優(yōu)化改造干煤粉氣化爐內(nèi)件結(jié)構(gòu)提高合成氣在爐內(nèi)變換反應(yīng)深度★

馬 釗

（寧夏神耀科技有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750200）

引言

“神寧爐”干煤粉加壓氣化技術(shù)采用干煤粉為原料，在高溫高壓下，粉煤和氧氣以及次高壓蒸汽通過氣化爐頂部的主燒嘴進(jìn)入燃燒室完成煤的氣化反應(yīng)，通過控制氧氣流量與煤粉流量的比值來調(diào)節(jié)氣化爐的操作溫度，進(jìn)入氣化爐的氧氣流量遠(yuǎn)低于使煤粉完全燃燒的氧氣流量，使氣化爐內(nèi)發(fā)生部分氧化反應(yīng)，生成以CO 和H2為主的粗合成氣[1-2]。高溫粗合成氣和液態(tài)渣經(jīng)下降管進(jìn)入激冷室水浴，液態(tài)熔渣被激冷水淬冷變成固體，高溫合成氣降溫、粗洗后進(jìn)入洗滌系統(tǒng)，進(jìn)一步精洗、達(dá)標(biāo)后送入變換工序和未變換工序。

裝置因下游產(chǎn)品不同，將變換裝置設(shè)置為變換系列和未變換系列以滿足不同產(chǎn)品對氫碳比的需求，氣化洗滌塔送出的合成氣分兩路進(jìn)入下游變換系列和未變換系列，變換系列采用兩級變換后變換氣幾乎完全變換，變換氣中φ（CO）＜6%，送入下游凈化裝置，而未變換系列采用脫毒槽及冷卻設(shè)施對合成氣脫除有毒物質(zhì)和降溫除水后也送入下游凈化裝置，依據(jù)下游產(chǎn)品對氫碳比需求，通過控制變換氣支路流量和未變換氣支路流量，滿足下游產(chǎn)品需求，同時通過控制出未變換系列未變換氣量與出變換系列變換氣量的比列（比值控制器）來實現(xiàn)變換系列和未變換系列負(fù)荷控制。

裝置實際運(yùn)行中，因下游變換系統(tǒng)和未變換系統(tǒng)設(shè)計裕量不同，變換系統(tǒng)裕量過小，而未變換系統(tǒng)裕量相對過剩，同時全裝置除變換工序外，其他工序均能達(dá)到設(shè)計負(fù)荷110%運(yùn)行工況，目前全裝置滿負(fù)荷運(yùn)行期間，變換系列操作彈性非常小，時而出現(xiàn)火炬放空閥有開度現(xiàn)象，嚴(yán)重制約全裝置高負(fù)荷、安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。為徹底解決全裝置高負(fù)荷運(yùn)行受變換系列制約因素，對氣化爐內(nèi)件進(jìn)行優(yōu)化改造，將下渣口由喇叭式結(jié)構(gòu)改為階梯兩段式結(jié)構(gòu)[3]，并延長擴(kuò)大段長度，同時加大激冷環(huán)直徑及激冷環(huán)出水口間隙，降低激冷環(huán)出水速度，為合成氣二次變換反應(yīng)提供適宜的反應(yīng)溫度、反應(yīng)濃度和反應(yīng)空間（即停留時間），促使合成氣在氣化爐內(nèi)變換反應(yīng)深度[4]，加大有效氣中氫氣比例，提高進(jìn)入下游裝置未變換氣與變換氣的比例（即降低變換系列負(fù)荷），從而確保全裝置高負(fù)荷、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

通過氣化爐內(nèi)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造，裝置運(yùn)行中，合成氣干基氫氣體積分?jǐn)?shù)提高5%左右（即有效氣中氫氣含量提高8%左右）[5]，滿足生產(chǎn)改造需求，徹底解決了因變換裝置操作負(fù)荷彈性小，使全裝置高負(fù)荷運(yùn)行受限的因素，從而確保裝置運(yùn)行的安全性、可靠穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

1 理論分析及改造思路

通過氣化爐停車檢修時，觀察、測量下渣口下端掛渣厚度及硬度，判斷氣化變換反應(yīng)區(qū)域，結(jié)合仿真計算，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有下渣口內(nèi)發(fā)生變換反應(yīng)深度很小，同時結(jié)合下渣口熱量損失綜合分析，初步確定，合成氣在氣化爐內(nèi)，在無催化劑條件下，反應(yīng)最佳溫度為800 ℃～1 250 ℃，故，改造目的使合成氣離開下渣口期間溫度控制在800 ℃～1 250 ℃，在此溫度下合成氣盡可能停留時間長，且有一定濃度的反應(yīng)水蒸氣，同時確保下渣口改造后使氣化爐碳轉(zhuǎn)化率和有效氣組分含量不受影響，系統(tǒng)整體阻力降不加大，下渣口運(yùn)行中不易堵塞，不產(chǎn)生擴(kuò)散角，損壞激冷環(huán)和下降管等。

2 氣化爐內(nèi)件優(yōu)化改造目標(biāo)及改造實施

2.1 優(yōu)化改造目標(biāo)

新優(yōu)化改造下渣口第一段直徑與原下渣口喇叭口的上端（小口）直徑保持一致，從而確保煤粉在氣化爐內(nèi)的返混及停留時間，確保氣化爐有效氣組成含量及碳轉(zhuǎn)化率[6]；新優(yōu)化改造下渣口擴(kuò)大段的直徑遠(yuǎn)大于喇叭口末端（大口）直徑，所相配套的激冷環(huán)和下降管也隨之?dāng)U大，直徑擴(kuò)大約1.15 倍，使激冷水噴出激冷環(huán)后汽化，并使水蒸氣向上旋起150 mm 以上，依據(jù)試驗階段下渣口掛渣厚度及硬度，確定在激冷環(huán)向上約150 mm～200 mm 范圍內(nèi)為蒸汽含量最大區(qū)域，同時，依據(jù)合成氣熱量損失推算及仿真計綜合確定新下渣口擴(kuò)大段長度，使新下渣口下端向上約150 mm～200 mm 內(nèi)合成氣的溫度經(jīng)水冷壁盤管換熱及旋氣激冷水蒸汽混合降溫至800 ℃～1 250 ℃內(nèi)，再者，新下渣口第二段直徑較原下渣口直徑加大，且長度也增加，增加了合成氣在下渣口內(nèi)停留的時間，此改造為變換反應(yīng)提供了適宜的反應(yīng)時間、反應(yīng)濃度（水蒸氣含量）及提供了最佳反應(yīng)溫度，在該反應(yīng)溫度下無需催化劑即可發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)變換反應(yīng)的進(jìn)行，加劇變換反應(yīng)的深度，達(dá)到改造目的。

2.2 優(yōu)化改造實施

2.2.1 下渣口

1）將原喇叭口結(jié)構(gòu)的下渣口改為階梯兩段式結(jié)構(gòu)。

2）新結(jié)構(gòu)階梯兩段式下渣口的第一段直徑與原結(jié)構(gòu)喇叭口式下渣口的上端口（小口）的直徑保持一致。

3）新結(jié)構(gòu)階梯兩段式下渣口的第二段直徑為原結(jié)構(gòu)喇叭口式下渣口的下端口（大口）直徑的1.15 倍。

2.2.2 激冷環(huán)

1）新結(jié)構(gòu)階梯兩段式下渣口配套的激冷環(huán)直徑為原結(jié)構(gòu)喇叭口式下渣口配套激冷環(huán)直徑的1.15 倍。

2）激冷環(huán)出水口間隙擴(kuò)大至原激冷環(huán)出水口間隙的1.2 倍。

2.2.3 下降管

新結(jié)構(gòu)階梯兩段式下渣口配套的下降管直徑為原結(jié)構(gòu)喇叭口式下渣口配套下降管直徑的1.15 倍。

2.2.4 氣化爐內(nèi)件優(yōu)化改造前后簡圖（見圖1）

圖1 氣化爐內(nèi)件優(yōu)化改造前、后簡圖

3 結(jié)論

氣化爐內(nèi)件優(yōu)化改造后，合成氣中氫氣含量（干基）大約由23.5%提高至29%，改造優(yōu)化前、后合成氣干基組成分析見表1。

表1 改造優(yōu)化前、后合成氣手動分析

續(xù)表

改造優(yōu)化前有效氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)在25%左右，改造優(yōu)化后有效氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)在33%左右，改造優(yōu)化后有效氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)提高8%左右。

通過對氣化爐內(nèi)件進(jìn)行優(yōu)化改造，提高了合成氣在氣化爐內(nèi)變換反應(yīng)深度，提高了有效氣中氫氣比例，降低進(jìn)變換系列氣體總量，變換系列操作彈性大大提高，裝置運(yùn)行期間，下游變換系統(tǒng)和未變換系統(tǒng)剩余負(fù)荷裕量相當(dāng)，全裝置高負(fù)荷運(yùn)行不受變換裝置負(fù)荷裕量限制，裝置達(dá)到設(shè)計負(fù)荷110%運(yùn)行工況，徹底解決全裝置高負(fù)荷運(yùn)行受變換系列制約因素，從而保證裝置安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高負(fù)荷、長周期運(yùn)行。