一種水煤漿氣化爐剖析

劉志棟

（惠生工程（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300192）

引言

我國(guó)目前的能源特點(diǎn)是富煤、貧油、少氣。煤炭在一次能源中占比70%以上，煤。煤氣化產(chǎn)生的合成氣可以用于生產(chǎn)多種有機(jī)化工基礎(chǔ)原料，通常可用于生產(chǎn)合成氨、甲醇、乙醇、乙二醇、城市煤氣、醋酸等。

在當(dāng)今的煤氣化技術(shù)上，采用的爐型主要的國(guó)內(nèi)爐型有：HT-L 粉煤加壓氣化（航天爐）、水煤漿水冷壁煤氣化爐（晉華爐）、寧煤爐、華理多噴嘴對(duì)置水煤漿爐、五環(huán)爐等爐型；國(guó)外爐型主要有：GL 熔渣煤氣化爐（英國(guó)燃?xì)夤荆?、殼牌（SHELL）粉煤氣化爐、GSP 干煤粉氣化爐（西門子公司）、B 魯奇（LURGI）煤氣化、GE（原德士古TEXACO）水煤漿爐等。對(duì)于整套生產(chǎn)裝置氣化是源頭，是生產(chǎn)裝置的核心，氣化爐運(yùn)行的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到整套生產(chǎn)裝置生產(chǎn)效率。

1 煤氣化技術(shù)簡(jiǎn)介

氣化技術(shù)，是以煤原料在一定的溫度和壓力下與水和氧氣反應(yīng)生成CO 和H2的過(guò)程，主要化學(xué)反應(yīng)有：

氣化反應(yīng)在很短的時(shí)間內(nèi)完成，主要生成后期生產(chǎn)需要的CO 和H2，以及副產(chǎn)物CO2和H2O，還有少量H2S、CH4、COS 以及微量的HCOOH、NH3等，生產(chǎn)上統(tǒng)稱為氣化氣。

2 GE煤氣化技術(shù)反應(yīng)過(guò)程

GE 氣化爐以水煤漿為原料，氣化劑為氧氣。水煤漿在爐膛反應(yīng)室氣化后形成粗合成氣，粗合成氣通過(guò)下降管直接向下，從下降管水面以下排出。進(jìn)入氣化爐的激冷室。為了防止下降管過(guò)熱，下降管內(nèi)側(cè)頂部設(shè)置激冷環(huán)，激冷環(huán)形成一層水膜來(lái)保護(hù)下降管，在下降管的底部，成氣與激冷水混合并被冷卻。下降管與上升管之間設(shè)置環(huán)隙，合成氣與激冷水的兩相混合物通過(guò)環(huán)隙通道向上流動(dòng)。同時(shí)在上升管的頂部，安裝有擋板用以分離氣體夾帶的水份，粗合成氣由急冷氣體出口進(jìn)入下一個(gè)流程，出急冷室的合成氣溫度約257℃。

3 GE煤氣化爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各項(xiàng)性能[1]

3.1 工藝操作參數(shù)

氣化爐爐膛由耐火磚砌筑而成，耐火材料能夠耐受1540℃左右高溫，生產(chǎn)時(shí)氣化反應(yīng)溫度約為1400℃。為了控制爐體表面溫度氣化爐殼體設(shè)有壁溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，爐子壁溫控制在345～370℃，氣化爐外壁溫度不能低于200℃,以避免內(nèi)壁結(jié)露造成露點(diǎn)腐蝕。氣化室內(nèi)溫度通過(guò)殼體外表面安裝的熱電偶來(lái)測(cè)量。因氣化過(guò)程生成少量的H2S 氣體，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意濕H2S 的腐蝕。

3.2 GE加壓水煤漿氣化優(yōu)缺點(diǎn)

GE加壓水煤漿氣化先進(jìn)性有：

1）水煤漿的流動(dòng)性較好，可以利用水煤漿泵輸送，輸送較為容易，提高生產(chǎn)效率；

2）水煤漿氣化具有較低的灰熔點(diǎn)、較好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)；

3）GE加壓水煤漿氣化爐內(nèi)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)機(jī)械傳動(dòng)裝置，操作彈性大，可靠程度高；

4）GE加壓水煤漿氣化爐單位體積產(chǎn)氣量大，生成的粗煤氣質(zhì)量好，粗煤氣中80%左右為產(chǎn)品氣（C0+H2），一般可96～97%的碳轉(zhuǎn)化率。

5）全過(guò)程產(chǎn)生的污染物較少，無(wú)焦油產(chǎn)生，工藝先進(jìn)、可靠。

GE加壓水煤漿氣化工藝不足之處為：

1）因?yàn)槊? 個(gè)月需要更換一次燒嘴，為了保證停爐更換燒嘴時(shí)連續(xù)生產(chǎn)的負(fù)荷需要設(shè)置備爐，建設(shè)投資較大。

2）氣化溫度不宜過(guò)高，氣化溫度維持1400℃左右，溫度提升會(huì)影響氣化爐耐火磚使用壽命

3）生產(chǎn)運(yùn)行成本較高，主要來(lái)源于更換耐火磚。

4 GE 爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

氣化爐是一個(gè)有耐火材料襯里的反應(yīng)設(shè)備?？傮w上由氣化爐殼體、氣化爐內(nèi)件、隔熱耐火襯里、氣化燒嘴組成。

4.1 殼體材料

GE 氣化爐使用過(guò)程中存在大量氫氣，為了按Nelson 曲線進(jìn)行選擇合適的材料以防氫腐蝕。

氣化爐燃燒室殼體內(nèi)壁耐火料與氣相空間接觸，根據(jù)工藝操作參數(shù)分析，氫分壓約1.7MPa，溫度425℃，選用SA387 Grll CL2（1.25Cr—0.5Mo）材料較為合適，取腐蝕余量大于6mm；

急冷室為氣液相空間，殼體材料采用SA387 Grll CL2+316L 復(fù)合板結(jié)構(gòu)，主要是防止合成氣凈化后形成的酸性介質(zhì)腐蝕，腐蝕余量取大于1.5mm。

4.2 氣化爐內(nèi)件

氣化爐內(nèi)件主要有上升管、下降管、急冷環(huán)等以及相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)等。

粗合成氣從氣化爐反應(yīng)室出來(lái)，通過(guò)下降管內(nèi)側(cè)頂部設(shè)置激冷環(huán)向下進(jìn)入激冷室，下降管在水面以下排出合成氣。為防止下降管過(guò)熱，下降管內(nèi)側(cè)頂部設(shè)置激冷環(huán)形成一層水膜來(lái)保護(hù)。合成氣在下降管的底部與激冷水混合直接被冷卻，同時(shí)通過(guò)下降管與上升管之間的環(huán)隙向上流動(dòng)，由出口流入下一個(gè)工段。激冷環(huán)的作用就是使激冷水沿下降管均勻的分布在急冷室內(nèi)，工藝氣從1400℃左右冷卻到約250℃。

激冷環(huán)及下降管選用耐高溫、耐應(yīng)力腐蝕的鎳基合金Incoloy825 材料,主要是為了耐受激冷環(huán)外工藝氣和熔融灰渣的侵蝕和沖蝕。同時(shí)環(huán)外是高溫大約1400℃，材料必須具有良好的耐應(yīng)力腐蝕破壞性能以及對(duì)氧化性和非氧化性腐蝕都有非常高的耐蝕性。激冷環(huán)和下降管由于使用條件非?？量?，極易損壞，每臺(tái)氣化爐至少需要設(shè)置1 套備件以備檢修使用。

4.3 氣化爐燒嘴

氣化爐燒嘴是氣化爐核實(shí)部件之一，目前氣化爐普遍采用的燒嘴有2 通道、3 通道及4 通道等不同型式。GE 水煤漿氣化爐燒嘴采用的是3 通道氣化燒嘴，內(nèi)部通道為一次氧氣通道，中間通道為水煤漿通道，外部通道為二次氧氣通道，燒嘴頭的外部設(shè)置水冷盤以進(jìn)行冷卻保護(hù)。

燒嘴頭承受著高溫高壓及高速氣流的沖刷，燒嘴的整體使用壽命一般不超過(guò)2 個(gè)月。

5 影響氣化爐使用壽命的因素

5.1 化學(xué)腐蝕

由于氣化爐的原料為水煤漿，因此含有一定量的重金屬及灰分等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)對(duì)耐火磚的危害很大。CaO、SiO2及Na2O 能與磚內(nèi)的A12O3反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的玻璃體，降低了耐火磚的高溫強(qiáng)度；Ni 與S、Fe 反應(yīng)能生成共聚物，這些共聚物滲透到磚的氣孔中，如果與氧氣接觸，體積將會(huì)增大，會(huì)造成耐火磚出現(xiàn)裂紋，甚至脫落。

5.2 爐內(nèi)的高壓、高溫以及高速氣流沖刷

如果燒嘴中心線與殼體中心線存在偏差，火焰會(huì)燒到耐火磚上，將磚壁上的保護(hù)熔渣沖刷下來(lái)，同時(shí)水煤漿與氧氣經(jīng)過(guò)加壓進(jìn)入氣化室，流速較快，加劇了耐火磚的破損。

6 小結(jié)

煤氣化技術(shù)是高效、清潔的利用煤炭的技術(shù)之一。主要應(yīng)用于碳一化工合成、IGCC 技術(shù)、燃料電池、煤炭直接/間接液化等高新能源煤利用技術(shù)，是一種先導(dǎo)性技術(shù)和核心技術(shù)。氣化工藝的開發(fā)主要集中在節(jié)能降耗、清潔利用，提高氣化效率、提高碳轉(zhuǎn)化上。主要手段是提高氣化壓力、擴(kuò)大煤種適應(yīng)性、提高單爐氣化能力。

從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的趨勢(shì)看，煤氣化的發(fā)展方向主要集中在加壓、提溫、適應(yīng)多種煤種、易凈化、低污染、大型化。

目前國(guó)外技術(shù)看，加壓固定床氣化爐、加壓流化床氣化爐和加壓氣流床氣化爐等加壓氣化爐型具有明顯的優(yōu)勢(shì)。三類氣化爐各有特點(diǎn)，雖然德士古氣化爐存在燒嘴頭及耐火襯里易燒損；生產(chǎn)運(yùn)行周期不長(zhǎng)等缺陷，但是其處理量較大，生產(chǎn)能力較高，其操作壓力高，節(jié)省后期的合成氣壓縮機(jī)功耗。不能否認(rèn)產(chǎn)業(yè)化程度以德士古(Texaco)、魯奇(Lurgi) 最為成熟，Texaco 氣化爐的日處理量已在不斷擴(kuò)大。

隨著各個(gè)行業(yè)的裝置規(guī)模不斷擴(kuò)大，相信GE(德士古TEXACO)隨著氣化爐技術(shù)的不斷提高，將會(huì)研制出新一代的氣化爐。開啟煤氣化3.0 時(shí)代。