GE德士古氣化爐

德士古氣化爐1. 德士古氣化爐概況德士古水煤漿加壓氣化工藝簡稱TCGP ,是美國德士古石油公司TEXACO 在重油氣化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1945 年德士古公司在洛杉磯近郊蒙特貝洛建成第一套中試裝置,并提出了水煤漿的概念,水煤漿采用柱塞隔膜泵輸送,克服了煤粉輸送困難及不安全的缺點(diǎn),后經(jīng)各國生產(chǎn)廠家及研究單位逐步完善,于80年代投入工業(yè)化生產(chǎn),成為具有代表性的第二代煤氣化技術(shù)。國外已建成投產(chǎn)的裝置有6套，15臺(tái)氣化爐；國內(nèi)已建成投產(chǎn)的裝置有8套，24臺(tái)氣化爐，正在建設(shè)、設(shè)計(jì)的裝置還有4套，13臺(tái)氣化爐。已建成投產(chǎn)的裝置最終產(chǎn)品有合成氨、甲醇、醋酸、醋酐、氫氣、一氧化碳、燃料氣、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。我國自魯南化肥廠第一套水煤漿加壓氣化裝置（2臺(tái)氣化爐）1993年建成投產(chǎn)以來，相繼建成了上海焦化廠氣化裝置（4.0 MPa氣化，4臺(tái)氣化爐，于1995年建成投產(chǎn)），渭河化肥廠氣化裝置（6.5 MPa氣化，3臺(tái)氣化爐，于1996年建成投產(chǎn)），淮南化肥廠氣化裝置（4.0 MPa氣化，3臺(tái)氣化爐，于2000年建成投產(chǎn)），金陵石化公司化肥廠氣化裝置（4.0 MPa氣化，3, , , , 臺(tái)氣化爐,于2005年建成投產(chǎn)），浩良河化肥廠氣化裝置（3.04.0 MPa氣化，3臺(tái)氣化爐，于2005年建成投產(chǎn)），南化公司氣化裝置（8.5 MPa氣化，2006年建成投產(chǎn)），南京惠生氣化裝置（6.5 MPa氣化，2007年建成投產(chǎn)）等裝置。由于我國有關(guān)生產(chǎn)廠的精心消化吸收，已掌握了豐富的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)，新裝置一般都能順利投產(chǎn)，短期內(nèi)便能連續(xù)穩(wěn)定、高產(chǎn)、長周期運(yùn)行。并且掌握了以石油焦為原料的氣化工藝技術(shù)。水煤漿和99. 6 %純氧經(jīng)德士古燒嘴呈射流狀態(tài)進(jìn)入氣化爐,在高溫、高壓下進(jìn)行氣化反應(yīng),生成以CO +H2 為主要成分的粗合成氣。在氣化爐內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜,一般認(rèn)為氣化分三步進(jìn)行:(1) 煤的裂解和揮發(fā)份的燃燒水煤漿和氧氣進(jìn)入高溫氣化爐后,水份迅速蒸發(fā)為水蒸汽。煤粉發(fā)生熱裂解并釋放出揮發(fā)份。裂解產(chǎn)物及揮發(fā)份在高溫、高氧濃度下迅速完全燃燒,同時(shí)煤粉變成煤焦,放出大量的反應(yīng)熱。因此,在合成氣中不含有焦油、酚類和高分子烴類。這個(gè)過程進(jìn)行的相當(dāng)短促。(2) 燃燒及氣化反應(yīng)煤裂解后生成的煤焦一方面和剩余的氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng),生成CO、CO2 等氣體,放出反應(yīng)熱;另一方面,煤焦又和水蒸汽、CO2 等發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成CO、H2 。(3) 氣化反應(yīng)經(jīng)過前面兩步的反應(yīng),氣化爐中的氧氣已完全消耗。這時(shí)主要進(jìn)行的是煤焦、甲烷等與水蒸汽、CO2 發(fā)生的氣化反應(yīng),生成CO 和H2 。2 德士古水煤漿氣化工藝2. l 制漿系統(tǒng)制漿系統(tǒng)用于水煤漿的制備。原料煤經(jīng)煤稱重給料機(jī)計(jì)量后送入磨機(jī),同時(shí)在磨機(jī)中加入水、添加劑、石灰石、氨水,經(jīng)磨機(jī)研磨成具有適當(dāng)粒度分布的水煤漿,合格的水煤漿由低壓煤漿泵送入煤漿槽中。2. 2 合成氣系統(tǒng)水煤漿經(jīng)高壓煤漿泵加壓后與高壓氧氣經(jīng)德士古燒嘴混合后呈霧狀噴入氣化爐燃燒室,在燃燒室中進(jìn)行復(fù)雜的氣化反應(yīng),生成的煤氣(稱為合成氣) 和熔渣經(jīng)激冷環(huán)及下降管進(jìn)入氣化爐激冷室冷卻,冷卻后的合成氣經(jīng)噴嘴洗滌器進(jìn)入碳洗塔,熔碴落入激冷室底部冷卻、固化,定期排出。在碳洗塔中,合成氣進(jìn)一步冷卻、除塵,并控制水氣比(即水汽與干氣的摩爾比) ,然后合成氣出碳洗塔進(jìn)入后工序。2. 3 燒嘴冷卻系統(tǒng)德士古工藝燒嘴是氣化裝置的關(guān)鍵設(shè)備,一般為三流道外混式設(shè)計(jì),在燒嘴中煤漿被高速氧氣流充分霧化,以利于氣化反應(yīng)。由于德士古燒嘴插入氣化爐燃燒室中,承受1400 左右的高溫,為了防止燒嘴損壞,在燒嘴外側(cè)設(shè)置了冷卻盤管,在燒嘴頭部設(shè)置了水夾套,并由一套單獨(dú)的系統(tǒng)向燒嘴供應(yīng)冷卻水,該系統(tǒng)設(shè)置了復(fù)雜的安全聯(lián)鎖。2. 4 鎖斗系統(tǒng)落入激冷室底部的固態(tài)熔渣,經(jīng)破渣機(jī)破碎后進(jìn)入鎖斗系統(tǒng),鎖斗系統(tǒng)設(shè)置了一套復(fù)雜的自動(dòng)循環(huán)控制系統(tǒng),用于定期收集爐渣。在排渣時(shí)鎖斗和氣化爐隔離。鎖斗循環(huán)分為減壓、清洗、排渣、充壓四部分,每個(gè)循環(huán)約30 分鐘,保證在不中斷氣化爐運(yùn)行的情況下定期排渣。2. 5 閃蒸及水處理系統(tǒng)該系統(tǒng)主要用于水的回收處理。氣化爐和碳洗塔排出的含固量較高黑水,送往水處理系統(tǒng)處理后循環(huán)使用。首先黑水送入高壓、真空閃蒸系統(tǒng),進(jìn)行減壓閃蒸,以降低黑水溫度,釋放不溶性氣體及濃縮黑水,經(jīng)閃蒸后的黑水含固量進(jìn)一步提高,送往沉降槽澄清,澄清后的水循環(huán)使用。 德士古淬冷型氣化爐 k-t煤氣化爐，德士古煤氣化爐3 德士古氣化使用原料原料煤適應(yīng)性較廣，氣煤、煙煤、次煙煤、無煙煤、高硫煤及低灰熔點(diǎn)的劣質(zhì)煤、石油焦等均能用作氣化原料。但要求原料煤含灰量較低、還原性氣氛下的灰熔點(diǎn)低于13000C，灰渣粘溫特性好。煤質(zhì)對氣化的影響主要表現(xiàn)在水煤漿的質(zhì)量,為了提高經(jīng)濟(jì)性,得到較高的氣化效率及較好的合成氣組份,一般要求水煤漿具有較高的濃度(5862wt %) 、較好的穩(wěn)定性(煤漿不易分層沉降) 及較好的流動(dòng)性(粘度90m；735，315m，15，：500m。 4氣化壓力 氣流床操作壓力的提高，有利于氣化過程的進(jìn)行。因?yàn)閴毫υ黾?，不僅增加了反應(yīng)物濃度，加快了反應(yīng)速度；而且也延長了反應(yīng)物在爐內(nèi)的停留時(shí)間，使碳的轉(zhuǎn)化率提高。氣化壓力的提高，既可提高氣化爐單位容積的生產(chǎn)能力，又可節(jié)省壓縮煤氣的動(dòng)力。故德士古工藝的最高氣化壓力可達(dá)8.0MFa。一般根據(jù)煤氣的最終用途，選擇適宜的氣化壓力。巳投產(chǎn)的幾套裝置中，大多數(shù)采用392 MPa（表壓)，在伊斯特曼工程中配等壓合成甲醇，采用了6.37MPa(表壓)。5本工藝運(yùn)行中存在的突出問題5. 1 氣化爐耐火材料使用壽命短氣化爐耐火磚一般采用法國沙佛埃磚,使用壽命較短,約一年半左右,必須局部或全部更換,主要原因是耐火磚受到高溫(1400 左右) 氣流及熔渣的沖刷,特別是燃燒室中下部,直接受到熔渣沖刷,磨蝕嚴(yán)重。另外開停車頻繁也是影響其壽命的原因。由于耐火磚價(jià)格昂貴,每爐磚約需80 萬美元,故在現(xiàn)有條件下加強(qiáng)工藝操作管理十分必要,另外也可采用國產(chǎn)的耐火材料。5. 2 氣化爐爐膛熱電偶壽命短爐膛熱電偶由燃燒室外壁經(jīng)殼壁、隔熱層、三層耐火磚插入燃燒室用以指示爐內(nèi)反應(yīng)溫度。熱電偶頭部距內(nèi)壁向火面磚內(nèi)縮約50mm。由于各層耐火材料的熱膨脹系數(shù)不同,熱電偶常受到剪切力的作用而損壞,有的使用壽命只有一周左右,短的甚至剛開車即損壞,無法長期準(zhǔn)確指示爐內(nèi)溫度,僅能用于指導(dǎo)開車。正常操作一般根據(jù)氣體組成及爐渣的形狀間接判斷爐溫。5. 3 德士古燒嘴使用周期短在高溫及高濃度煤漿沖刷的苛刻條件下,德士古燒嘴的使用周期較短,一般約50 天左右,即要停爐撥出燒嘴進(jìn)行檢查,對有龜裂、燒蝕、磨蝕現(xiàn)象的燒嘴進(jìn)行修復(fù),重新使用。目前德士古燒嘴的損壞是影響裝置連續(xù)運(yùn)行的主要因素。5. 4 黑水管線容易堵塞、結(jié)垢、磨蝕由于氣化爐和碳洗塔排出的黑水中含固量較高,經(jīng)常造成黑水管線堵塞,影響正常操作,并往往造成氣化爐停車。黑水管線、煤漿管線的清洗增大了工作強(qiáng)度。在黑水減壓部份的管線在節(jié)流、汽蝕作用下,磨損嚴(yán)重,常常需要更換。 6 渣堵 6.1氣化爐渣堵現(xiàn)象 根據(jù)目前德士古裝置運(yùn)行的實(shí)際情況來看，氣化爐的渣堵現(xiàn)象可以分為3類： (1)熔渣堵塞渣口，使燃燒室的灰渣無法排出，堆滿燃燒室的底部。 (2)熔渣逐漸積累到下降管內(nèi)壁上，直至掛滿下降管而堵塞氣體通道。這種類型的渣堵僅上海焦化廠報(bào)道過，其它廠家還未出現(xiàn)此問題。 (3)激冷后的大塊灰渣堆積在氣化爐鎖斗上部LHV51閥的上部，鎖斗排渣無法順頃利進(jìn)行而造成渣堵。這種現(xiàn)象較為普遍，本文主要對這種渣堵現(xiàn)象進(jìn)行分析。 生產(chǎn)中渣堵現(xiàn)象的具體表現(xiàn)如下： (1)渣堵時(shí)，氣化爐的渣口壓差變大，而且壓力波動(dòng)很大。 (2)鎖斗循環(huán)泵的流量由正常的22.0m3h銳減至10.0m3h左右，嚴(yán)重時(shí)降至零，鎖斗系統(tǒng)無法運(yùn)行。 (3)渣量由正常的35 td降至極少，氣化爐排出物甚至出現(xiàn)清水。 (4)大量的細(xì)灰渣被帶入閃蒸系統(tǒng)，閃蒸罐及其管線出現(xiàn)渣堵，沉降槽底部排出的幾乎全部為細(xì)灰渣。 兗礦魯南化肥廠自1994年氣化爐運(yùn)行達(dá)到設(shè)計(jì)能力后，至1997年渣堵現(xiàn)象并不明顯。1997年后，由于B爐拆除了破渣機(jī)，渣堵問題逐漸暴露出來，每年均有數(shù)次嚴(yán)重渣堵，影響氣化爐的安全運(yùn)行。特別是在2001年1月至4月間，B爐出現(xiàn)20余次渣堵，致使氣化爐被迫減負(fù)荷。其中特別嚴(yán)重的渣堵有3次，鎖斗及閃蒸管線均被灰渣：堵死，致使氣化爐被迫停車處理。打開人孔檢查，灰渣已堆到氣化爐的入孔以上，并發(fā)現(xiàn)大量直徑在200300 mn左右的塊渣及20 mm左右的渣塊，很難處理，嚴(yán)重影響廠生產(chǎn)。 6.2 渣堵的原因分析 6.2.1 爐渣的組成與分類 根據(jù)渣的組成和生成原因，爐渣可以分為4類。 （1）灰渣 灰渣為直徑0.55.0mm的渣粒，主要來源于氣化爐內(nèi)煤漿顆粒在霧化燃燒過程中，微粒間碰撞燒結(jié)后，隨著氣流進(jìn)入激冷水浴，經(jīng)過激冷破碎而成。其主要成份見表1。 (2)塊渣 直徑在5.0mm以上的為塊渣，但質(zhì)地較為疏松，主要來源于沿爐壁流下的熔渣。當(dāng)溫度低時(shí)，爐壁積累了厚厚的渣層，當(dāng)溫度突然升高時(shí)，大片的熔渣被燒下來，進(jìn)入激冷室，未能被完全激冷破碎。其主要成份與灰渣相同。 (3)疤渣 疤渣為塊渣，但質(zhì)地較為堅(jiān)硬且致密。成因是熔渣的組份滲透熔解耐火磚的組份后，形成了低熔點(diǎn)化合物：當(dāng)熔渣的侵蝕作用加強(qiáng)、生成的低熔點(diǎn)化合物較多時(shí)，就進(jìn)入激冷室。這種熔渣通常難以被激冷破碎，其主要組成包括Ca2SiO4、Ca2SiO5、CaAl2Fe2O7、CaOAl2O3，SiO2、CaCrO3、CaZrO4等低熔點(diǎn)化合物，質(zhì)地較為堅(jiān)硬，大都呈熔融玻璃狀。 (4)磚渣 磚渣主要是一些損蝕剝落的耐火磚碎塊：熔渣的主要成份逐漸沿著耐火磚的氣孔或裂紋侵入耐火磚內(nèi)，形成共熔物。開停車過程中，壓力、溫度巨變時(shí)，共熔物發(fā)生熱應(yīng)力膨脹，沿著氣孔或裂紋使磚分離、剝落，進(jìn)入激冷室成為磚渣。主要成份和耐火磚略為不同，見表2。 6.2.2 渣堵原因分析 (1)原料煤種變化的影響 入爐煤中灰份含量的變化及灰渣組份的變化，也會(huì)影響到灰渣的熔融特性(即確定氣化爐操作溫度所需要測定的入爐煤漿的灰熔點(diǎn)T3)?；胰埸c(diǎn)過高或過低，均會(huì)使氣化爐溫度發(fā)生變化，影響氣化爐排渣。煤灰渣的組份又是灰渣粘溫特性的主要影響因素之一，其中A12O3、SiO2的含量過高均會(huì)使灰渣熔點(diǎn)升高，粘度變差，而灰渣中Fe2O3、CaO的含量也會(huì)影響灰渣的熔點(diǎn)和粘度。 因而，如果煤種的灰份含量增高，灰渣中的Fe2O3、CaO含量過高，將會(huì)導(dǎo)致灰渣的熔點(diǎn)過高，粘溫特性變差，灰渣的焦渣特性(即灰渣的粘結(jié)指數(shù))變大，容易形成質(zhì)地堅(jiān)硬、體積較大的塊渣，造成渣堵。 (2)耐火磚的損蝕過程發(fā)生變化 在氣化爐的反應(yīng)區(qū)，熔渣會(huì)與耐火磚形成一層低熔點(diǎn)化合物。隨著外界因素如氣化爐操作工況、煤灰組份等的變化，會(huì)加劇灰渣對耐火磚的損蝕，使低熔點(diǎn)化合物逐層被剝蝕下來，形成大塊的疤渣。當(dāng)投料或壓力波動(dòng)較大時(shí)，也會(huì)使耐火磚沿裂紋剝落，形成大塊的磚渣，使鎖斗排渣困難，造成渣堵。這種渣堵一般較難處理，需停車處理。 (3)氣化爐操作工況的影響 氣化爐的操作工況較為復(fù)雜，其中操作爐溫是影響氣化爐渣堵的一個(gè)主要因素。由于外界工況如氧壓的變化，爐溫由高到低變化幅度較大時(shí)，爐溫低時(shí)掛在耐火磚表面的厚厚熔渣及低熔物脫落，在激冷室形成塊渣和疤渣。另外，爐溫高時(shí)，熔渣中的各侵蝕性金屬元素活躍，極易滲透進(jìn)入耐火磚本體，加快磚的損蝕。高爐溫也會(huì)使磚的抗侵蝕能力和機(jī)械強(qiáng)度下降，加快耐火磚的燒損，這就不可避免地造成氣化爐的渣堵。工業(yè)試驗(yàn)證明，爐溫每升高100，熔渣對磚的損蝕就會(huì)加快1倍。壓力的影響較爐溫而言相對較弱，但其影響也不容忽視，因而氣化爐操作壓力應(yīng)盡可能保持穩(wěn)定。 (4)設(shè)備因素 設(shè)置破渣機(jī)的目的是為防止大塊的熔渣和磚渣所造成的渣堵。但從裝置投用至矍997年底，并未暴露出特別嚴(yán)重的渣堵現(xiàn)象，相反由于破渣機(jī)軸封泄漏原因，嚴(yán)重影響了氣化爐的安全運(yùn)行，因而將破渣機(jī)拆除，并與A爐作對比試驗(yàn)。這也是由于存在設(shè)備缺陷而造成2000年初B爐渣堵特別嚴(yán)重的又重要因素。 (5)其它影響因素 由于燒嘴裝配尺寸不匹配或燒嘴使用后期磨損較為嚴(yán)重而形成偏噴，發(fā)生反應(yīng)區(qū)偏流現(xiàn)象，使煤漿與氧的反應(yīng)過程變化而導(dǎo)致渣的生成狀態(tài)也發(fā)生變化，形成大塊渣，造成渣堵。另外，由于氣化爐的不穩(wěn)定運(yùn)行，也會(huì)導(dǎo)致塊渣的生成。 6.3 預(yù)防氣化爐渣堵的措施 6.3.1 穩(wěn)定煤源優(yōu)化配煤技術(shù)水煤漿加壓氣化要求煤種在反應(yīng)性、成漿性、灰熔融特性方面均應(yīng)達(dá)到一定的指標(biāo)：熱值在25.12MJkg以上，灰熔點(diǎn)(T3)在重300以下(但不可過低)，原料煤中的灰份含量不得高于1215(越低越好)。為防止氣化爐渣堵，并充分考慮到運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，我們采用精煤摻配技術(shù)。 所選用的精煤品種均符合指標(biāo)，并對采購煤種嚴(yán)格把關(guān)，特別控制煤種的灰份含量絕對要小于10。通過采用定的摻配比例達(dá)到降低入爐煤的灰熔點(diǎn)、改變煤灰渣的組份，以減緩對耐火磚的損蝕，改善熔渣的形成狀態(tài)，最大限度地減少疤渣、磚渣的生成，從而盡可能地防止氣化爐渣堵現(xiàn)象的發(fā)生。 6.3.2 把好耐火磚的質(zhì)量 耐火磚要嚴(yán)格按照其理化性能標(biāo)準(zhǔn)選用，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。還應(yīng)加強(qiáng)砌筑質(zhì)量管理，嚴(yán)格執(zhí)行筑爐技術(shù)要求：控制橫向灰縫1 mm、縱向灰縫1.8 mm，灰縫耐火泥漿要飽滿，垂直度偏差5 mmm，水平度偏差為4mmm，最大同心度為5mm。另外，嚴(yán)格按照烘爐曲線烘爐升溫，控制升溫速率為25/h。 6.3.3 嚴(yán)格控制操作溫度 (1)正常運(yùn)行時(shí)，要嚴(yán)格執(zhí)行工藝指標(biāo)，控制爐溫在1 350以下，這對防止氣化爐的渣堵十分重要。若高溫?zé)犭娕紵龎暮螅筛鶕?jù)在線質(zhì)譜儀測得的氣體成份含量及甲烷含量綜合判斷爐溫的高低，嚴(yán)禁超溫操作。并且采用氧煤比自動(dòng)跟蹤技術(shù)，可以避免爐溫的大幅度波動(dòng)。采用新的高溫?zé)犭娕佳b配技術(shù)，延長高溫?zé)犭娕嫉氖褂脡勖瑢Ψ€(wěn)定爐溫同樣重要。 (2)投料時(shí)爐溫不可過高。投料是系統(tǒng)一個(gè)突變的過程，爐溫會(huì)瞬間猛升，加快耐火磚的損蝕，加速疤渣、磚渣形成，易造成氣化爐的渣堵。 因而在投料時(shí)，要將投料的氧煤比調(diào)低，控制爐溫在合適的范圍內(nèi)。 (3)加強(qiáng)入爐煤漿灰熔點(diǎn)的檢測，每天都應(yīng)準(zhǔn)時(shí)、快速地將灰熔點(diǎn)(T3)檢測出來并將結(jié)果報(bào)給控制室，由操作人員參照灰渣的粘溫特性變化情況，隨時(shí)調(diào)整氣化爐的操作溫度。 (4)通常以灰渣流動(dòng)時(shí)其粘度在2535Pas時(shí)的溫度作為氣化爐的操作溫度，此時(shí)氣化爐的排渣較為順利。 6.3.4 穩(wěn)定氣化爐運(yùn)行，加強(qiáng)氣化爐安全生產(chǎn)管理 (1)對德士古氣化爐的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)及高壓