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

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)?，奠定了其向更大?guī)模跨越的理論與工程化基礎(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個過程耦合在一個塔器內(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)

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