多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置的優(yōu)化與改進

朱 敏,孫永奎,馬廷衛(wèi),孫西英

(兗礦國泰化工有限公司,山東滕州 277527)

兗礦國泰化工有限公司日處理1 000 t煤多噴嘴對置式水煤漿氣化爐配套240 kt/a甲醇、71.8 MW燃氣發(fā)電工程項目,是多產品聯(lián)合生產系統(tǒng)示范工程,該項目包含了兩個國家“863”計劃課題,即“新型水煤漿氣化技術”和“煤氣化發(fā)電與甲醇聯(lián)產系統(tǒng)關鍵技術的研發(fā)與示范”。該項目于2003年8月1日正式開工建設,2005年10月試生產。

氣化裝置采用具有自主產權的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術。氣化爐直徑3.4 m,二開一備,氣化壓力4.0 MPa,單爐日處理1 000 t精煤。氣化裝置于2005年7月23日一次化工投料成功。作為多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的首次成套示范裝置,在氣化爐運行初期遇到了拱頂耐火磚壽命短、燒嘴拆卸困難等問題,該氣化裝置在近5年的運行過程中進行了內容豐富的優(yōu)化和改進,技術水平日臻完善,現(xiàn)在原型設計的氣化爐拱頂耐火磚壽命已突破6 300 h,工藝燒嘴壽命一般可超過3個月。由于受后系統(tǒng)產能的限制,氣化爐維持在90%的負荷運行。本文介紹國泰公司多噴嘴氣化爐投入運行后所開展的優(yōu)化和改進。

1 氣化流程介紹

氧氣和煤漿經(jīng)過四個工藝燒嘴霧化后在爐內進行部分氧化反應,生成的粗合成氣、熔渣及未完全反應的炭,經(jīng)過渣口和洗滌冷卻水一起進入氣化爐洗滌冷卻室,粗合成氣被冷卻和初步洗滌后出氣化爐。出氣化爐的粗合成氣經(jīng)過混合器、旋風分離器、水洗塔洗滌除塵后送下游的變換、凈化系統(tǒng)。熔渣經(jīng)冷卻固化定期排出系統(tǒng),由撈渣機撈出,裝入渣車運到儲存界區(qū)。氣化及初步凈化流程示意見圖1。

黑水減壓后進入蒸發(fā)熱水塔,閃蒸出的蒸汽與灰水直接接觸換熱,酸性氣經(jīng)氣液分離后送火炬燃燒。經(jīng)蒸發(fā)熱水塔、真空閃蒸濃縮的黑水進澄清槽進行固液分離,含固較低的灰水循環(huán)使用。底部含固較高的黑水經(jīng)壓濾系統(tǒng)處理,濾餅運出界外,濾液制備煤漿。流程示意見圖2。

為保證系統(tǒng)安全運行,裝置設有一套安全聯(lián)鎖邏輯控制系統(tǒng)來保證整個生產裝置的安全運行。裝置運行時,當由于某種原因危及系統(tǒng)安全,安全聯(lián)鎖系統(tǒng)觸發(fā)停車動作,氣化爐按照原設定的程序自動停車;若有一對或一支燒嘴的工藝參數(shù)變化到聯(lián)鎖值時,氣化爐一對燒嘴跳車,另一對燒嘴正常運行,后系統(tǒng)減負荷運行。跳車燒嘴故障消除后進行帶壓連投,后系統(tǒng)恢復高負荷生產。

圖1 多噴嘴對置式水煤漿氣化及初步凈化流程簡圖

圖2 含渣水處理流程簡圖

2 所開展的優(yōu)化和改進

2.1 氣化爐帶壓連投

(1)改進前的情況

多噴嘴對置式氣化裝置在運行初期,經(jīng)常出現(xiàn)非燒嘴原因造成一對燒嘴跳車,只能將氣化系統(tǒng)降壓到0.6 MPa以下運行(此時氣化爐一對燒嘴運行,一對燒嘴停車),下游工序變換、凈化、合成系統(tǒng)切氣停車。在跳車故障消除后將跳車的一對噴嘴再投入運行,氣化系統(tǒng)再次升壓,出氣化工序的煤氣壓力、溫度合格后向后系統(tǒng)送氣,變換、凈化、合成系統(tǒng)再接氣開車。在此過程中,氣化爐雖然沒有完全退出運行,但后系統(tǒng)因為壓力低必須切氣停車,煤氣大量放空,影響了后系統(tǒng)的穩(wěn)定生產和公司的經(jīng)濟效益。

(2)改進措施

為了保證在一對燒嘴退出運行的情況下另一對燒嘴的投料成功,必須提高氣化爐投料物料——氧氣、煤漿的壓力,并對停運燒嘴進行保護:在煤漿循環(huán)和氧氣放空管線上增加煤漿、氧氣提壓閥,提高投料介質的壓力,避免氣化爐內高壓、高溫煤氣竄入氧氣和煤漿管線而發(fā)生意外事故;當氣化爐一對燒嘴停車后,對停運燒嘴進行保護,防止高溫輻射燒蝕燒嘴,保證燒嘴出口不被熔渣堵塞。

(3)改進效果

兗礦國泰化工有限公司于2006年11月29日首次成功進行帶壓連投。2007年10月28日17:05 C#氣化爐因為煤漿波動一對燒嘴跳車, 17:31氣化爐帶壓連投成功,用時僅26 min。現(xiàn)在,國泰公司已成功進行多次帶壓連投,其中有5次因為氣化爐安全系統(tǒng)閥門動作故障沒有成功,閥門故障消除后,二次帶壓連投氣化爐成功并入系統(tǒng)運行,成功率100%。

2.2 預熱口封堵磚

(1)改進前的情況

氣化爐頂部預熱口封堵磚是氣化爐耐火磚中最薄弱的環(huán)節(jié),此封堵磚的使用壽命直接影響氣化爐拱頂磚壽命。原設計的封堵磚為圓柱體,依靠其支撐端面與B磚承托平臺接觸式密封,密封面小,氣化爐在投料初期和運行過程中易出現(xiàn)封堵磚破損脫落情況,且B磚蝕損后承托能力降低,封堵磚易脫落,從而造成氣化爐頂部法蘭超溫。國泰公司多噴嘴氣化爐預熱口封堵磚改進前運行周期較短,曾出現(xiàn)過氣化爐運行過程中封堵磚脫落事件,由于發(fā)現(xiàn)及時沒有發(fā)生惡性事故。氣化爐預熱口封堵磚制約著氣化爐的安全、穩(wěn)定、長周期運行。

(2)改進措施

針對氣化爐封堵磚壽命短的情況,重新設計了封堵磚,將封口磚的形狀由圓柱凸臺形變更為圓錐凸臺形,將密封形式由固定式改為自由沉降式,增加了密封面積,防止了串氣現(xiàn)象的發(fā)生。新設計的封堵磚將承托平臺上移至上層A1磚,并將與B磚的接觸面改成圓錐面,封堵磚可以根據(jù)密封圓錐孔的實際情況上下調整,增大了密封面積,達到了較好的密封效果。

(3)改進效果

兗礦公司設計的封堵磚在2006年第二季度投入使用,封堵磚的壽命現(xiàn)在已超過2000h。圖3為封堵磚使用1 905 h后的照片,從圖中可看出,該封堵磚還可以繼續(xù)使用較長的時間。封堵磚對氣化爐的長周期運行已不存在影響。

圖3 氣化爐頂部封堵磚圖片(使用1905 h后)

2.3 工藝燒嘴頭部的保護

(1)改進前的情況

工藝燒嘴是氣化系統(tǒng)的關鍵設備,其運行狀況影響著氣化裝置的效益和氣化爐的安全。燒嘴的工作環(huán)境非常惡劣,燒嘴噴頭一方面受到爐內高溫輻射及合成氣中硫、氫、富氧等氣體腐蝕作用,同時還受到高速介質的沖刷,壽命一般較短。為了保護燒嘴,一般在其頭部設置冷卻水系統(tǒng)。國泰公司新型氣化爐投產初期,燒嘴方面遇到三個問題:①燒嘴壽命短;②燒嘴冷卻水盤管腐蝕;③燒嘴拆卸困難。工藝燒嘴使用20 d左右其水室端蓋龜裂嚴重,影響燒嘴的霧化;水室端蓋和冷卻水盤管連接處角焊縫出現(xiàn)裂紋或外漏;冷卻水盤管和外氧管腐蝕較重;氣化爐停車后拆卸燒嘴困難,燒嘴室塞滿細灰,經(jīng)常拉壞燒嘴冷卻水盤管。

(2)改進措施

在燒嘴頭部包裹材料,這樣安裝及使用過程中不易破碎,壽命較長,其尺寸可根據(jù)燒嘴室的尺寸調節(jié),保證燒嘴裝入燒嘴室后,燒嘴頭部和耐火磚基本沒有縫隙,可有效防止飛灰塞入間隙,也可隔絕爐內腐蝕性氣體對燒嘴本體及盤管的腐蝕。

將燒嘴冷卻水進水盤管由1.5圈改為0.5圈,減少燒嘴安裝和拆卸過程中的阻力,防止水室端蓋角焊縫受外力損傷;在水室端蓋角焊縫處設置一擋板,防止角焊縫因撞擊而受傷,在燒嘴投入使用后阻擋爐內高溫輻射對燒嘴的影響。

(3)改進后的效果

工藝燒嘴改進后,燒嘴使用壽命逐步延長, 2010年燒嘴平均壽命72d,最長使用周期為121 d。

2.4 水洗塔、旋風分離器、蒸發(fā)熱水塔的黑水出口管線

(1)改進前的情況

氣化系統(tǒng)的三臺主要設備——旋風分離器、水洗塔、蒸發(fā)熱水塔的下部黑水管線原開孔位置在設備的筒體(直筒段)下部,其錐底部分為水流死區(qū)。系統(tǒng)運行過程中,大量灰渣會沉積在錐底部分,形成非常堅硬的灰垢,這些灰垢停車后清理非常困難,氣化爐開停車過程中曾多次堵塞黑水出口管線,造成氣化爐被迫停車或降壓后疏通,除增加停車次數(shù)外,還帶來嚴重的安全隱患。

(2)改進措施

將旋風分離器、水洗塔、蒸發(fā)熱水塔的黑水管線出口位置,由筒體下部改到錐底。正常生產及開停車時,筒體下部旁路閥處于關閉狀態(tài);系統(tǒng)開停車出現(xiàn)錐底堵塞時,打開導淋,排放出大垢片和顆粒,疏通后黑水走錐底的正常流程;如不能疏通則打開錐底上部旁路閥,黑水走旁路維持正常運行,系統(tǒng)停車后進行清理疏通。改進前后的流程示意如圖4。

圖4 旋風分離器、水洗塔、蒸發(fā)熱水塔黑水出口管線改進

(3)改進后的效果

旋風分離器、水洗塔、蒸發(fā)熱水塔的黑水出口管線于2008年相繼進行改進,改進后使用效果較好,沒有因為黑水管線堵塞影響系統(tǒng)運行,系統(tǒng)檢修時沒有發(fā)現(xiàn)錐底積存大量固態(tài)顆粒,減少了系統(tǒng)檢修清理工作量。

2.5 氣化爐托磚盤加噴淋水

(1)改進前的情況

新型氣化爐在實際運行中,由于托磚盤附近的氣體流速較低,托磚盤底部(俗稱“鍋底”)存在積灰現(xiàn)象,造成托磚盤散熱不好,溫度升高,鍋底的設計溫度為425℃。這給氣化爐的安全運行帶來較大的影響,檢修清理較困難。

(2)改進措施

將高溫變換冷凝液(從變換工序水煤氣廢鍋返回的冷凝液)引至氣化框架,從氣化爐底部高壓氮氣管線(閑置未用)進入氣化爐內,冷凝液經(jīng)環(huán)形分布器均勻噴淋到氣化爐鍋底,洗滌鍋底飛灰,防止飛灰積聚。

(3)改進后的效果

氣化爐鍋底加入噴淋水后,較大程度地防止了氣化爐鍋底積灰現(xiàn)象,鍋底溫度得到了控制,消除了鍋底超溫現(xiàn)象。由于是在設備上進行改造,設備原口較小,噴淋水較小(受管徑限制),沒能完全防止氣化爐鍋底溫度上升,在氣化爐運行過程中,隨著氣化爐運行時間的延長,鍋底溫度有時會從220℃升高到260℃。

2.6 振動篩換型

(1)改進前的情況

工藝設計中,選擇煤漿振動篩作為保障煤漿質量的最后一道屏障。原設計選用的煤漿振動篩,開車后運行一直不穩(wěn)定。因煤漿中含有較大顆粒,造成高壓煤漿泵跳車10余次,導致氣化爐3次停車。由于煤漿振動篩在設計、制造中的不足,造成該設備頻繁損壞,主軸斷裂5根,彈簧板斷裂,僅備件一年就需要30余萬元。煤漿振動篩運行不穩(wěn)定嚴重制約氣化爐的穩(wěn)定運行。

(2)改進措施和改造后的效果

經(jīng)與兄弟廠家交流,將振動篩變更為運行穩(wěn)定的回轉篩。煤漿振動篩換型后,徹底消除了因煤漿質量造成氣化爐停車和煤漿波動的現(xiàn)象。滾筒篩運行穩(wěn)定,投入運行的第一年未進行大的修理。隨著運行時間的延長,發(fā)現(xiàn)滾筒篩內支架焊口開裂,篩網(wǎng)有破損現(xiàn)象。這有待在今后的生產運行中進一步完善。

2.7 過濾機換型

(1)改進前的情況

壓濾機是一種固液分離設備,在氣化裝置中用來處理澄清槽底部排出的含固5%～20%的黑水,是渣水處理的關鍵設備,對氣化裝置的環(huán)保排放有較大影響。國泰公司原設計的過濾機為DNQ2 000型帶式濃縮壓榨過濾機,其在運行過程中需要加入大量的絮凝劑,并且經(jīng)常出現(xiàn)濾布跑偏現(xiàn)象,出口濾餅含水量高,維修量和生產維護勞動強度大,無法滿足連續(xù)生產的需要。

(2)換型情況和使用效果

2006年根據(jù)生產情況將帶式濃縮壓榨過濾機更換為真空過濾機,幾年來的運行表明,基本可以滿足生產要求,濾餅含水量一般低于20%。由于是在原基礎上進行改造,較清潔的濾液和濾布沖洗水匯合,造成濾液含固量較高,隨著使用時間的延長,出現(xiàn)了真空過濾機機架腐蝕,濾布跑偏、打皺現(xiàn)象。

3 總 結

兗礦國泰化工有限公司的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置已經(jīng)運行了近5 a時間,經(jīng)過工程上的優(yōu)化和完善,進一步豐富了多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的內涵,也為新建的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置提供了寶貴的實踐經(jīng)驗。但由于國泰公司氣化爐是第一套大型對置式四噴嘴氣化裝置,在設計、施工、生產管理上存在不足,目前仍然存在以下問題:

(1)撈渣機鏈條在運行過程中易出現(xiàn)鏈條一邊拉長的現(xiàn)象,造成撈渣機刮板傾斜;

(2)水洗塔塔盤結垢,灰垢主要由磷酸鹽組成,現(xiàn)在使用的化學清洗方法較難處理,一般采用物理清理的辦法處理,清理勞動強度較大。

目前,該氣化裝置整體處于良好的運行狀態(tài),工藝指標先進,系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定,操作控制手段先進靈活,取得了良好的經(jīng)濟效益,從實踐角度充分證實了多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的先進性、成熟性和可靠性。