水煤漿耐火磚氣化爐改為水冷壁氣化爐的思路及可行性分析

雷玉龍，閆曉澤

（1.北京清創晉華科技有限公司，北京 100084；2.潞安豐喜肥業（集團）有限責任公司臨猗分公司，山西 運城 044199）

水煤漿氣化技術是目前國內主流的煤氣化技術之一[1]。傳統水煤漿氣化爐燃燒室由外殼和耐火磚組成，受耐火磚使用壽命的限制，耐火磚氣化爐的在線使用時間及煤種適應性受到影響。水煤漿水冷壁氣化爐（晉華爐）燃燒室采用水冷壁結構，克服了耐火磚氣化爐的缺點，具有在線率高，煤種適應性強等優點，將耐火磚氣化爐改造為水冷壁氣化爐可以拓寬其原料煤采購范圍，延長氣化爐運行時間，具有良好的經濟效益。本文以每小時產100 000 m3（CO+H2）生產能力的耐火磚氣化爐為例，詳細分析了氣化爐基本情況、耐火磚氣化爐改造為水冷壁氣化爐的方案、可行性和經濟效益，以期實現氣化裝置的長周期運行和原料煤的本地化，提升企業競爭力和抗風險能力。

1 水煤漿氣化爐基本情況

1.1 耐火磚氣化爐基本情況

20 世紀80 年代我國開始引進水煤漿加壓氣化技術，1993 年在山東魯南化肥廠建成了第一套Texaco水煤漿氣化制合成氨示范裝置[2]，隨后上海焦化廠、陜西渭河化肥廠、淮化有限公司等多家企業也采用了該工藝流程，主要用于制取甲醇、合成氨、乙二醇、烯烴等的合成氣。因為具有能耗較低、三廢排放少、工藝流程簡單等優點，Texaco 水煤漿氣化技術在我國得到迅速發展和推廣。據統計，目前國內已應用一百多臺（套）Texaco 水煤漿氣化爐[3]。

以Texaco 水煤漿氣化爐為代表的耐火磚氣化爐，其燃燒室由耐火磚和外殼組成，每小時產100 000 m3（CO+H2）生產能力的氣化爐燃燒室殼體內徑約3 200 mm，爐膛內徑約2 134 mm。一般通過在殼體內部砌筑耐火磚來呈現出其內部形狀，耐火磚分為3 層，由外向內分別是隔熱磚、背襯磚和向火面磚。

耐火磚氣化爐一般運行4 000 h～5 000 h 后需要更換錐底磚，時間需要20 d 左右；運行10 000 h 左右，需要更換向火面磚，時間需要60 d 左右，年運轉時間最長6 500 h[4]。耐火磚氣化爐采用蓄熱式點火，氣化爐必須先用預熱燒嘴將爐溫升至800 ℃以上，然后更換為工藝燒嘴投煤漿，水煤漿進入氣化爐后，利用耐火磚的蓄熱將揮發分點燃，然后將煤點燃，一般耐火磚氣化爐要求煤的揮發分＞20%，限制了原料煤的使用范圍。另外氣化爐使用的原料煤種和氣化爐溫等操作因素直接影響耐火磚氣化爐的運行時間[5]。

1.2 水冷壁氣化爐基本情況

2006 年，國內以清華大學為首的技術研發團隊開始對水煤漿水冷壁氣化技術進行開發研究，2011年世界首臺水煤漿水冷壁氣化爐（晉華爐）示范裝置在陽煤豐喜集團臨猗分公司成功開車[6]。隨后新疆天業集團、陽煤集團壽陽分公司和稷山分公司、山東金誠集團、江蘇德邦興華、新疆國泰新華等幾十家企業也采用了水煤漿水冷壁氣化爐技術。

水冷壁氣化爐由水冷壁內件和承壓外殼組成，在氣化爐燃燒室殼體直徑3 200 mm 的情況下，爐膛內徑可以達到2 400 mm，有效增大了燃燒室的容積。水冷壁系統包括頂盤管、主水冷壁、渣口盤管三部分，水冷壁管外焊接銷釘，用來固定外表面的SiC 耐火材料。

主水冷壁結構采用鍋爐工程領域成熟的懸掛列管，水冷壁的水動力按照自然循環設計，生產時按照強制循環運行，保證水冷壁的本質安全。氣化爐使用組合式燒嘴，水煤漿投料采用“火點火”技術，點火、投料程序一體化完成，提高了氣化爐的開車速度，同時減少了操作工的勞動強度。

2 耐火磚氣化爐改造為水冷壁氣化爐方案

2.1 改造方案和內容

氣化系統的水煤漿制備和輸送、粗煤氣洗滌、灰/黑水處理、粗渣和細灰處理等工段維持原狀不變，僅對氣化爐進行改造，氣化爐的所有改造均在原有框架上完成，主要改造內容包括：（1）割除現有氣化爐封頭，安裝水冷壁系統內件，焊接新氣化爐封頭；（2）更換組合式工藝燒嘴，增加火焰檢測系統；（3）增加水冷壁汽包和鍋爐水循環泵以及相關管線；（4）增加點火、烘爐燃料氣及氧氣相關管線；（5）改造原有燒嘴冷卻水系統；（6）DCS 和SIS 系統改造。

2.2 工藝系統改造

水冷壁氣化爐使用組合式燒嘴，不再設置開工升溫燒嘴，由于改變了原耐火磚氣化爐的投料方式，所以必須對氣化部分工藝管線進行改造。改造后水冷壁氣化爐爐頭部分工藝流程示意圖如圖1 所示。

圖1 改造后水冷壁氣化爐爐頭部分工藝流程示意圖

2.2.1 燃料氣系統

水冷壁氣化爐點火時爐內壓力為微正壓，投料時煤漿和氧氣壓力均在1.0 MPa(G)左右，所以要求燃料氣壓力不低于2.0 MPa(G)。工藝管線上增加相應的燃料氣調節閥、流量計、燃料氣切斷閥和氮氣切斷閥。

2.2.2 氧氣系統

原有氣化工段上的氧氣管道系統（包括氧氣放空管線、主氧管線）維持不變，在原有的氧氣管線上增加點火烘爐氧氣系統，同時增加相應的氧氣調節閥、流量計、氧氣切斷閥和氮氣切斷閥。中心氧管線增加兩個切斷閥和閥間密封氮氣切斷閥。

2.2.3 氮氣系統

密封氮氣管線維持不變，增加點火烘爐氧氣、中心氧和燃料氣管線閥間密封氮氣管線。

增加火焰檢測器保護用氮氣管線；增加氣化爐環腔保護氮氣管線（也可用其他干燥氣體）。

維持原氧氣管線上的氮氣吹掃管線不變；維持煤漿管線上的氮氣吹掃管線不變；增加點火烘爐氧氣和燃料氣管線開停車用氮氣吹掃管線。

2.2.4 水汽系統

改造后的水汽系統流程示意圖如圖2 所示。增加燃燒室水汽系統，燃燒室配套的設備包括水冷壁汽包和鍋爐水循環泵，氣化爐水冷壁系統和燒嘴冷卻水系統共用一套鍋爐水系統。新增汽包屬控制系統，汽包中的鍋爐水通過鍋爐水循環泵分別送入氣化爐水冷壁系統和燒嘴冷卻水系統。增加水冷壁汽包、鍋爐水循環泵與氣化爐、燒嘴及火檢連接的相應管道和閥門。

圖2 改造后的水汽系統流程示意圖

2.2.5 公用工程

2.2.5.1 蒸汽和鍋爐水系統

水煤漿水冷壁氣化爐（晉華爐）在開車階段需要使用低壓蒸汽對汽包和水冷壁系統進行升溫，蒸汽消耗量一般為1 t/h～2 t/h，需要增加低壓蒸汽去水冷壁汽包管線。

系統停車后要使用低壓蒸汽對氣化爐組合式燒嘴進行吹掃，需要增加低壓蒸汽去煤漿管線和氧氣管線、燃料氣管線，對燒嘴的煤漿和氧氣、燃料氣通道進行吹掃。

正常運行期間，氣化爐燃燒室水冷壁可以產生7.0 MPa（G）飽和蒸汽3 t/h 左右，需要增加水冷壁汽包補充鍋爐水管線和蒸汽去其他工段或管網管線。

2.2.5.2 燃料氣

改造后系統的升溫時間在2 h～3 h，由于使用了組合式燒嘴，烘爐時要求燃料氣壓力不低于2.0 MPa(G)，熱值大于8 370 kJ/m3。燃料氣可以采用天然氣、焦爐氣、甲醇合成弛放氣等廠內現有的工藝氣體。

2.2.5.3 保護氣

水煤漿水冷壁氣化爐燃燒室環隙需要充干燥氣體，可以充氮氣或其他干燥氣體，壓力要求不低于7.0 MPa（G）。同時燃料氣通道及火檢通道也需要通入一定量的惰性氣體作為保護氣。

2.3 設備改造

耐火磚氣化爐改造為水冷壁氣化爐時，僅更改氣化爐和氣化爐配套設備。在不改變耐火磚氣化爐總高度的前提下，分以下步驟完成：（1）現場先清理燃燒室內的耐火磚，對氣化爐燃燒室封頭進行環形切割；（2）安裝水冷壁系統，組對和焊接新的氣化爐燃燒室封頭；（3）連接與氣化爐相關管道及安裝新型燒嘴后，進行氣化爐承壓試驗。改造的主要設備如表1 所示。

表1 改造的主要設備

2.4 儀控改造

由于改造后系統的點火方式及投料情況與耐火磚爐不同，需要對耐火磚氣化爐聯鎖系統進行修改。

改造后的開車順控主要分為點火、升溫、投料和燃料氣退出四個部分，均通過SIS 系統自動完成；停車聯鎖增加汽包的液位低低聯鎖和鍋爐水循環泵出口的流量低低聯鎖；DCS 新增點可以在現有系統上擴容，新增的SIS 系統可根據實際情況在現有系統上擴容或新增。

2.5 土建改造

利用現有的框架空間，在氣化框架頂層拆除原有的燒嘴冷卻水設備和管線，安裝水冷壁汽包和蒸汽消音器，其他所有的設備維持原位置不變；新增的點火烘爐燃料氣、點火烘爐氧氣及氮氣系統的管線閥門安裝在燒嘴層或下一樓層的適當位置；新增加的鍋爐水循環泵布置在氣化框架一樓撈渣機附近；新增加的鍋爐水加藥裝置布置在氣化框架的空置地方。

3 氣化爐改造的可行性分析

3.1 技術可行性分析

水煤漿水冷壁氣化爐自2011 年首臺工業化裝置成功開車以來，已經平穩安全運行超過10 a，水冷壁系統沒進行過檢修和耐火材料更換，證明水煤漿水冷壁氣化爐技術安全可靠。

3.2 土建可行性分析

耐火磚氣化爐改造為水冷壁氣化爐，僅更換氣化爐球形封頭和安裝水冷壁系統，水冷壁系統重量遠小于燃燒室耐火磚的重量，改造后氣化爐重量載荷降低；水冷壁汽包重約10 t，安裝在氣化框架頂層，氣化頂層框架可通過增加橫梁等方式加固。

3.3 設備可行性分析

耐火磚氣化爐改造水冷壁氣化爐，需要對耐火磚氣化爐殼體環形切割，更換新的球形封頭；國內如安徽淮南化肥廠、惠生（南京）化工有限公司、滕州鳳凰化肥廠等企業進行過氣化爐現場補焊和重新組對，維修后的設備不影響正常使用；改造后的水冷壁氣化爐經無損檢測和試壓試驗合格后可安全使用。

4 改造后的技術經濟分析

4.1 改造后的技術優勢

4.1.1 煤種適應性廣

水煤漿水冷壁氣化爐氣化溫度不受耐火材料限制，可達1 700 ℃或更高，碳轉化率高，煤種適用性相對較寬，已經使用過朔州、大同等地的高灰熔融性溫度（＞1 500 ℃）煤、半焦和蘭炭、新疆高堿性渣煤等耐火磚氣化爐不能用的煤種，易于實現原料煤本地化[7]。

4.1.2 啟動速度快、運行時間長

耐火磚氣化爐從冷態到正常運行至少需要3 d 時間，而水冷壁氣化爐投料采用“火點火”技術，從冷態啟動到滿負荷運行僅需要5 h，燃料氣消耗少[8]；水冷壁氣化爐運行時間不受耐火磚壽命的限制，燒嘴壽命是氣化爐長周期運行的唯一制約因素，水冷壁氣化爐單次運行時間最長已超過180 d。

4.1.3 安全性好

國內多家運行企業均發生過耐火磚氣化爐因爐磚竄氣導致的殼體超溫現象，嚴重的造成殼體鼓包和爆炸事故。水冷壁氣化爐投料時由于有燃料氣的伴燃，投料后不會發生爆燃；水冷壁氣化爐燃燒室有水冷壁保護，殼體與水冷壁之間有惰性氣體保護，殼體外壁溫度比耐火磚氣化爐低100 ℃；水冷壁氣化爐除根據渣口壓差及氣體組分外，還可以通過汽包蒸汽產量來判斷燃燒室爐溫的變化，反應更加迅速和安全。

4.2 改造后的經濟效益

水冷壁氣化爐能使用“三高”煤，可實現原料煤本地化，降低原料煤的采購成本。

耐火磚氣化爐每一年半更換一次向火面磚和拱頂磚，每半年左右更換一次渣口磚，每年更換耐火磚費用200 萬元～300 萬元；水冷壁氣化爐燃燒室采用水冷壁結構，無需更換耐火磚，無此項費用。

5 結 語

水煤漿水冷壁氣化爐自2011 年首套工業裝置成功運行以來，已經安全穩定運行超過10 a，足以說明其性能安全可靠。水煤漿耐火磚氣化爐改造為水冷壁氣化爐工藝、設備、儀表和土建等各專業可以做到風險安全可控，改造后不僅可以節約每年更換耐火磚的費用和時間成本，而且拓寬了原料煤的使用范圍，增強了企業的抗風險能力。