水煤漿氣化爐布置及管道設(shè)計(jì)

楊 柳

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

水煤漿氣化爐布置及管道設(shè)計(jì)

楊 柳*

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

結(jié)合具體項(xiàng)目情況，介紹水煤漿氣化爐及氣化工藝特點(diǎn)，分析氣化爐及其燒嘴從設(shè)備布置到相關(guān)管道布置的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，提出合理建議。

水煤漿氣化爐 燒嘴 布置 管道

水煤漿氣化工藝是以純氧和水煤漿為原料，經(jīng)燒嘴進(jìn)氣化爐，在高溫、高壓下進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成粗合成氣的工藝過(guò)程。其中最具代表性的為德士古水煤漿氣化工藝，作為工藝核心設(shè)備的氣化爐，其設(shè)備布置及其相關(guān)管道設(shè)計(jì)的合理性直接影響到氣化框架整體布局。本文以氣化爐單臺(tái)投煤量1500t/d，操作壓力6.5MPa，燃燒室內(nèi)徑Ф3200mm，激冷室內(nèi)徑Ф3800mm，三臺(tái)氣化爐兩開一備工況為例，提出氣化爐布置及管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題。

1 水煤漿氣化爐與氣化工藝

氣化爐為燃燒室內(nèi)襯耐火材料的立式壓力容器，是氣化工藝最核心設(shè)備，作為高溫氣化反應(yīng)發(fā)生場(chǎng)所，根據(jù)不同的工藝要求，其燃燒室可與激冷室或廢鍋相連，在本文中以激冷流程進(jìn)行說(shuō)明，具體工藝流程：料漿由料漿貯槽經(jīng)高壓料漿泵加壓后，連同空分送來(lái)的高壓氧氣經(jīng)燒嘴混合霧化后進(jìn)入氣化爐發(fā)生氣化反應(yīng)。高溫氣體和熔渣經(jīng)激冷環(huán)、下降管進(jìn)入激冷室的激冷水中，并被水蒸汽飽和后出氣化爐。粗合成氣經(jīng)文丘里和炭黑洗滌塔用水進(jìn)一步濕潤(rùn)洗滌，除去殘余的飛灰，并根據(jù)需要制氫或做它用，生成的灰渣通過(guò)渣排放系統(tǒng)定期排出界外。

2 氣化框架

氣化爐布置見圖1。

氣化框架占地面積約為16m×45m，總高度為53.7m，框架東側(cè)為裝置外管廊，南側(cè)與磨煤框架相連，氣化爐布置在A、B軸與2-5軸區(qū)域內(nèi)。為保證氣化爐等大型設(shè)備吊裝，西側(cè)道路延伸至北側(cè)框架，樓梯間設(shè)置在西南角及東南角，以滿足安全疏散通道要求，吊裝孔考慮設(shè)置在西北角靠近裝置出入口附近，便于搬運(yùn)?？蚣芸缍鹊脑O(shè)計(jì)主要以氣化爐為依據(jù)，它是此區(qū)域最大體積設(shè)備，其爐體直徑為Ф3800mm，四個(gè)支耳支撐，支耳底板外緣6m，同時(shí)兼顧操作檢修將跨度確定為9m。

圖1 氣化爐布置

3 氣化爐布置時(shí)的注意事項(xiàng)

3.1 支撐層高度的確定

根據(jù)氣化工藝要求，為保證氣化爐排渣順暢，設(shè)備與設(shè)備間均為串聯(lián)布置，其順序依次為氣化爐-破渣機(jī)-渣鎖斗-撈渣機(jī)，故氣化爐支撐高度應(yīng)充分考慮設(shè)備及其相連管道所需空間，從下至上推算出氣化爐安裝高度，同時(shí)保證氣化爐頂部管口(與燒嘴連接處法蘭)高出平臺(tái)150mm左右，以便拆卸更換燒嘴。

3.2 吊裝方案對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響

氣化爐總長(zhǎng)約20m，設(shè)備質(zhì)量約500t，為氣化框架內(nèi)最長(zhǎng)、最重的設(shè)備，其吊裝方案直接影響到框架結(jié)構(gòu)，包括吊裝孔的設(shè)置、框架梁的布置方式等。采用混凝土結(jié)構(gòu)的氣化框架，一般有以下三種方式：

(1)施工至氣化爐支撐層后對(duì)氣化爐進(jìn)行吊裝，待就位后施工上部結(jié)構(gòu)，此方案最為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但需考慮氣化爐進(jìn)場(chǎng)時(shí)間、工程進(jìn)度以及施工時(shí)對(duì)氣化爐保護(hù)等問(wèn)題。

(2)氣化爐待整體框架結(jié)構(gòu)施工完畢后從框架頂部自上而下進(jìn)行吊裝就位，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮自上而下均設(shè)置吊裝孔，具體需注意以下問(wèn)題：① 為適當(dāng)減小吊裝孔的大小，一般考慮將設(shè)備旋轉(zhuǎn)45°，即將4個(gè)支耳的位置旋轉(zhuǎn)至樓板開孔的四個(gè)角處，設(shè)備吊起，支耳通過(guò)開孔、樓板后，再轉(zhuǎn)回45°將支耳在梁上就位；② 吊裝孔的大小必須能通過(guò)設(shè)備各部件，一般來(lái)講，人孔或者是最大的工藝管口都會(huì)是整個(gè)設(shè)備的最大部件,但應(yīng)注意當(dāng)與最大管口高差小于梁高的設(shè)備管口方位對(duì)吊裝孔的影響；③ 設(shè)備吊裝完畢后對(duì)吊裝孔用花紋鋼板補(bǔ)齊，以保護(hù)人員通行安全。

(3)氣化爐待框架施工完畢后從框架側(cè)面進(jìn)行吊裝，此方式需設(shè)置活動(dòng)梁，此梁一般為鋼梁，當(dāng)設(shè)備吊裝時(shí)，取下活動(dòng)梁，設(shè)備就位后，再將活動(dòng)梁安裝好。該方法適用于吊裝設(shè)備總長(zhǎng)較大，吊車從頂部吊裝較為困難的情況，對(duì)于水煤漿氣化爐大型吊車(例如1250噸位)可順利從頂部吊起，故此吊裝方法并不常見，更多用在粉煤氣化爐的吊裝過(guò)程。

水煤漿氣化爐常用后兩種吊裝方案，具體需根據(jù)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)度、吊車大小等情況統(tǒng)一考慮，必要時(shí)應(yīng)與施工單位共同協(xié)商。

3.3 燒嘴平臺(tái)吊車的選用

3.3.1 吊車存在的必要性

(1)氣化爐、燒嘴日常檢修維護(hù)非常頻繁，尤其是燒嘴在高溫、高壓及高速氣流的沖刷下，使用周期較短，平均壽命為45d, 屬易損部件，檢修頻率非常高，這同樣也是德士古水煤漿氣化爐考慮備用爐的重要因素。

(2)為減少開車時(shí)燃燒室的熱量散失，保證快速拆卸預(yù)熱燒嘴，更換工藝燒嘴，需將整個(gè)過(guò)程控制在45min之內(nèi)，為滿足此要求，必須設(shè)置吊車。

3.3.2 主要吊裝部件數(shù)據(jù)

吊車主要吊裝部件為工藝燒嘴、預(yù)熱燒嘴、耐火磚、下降管、上升筒，其具體參數(shù)見表1。

為保證更換燒嘴的過(guò)程中，燒嘴冷卻水不間斷，吊裝時(shí)應(yīng)連冷卻水管線上的三通閥及其附件(例如法蘭、軟管等)一起吊裝，故起吊部件重量將其一起考慮。另外，由于耐火磚吊裝數(shù)量可控(參考重量為4500kg/m3)，即吊裝重量可控，故可不作為確定因素。

表1 起吊部件參數(shù)

3.3.3 吊車的選用原則及方案

吊車的選用原則：其運(yùn)行軌跡應(yīng)通過(guò)所有吊裝或檢修部件的正上方，并預(yù)留足夠空間，保證檢修件吊起時(shí)，與平臺(tái)管線(包括控制閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu))完全分離。目前常用做法有兩種：一臺(tái)橋式吊車或兩臺(tái)獨(dú)立的單軌吊車，前者覆蓋范圍相對(duì)廣，但成本高，但后者優(yōu)勢(shì)在于可同時(shí)吊裝、縮短更換燒嘴時(shí)間，也可同時(shí)對(duì)停車檢修的氣化爐進(jìn)行耐火磚的更換，穩(wěn)定性好、成本相對(duì)低。

吊車選用方案：本項(xiàng)目綜合考慮后選用兩臺(tái)單軌吊車，起吊重量均為3t，起吊高度分別為10m用于更換燒嘴、60m用于吊裝耐火磚、下降管、上升筒。

4 氣化爐主要管道的設(shè)計(jì)

氣化爐管道設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于燒嘴相關(guān)管線的設(shè)計(jì)，因?yàn)闊焓菤饣癄t重要組成部分，用于水煤漿和氧氣的高度混合、霧化，是氣化反應(yīng)的第一步，也是氣化爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，同時(shí)由于其輸送介質(zhì)的特殊性，水煤漿為固液兩相，易沉積、易堵，磨蝕嚴(yán)重；純氧為強(qiáng)助燃劑，加上為使裝置運(yùn)行安全可靠，系統(tǒng)設(shè)置了復(fù)雜的安全聯(lián)鎖，自動(dòng)化程度高，各種工藝閥門、儀表元件較多，所以布置時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮工藝要求，介質(zhì)特性、安全操作等各方面因素。

4.1 燒嘴管口參數(shù)與方位布置原則

燒嘴管口為主氧氣入口(DN100)、中心氧入口(DN40)、煤漿入口(DN100)、冷卻水入口(DN50)、冷卻水出口(DN50)，其中冷卻水系統(tǒng)是在燒嘴外側(cè)設(shè)置的冷卻盤管，由一套單獨(dú)的系統(tǒng)向其供應(yīng)冷卻水，防止燒嘴損壞。

燒嘴管口的布置方式直接影響到管道的整體布局，見圖2。

圖2 燒嘴管口布置

一般情況以燒嘴為界，一側(cè)為操作區(qū)，主要為氣化爐更換燒嘴、耐火材料預(yù)熱及修復(fù)、設(shè)備維護(hù)等提供場(chǎng)地，另一側(cè)為配管區(qū)，集中布置工藝管線。將燒嘴工藝管口布置在南側(cè)區(qū)域，為防止拆除燒嘴時(shí)水煤漿滴落在氧氣管口上引起燃燒，同時(shí)保證閥門及自控元件集中布置在此區(qū)域后水平進(jìn)入燒嘴以滿足管線“短而直”的要求，兩管口在水平方向上應(yīng)分開布置，燒嘴冷卻水管線分別布置在東西兩側(cè)，避免與氧氣與煤漿管線互相影響。

4.2 氧氣管線布置

氧氣管線作為煤氣化裝置的核心管道，所輸送氣體不僅因?yàn)槭菤饣磻?yīng)的主要物料之一，主要由于其特殊屬性—強(qiáng)氧化劑和助燃劑，除與金、銀以及惰性氣體一般情況下不發(fā)生反應(yīng)外，與其他物質(zhì)均能發(fā)生氧化反應(yīng)。在化工裝置管道中，隨著氣流運(yùn)動(dòng)與管壁發(fā)生磨擦、撞擊，會(huì)產(chǎn)生大量的熱，發(fā)生劇烈燃燒，甚至爆炸，故必須遵循設(shè)計(jì)規(guī)范要求，保證氧氣管道的安全性，同時(shí)兼顧操作性。以下幾點(diǎn)需要重點(diǎn)關(guān)注：

(1)氧氣管道與可燃?xì)怏w、液化烴和可燃液體管道共架敷設(shè)時(shí)應(yīng)布置在一側(cè)，不宜布置在可燃?xì)怏w、液化烴和可燃液體管道正上方和正下方，平行布置時(shí)凈距不應(yīng)小于500mm，交叉布置時(shí)凈距不應(yīng)小于250mm，當(dāng)管道采用焊接連接結(jié)構(gòu)并無(wú)閥門時(shí)，平行布置時(shí)凈距可取250mm。兩類管道之間宜用公用工程管道隔開。盡可能將成為火源的管道或電儀設(shè)施遠(yuǎn)離氧氣管道。

(2)氧氣管道系統(tǒng)盡可能簡(jiǎn)單，閥門、管件、支管和管口的數(shù)量盡可能少。例如可以考慮幾個(gè)儀表的連接共用一個(gè)管件或管口。

(3)氧氣管道的彎頭、三通不應(yīng)與閥門出口直接連接，調(diào)節(jié)閥組、干管閥門、供一個(gè)系統(tǒng)的支管閥門、車間入口閥門，其出口側(cè)管道宜有不小于5倍管道公稱直徑且不小于1.5m的直管段。這是因?yàn)檠鯕夤艿赖拈y門出口處氣流狀態(tài)急劇變化，而直管段可以改善流動(dòng)狀態(tài)，使其不產(chǎn)生渦流。但使用豁免材料可不按此執(zhí)行(豁免材料是指在確定壓力限制、材料厚度和氧氣純度的情況下，不受氧氣流速的限制，例如在操作壓力不大于8.61MPa、壁厚大于等于3.18mm時(shí)，鎳基合金Inconel600)。

(4)氧氣管道的異徑接頭，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的鋼制對(duì)焊無(wú)縫異徑接頭，當(dāng)焊接制作時(shí)，變徑部分長(zhǎng)度不應(yīng)小于兩端外徑差值的3倍，其內(nèi)壁應(yīng)平滑，無(wú)銳邊、毛刺及焊瘤。

4.3 水煤漿管線布置

(1)對(duì)漿液管道來(lái)講，要求管道盡可能短，少拐彎，切忌兩端高中間低的“袋型”， 除非有標(biāo)高提升要求，管道應(yīng)布置為“步步低”，并宜設(shè)置坡度。管道越短，可以縮短殘留漿液的直管段，同時(shí)發(fā)生堵塞的可能性就越小。

(2)漿液管道上的支管連接，應(yīng)采用Y型三通，支管流向應(yīng)順主管流向，以避免流體通路斷面的急劇變化引起湍流和渦流。

(3)漿液管線的旁路、支管均應(yīng)從主管的頂部或側(cè)面接入，以避免渣的沉積。

(4)漿液管道當(dāng)改變走向時(shí)，管道的彎曲部分。應(yīng)采用大曲率半徑的彎管，彎管的曲率半徑根據(jù)工藝要求確定，一般應(yīng)大于4DN，這樣漿液能在管道中光滑過(guò)渡，便于流動(dòng)，減少對(duì)管線的磨蝕。

4.4 儀表閥門布置要求

氧氣與水煤漿管線上的控制閥和切斷閥均為管線上的關(guān)鍵儀表，其不僅有嚴(yán)格的工藝安裝要求，同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)較大，故合理布置是保證裝置長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，也是管道布置難點(diǎn)之一，具體要求如下：

(1)氧氣流量控制閥(圖3)到下游主管閥門及其支管的第一道閥門距離燒嘴應(yīng)盡量短，且應(yīng)布置在燒嘴所在平臺(tái)上，此管線越短，殘留在管道里的氧氣亦越少，也就降低了因氧氣過(guò)量而發(fā)生爆炸的可能性。

(2)氮?dú)夤芫€上的切斷閥應(yīng)靠近氧氣主管布置。氮?dú)庠诨ぱb置中，對(duì)防止燃燒、爆炸、保證安全生產(chǎn)具有不可缺少的輔助作用。由于氧氣可燃，開車前，必須用氮?dú)鈱?duì)管道中的空氣進(jìn)行置換，使系統(tǒng)內(nèi)氧含量降至0.2%(體積分?jǐn)?shù))及以下，而切斷閥與主管距離遠(yuǎn)近決定了氮?dú)鈱?duì)氧氣管線進(jìn)行吹掃、置換的時(shí)間以及氮?dú)庥昧看笮　?/p>

(3)煤漿主管切斷閥、循環(huán)管線上切斷閥距離燒嘴應(yīng)盡量短，且均應(yīng)布置在燒嘴所在平臺(tái)上。這是因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)的距離會(huì)使管線內(nèi)水煤漿過(guò)多即進(jìn)爐時(shí)間變長(zhǎng), 而過(guò)長(zhǎng)的投料時(shí)間將導(dǎo)致氣化爐熱量損失過(guò)大, 致使氣化爐內(nèi)的溫度不能滿足開車要求。

圖3 各閥門與儀表的布置

(4)上述儀表閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)長(zhǎng)，閥門重量大，加上燒嘴平臺(tái)管線密集，活動(dòng)空間較小，各種儀表元件、閥門布置緊湊，故儀表閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的放置也是管道布置的難點(diǎn)之一，以下6種放置方式都為常用方式，具體布置見圖4。

圖4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)布置型式

A通常是默認(rèn)方式，也可根據(jù)實(shí)際情況選用B、C、D甚至E、F，但需注意以下幾點(diǎn)：

(1)若采用方式非型式A，應(yīng)及時(shí)反饋廠家進(jìn)行調(diào)整。

(2)必要時(shí)考慮膜頭支撐，并與其所在管線的應(yīng)力計(jì)算同步進(jìn)行。

(3)采用型式E、F時(shí)，應(yīng)注意適當(dāng)抬高管道標(biāo)高。

5 結(jié)語(yǔ)

氣化爐是水煤漿氣化工藝的重點(diǎn)設(shè)備，無(wú)論從設(shè)備布置到管道設(shè)計(jì)都有其自身的特點(diǎn)，故應(yīng)按其工藝要求，并兼顧操作性進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，為氣化爐從試運(yùn)行、開車、運(yùn)行、停車、檢修、維護(hù)的安全性及可靠性提供保證。

1 宋岢岢主編.壓力管道設(shè)計(jì)及工程實(shí)例 [M] . 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

2 SH 3012-2011，石油化工管道布置設(shè)計(jì)通則[S].

3 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局. 全國(guó)壓力管道設(shè)計(jì)審批人員培訓(xùn)教材(第二版)[M] .中國(guó)石化出版社，2011.

4 賀永德主編.現(xiàn)代煤化工技術(shù)手冊(cè)[M] . 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

2017-02-15)

*楊 柳：工程師。2005年畢業(yè)于江蘇工業(yè)學(xué)院制藥工程專業(yè)。從事設(shè)備布置及管道布置專業(yè)工作。聯(lián)系電話：(029)88345588-8565，E-mail：yangliu1@bpdi.com.cn。