水煤漿氣化爐布置及管道設計

楊 柳

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

水煤漿氣化爐布置及管道設計

楊 柳*

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

結合具體項目情況，介紹水煤漿氣化爐及氣化工藝特點，分析氣化爐及其燒嘴從設備布置到相關管道布置的設計難點，提出合理建議。

水煤漿氣化爐 燒嘴 布置 管道

水煤漿氣化工藝是以純氧和水煤漿為原料，經燒嘴進氣化爐，在高溫、高壓下進行氣化反應，生成粗合成氣的工藝過程。其中最具代表性的為德士古水煤漿氣化工藝，作為工藝核心設備的氣化爐，其設備布置及其相關管道設計的合理性直接影響到氣化框架整體布局。本文以氣化爐單臺投煤量1500t/d，操作壓力6.5MPa，燃燒室內徑Ф3200mm，激冷室內徑Ф3800mm，三臺氣化爐兩開一備工況為例，提出氣化爐布置及管道設計時應注意的幾個問題。

1 水煤漿氣化爐與氣化工藝

氣化爐為燃燒室內襯耐火材料的立式壓力容器，是氣化工藝最核心設備，作為高溫氣化反應發生場所，根據不同的工藝要求，其燃燒室可與激冷室或廢鍋相連，在本文中以激冷流程進行說明，具體工藝流程：料漿由料漿貯槽經高壓料漿泵加壓后，連同空分送來的高壓氧氣經燒嘴混合霧化后進入氣化爐發生氣化反應。高溫氣體和熔渣經激冷環、下降管進入激冷室的激冷水中，并被水蒸汽飽和后出氣化爐。粗合成氣經文丘里和炭黑洗滌塔用水進一步濕潤洗滌，除去殘余的飛灰，并根據需要制氫或做它用，生成的灰渣通過渣排放系統定期排出界外。

2 氣化框架

氣化爐布置見圖1。

氣化框架占地面積約為16m×45m，總高度為53.7m，框架東側為裝置外管廊，南側與磨煤框架相連，氣化爐布置在A、B軸與2-5軸區域內。為保證氣化爐等大型設備吊裝，西側道路延伸至北側框架，樓梯間設置在西南角及東南角，以滿足安全疏散通道要求，吊裝孔考慮設置在西北角靠近裝置出入口附近，便于搬運?？蚣芸缍鹊脑O計主要以氣化爐為依據，它是此區域最大體積設備，其爐體直徑為Ф3800mm，四個支耳支撐，支耳底板外緣6m，同時兼顧操作檢修將跨度確定為9m。

圖1 氣化爐布置

3 氣化爐布置時的注意事項

3.1 支撐層高度的確定

根據氣化工藝要求，為保證氣化爐排渣順暢，設備與設備間均為串聯布置，其順序依次為氣化爐-破渣機-渣鎖斗-撈渣機，故氣化爐支撐高度應充分考慮設備及其相連管道所需空間，從下至上推算出氣化爐安裝高度，同時保證氣化爐頂部管口(與燒嘴連接處法蘭)高出平臺150mm左右，以便拆卸更換燒嘴。

3.2 吊裝方案對框架結構的影響

氣化爐總長約20m，設備質量約500t，為氣化框架內最長、最重的設備，其吊裝方案直接影響到框架結構，包括吊裝孔的設置、框架梁的布置方式等。采用混凝土結構的氣化框架，一般有以下三種方式：

(1)施工至氣化爐支撐層后對氣化爐進行吊裝，待就位后施工上部結構，此方案最為簡單、經濟，但需考慮氣化爐進場時間、工程進度以及施工時對氣化爐保護等問題。

(2)氣化爐待整體框架結構施工完畢后從框架頂部自上而下進行吊裝就位，同時設計時應考慮自上而下均設置吊裝孔，具體需注意以下問題：① 為適當減小吊裝孔的大小，一般考慮將設備旋轉45°，即將4個支耳的位置旋轉至樓板開孔的四個角處，設備吊起，支耳通過開孔、樓板后，再轉回45°將支耳在梁上就位；② 吊裝孔的大小必須能通過設備各部件，一般來講，人孔或者是最大的工藝管口都會是整個設備的最大部件,但應注意當與最大管口高差小于梁高的設備管口方位對吊裝孔的影響；③ 設備吊裝完畢后對吊裝孔用花紋鋼板補齊，以保護人員通行安全。

(3)氣化爐待框架施工完畢后從框架側面進行吊裝，此方式需設置活動梁，此梁一般為鋼梁，當設備吊裝時，取下活動梁，設備就位后，再將活動梁安裝好。該方法適用于吊裝設備總長較大，吊車從頂部吊裝較為困難的情況，對于水煤漿氣化爐大型吊車(例如1250噸位)可順利從頂部吊起，故此吊裝方法并不常見，更多用在粉煤氣化爐的吊裝過程。

水煤漿氣化爐常用后兩種吊裝方案，具體需根據整個項目進度、吊車大小等情況統一考慮，必要時應與施工單位共同協商。

3.3 燒嘴平臺吊車的選用

3.3.1 吊車存在的必要性

(1)氣化爐、燒嘴日常檢修維護非常頻繁，尤其是燒嘴在高溫、高壓及高速氣流的沖刷下，使用周期較短，平均壽命為45d, 屬易損部件，檢修頻率非常高，這同樣也是德士古水煤漿氣化爐考慮備用爐的重要因素。

(2)為減少開車時燃燒室的熱量散失，保證快速拆卸預熱燒嘴，更換工藝燒嘴，需將整個過程控制在45min之內，為滿足此要求，必須設置吊車。

3.3.2 主要吊裝部件數據

吊車主要吊裝部件為工藝燒嘴、預熱燒嘴、耐火磚、下降管、上升筒，其具體參數見表1。

為保證更換燒嘴的過程中，燒嘴冷卻水不間斷，吊裝時應連冷卻水管線上的三通閥及其附件(例如法蘭、軟管等)一起吊裝，故起吊部件重量將其一起考慮。另外，由于耐火磚吊裝數量可控(參考重量為4500kg/m3)，即吊裝重量可控，故可不作為確定因素。

表1 起吊部件參數

3.3.3 吊車的選用原則及方案

吊車的選用原則：其運行軌跡應通過所有吊裝或檢修部件的正上方，并預留足夠空間，保證檢修件吊起時，與平臺管線(包括控制閥的執行機構)完全分離。目前常用做法有兩種：一臺橋式吊車或兩臺獨立的單軌吊車，前者覆蓋范圍相對廣，但成本高，但后者優勢在于可同時吊裝、縮短更換燒嘴時間，也可同時對停車檢修的氣化爐進行耐火磚的更換，穩定性好、成本相對低。

吊車選用方案：本項目綜合考慮后選用兩臺單軌吊車，起吊重量均為3t，起吊高度分別為10m用于更換燒嘴、60m用于吊裝耐火磚、下降管、上升筒。

4 氣化爐主要管道的設計

氣化爐管道設計難點主要在于燒嘴相關管線的設計，因為燒嘴是氣化爐重要組成部分，用于水煤漿和氧氣的高度混合、霧化，是氣化反應的第一步，也是氣化爐安全穩定運行的關鍵，同時由于其輸送介質的特殊性，水煤漿為固液兩相，易沉積、易堵，磨蝕嚴重；純氧為強助燃劑，加上為使裝置運行安全可靠，系統設置了復雜的安全聯鎖，自動化程度高，各種工藝閥門、儀表元件較多，所以布置時應統籌考慮工藝要求，介質特性、安全操作等各方面因素。

4.1 燒嘴管口參數與方位布置原則

燒嘴管口為主氧氣入口(DN100)、中心氧入口(DN40)、煤漿入口(DN100)、冷卻水入口(DN50)、冷卻水出口(DN50)，其中冷卻水系統是在燒嘴外側設置的冷卻盤管，由一套單獨的系統向其供應冷卻水，防止燒嘴損壞。

燒嘴管口的布置方式直接影響到管道的整體布局，見圖2。

圖2 燒嘴管口布置

一般情況以燒嘴為界，一側為操作區，主要為氣化爐更換燒嘴、耐火材料預熱及修復、設備維護等提供場地，另一側為配管區，集中布置工藝管線。將燒嘴工藝管口布置在南側區域，為防止拆除燒嘴時水煤漿滴落在氧氣管口上引起燃燒，同時保證閥門及自控元件集中布置在此區域后水平進入燒嘴以滿足管線“短而直”的要求，兩管口在水平方向上應分開布置，燒嘴冷卻水管線分別布置在東西兩側，避免與氧氣與煤漿管線互相影響。

4.2 氧氣管線布置

氧氣管線作為煤氣化裝置的核心管道，所輸送氣體不僅因為是氣化反應的主要物料之一，主要由于其特殊屬性—強氧化劑和助燃劑，除與金、銀以及惰性氣體一般情況下不發生反應外，與其他物質均能發生氧化反應。在化工裝置管道中，隨著氣流運動與管壁發生磨擦、撞擊，會產生大量的熱，發生劇烈燃燒，甚至爆炸，故必須遵循設計規范要求，保證氧氣管道的安全性，同時兼顧操作性。以下幾點需要重點關注：

(1)氧氣管道與可燃氣體、液化烴和可燃液體管道共架敷設時應布置在一側，不宜布置在可燃氣體、液化烴和可燃液體管道正上方和正下方，平行布置時凈距不應小于500mm，交叉布置時凈距不應小于250mm，當管道采用焊接連接結構并無閥門時，平行布置時凈距可取250mm。兩類管道之間宜用公用工程管道隔開。盡可能將成為火源的管道或電儀設施遠離氧氣管道。

(2)氧氣管道系統盡可能簡單，閥門、管件、支管和管口的數量盡可能少。例如可以考慮幾個儀表的連接共用一個管件或管口。

(3)氧氣管道的彎頭、三通不應與閥門出口直接連接，調節閥組、干管閥門、供一個系統的支管閥門、車間入口閥門，其出口側管道宜有不小于5倍管道公稱直徑且不小于1.5m的直管段。這是因為氧氣管道的閥門出口處氣流狀態急劇變化，而直管段可以改善流動狀態，使其不產生渦流。但使用豁免材料可不按此執行(豁免材料是指在確定壓力限制、材料厚度和氧氣純度的情況下，不受氧氣流速的限制，例如在操作壓力不大于8.61MPa、壁厚大于等于3.18mm時，鎳基合金Inconel600)。

(4)氧氣管道的異徑接頭，應采用標準的鋼制對焊無縫異徑接頭，當焊接制作時，變徑部分長度不應小于兩端外徑差值的3倍，其內壁應平滑，無銳邊、毛刺及焊瘤。

4.3 水煤漿管線布置

(1)對漿液管道來講，要求管道盡可能短，少拐彎，切忌兩端高中間低的“袋型”， 除非有標高提升要求，管道應布置為“步步低”，并宜設置坡度。管道越短，可以縮短殘留漿液的直管段，同時發生堵塞的可能性就越小。

(2)漿液管道上的支管連接，應采用Y型三通，支管流向應順主管流向，以避免流體通路斷面的急劇變化引起湍流和渦流。

(3)漿液管線的旁路、支管均應從主管的頂部或側面接入，以避免渣的沉積。

(4)漿液管道當改變走向時，管道的彎曲部分。應采用大曲率半徑的彎管，彎管的曲率半徑根據工藝要求確定，一般應大于4DN，這樣漿液能在管道中光滑過渡，便于流動，減少對管線的磨蝕。

4.4 儀表閥門布置要求

氧氣與水煤漿管線上的控制閥和切斷閥均為管線上的關鍵儀表，其不僅有嚴格的工藝安裝要求，同時執行機構較大，故合理布置是保證裝置長期、穩定運行的關鍵，也是管道布置難點之一，具體要求如下：

(1)氧氣流量控制閥(圖3)到下游主管閥門及其支管的第一道閥門距離燒嘴應盡量短，且應布置在燒嘴所在平臺上，此管線越短，殘留在管道里的氧氣亦越少，也就降低了因氧氣過量而發生爆炸的可能性。

(2)氮氣管線上的切斷閥應靠近氧氣主管布置。氮氣在化工裝置中，對防止燃燒、爆炸、保證安全生產具有不可缺少的輔助作用。由于氧氣可燃，開車前，必須用氮氣對管道中的空氣進行置換，使系統內氧含量降至0.2%(體積分數)及以下，而切斷閥與主管距離遠近決定了氮氣對氧氣管線進行吹掃、置換的時間以及氮氣用量大小。

(3)煤漿主管切斷閥、循環管線上切斷閥距離燒嘴應盡量短，且均應布置在燒嘴所在平臺上。這是因為過長的距離會使管線內水煤漿過多即進爐時間變長, 而過長的投料時間將導致氣化爐熱量損失過大, 致使氣化爐內的溫度不能滿足開車要求。

圖3 各閥門與儀表的布置

(4)上述儀表閥門執行機構長，閥門重量大，加上燒嘴平臺管線密集，活動空間較小，各種儀表元件、閥門布置緊湊，故儀表閥門執行機構的放置也是管道布置的難點之一，以下6種放置方式都為常用方式，具體布置見圖4。

圖4 執行機構布置型式

A通常是默認方式，也可根據實際情況選用B、C、D甚至E、F，但需注意以下幾點：

(1)若采用方式非型式A，應及時反饋廠家進行調整。

(2)必要時考慮膜頭支撐，并與其所在管線的應力計算同步進行。

(3)采用型式E、F時，應注意適當抬高管道標高。

5 結語

氣化爐是水煤漿氣化工藝的重點設備，無論從設備布置到管道設計都有其自身的特點，故應按其工藝要求，并兼顧操作性進行合理設計，為氣化爐從試運行、開車、運行、停車、檢修、維護的安全性及可靠性提供保證。

1 宋岢岢主編.壓力管道設計及工程實例 [M] . 北京：化學工業出版社，2009.

2 SH 3012-2011，石油化工管道布置設計通則[S].

3 國家質量監督檢驗檢疫總局特種設備安全監察局. 全國壓力管道設計審批人員培訓教材(第二版)[M] .中國石化出版社，2011.

4 賀永德主編.現代煤化工技術手冊[M] . 北京：化學工業出版社，2009.

2017-02-15)

*楊 柳：工程師。2005年畢業于江蘇工業學院制藥工程專業。從事設備布置及管道布置專業工作。聯系電話：(029)88345588-8565，E-mail：yangliu1@bpdi.com.cn。