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

趙礦生

(山東兗礦國拓科技工程有限公司，山東滕州 277527)

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術是由兗礦集團和華東理工大學共同開發的，技術人員通過理論研究、實驗室試驗、工業中試、工業示范、工業放大等技術開發過程，掌握了多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的工程放大規律，并證明了其研究與放大方法是科學的、正確的、嚴謹的，奠定了其向更大規模跨越的理論與工程化基礎。多噴嘴氣化技術先后被應用到“九五”、“十五”、“十一五”、“十二五”國家863科技研發項目中，已形成了日處理煤1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，4 000 t和 4.0 MPa、6.5 MPa不同壓力等級的系列爐型[1-3]。

目前，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術已被國內外47家用戶應用，共計建設143臺氣化爐，至今已經有22家企業60臺氣化爐投入運行。已投產運行的生產裝置可證明多噴嘴水煤漿氣化技術是先進的、成熟的、可靠的，不同爐型和壓力等級的工業運行數據表明，多噴嘴氣化技術碳轉化率可達99%，有效氣成分高，比氧耗和比煤耗低，合成氣中塵含量低，工藝燒嘴及耐火磚壽命長[4-5]。

從2005年第1套千噸級工業示范裝置投產以來，技術人員不斷總結經驗，并持續從以下幾個方面對多噴嘴氣化技術工藝流程及關鍵設備結構進行升級和改善，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 氣化爐拱頂高徑比優化

1.1 存在的問題

多噴嘴對置式水煤漿氣化爐第1套工業示范裝置曾出現過因拱頂高徑比偏低導致拱頂磚壽命短且易超溫等現象。在設計第1套工業示范裝置時，氣化爐拱頂部位的高徑比取值比中試爐型的略低，投產后造成高溫區域靠近拱頂，煤漿與氧氣對撞后形成的向上撞擊流股速度過高，氣化爐拱頂磚受到高溫和沖刷的雙重作用，難以在拱頂部位的耐火磚表面形成有效的渣膜保護，造成拱頂耐火磚蝕損速率偏高(拱頂磚壽命短)，導致拱頂磚發生超溫現象。

1.2 處理措施

2016年之前，在現有條件下采取了以下措施：①將燒嘴的外環氧通道間隙適當加大，使氧氣的噴口速度由設計的140 m/s降低至100～110 m/s，在保證霧化效果的前提下，降低上升氣流的速度，以減小對拱頂耐火磚的沖刷。②適當降低氣化爐的負荷的同時，可提高氣化爐的操作壓力，以保證燒嘴外環氧氣的噴口速度始終維持在100～110 m/s，氣化爐生產負荷提高后，系統操作壓力相應提高；并在此基礎上，制定了合理的壓力負荷對應關系，要求操作人員按照壓力負荷對應關系調整氣化爐負荷。③嚴格控制原料煤的質量和煤漿的制備質量，保證原料煤灰熔點和煤漿濃度的穩定。

通過上述優化調整，氣化爐裝置拱頂耐火磚壽命均能達到8 000 h以上。2016年，先后對第1套工業示范裝置的2臺氣化爐進行升級改造，通過增加氣化爐拱頂高度、增大高徑比值、降低上升流股流速，使物料的停留時間分布更為合理，提高了爐內單位容積內顆粒濃度，強化了顆粒之間的碰撞，提高了氣化效率。目前氣化爐生產負荷達130%，系統各項指標優良，氣化運行穩定。結合工業示范的工程經驗，后續所有項目中，在設計階段進一步優化氣化爐拱頂高徑比取值，氣化爐拱頂耐火磚壽命已超過12 000 h。

2 耐火磚結構優化

氣化爐燃燒室為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3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，為了便于局部更換，在燒嘴的上、下部分別設置托磚架。

2.1 存在的問題

氣化爐燃燒室砌筑耐火磚后，燃燒室內徑比氣化爐殼體內徑縮減1 000 mm左右，造成氣化爐燃燒室內有效反應容積減小，從而制約了裝置提產的要求。

2.2 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，比較減薄優化前、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均比減薄優化后的低，托磚架和筋板的最高溫度比減薄優化后低約60 ℃，最低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。

3 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。

3.1 存在的問題

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、需回裝等問題。

3.2 處理措施

對后期設計裝置中的蒸發熱水塔結構進行了優化調整，通過對氣、液、固三相介質的混合傳遞過程的深入研究，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，大大提高了工業運行的穩定性和可靠性。

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3個過程耦合在一個塔器內，含渣黑水處理系統流程簡單、投資少、易放大且操作彈性寬，能更高效地完成含渣黑水的熱量回收、灰水的利用和除渣這3個工藝任務，系統的熱量可進一步得到綜合利用。

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體、不凝性氣體也一并得以閃蒸脫除，進一步提高了灰水水質。由于氣化灰水的水質優良，焓值高，完全能滿足粗合成煤氣除塵洗滌的要求，且出界區合成氣水氣比高，減少了后續工段的蒸汽需求。

4 水洗塔塔盤形式改造

4.1 存在的問題

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，將給合成氣凈化系統帶來較大的影響。在早期設計的裝置中，合成氣洗滌核心設備水洗塔采用全泡罩塔盤式結構，部分裝置運行到后期時，出現了下部與灰水接觸的塔盤結垢，造成水洗塔帶水，進而影響合成氣洗滌效果，致使系統波動。

4.2 處理措施

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，用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，實現了氣化裝置出氣化界區合成氣中含塵質量濃度低于1 mg/m3(標態)的技術目標，為氣化裝置穩定運行創造了良好的條件，保證了合成氣的凈化質量，并降低了能量消耗。

5 結語

從2005年第1套采用多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的工業示范裝置投產至今，技術人員通過理論結合裝置的實際運行情況，已對多套裝置進行優化升級，通過優化氣化爐高徑比，延長了氣化爐拱頂磚使用壽命；對水洗塔塔盤結構進行改造，既保證了合成氣的洗滌效果，又避免了水洗塔帶水的問題；蒸發熱水塔換熱室填料塔升級為塔盤結構，更好地保證了閃蒸汽與低溫灰水的熱接觸，可保障設備運行周期內滿負荷穩定運行；優化氣化爐耐火磚的方案，可滿足有提產要求的用戶。

參考文獻

[1] 孫銘緒.多噴嘴對置式水煤漿氣化技術工程設計[J].化工設計，2007，17(5)：3- 7.

[2] 張大晶.多噴嘴對置式水煤漿氣化技術設備概況[J].化肥工業，2009，36(2)：41- 43.

[3] 劉進波.多噴嘴對置式水煤漿氣化技術工業應用總結[J].化肥設計，2012，50(2)：50- 51.

[4] 李福文，孫化祥，豐中田.多噴嘴對置式水煤漿氣化技術應用總結[J].化肥工業，2012，39(6)：35- 37.

[5] 路文學.新型多噴嘴對置式水煤漿氣化技術工業化應用[J].現代化工，2006，26(8)：52- 54.