航天氣化爐的優(yōu)化措施

衛(wèi) 星

（山西焦煤集團(tuán)飛虹化工股份有限公司，山西 臨汾 041605）

100 萬t/a 甲醇項(xiàng)目中航天氣化是將原料煤經(jīng)磨煤、干燥、加壓輸送，進(jìn)入氣化爐內(nèi)，用空分裝置輸送來的氧氣作為助燃劑，在壓力4.0 MPa、溫度1 200～1 600 ℃下氣化，再經(jīng)合成氣洗滌單元洗滌、除塵后，將粗煤氣在壓力3.8 MPa、溫度200～210 ℃下送至變換單元。這部分粗煤氣氫氣含量較低，通過變換及熱回收增加氫氣含量，使H2與CO 體積比接近2∶1。調(diào)整好H2與CO 比值的變換氣作為進(jìn)料進(jìn)入低溫甲醇洗裝置。航天爐的適應(yīng)運(yùn)行狀況決定整個(gè)生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此本文對(duì)航天爐進(jìn)行優(yōu)化。

1 煤種對(duì)航天爐的影響

航天爐水冷壁的工作原理為“以渣抗渣”，高溫熔融狀態(tài)的煤灰在耐火料上形成固渣和液渣層，保護(hù)水冷壁。為了利于水冷壁掛渣，需要原料煤有一定的灰含量，灰含量過低不利于掛渣，但灰含量過高氣化爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性會(huì)降低，且增加渣水系統(tǒng)負(fù)荷。入爐煤灰分過低則不利于掛渣，灰分過高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性降低（以兩渡煤為例，經(jīng)計(jì)算在保持其他氣化條件不變的情況下，當(dāng)灰分從10%提高到15%時(shí)，氧耗約增加1%，煤耗約增加7%）。因此，根據(jù)航天爐多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合氣化性能參數(shù)指標(biāo)等因素，航天爐入爐煤適宜的灰分范圍為8%～15%。本項(xiàng)目的煤質(zhì)灰分在10.97%～15%，灰分適中，比較適合航天爐氣化。

設(shè)計(jì)煤種中氯含量為570 μg/g，氯含量偏高。煤中的氯屬于有害元素，具有較強(qiáng)的腐蝕性，特別是對(duì)金屬材料的腐蝕。氣化過程中產(chǎn)生氯元素主要分布于廢水中，固相和氣相中的氯含量較少。具體見表1。

表1 氯離子在氣化裝置的分布

煤中硫分量一般在0.1%～10%，按照煤中硫含量可將煤分為低硫煤（＜1%）、中硫煤（1%～3%）、高硫煤（＞3%），本項(xiàng)目采用的煤質(zhì)屬于中硫煤。氣化過程中產(chǎn)生H2S 等有害物質(zhì)也會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕，硫含量過高會(huì)導(dǎo)致后續(xù)工段脫硫工藝負(fù)荷增加。該煤質(zhì)硫含量屬于中等偏高范疇，對(duì)氣化爐和后續(xù)設(shè)備有一定的腐蝕性，通過設(shè)備選材能夠滿足防腐要求。

航天氣化爐屬于氣流床氣化爐，燃燒室水冷壁的工作原理為“以渣抗渣”，在高溫熔融狀態(tài)的灰渣在耐火料上形成固渣和液渣層，保護(hù)水冷壁。目前最先進(jìn)的氣化爐設(shè)備材料的耐高溫強(qiáng)度在1 500 ℃左右，因此氣化爐的操作溫度都要低于1 500 ℃。如果煤灰的灰熔點(diǎn)高于1 500 ℃，則煤灰在氣化爐內(nèi)不能形成液態(tài)渣層，就有燒壞氣化爐爐體的可能。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)煤種灰熔點(diǎn)較高，大于1 500 ℃，為降低原料煤灰熔點(diǎn)，本課題采用了配灰方案（+2%后溝土+2%石灰石），灰熔點(diǎn)可降至1 346～1 400 ℃，灰熔點(diǎn)得到明顯改善，滿足氣化爐燃燒要求。

灰渣的黏溫特性主要是指灰的黏度值隨溫度變化的特性曲線。灰渣的黏溫特性主要影響氣化爐運(yùn)行的操作彈性。灰渣黏溫特性好的煤運(yùn)行時(shí)操作彈性較大，操作窗口寬（操作窗口是指保持渣層流動(dòng)穩(wěn)定時(shí)黏度所對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間，操作窗口對(duì)應(yīng)的黏度一般為1～25 Pa·s）。灰渣的黏溫特性主要受灰渣中硅鋁比（S值，SiO2與Al2O3含量比值）影響，S 值一般在0.8～4.0范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)，S 值越高，表示灰的流動(dòng)性越好，操作范圍越寬。

掛渣的好壞對(duì)于氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行非常重要，一般采用灰渣的黏溫特性指標(biāo)對(duì)掛渣的難易程度進(jìn)行判斷。本項(xiàng)目煤種的灰成分及黏溫特性數(shù)據(jù)見下頁表2。

表2 設(shè)計(jì)煤種的灰成分及粘溫特性數(shù)據(jù)表

由下頁圖1 可看出，對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間大于150℃，黏溫曲線較為平緩，有利于液態(tài)排渣，渣層穩(wěn)定，耐高溫性能較好，氣化爐操作溫度區(qū)間較寬，有利于氣化裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 設(shè)計(jì)煤種+2%后溝土+2%石灰石黏溫曲線

2 氣化室的優(yōu)化技術(shù)

2.1 氣化爐方案

考慮到該煤質(zhì)的低反應(yīng)活性，本項(xiàng)目選型定為Φ3 800 mm/Φ3 800 mm 系列爐型（見表3），該爐型適用于“三高”煤種的氣化，此類型煤種反應(yīng)活性差、灰熔點(diǎn)高，氣化爐型從兩方面進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整：

表3 不同爐型參數(shù)

1）適應(yīng)反應(yīng)活性差的要求，爐膛設(shè)計(jì)容積增加從而增加粉煤的停留時(shí)間。

2）適應(yīng)反應(yīng)溫度高的要求，增加爐膛直徑，降低壁面超溫的風(fēng)險(xiǎn)。

增加氣化反應(yīng)空間和氣化反應(yīng)時(shí)間，使碳與CO2等氣化劑的還原反應(yīng)更加充分，提高氣化性能，同時(shí)反應(yīng)空間增大能滿足大產(chǎn)氣量的要求；

爐膛直徑加大，火焰相對(duì)寬度減小，使高溫火焰對(duì)壁面輻射換熱的行程增加，降低水冷壁超溫的風(fēng)險(xiǎn)，提高抗?fàn)t溫波動(dòng)的能力，增強(qiáng)操作穩(wěn)定性。

2.2 設(shè)備選材的優(yōu)化技術(shù)

為避免渣水中氯離子對(duì)設(shè)備不銹鋼金屬的點(diǎn)蝕作用，在介質(zhì)溫度和介質(zhì)pH 值不變的情況下，通過選用耐氯離子腐蝕性能高的金屬材料等措施來應(yīng)對(duì)氯離子的腐蝕。依據(jù)對(duì)氯離子點(diǎn)蝕性能和影響因素的一系列研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合對(duì)耐蝕材料加工性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，兼顧設(shè)備材料耐氯離子的腐蝕性能和系統(tǒng)總體的經(jīng)濟(jì)性（設(shè)備成本及運(yùn)行成本），氣化爐激冷室材質(zhì)采用14Cr1MoR+S31254（超級(jí)不銹鋼），高壓閃蒸罐采用S22053（雙相鋼），低壓閃蒸罐因H2S 含量不高采用碳鋼材料Q245R，并將腐蝕裕量提高到6～9mm。

2.3 渣口優(yōu)化措施

航天氣化爐渣口尺寸一般在600～900 mm，在保證排渣順暢、不堵渣的情況下，通過縮小渣口來擴(kuò)大回流區(qū)面積，提高爐膛下部的湍動(dòng)能，加強(qiáng)氣化室內(nèi)粉煤的反混，增加粉煤顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間，增加氣化爐合成氣有效氣成分含量，提升氣化性能。

不同渣口尺寸的停留時(shí)間分布函數(shù)圖如圖2：

圖2 不同渣口尺寸停留時(shí)間分布函數(shù)

2.4 激冷室的優(yōu)化技術(shù)

通過優(yōu)化激冷室內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，借助試驗(yàn)和模擬手段，將激冷性能較差的破泡板+旋流分離結(jié)構(gòu)更換為上升管結(jié)構(gòu)，從而解決了合成氣帶灰、帶水嚴(yán)重的問題，同時(shí)消除了激冷室環(huán)隙積灰結(jié)垢嚴(yán)重，拆卸維修困難的弊端。

2.5 激冷環(huán)的優(yōu)化技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過分析研究以及計(jì)算，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，研制出新一代激冷環(huán)（見下頁圖3），將原有的環(huán)縫直流、內(nèi)旋流結(jié)構(gòu)改進(jìn)為出口旋流、切向進(jìn)水結(jié)構(gòu)，大大延長(zhǎng)激冷環(huán)的壽命，減輕了激冷環(huán)的積灰結(jié)垢現(xiàn)象。

圖3 激冷環(huán)

2.6 節(jié)能措施

將兩級(jí)閃蒸系統(tǒng)改為節(jié)水節(jié)蒸汽的三級(jí)閃蒸系統(tǒng)，增設(shè)低壓閃蒸罐，回收黑水余熱，產(chǎn)生的蒸汽供除氧器使用，一方面減少了系統(tǒng)蒸汽消耗，另一方面減少了真空閃蒸冷凝器循環(huán)水的消耗。

2.7 管道磨蝕問題解決措施

為降低渣水設(shè)備及管道磨蝕，進(jìn)入高閃角閥后管道設(shè)計(jì)防沖結(jié)構(gòu)，已應(yīng)用于運(yùn)行項(xiàng)目中。

2.8 設(shè)備選材解決措施

真空閃蒸罐頂冷凝器：根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，換熱管容易被腐蝕且堵塞，本項(xiàng)目中，真空閃蒸罐頂冷凝器換熱管材料為S31603，換熱管排列采用轉(zhuǎn)角正方形，便于清洗，同時(shí)在殼程筒體上增加10 個(gè)沖洗水口，防止換熱管外表面結(jié)垢，影響換熱效果。

高壓閃蒸罐、低壓閃蒸罐、真空閃蒸罐設(shè)備汽液進(jìn)口容易被磨蝕，嚴(yán)重的汽液進(jìn)口正對(duì)面的設(shè)備殼體被沖穿，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)汽液進(jìn)口帶防沖耐磨結(jié)構(gòu)，防沖蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為可替換結(jié)構(gòu)，耐磨材料為耐磨板材（NM400）。

考慮到本項(xiàng)目外排廢水Cl-含量較高，高壓閃蒸罐，低壓閃蒸罐殼體材料選用雙相鋼。

3 結(jié)語

針對(duì)特定的煤種選擇合適的氣化爐并進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)煤種的灰分、氯離子的含量、硫含量、灰熔點(diǎn)、掛渣及對(duì)爐體的設(shè)備選材、渣口優(yōu)化、激冷室、激冷環(huán)進(jìn)行合適的設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終確定最優(yōu)的航天氣化爐結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)，為后續(xù)的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行奠定好的基礎(chǔ)。