生粉塵，污染空氣。人體內(nèi)吸入粉塵則會引起氣短、咳嗽及胸痛等不適癥狀。若長期處于粉塵環(huán)境中，則易引起肺部病變，即塵肺病。另外，振動和噪聲污染也具有較強的危害作用。GE水煤漿氣化生產(chǎn)過程中，尤其是在磨煤程序中，棒磨機、煤漿泵、抽引器等機器均產(chǎn)生一定的噪聲，進而引起心血管、聽覺等方面的疾病，同時也會影響工作人員的情緒和工作效率，甚至可能會造成事故。一旦各種機泵不能很好地振動功能，可以引起設(shè)備基礎(chǔ)、連接件、管道焊縫等發(fā)生松動、脫落或損傷，儀表也失去穩(wěn)定性，此類故障隱患，不僅降低了設(shè)備性能，影響了生產(chǎn)，也可能會導(dǎo)致事故發(fā)生。

2 GE水煤漿氣化裝置的優(yōu)化設(shè)計

GE水煤漿氣化裝置的生產(chǎn)過程中具有一定的安全隱患，要實現(xiàn)安全生產(chǎn)，避免各種危險事故的發(fā)生，必須定期對氣化裝置進行排查。當(dāng)然，最為關(guān)鍵的在布置設(shè)備時能夠做到科學(xué)合理的設(shè)計方案，以降低或防范各種危險因素的發(fā)生，排除各種隱患存在的可能性。

2.1 布置GE水煤漿氣化裝置的要求

GE水煤漿氣化生產(chǎn)主要包括磨煤、氣化及處理渣水三個工序。在不同的工序，其存在的危險隱患是不同的，在布置裝置設(shè)計時所要達到的要求也不同。處理渣水和氣化工序是重要的生產(chǎn)裝置。設(shè)計氣化裝置時，應(yīng)避免在地震烈度超過8度的地區(qū)。同時，同村莊和居民區(qū)的防火間距應(yīng)超過一百五十米，衛(wèi)生防護應(yīng)在兩千米之外。在結(jié)構(gòu)安排上，應(yīng)使用敞開式。如果使用封閉式廠房，屋面和外墻體應(yīng)用夾芯鋼板進行維護，達到防火標準[2]。同時，還要安裝事故防爆風(fēng)機，且同室內(nèi)危害氣體報警設(shè)備連接起來形成聯(lián)鎖報警體系。倘若氣體出現(xiàn)泄漏而發(fā)生爆炸，則會自動啟動聯(lián)鎖，即刻將室內(nèi)危害氣體排空。設(shè)計制備工序裝置時，應(yīng)設(shè)計裝置除塵器，選用帶式除塵裝置。分別設(shè)計在緩沖煤倉、磨煤機煤倉及破碎間等揚塵處，并對粉塵進行回收利用。設(shè)計設(shè)備時，應(yīng)選擇低噪音設(shè)備，建立隔音廠房，并將高噪音泵布置在隔音廠房。進行氧氣放空時也應(yīng)設(shè)計有消音裝置。處理渣水的水角閥門應(yīng)裝置在室內(nèi)，以利用其隔音功能。休息室和裝置操作間使用材料應(yīng)具有較強的吸音和隔音功能。

2.2 布置GE水煤漿氣化裝置管道的要求

裝置管道設(shè)置不僅要滿足其儀表流程圖和規(guī)范標準，還要達到安全可靠、經(jīng)濟美觀、便于施工、操作和維護，不同工序?qū)芾斫橘|(zhì)的設(shè)計要求也不相同。水煤漿管道設(shè)計應(yīng)防止流動阻滯區(qū)，嚴禁有袋形出現(xiàn)。水平煤漿管道設(shè)計中，其坡度要大于千分之五，儀表應(yīng)設(shè)計在管道上端[3]。高壓煤漿泵管道出口壓力大，振動力強，應(yīng)設(shè)計好此處的支吊架。氣化工序時事故多發(fā)工序，其管道裝置支架應(yīng)為非易燃物，并讓管道穩(wěn)固接地，同電氣橋架等間要有足夠的間距，嚴禁閥門置于管件彎頭，尤其是急彎管件。在處理渣水的工序中，灰水或黑水管道含有較多固體物，容易形成壁垢。設(shè)計置管時禁止出現(xiàn)袋形，應(yīng)按照“步步低”及“步步高”的原則進行，彎頭處應(yīng)用三通替代，可方便清洗[4]。黑水角閥后的管道應(yīng)選用具有內(nèi)襯的耐磨復(fù)合材料及加厚管道，以降低黑水的磨蝕和沖擊。

2.3 GE水煤漿氣化裝置中磨煤工序的優(yōu)化設(shè)計

磨煤系統(tǒng)通常是一臺磨煤系統(tǒng)對應(yīng)一個氣化爐，如果一臺磨煤泵出現(xiàn)故障則會減少對氣化爐煤漿的供應(yīng)，進而影響氣化生產(chǎn)，為此在GE水煤漿氣化裝置的磨煤工序設(shè)計中加設(shè)一個低壓泵解決了這個問題。此低壓泵可以將此煤漿槽煤漿轉(zhuǎn)至彼煤漿槽，轉(zhuǎn)移泵的加設(shè)，使操作更加靈活，且能夠保證低壓泵故障時磨機不會停產(chǎn)，或單臺磨機故障能夠向氣化爐提供短期煤漿，或能夠防止煤漿分層、沉淀以及方便清槽檢修等。加設(shè)煤漿槽工作流程設(shè)計圖如下圖1。

圖1 優(yōu)化后煤漿轉(zhuǎn)移泵工作流程圖Fig.1 Coal slurry transfer pump flow chart after optimization

2.4 GE水煤漿氣化裝置中氣化工序的優(yōu)化設(shè)計

在氣化爐開車、停車和故障發(fā)生時，超高壓氮氣能夠?qū)t頭水煤漿及氧氣管線和氣化爐等進行吹掃以及進行氮氣保護。在氣化工序設(shè)計中優(yōu)化超高壓氮氣系統(tǒng)，在每套氣化爐系統(tǒng)加用一臺專用的氮氣緩沖罐，并在其與中心氧氣管間加一專用的氮氣吹掃管線。具體裝置比較分別見下圖2、圖3。優(yōu)化后的超高壓氮氣系統(tǒng)中，如果氣化爐發(fā)生停車，系統(tǒng)先將氧氣管線上游切斷閥關(guān)閉，而后打開氮氣緩沖罐吹掃氧氣管線，直至其形成“氮塞”，此后關(guān)閉氧氣管與氮氣緩沖罐間的氮氣。此時，打開共用氮氣吹掃罐閥門，使其對吹掃氧氣管線，使專用緩沖氮氣罐內(nèi)的壓力能夠保證“氮塞”。優(yōu)化后的超高壓氮氣系統(tǒng)中“氮塞”具有較強的可靠性，氣化爐也增強了其安全性。

圖2 優(yōu)化前GE超高壓氮氣系統(tǒng)設(shè)計圖Fig.2 GE UHP nitrogen system design before optimization

圖3 優(yōu)化后GE超高壓氮氣系統(tǒng)設(shè)計Fig.3 GE UHP nitrogen system design after optimization

在氣化工序中，不僅要優(yōu)化超高氮氣系統(tǒng)的設(shè)計，還要對優(yōu)化安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、燒嘴冷卻系統(tǒng)。在爐化安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計中加用了煤漿管線同氣化室間的壓差聯(lián)鎖、激冷室同氣化室及氣化室合成氣同激冷水之間的壓差聯(lián)鎖等跳車和聯(lián)鎖警報功能，以提高氣化爐的安全性。在燒嘴冷卻水裝置設(shè)計中，加用了氮封，以及爆破片。這些改進措施大大增強了氣化工序的安全性。

2.5 GE水煤漿氣化裝置中處理渣水工序優(yōu)化設(shè)計

長期以來，氣化爐合成氣中存在帶灰?guī)畣栴}，產(chǎn)生此問題的原因除了與碳洗塔的設(shè)計不合理、操作不規(guī)范和技術(shù)本身因素外，還與碳洗塔的空塔氣速有關(guān)。在實際生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空塔氣速為0.291 mm/s時，合成氣中帶灰?guī)畣栴}嚴重，而塔內(nèi)直徑為3 800 mm時則無此現(xiàn)象發(fā)生。在渣水處理工序中，氣化爐下放的鎖斗用來收集爐渣[5]。通過交變?nèi)萜鱽砼欧潘霸猎?。一個渣池對應(yīng)一臺鎖斗。在實際生產(chǎn)運行中，撈渣機容易發(fā)生故障，一旦撈渣機出現(xiàn)問題就立即禁止鎖斗排放渣水，鎖斗容積最大容渣量每小時不足5 m3，而撈渣機的檢修一般需4 h，因而，改變鎖斗容積設(shè)計方能滿足撈渣機檢修用時。因此，在優(yōu)化設(shè)計時將鎖斗容積設(shè)計為24 m3，確保能容納4 h的渣水量[6]。

為了減少渣水的少排放或零排放，在GE水煤漿氣化裝置優(yōu)化設(shè)計中，加設(shè)了真空閃蒸設(shè)計。通常情況下，氣化系統(tǒng)裝置只使用一級真空閃蒸，閃蒸溫在60 ℃左右，真空度在-0.08 MPa(G)，使沉降槽中黑水因溫度高而產(chǎn)生大量蒸汽，使現(xiàn)場彌漫著蒸汽。在優(yōu)化設(shè)計中，使用兩級真空閃蒸分離器。一級真空閃蒸的壓力是-0.07 MPa,閃蒸溫是70 ℃，二級真空閃蒸壓力較一級下降0.023 MPa，閃蒸溫是44 ℃。黑水經(jīng)過二級真空閃蒸后進入沉降槽，因黑水溫度的降低，使其蒸汽量大大減少，改善了環(huán)境。兩級真空閃蒸分離器設(shè)計圖如下圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的兩級真空閃蒸系統(tǒng)圖Fig.4 Two vacuum flash system diagram after optimization

2.6 GE水煤漿氣化裝置中放空除氧系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

水煤漿氣化裝置中的除氧大多直接排放至大氣中，此除氧法浪費了氧資源，因其蒸汽的彌漫也給環(huán)境帶來影響。為此，在優(yōu)化設(shè)計中將除氧器管線上加設(shè)了氣-液分離罐和水冷器，此法可將氧冷卻會進行火炬燃燒排放，冷凝的液體經(jīng)灰水槽回收再用。同時，由于火炬總管壓力變化，會使放空蒸汽不能正常進入火炬系統(tǒng)，此時則利用放空管線直接放空。另外，在放空管線上加設(shè)了消音設(shè)置。放空管線上加設(shè)消音器能夠降低蒸汽放空時的噪音，減少噪音污染。

GE水煤漿氣化裝置時當(dāng)前較為先進的水煤漿氣化生產(chǎn)技術(shù)，此技術(shù)有較強的適應(yīng)性和較高的碳轉(zhuǎn)化率等優(yōu)點，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的水煤漿氣化技術(shù)。然而，GE水煤漿氣化技術(shù)在實際生產(chǎn)中還存在諸多危險因素，如氧氣、氫氣、粉塵、甲烷、一氧化碳和硫化氫等氣化生成物的危險和生產(chǎn)過程中氣化裝置設(shè)計、安裝及操作等因素導(dǎo)致的安全隱患等。為此，對這些安全隱患進行定期排查和檢修將對GE水煤漿氣化生產(chǎn)工作具有重要意義。同時，也應(yīng)在生產(chǎn)實踐中，不斷地發(fā)現(xiàn)各種問題并對其進行優(yōu)化改進，以提高水煤漿氣化生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

本文從GE水煤漿氣化裝置的基本設(shè)計需求出發(fā)，結(jié)合實際生產(chǎn)，從氣化生產(chǎn)工藝的磨煤、氣化和處理渣水三個工序流程方面對該氣化裝置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計進行了探討。從優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容可以看出，基本上全是基于安全和環(huán)保兩方面進行改進，這不僅是安全生產(chǎn)的必然要求，也是現(xiàn)實發(fā)展的需要。盡管有些改進還需要進一步實踐驗證，甚至有些改進存在較多爭議，但對GE水煤漿氣化裝置進行不斷研究和改進是生產(chǎn)和社會的必然趨勢，在今后的生產(chǎn)實踐中，應(yīng)不斷加強技術(shù)改進，為生產(chǎn)的安全、環(huán)保及高效提供保障。

［1］ 李志祥,周鵬,馮長志. 激冷水對GE水煤漿氣化系統(tǒng)的影響[J]. 中氮肥,2014（05）∶8-10．

［2］ 孫漾,顧幸生. 水煤漿氣化裝置操作優(yōu)化技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 化工學(xué)報,2012,63（09）∶2799-2804.

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［4］ 靳明亮. GE水煤漿氣化爐鎖斗排渣系統(tǒng)運行問題探討[J]. 氮肥技術(shù),2012,33（05）∶41-42+52.

［5］ 隋光彬. GE水煤漿氣化裝置在齊魯長周期運行的實踐[J]. 化學(xué)工業(yè),2013,31（10）∶29-33.

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Hidden Trouble Investigation and Optimization Design of GE Water Coal Slurry Gasification Plant System

YANG Xiang-yang
（CNOOC Huahe Coal Chemical Co.,Ltd., Heilongjiang Hegang 154100，China）

Coal gasification is a kind of gasification technology which takes water and oxygen or carbon dioxide as gasification agent to produce gas. Now the common gasification device system is GE gasification device. The operation of GE coal water slurry gasifier in the device system is periodic, and the corresponding hidden trouble investigation is periodic, too. The system mainly includes coal grinding system, gasification system and slag water system.GE gasification technology has strong adaptability of raw materials, and effective components in synthetic products are higher. The utilization rate of heat in the furnace is high, but the requirement for coal quality is high, it usually requires coal with ash melting point and high activity, and the life of burner in the process is short. So it is of great significance to carry out periodic hidden trouble investigation for GE gasification plant system.

GE coal slurry gasification plant; Hidden trouble investigation; Optimization

TQ 546

A

1671-0460（2015）09-2165-04

2015-07-10

楊向陽（1986-），男，安徽省濉溪縣人，助理工程師，2008年畢業(yè)于齊齊哈爾大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，研究方向：化工設(shè)備及管道管理工作。E-mail：yk860924@163.com。