淺談多噴嘴對置式水煤漿氣化技術在工程應用中的優化及改造

摘 要：多噴嘴對置式水煤氣氣化技術工業應用十余年來，工藝流程及關鍵設備結構不斷升級和完善。主要介紹了氣化爐拱頂及耐火磚結構的優化和水洗塔、蒸發熱水塔內件結構的改造和完善，裝置的可操作性和運行周期不斷提高。

關鍵詞：多噴嘴對置式氣化爐；耐火磚；水洗塔；蒸發熱水塔

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術是兗礦集團和華東理工大學共同開發的，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術經歷了技術理論、實驗室試驗、工業中試、工業示范、工業放大等技術開發過程，掌握了該技術的工程放大規律，研究與放大方法是科學、正確、嚴謹，奠定了向更大規?？缭降睦碚撆c工程化基礎

從2005年第一套千噸級工業示范裝置投產以來，結合十余年工業化經驗多噴嘴氣化技術工藝流程及關鍵設備結構不斷升級和完善，使得工藝流程更趨合理，關鍵設備運行周期更長，工況更穩定。

1 耐火磚結構優化

氣化爐燃燒室為一進行氣化與燃燒反應的氣流床反應器，氣化爐金屬殼體設計溫度約425℃，為防止高溫火焰使金屬殼體受熱變形，多噴嘴對置式水煤漿氣化爐燃燒室采用耐火磚結構，耐火磚分為三層，從里到外依次為向火面磚（Cr-Al-Zr磚）、背襯磚（Cr-Al磚）、隔熱磚（純Al2O3）。爐體耐火磚從上到下依次為拱頂、筒體、錐底三部分，為了便于局部更換，在燒嘴上部下部分別設置托磚架。

1.1 存在問題

氣化爐燃燒室砌筑耐火磚后，燃燒室內徑相較于氣化爐殼體內徑縮減約1000mm，這就造成氣化爐燃燒室內有效反應容積減小，從而制約裝置提產的要求。

1.2 處理措施

對氣化爐隔熱襯里進行減薄優化，主要對背襯磚厚度進行了削減，同時增加隔熱磚厚度。在相同鋼殼體內徑下，減薄優化后的氣化爐爐膛有效容積顯著增大，有利于在不增加設備投資的情況下提高氣化爐處理能力。

通過理論計算，相對于減薄優化后的耐火襯里結構，減薄優化前由于背襯磚厚度引起的熱阻增加，耐火磚層、托磚架和爐殼內的整體溫度分布相比減薄優化后均有不同程度的降低：托磚架和筋板的最高溫度比減薄優化后低約60℃，最低最高溫度比減薄優化后低約30℃；爐殼和鰭片中的最高溫度比減薄優化后低約30℃，最低最高溫度比減薄優化后低約20℃。因此，減薄優化后的耐火襯里結構雖然會增加爐殼和托磚架超溫的風險，但由于溫度升高并不明顯，這一風險應當在可控范圍內。

2 蒸發熱水塔結構升級

多噴嘴氣化工藝中渣水處理系統的關鍵設備是蒸發熱水塔，氣化爐及煤氣化初步凈化系統來的渣水分別減壓后導入蒸發熱水塔蒸發室，渣水大量汽化，溶解在水中的酸性氣體解吸。蒸發室產生的蒸汽進入熱水室與循環灰水直接接觸換熱，使灰水得到最大程度的升溫。

2.1 存在問題

在早期設計中，蒸發熱水塔熱水室采用填料結構形式，由于填料塔的特殊結構形式，個別廠家曾出現過填料段積灰和帶水現象，致使熱回收效率降低，同時存在停車檢修時填料清理困難回裝等問題。

2.2 處理措施

在后期設計的裝置，對蒸發熱水塔結構形式進行了優化調整，通過對氣、液、固三相介質的混合傳遞過程行為的深入研究，設計出傳質強化、抗堵渣能力強的塔盤結構形式，采用新一代的塔盤式閃蒸-換熱一體化技術，該塔盤形式具有自清潔功能，大大提高工業運行穩定性和可靠性。該技術基于蒸發與冷凝分離原理，將旋流流動、閃蒸相變與直接換熱三個過程耦合在一個塔器內，含渣黑水處理系統流程簡單，投資省，易放大，操作彈性寬，且能更高效地完成了含渣黑水的熱量回收、灰水的利用和除渣這三個工藝任務，系統的熱量得以進一步的綜合利用。將塔盤式閃蒸-換熱一體化的蒸發熱水塔應用于水煤漿氣化過程后，借助旋流閃蒸，粗合成氣初步洗滌后的黑水中液態水閃蒸為蒸汽，黑水中所溶解的酸性氣、不凝性氣體也一并得以閃蒸脫除，進一步提高灰水水質。

3 水洗塔塔盤形式改造

3.1 存在問題

氣流床煤氣化生成的粗合成氣中細灰含量較高，若不能有效分離將對合成氣凈化系統帶來較大影響。在早期設計的項目中，合成氣洗滌核心設備水洗塔采用全泡罩塔盤式結構，部分裝置在運行到后期曾出現下部與灰水接觸的塔盤結垢，造成水洗塔帶水，影響了合成氣洗滌效果，造成系統波動。

3.2 處理措施

目前對水洗塔結構進行了設計優化，其中，在水洗塔中部設置2～4層篩孔塔盤，利用渣水處理系統返回的灰水對合成氣進行洗滌。在洗塔上部設置2～4層泡罩塔盤，運用下游變換單元返回的清潔冷凝液對合成氣進行最終洗滌。通過對水洗塔的結構改造并結合合成氣分級凈化除灰工藝，實現了多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置出氣化界區合成氣中含塵量低于1mg/Nm3的技術目標，為氣化裝置穩定運行創造了良好條件，保證了合成氣的凈化質量，并降低了能量消耗。多噴嘴對置式水煤漿氣化技術2005年第一套工業示范裝置投產至今，理論結合裝置運行經驗對多套裝置進行優化升級，對水洗塔塔盤結構改造既保證了合成氣的洗滌效果，同時避免水洗塔帶水的問題；蒸發熱水塔換熱室填料塔升級為塔盤結構更好的保證閃蒸汽與低溫灰水的熱接觸，保證設備運行周期內滿負荷穩定運行，對于有提產要求的用戶可采用優化氣化爐耐火磚的解決方案。

參考文獻：

[1]蔡可慶.蒸發熱水塔結垢原因分析及解決措施[J].化肥工業，2015，42（1）：53-55.

作者簡介：

趙礦生（1983- ），男，山東滕州人，本科學歷，助理工程師，研究方向：化工工藝。