碎煤加壓氣化裝置干法排渣技術(shù)初步探討

王浩飛，朱向偉

（中海油大同煤制氣項(xiàng)目籌備組，山西 大同 037100）

碎煤加壓氣化工藝能效高，技術(shù)成熟可靠，被廣泛應(yīng)用于煤制天然氣、煤制油、煤制合成氨等產(chǎn)業(yè)。我國在20 世紀(jì)80 年代引進(jìn)魯奇氣化技術(shù)時[1]，采用的排渣方案并非現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的水力排渣方案，而是機(jī)械排渣方案，即氣化產(chǎn)生的灰渣從灰鎖排出后，經(jīng)灰斗、螺旋輸送機(jī)和皮帶機(jī)離開界區(qū)，后由于螺旋輸送機(jī)故障率高、設(shè)備磨損嚴(yán)重等原因，改造為水力排渣。

水力排渣流程簡單，設(shè)備數(shù)量少，可靠性高，現(xiàn)有碎煤加壓氣化裝置都采用這種方案。采用水力排渣，是綜合考慮當(dāng)時技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等因素確定的，對碎煤加壓氣化裝置連續(xù)長周期運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。但在國家對環(huán)保要求和排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的時代背景下，水力排渣的劣勢凸顯：一是水資源耗費(fèi)量大，并且產(chǎn)生的污水需要處理；二是熱渣蘊(yùn)含的能量得不到回收，灰水循環(huán)沖渣耗費(fèi)大量電力；三是灰渣遇水后所含的氧化鈣等活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，失去活性，綜合利用價值降低；四是環(huán)保壓力大，現(xiàn)場含灰蒸汽逸散，勞動衛(wèi)生環(huán)境差。

為了解決這些問題，研究和技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)又轉(zhuǎn)向干法排渣技術(shù)[2]。本文基于干法排渣技術(shù)在煤電行業(yè)的成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，針對碎煤加壓氣化爐的排渣工藝和灰渣特點(diǎn)，初步提出碎煤加壓氣化裝置干法排渣系統(tǒng)工藝流程，為碎煤加壓氣化爐干法排渣方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 干法排渣技術(shù)

干法排渣技術(shù)在煤電行業(yè)已廣泛應(yīng)用，在節(jié)水、節(jié)能和拓寬灰渣用途等方面產(chǎn)生了積極作用。干法排渣系統(tǒng)[3]一般由灰渣冷卻系統(tǒng)、二級輸送系統(tǒng)、貯渣系統(tǒng)、卸渣系統(tǒng)以及電氣儀表控制系統(tǒng)等組成，其中灰渣冷卻系統(tǒng)包括密封裝置、過渡渣倉、大渣預(yù)破碎裝置、干式排渣機(jī)以及中間渣倉等，其核心設(shè)備是干式排渣機(jī)，起到將高溫灰渣冷卻的作用，以便于輸送和綜合利用。

干式排渣機(jī)主要有兩種類型，一種是鋼帶式干式排渣機(jī)，另一種是履帶式干式排渣機(jī)，兩者主要區(qū)別在于結(jié)構(gòu)形式和傳動方式。鋼帶式干式排渣機(jī)輸送帶由耐熱不銹鋼帶網(wǎng)和承載鱗板組成，滾筒摩擦傳動，傳送距離和提升傾角受限；履帶式干式排渣機(jī)輸送帶采用耐熱履板，耐磨鏈條傳動，可實(shí)現(xiàn)長距離、大傾角輸送。

煤電行業(yè)已經(jīng)積累了豐富的干法排渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、安裝調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，但由于碎煤加壓氣化爐與鍋爐在排渣形式、灰渣特性等方面差異較大，所以不能簡單照搬這些經(jīng)驗(yàn)，必須充分考慮碎煤加壓氣化爐排渣的特點(diǎn)，才能提出更加適宜的碎煤加壓氣化爐干法排渣技術(shù)方案。

2 碎煤加壓氣化爐的排渣工藝和灰渣特點(diǎn)

碎煤加壓氣化爐操作壓力3.0 MPa～4.0 MPa，灰渣排放需要通過灰鎖來實(shí)現(xiàn)。氣化產(chǎn)生的灰渣位于氣化爐下部，首先經(jīng)爐篦排至灰鎖，當(dāng)灰鎖內(nèi)灰渣達(dá)到一定量時，灰鎖與氣化爐隔離，通過灰鎖膨脹冷凝器減壓到常壓，然后打開灰鎖下閥，灰渣通過豎灰管或溜槽落入渣溝。渣溝設(shè)置一定的坡度并設(shè)有激流噴嘴，激流噴嘴噴出的沖渣水將渣溝內(nèi)的渣沖入沉渣池。根據(jù)煤中灰分差異，排渣周期一般為每小時1～2 次。

碎煤加壓氣化爐的操作溫度可達(dá)1 300 ℃以上，氣化產(chǎn)生的高溫灰渣與由氧氣和蒸汽組成的氣化劑逆流接觸換熱，氣化劑溫度升高，灰渣溫度降低，離開氣化爐的灰渣一般比氣化劑溫度高30 ℃～50 ℃，即在溫度為350 ℃～400 ℃條件下排至灰鎖。正常情況下，這種灰渣是具有一定粒度分布的顆粒狀干燥固體物料，但在操作異常時，其特性也將發(fā)生變化。當(dāng)操作溫度較低時，灰渣中細(xì)顆粒占比增大；當(dāng)操作溫度較高時，有可能造成灰渣部分燒結(jié)，經(jīng)爐篦破碎后，灰渣中大顆粒占比增大[1]。

3 碎煤加壓氣化裝置干法排渣技術(shù)方案

碎煤加壓氣化裝置干法排渣系統(tǒng)流程見圖1（碎渣機(jī)可根據(jù)灰渣情況和去向來設(shè)置），整個系統(tǒng)可以分為熱渣輸送與冷卻系統(tǒng)、冷渣輸送與貯存系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、卸渣系統(tǒng)以及電器儀表控制系統(tǒng)等。

圖1 干法排渣系統(tǒng)流程示意圖

3.1 熱渣輸送與冷卻

實(shí)現(xiàn)碎煤加壓氣化爐干法排渣的關(guān)鍵在于高溫灰渣的輸送和冷卻。一方面離開灰鎖的灰渣是高溫顆粒狀固體，具有一定的磨蝕性；另一方面由于灰鎖采用蒸汽充壓，在降壓過程中蒸汽易凝結(jié)，造成灰渣黏附性增強(qiáng)，附著在設(shè)備壁面或堵塞管道。因此，這種灰渣具有高溫、磨蝕、易堵的特點(diǎn)，是干法排渣技術(shù)方案設(shè)計(jì)必須考慮的問題。

碎煤加壓氣化爐灰渣的輸送可以根據(jù)輸送距離、傾角等選用鋼帶式干式排渣機(jī)或履帶式干式排渣機(jī)，這方面有很多成功經(jīng)驗(yàn)[4]可供參考，在此不再贅述。

離開灰鎖的灰渣應(yīng)盡快冷卻，以減少后續(xù)處理過程的難度?；以鋮s方案要和能量回收利用方案綜合設(shè)計(jì)。在火電行業(yè)，灰渣冷卻和能量回收一般采用空氣或水作為介質(zhì)，采用水冷時，因灰渣溫度過高，為避免結(jié)垢，通常用脫鹽水或凝結(jié)水?？諝饣蛩栈以臒崃亢螅瑴囟壬?，進(jìn)入鍋爐燃燒系統(tǒng)或鍋爐水系統(tǒng)，達(dá)到能量回用。碎煤加壓氣化爐灰渣與鍋爐灰渣相比，溫度低約400 ℃，顯熱大大減少；所含的殘?zhí)拷佑|空氣后，由于溫度和活性不高，發(fā)生燃燒或氧化反應(yīng)的可能性較小，這部分能量也不能回收。因此，碎煤加壓氣化爐灰渣可以回收的能量較小，干法排渣技術(shù)方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是灰渣冷卻，是否考慮能量回收，要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。灰渣冷卻可以考慮采用以空氣為冷卻介質(zhì)的干式排渣機(jī)方案，以減少系統(tǒng)的復(fù)雜性。

各類灰渣處理工藝都存在不同程度的磨損問題，主要通過選擇耐磨性能好的材料和優(yōu)化設(shè)計(jì)來解決該問題?；益i一般每小時排灰1～2 次，單次排出的灰體積在 4 m3～6 m3，用時 2 min～5 min。短時間內(nèi)大量的灰渣排出，需要采取措施減輕對灰渣輸送和冷卻系統(tǒng)的沖擊，可考慮設(shè)置過渡渣斗，或者采用現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的溜槽或豎灰箱等設(shè)備接收灰鎖排出的灰渣后，再利用摩擦力或下灰空間限制等條件，將灰渣連續(xù)緩慢地轉(zhuǎn)移到灰渣輸送和冷卻設(shè)備。

現(xiàn)有碎煤加壓氣化技術(shù)中，灰鎖的充壓都采用中壓過熱蒸汽，卸壓時利用膨脹冷凝器接收灰鎖中的蒸汽。該設(shè)計(jì)方案流程簡單，不僅使卸壓蒸汽中夾帶的灰渣被膨脹冷凝器中的水洗滌，也很好地解決了卸壓閥門、管道受帶灰蒸汽沖刷磨損壽命短的問題。但是，這種充壓卸壓方案需要耗費(fèi)大量的中壓過熱蒸汽和水資源，不利于節(jié)能減排，蒸汽的引入也是造成灰渣流動性降低、易黏附的重要原因。為解決這個問題，可以考慮采用CO2或N2等氣體作為充壓介質(zhì)，設(shè)置過濾器或袋式除塵器去除卸壓氣體中含有的灰渣顆粒。

3.2 密封裝置

作為干式灰渣處理系統(tǒng)，必須做好各個設(shè)備以及設(shè)備之間的密封。通過密封裝置，使灰鎖、過渡渣斗、干式排渣機(jī)以及后續(xù)冷渣輸送、貯存系統(tǒng)形成一個密封體系，避免因無組織排放而產(chǎn)生污染，阻隔外界不受控的空氣進(jìn)入系統(tǒng)，隔絕設(shè)備的振動，使整個系統(tǒng)能夠自由適應(yīng)熱膨脹。

考慮到灰鎖排渣是壓力交變系統(tǒng)，灰鎖與過渡渣斗之間不宜采用水封，推薦采用機(jī)械密封，如選用非金屬膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)[5]。機(jī)械密封與水封式密封相比，無水量消耗，但其非金屬蒙皮和填充料易損壞，壽命在5 a 左右，且初投資較高。過渡渣斗與干式排渣機(jī)之間以及干式排渣機(jī)與后續(xù)冷渣輸送、貯存之間的密封主要用于隔絕設(shè)備的振動，一般均采用非金屬柔性密封。

3.3 冷渣輸送與貯存

降溫后的灰渣即可采用常規(guī)設(shè)備進(jìn)行輸送和轉(zhuǎn)移，可供選擇的方案和設(shè)備較多，如斗式提升機(jī)、皮帶輸送機(jī)以及氣力輸送機(jī)等。碎煤加壓氣化爐爐篦具有一定的破渣作用，因此不需要設(shè)置大渣破碎裝置，是否設(shè)置二級破碎裝置，要根據(jù)輸送方案、灰渣用途等綜合考慮。

為便于外運(yùn)，一般需要設(shè)置渣倉，用作灰渣暫存設(shè)施，然后采用干灰卸料器，將灰渣裝入罐車外運(yùn)，可作為建材原料，用于制磚或生產(chǎn)水泥；如填埋處理，可采用濕式攪拌器，將灰渣轉(zhuǎn)移至汽車或皮帶外運(yùn)到渣場。

4 結(jié) 語

采用干法排渣技術(shù)改造碎煤加壓氣化排渣方案，可以顯著提升排渣系統(tǒng)的節(jié)能節(jié)水環(huán)保特性。碎煤加壓氣化爐干法排渣技術(shù)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在高溫灰渣的輸送和冷卻，推薦采用以空氣為冷卻介質(zhì)的干式排渣機(jī)方案，可考慮設(shè)置緩沖渣斗、采用CO2或N2等氣體替代蒸汽為灰鎖充壓等方法，減輕灰渣對設(shè)備的磨損，降低能耗，提升排渣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。