多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置的優化與改進

朱 敏,孫永奎,馬廷衛,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燃氣發電工程項目,是多產品聯合生產系統示范工程,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“煤氣化發電與甲醇聯產系統關鍵技術的研發與示范”。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化和改進,技術水平日臻完善,現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化和改進。

1 氣化流程介紹

氧氣和煤漿經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。熔渣經冷卻固化定期排出系統,由撈渣機撈出,裝入渣車運到儲存界區。氣化及初步凈化流程示意見圖1。

黑水減壓后進入蒸發熱水塔,閃蒸出的蒸汽與灰水直接接觸換熱,酸性氣經氣液分離后送火炬燃燒。經蒸發熱水塔、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使用。底部含固較高的黑水經壓濾系統處理,濾餅運出界外,濾液制備煤漿。流程示意見圖2。

為保證系統安全運行,裝置設有一套安全聯鎖邏輯控制系統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安全,安全聯鎖系統觸發停車動作,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變化到聯鎖值時,氣化爐一對燒嘴跳車,另一對燒嘴正常運行,后系統減負荷運行。跳車燒嘴故障消除后進行帶壓連投,后系統恢復高負荷生產。

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,經常出現非燒嘴原因造成一對燒嘴跳車,只能將氣化系統降壓到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,氣化系統再次升壓,出氣化工序的煤氣壓力、溫度合格后向后系統送氣,變換、凈化、合成系統再接氣開車。在此過程中,氣化爐雖然沒有完全退出運行,但后系統因為壓力低必須切氣停車,煤氣大量放空,影響了后系統的穩定生產和公司的經濟效益。

(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節,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,曾出現過氣化爐運行過程中封堵磚脫落事件,由于發現及時沒有發生惡性事故。氣化爐預熱口封堵磚制約著氣化爐的安全、穩定、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,防止了串氣現象的發生。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。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,其尺寸可根據燒嘴室的尺寸調節,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、蒸發熱水塔的黑水出口管線

(1)改進前的情況

氣化系統的三臺主要設備——旋風分離器、水洗塔、蒸發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。系統運行過程中,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;系統開停車出現錐底堵塞時,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運行,系統檢修時沒有發現錐底積存大量固態顆粒,減少了系統檢修清理工作量。

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,冷凝液經環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象,鍋底溫度得到了控制,消除了鍋底超溫現象。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定嚴重制約氣化爐的穩定運行。

(2)改進措施和改造后的效果

經與兄弟廠家交流,將振動篩變更為運行穩定的回轉篩。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象。滾筒篩運行穩定,投入運行的第一年未進行大的修理。隨著運行時間的延長,發現滾筒篩內支架焊口開裂,篩網有破損現象。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,并且經常出現濾布跑偏現象,出口濾餅含水量高,維修量和生產維護勞動強度大,無法滿足連續生產的需要。

(2)換型情況和使用效果

2006年根據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,出現了真空過濾機機架腐蝕,濾布跑偏、打皺現象。

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運行了近5 a時間,經過工程上的優化和完善,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鏈條一邊拉長的現象,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,工藝指標先進,系統運行安全穩定,操作控制手段先進靈活,取得了良好的經濟效益,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。