多噴嘴水煤漿氣化技術介紹

1、多噴嘴水煤漿氣化技術0 引言 為了推進我國化學工業(yè)的發(fā)展，擴展氣化用原料煤種，自20世紀80年代以來，我國花費巨額外匯先后引進了10余套德士古水煤漿氣化裝置，用于生產合成氨與甲醇。隨著德士古煤氣化裝置技術優(yōu)勢的顯現(xiàn)，由于購買昂貴的專利使用權和過高價格的進口設備、材料，也使一些企業(yè)背上了沉重的還貸負擔。 經過10多年的實踐，國內在水煤漿氣化技術方面積累了一定的設計、安裝和運行等工程經驗，通過在實踐中不斷進行技術的優(yōu)化、完善與創(chuàng)新，推動了水煤漿氣化技術在中國的應用和發(fā)展?！熬盼濉逼陂g，水煤漿氣化與煤化工國家工程中心、華東理工大學和中國天辰化學工程公司承擔的國家重點科技攻關項目“新型(多噴嘴對置)水

2、煤漿氣化爐開發(fā)”，通過了專家鑒定與驗收。在山東華魯恒升化工股份有限公司國產化1000t/d合成氨大型氮肥裝置中，采用了6.5MPa、投煤 750td的四噴嘴對置式水煤漿氣流床氣化爐(以下簡稱四噴嘴氣化爐)，這也是新型(多噴嘴對置)水煤漿氣化爐技術中試裝置通過考核后的首次工業(yè)化裝置。山東華魯恒升化工股份有限公司四噴嘴氣化爐是在中試裝置的基礎上，由華東理工大學、水煤漿氣化與煤化工國家工程中心出具工藝軟件包，中國華陸工程公司根據(jù)工藝軟件包進行了工程設計，哈爾濱鍋爐廠有限公司制造了氣化爐設備主體，新鄉(xiāng)耐火材料廠提供了氣化爐燃燒室耐火襯里。山東華魯恒升化工股份有限公司四噴嘴氣化爐自2004年12月1日開

3、始試車、投入運行，本文擬對其應用情況進行介紹。1 四噴嘴氣化爐結構原理來自棒磨機的水煤漿經兩個隔膜泵加壓，與來自空分裝置的高純度氧氣一起通過4個對稱布置在氣化爐中上部同一水平面上的工藝噴嘴，對噴進入氣化爐燃燒室，每個隔膜泵分別給軸線上相對的兩個噴嘴供料。在高溫高壓下，噴入氣化爐燃燒室的水煤漿與氧氣進行部分氧化反應，生成CO、H2為有效成分的粗煤氣。氣化爐激冷室內有下降管，下降管上端連接激冷環(huán)，下降管下部浸入激冷水中，下端有四個切向排氣口；下降管與激冷室內壁之間有四層鋸齒型的破泡分隔板。工藝噴嘴為預膜式噴嘴。工藝氣 PG出氣化爐后經文丘里洗滌器、分離器和水洗塔后送變換工段。分離器內有破泡板和導氣

4、管，水洗塔上部有固閥塔盤、旋流塔盤和高效除沫器。氣化爐激冷室下部沒有設置破渣機。氣化爐結構見圖1，氣化爐局部工藝流程見圖2。 氣化爐燃燒室內的流場結構由射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊流股、回流區(qū)、折返流區(qū)和管流區(qū)組成，見圖3。四噴嘴在同一水平面上向氣化爐中心對噴撞擊后，霧化后的水煤漿與氧氣的混合更充分，形成梅花瓣狀火焰。氣流撞擊后，方向發(fā)生變化，部分氣流上升，遇拱頂后，形成回流區(qū)和折返流區(qū)；部分氣流下行，形成管流區(qū)。2 工藝性能與技術優(yōu)勢2.1 工藝性能相對于德士古氣化爐，四噴嘴氣化爐火焰在爐內上部燃燒，氣體在爐內停留時間延長，二次反應充分，有效氣體含量明顯提高；尤其因折返流區(qū)域存在，延長了氣體在爐內停

5、留時間，更加促進了氣化爐內介質的接觸與混和，促進了化學反應。由于二次反應主要是吸熱反應，二次反應的增加，其結果使得氣化爐燃燒室下部溫度下降，為保證氣化爐順利排渣，需將氧煤比進一步提高，此時，撞擊區(qū)溫度較德士古氣化爐燃燒室內溫度要高，所以燃燒也更充分，殘?zhí)枷啾容^而言，也更低。表1為2006年3月份系統(tǒng)測試部分數(shù)據(jù)。2.2 技術優(yōu)勢我們認為，四噴嘴氣化爐有以下技術優(yōu)勢：(1)四噴嘴氣化爐，采用預膜式噴嘴，其霧化夾角大，又因采用對撞方式，其混合更充分。當某一個噴嘴因自身或其他外在原因霧化不好時，由于形成了撞擊流，其影響也非常小。(2)在四個噴嘴中，當一個噴嘴因煤漿泵或管線堵塞等原因造成煤漿流量低而過

6、氧時，其它噴嘴可及時緩解這種危險，贏得處理時機。在一定條件下，當一對噴嘴或管線出現(xiàn)故障時，另一對噴嘴可在短時間內繼續(xù)運行，維持生產；待故障噴嘴或管線問題解決后，可繼續(xù)投入運行。(3)由于附著在工藝氣出口管線內壁上的灰垢在停車檢修時不容易清洗干凈，德士古水煤漿氣化爐投料初期，這些垢片受熱后脫落，經常造成水洗塔出口管線堵塞。四噴嘴氣化爐由于在水洗塔前設置了分離器，脫落下來的垢片被預先擋在了分離器內，這樣，即使分離器排水管線被堵，水洗塔排水可仍舊暢通，不會造成水洗塔底部排水管線堵塞。 (4)通過累計4100h的生產運行看，這種技術不但有效氣體成份高，而且反應完全，單位煤漿產氣量也較德士古氣化爐高，灰

7、渣殘?zhí)己康?，碳轉化率高。3 有關問題探討 除了具有上述技術優(yōu)勢外，從原始投資看，還能節(jié)約大量購買外國專利需要的外匯，可見，四噴嘴氣化爐是一種值得推廣的國產化技術。但由于是第一套工業(yè)化裝置，我們發(fā)現(xiàn)，在局部結構上有些問題還值得探討。3.1 局部爐磚與頂部堵頭損蝕過快 四噴嘴氣化爐燃燒室高度方向爐溫的梯度變化很大，高溫區(qū)在噴嘴位置以下500mm及噴嘴位置以上一直到拱頂，停爐降溫后，我們進燃燒室檢查時有深刻的體會：人站在錐底磚以上，當體感溫度跟爐外一樣時，越接近噴嘴部位溫度越來越高，盡管有四個噴嘴室洞口的徑向通風，但到達拱頂部位時人仍然待不住。這些高溫區(qū)也是四噴嘴氣化爐耐火襯里損蝕最嚴重的部位，例

8、如：噴嘴周圍及以下500mm和以上筒體熱面磚在累計使用3425h的時間內因損蝕過快就已經進行過更換；在累計使用3425h的時間后拱頂磚則已損蝕130mm。噴嘴周圍及以下500mm和以上筒體熱面磚燒蝕過快除了處于高溫區(qū)的原因外，我們分析還有如下幾個原因：(1)單個噴嘴出口流速在110ms，如某個噴嘴出現(xiàn)故障，噴嘴火焰形不成理想中的撞擊流，梅花狀火焰區(qū)向一側偏移，造成耐火磚的沖刷腐蝕加劇。(2)由于制造或維修誤差，造成噴嘴煤漿環(huán)隙和外氧環(huán)隙不均勻；四噴嘴氣化爐在生產中經常出現(xiàn)噴嘴小噴頭外錐面、中噴頭內錐面不均勻磨蝕，從而造成煤漿環(huán)隙嚴重不均勻而偏噴，導致噴嘴周圍耐火磚某部位嚴重沖刷。(3)由于預膜

9、式噴嘴煤漿環(huán)隙較相同生產能力的德士古氣化爐噴嘴小，幾個大的煤漿顆粒擠在煤漿環(huán)隙里很容易造成堵塞，這種堵塞是隨機的，說不定什么時候又被沖開，噴在對面噴嘴周圍就造成不均勻沖刷。文獻提出的設想可能有助于解決此問題。 燃燒室拱頂與頂部堵頭因對撞形成的火焰直接燒蝕、沖刷、熱剝離，壽命較短。尤其是頂部堵頭，每次停車都要重做新的，并且必須待降下溫來檢查拱頂蝕損情況后才能確定堵頭的長度再進行制作，影響備用。頂部堵頭是影響氣化爐高負荷長周期運行的隱患。開始使用的頂部堵頭結構為澆鑄料外包耐熱鋼殼體，僅僅運行86 h就燒蝕近50，后來我們將下部澆鑄料改為耐熱鋼筋掛耐火磚外包耐熱鋼殼體結構后運行時間有所延長，但仍舊是

10、安全生產的隱患。頂部堵頭損毀的情況分析如下： (1)噴嘴對撞流往上，直沖拱頂中心部位及頂部堵頭； (2)原設計的直接打澆筑料的堵頭，澆筑料高溫強度太弱，很容易被燒毀； (3)堵頭與拱頂爐磚之間的縫隙，使得火焰竄入，先逐步燒毀頂部堵頭的金屬殼體，燒斷掛耐火磚的鋼筋，然后耐火磚掉落下來； (4)負荷越大，因撞擊而產生的火焰越強，越容易把堵頭燒毀。 有一次我們把頂部堵頭做得與耐火磚洞口呈“緊配合”，火焰難于竄入，在連續(xù)投用26d后，頂部堵頭損蝕較輕。我們計劃將靠中心的幾圈拱頂磚加厚50mm(已委托耐火材料廠家進行過相關計算)，將最上面一圈放置頂部堵頭的拱頂磚做成臺階狀，避免火焰直沖頂部堵頭的金屬殼體

11、。3.2 噴嘴室與噴嘴安裝 噴嘴室結構 噴嘴室起初的結構是：噴嘴就位后藏在前面的擴口磚后面，擴口磚洞口比噴嘴外徑小。運行中發(fā)現(xiàn)這樣很容易造成“窩火”，嚴重時會燒毀擴口磚后面的耐火磚甚至噴嘴本身。我們將擴口磚洞口改大后，沒再出現(xiàn)窩火現(xiàn)象。 噴嘴位置 將擴口磚洞口改大后，就噴嘴端面的徑向位置，我們仍保留了噴嘴端面在噴嘴室內相對于擴口磚的位置，沒有將噴嘴加長，這主要有兩個考慮：一是避免噴嘴加長后對撞流更劇烈，更易燒蝕對面噴嘴周圍耐火磚、拱頂磚及頂部堵頭；二是由于噴嘴室內為低壓區(qū)，噴嘴加長后更容易掛渣，拔出噴嘴時很容易將噴嘴上的盤管拉壞。 現(xiàn)在的四個噴嘴在高度方向上的位置有點偏上，這應該是拱頂磚和頂部

12、堵頭損毀過快的主要內因。建議以后新上的四噴嘴氣化爐，在形成合理的回流和折返流、保證足夠長的管流區(qū)的前提下，盡量加大噴嘴中心線至拱頂?shù)木嚯x。 噴嘴安裝 理想的情況是四個噴嘴安裝后，四個噴嘴的中心線在一個平面上，兩兩相對的噴嘴中心線應能夠重合，這樣才有可能實現(xiàn)真正的對撞流。由于實際中氣化爐制造、爐磚砌筑、噴嘴安裝誤差以及橫置的噴嘴本身作為懸臂梁使得頭部下垂等原因，不可能完全達到這些要求。 德士古水煤漿氣化爐換一次工藝噴嘴所用時間，最短不到0.5h；而四噴嘴氣化爐一是因為噴嘴多達四個，更重要的是因為其橫置，噴嘴安裝時不易就位，安裝一次工藝噴嘴則需要45h。3.3 激冷室 激冷室內，四噴嘴氣化爐用破泡板代替了傳統(tǒng)水煤漿氣化爐的上升管，由于破泡板與相應支架為焊接成形，激冷室缺少上部人孔，停車時若不破壞局部破泡板，檢修人員從下部人孔無法上到激冷環(huán)進水管處檢修、沖洗。 每次停車后進爐檢查時發(fā)現(xiàn)，破泡板之間縫隙內嚴重集灰，從下往上看不出破泡板之間的縫隙。集灰結得比較結實，能夠承受人體的重量。在氣化爐每次運行的后期，從氣化爐壓差上也能反映出這一點。 就激冷室結構，對新建四噴嘴氣化爐的建議是：上、下部各設一個人孔；破泡板之間的距離適當加大；每層破泡板加入孔方便檢修沖洗。破泡板強度要足夠，以免運行中發(fā)生沖散事件。4 結語 (1)經過41