干煤粉氣化爐除渣工藝優化
2019-02-04 06:34:53楊會軍趙元琪
當代化工 2019年11期
楊會軍 趙元琪
摘 ?????要： 介紹了干煤粉氣化工藝排渣系統存在的問題，通過優化干煤粉氣化排渣系統工藝流程，增加低壓沖洗水冷卻器、高壓沖洗水系統及沖壓管線優化，泄壓管線增加沖洗水，除渣系統操作參數優化等措施;有效地解決了渣鎖斗渣水溫度較高泄壓時間長，渣水管道與渣水循環泵葉輪磨損嚴重，進出口閥門容易損壞，除渣系統堵渣頻繁的問題。經過增加爐渣脫水裝置、運輸系統優化等措施，解決了運輸的灰渣含水量較高、運輸成本較高、運輸過程對環境污染嚴重等問題。
關 ?鍵 ?詞：氣化;排渣系統;參數優化
中圖分類號：TQ545??????文獻標識碼：?B??????文章編號： 1671-0460（2019）11-2560-04
Optimization of Slag Removal Process for Dry Coal Powder Gasifier
YANG Hui-jun1，ZHAO yuanqi2
（1. National Energy Group Ningxia Coal Industry Co.，Ltd.，Institute of Coal Chemical Industry Technology，
Ningxia Yinchuan 750041，China;
2. National Energy Group Ningxia Coal Industry Co.，Ltd.，Coal-To-Oil Branch，Ningxia?Yinchuan 750041，China）
Abstract：?The problems of slag discharge system in dry pulverized coal gasification process were introduced. The process flow of dry pulverized coal gasification and slag discharge system was?optimized by?adding?flush water cooler， optimization of high-pressure flushing water system and pipeline， increasing?flushing water for pressure relief pipeline， optimization of slag removal system operating parameters and other measures. The optimization effectively solved?the problems of high temperature of slag water in slag lock bucket， long time of pressure relief， serious wear of impeller of slag water pipeline and slag water circulating pump， easy damage of inlet and outlet valve and frequent blocking of slag removal system. By adding slag dewatering device and optimizing the transportation system， the problems of high water content， high transportation cost and serious environmental pollution in the transportation process were solved.
Key words： ?Gasification; Slag discharge system; Parameter optimization
我國“多煤、貧油、少氣”的能源結構決定了我國的能源發展方向和重心，隨著清潔煤炭技術的應用和發展，煤化工行業備受關注，煤化工行業的發展離不開煤炭氣化技術的累積和應用，煤化工產業是利用煤炭生產各種化工產品和化工原料。煤氣化過程就是以煤炭為原料，在高壓高溫的條件下，以水蒸氣和氧氣為氣化劑，通過化學反應將煤炭中可燃部分轉化成可燃性氣體的工藝過程。煤氣化是煤炭清潔利用的核心技術，是發展煤基大宗化學品和液體燃料合成、整體煤氣化聯合發電、多聯產系統、制氫、燃料電池、煤炭間接液化等過程，氣化裝置是這些行業發展的關鍵技術、核心技術、龍頭技術，占項目整體投資的比重大，氣化裝置中核心設備就是氣化爐，它是整個工藝流程的起點[1]。
氣流床氣化作為煤氣化技術的主流方向，采用1?300至1?700?℃的氣化溫度，液態排渣，使氣化過程由900?℃左右的化學反應控制（固定床）、1 100?℃左右的化學反應與傳遞共同控制（流化床）躍升為傳遞控制。氣流床氣化過程的典型特征為火焰型氣化。目前存在的工程問題主要是進一步大型化、延長耐火襯里和噴嘴等關鍵部件的壽命、實現裝置穩定高效運行，存在的技術問題是強化氣化反應過程、拓展煤種適應性、提高氣化過程能效、降低污染物排放。這些工程和技術問題與爐內高溫、高壓湍流多相流動及其與化學反應的相互作用密切相關。干粉氣化工藝在煤化工領域得到了廣泛的應用，是一種清潔高效的煤氣化技術。與水煤漿氣化工藝相比，其具有碳轉化率高、冷煤氣效率高、合成氣中有效氣成分高等優點，氣化爐采用激水冷壁結構，以渣抗渣，使用壽命長、運行安全可靠。
1 ?工藝流程介紹及存在的問題
干煤粉氣化爐為了保證排渣系統順利排渣，裝置穩定運行，一般要求氣化操作溫度大于灰熔點FT（流動溫度）100～150?℃。如果使用的原料煤灰熔點過高，需要提高氣化爐操作溫度，不僅影響氣化的經濟性，同時存在裝置過氧、超溫的風險。因此FT溫度較低有利于氣化裝置平穩運行。工業上通過添加助溶劑來改變煤粉的灰熔點，以保證排渣工藝穩定運行。煤灰主要成分包括：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、Na2O、SO3。一般規定，煤灰中酸性組分SiO2、Al2O3、TiO2、SO3與堿性組分Fe2O3、CaO、MgO、Na2O等的比值越大，灰熔點越高。通常情況下煤灰組成一般對氣化反應影響較小。但其中某些組分含量過高會影響煤灰的熔融特性，如Al203含量超過40%時，煤灰的灰熔點超過1?400?℃，氣化爐需要較高的運行溫度，因此原料煤中需要加入助劑以改變灰熔點溫度，對助熔劑及加入量的選擇，應結合煤灰組成，通過添加某些組分（一般選用堿性組分CaO），調整煤灰的相對組成，使煤灰的酸堿比調整至合適范圍，以改善灰的熔融特性。此外其他灰成分粘度范圍較小，水冷壁式氣化爐掛渣困難，容易造成氣化爐渣口排渣不暢或渣口堵塞，以及造成除渣系統排渣不暢或堵塞[2]。
氣化爐中高溫環境使煤中的灰分融化為液態渣，覆蓋在水冷壁澆注料上形成渣層保護水冷壁，在正常操作時，依靠掛在水冷壁上熔渣層保護水冷壁，在水冷壁內側附著一層均勻分布的熔渣層，以抵御高溫熔渣對水冷壁的腐蝕[3]。
燃燒室內氣化反應產生的渣進入激冷室被冷卻，破渣機通過法蘭直接連在激冷室底部出口，其轉軸和破渣刀刃等內件，全部沉浸在激冷室底部的水池里。對高溫原料氣進行冷卻，同時洗滌下來的煤渣顆粒直接沉降到激冷室底部水池。在渣鎖斗的進料階段，破碎后的煤渣顆粒在重力作用下直接沉降到渣鎖斗，進行順控循環以排往外界（圖1）。
在渣鎖斗進料期間，渣水循環泵保持運轉，把渣水從渣鎖斗送回激冷室底部，使激冷室底部的水池至渣鎖斗之間的管道形成一股渣水流，防止管道堵塞[4]。在鎖斗順控的卸料階段，激冷室底部沉降下來的煤渣顆粒，將收集在渣鎖斗上部的渣收集罐。當渣鎖斗的壓力達到常壓時，在撈渣機已經投入運行的前提下，沖洗罐出口管線上的球閥打開，向渣鎖斗沖水，渣鎖斗底部出口管線的球閥打開向撈渣機排渣。排出的渣在撈渣機跟渣水分離后，通過渣斗卸到車輛運往廠外處理。 除渣系統在運行過程中存在以下問題：
（1）煤粉氣化爐在排渣過程中，渣水溫度較高，需要大量的高壓循環水進行降溫，耗水量較大，泄壓時間較長，排至撈渣機的渣水溫度高，大量的酸性氣體溢出，CO超標，現場操作環境比較惡劣，存在CO中毒風險。
（2）渣水系統設備、管道容易磨損，渣水循環泵葉輪磨損嚴重，進出口閥門容易損壞，在線使用周期短更換頻繁。
（3）渣鎖斗容積比較小緩沖作用不明顯，排渣延時時間較長容易堵渣。
（4）渣鎖斗沖壓過程中會造成高壓沖洗水其他用戶的受到干擾。
（5）爐渣含水量較高，外運的渣含水量較高運輸成本較高，在裝車、運輸過程中爐渣不斷的瀝水，裝車區環境差，嚴重影響運輸路徑周邊環境。灰渣運輸成本較高。
（6）裝車過程中，每臺撈渣機機頭下方停放一輛汽車，車輛組織不順暢，存在車輛等候以及裝車時間長的問題，經常因為渣車協調不及時，造成撈渣機損壞。
針對以上存在的問題，對現有的除渣系統從工藝和操作參數方面進行改進，使排渣工藝在的安全性、環保性、經濟性得到進一步提升。
2 ?排渣系統工藝優化及性能分析
2.1 ?增加低壓沖洗水冷卻器
排渣過程中渣鎖斗溫度高是很常見的問題，設計要求渣斗泄壓時渣水的溫度在105～110?℃，此時的泄壓時間在5?min左右。渣水被降到合適的溫度就需要大量的高壓工藝水，其原因是渣沖洗水換熱器出口溫度高（80?℃左右）。沖洗水進入渣斗的溫度高，高溫的爐渣進入渣鎖斗在渣水循環泵的作用下，渣鎖斗內溫度升高。
經過優化在新建的干煤粉氣化爐中在除渣系統中增加了低壓沖洗水冷卻器，來自黑水的低壓循環水，通過兩個串聯的低壓循環水冷卻器溫度降至40?℃以下，然后進入沖洗水槽，渣鎖斗排渣完成后，對沖洗水槽進行充液，降低渣鎖斗的溫度，泄壓時渣鎖斗的溫度在50?℃左右，渣鎖斗泄壓時間在1分鐘以內，杜絕了排渣過程中酸性氣體從撈渣機溢出問題，現場操作環境得到了改善。
2.2 ?優化渣水循環量，泄壓管線增加沖洗水
渣水循環泵在排渣系統中起著輸送渣水至渣鎖斗的作用，在渣水循環泵的作用下，經過破渣機破碎的爐渣進入渣鎖斗，到達灰渣收集時間后，將灰渣排至撈渣機，當渣水循環泵流量較大時，大量的高溫渣水進行循環渣鎖斗的溫度較高，渣水要被降至合適的溫度需要大量的循環冷卻水進行冷卻，否則渣鎖斗泄壓時間較長[5]。
干煤粉氣化工藝渣池作為氣化爐流程的一部分，與氣化爐直接相連，考慮到到氣化爐承壓殼體的安全，渣池的溫度不能過高。渣池溫度一般設計為70～90 ℃，液態渣溫度大概范圍是1 200～1 600 ℃，渣水循環溫度設計在50 ℃作業。一般情況下渣水循環回水溫度設定在一個定值，渣池水溫度隨來自氣化爐渣量的大小而波動，因此存在一個偏差。渣池水溫度以及循環水溫度確定后根據渣池熱平衡來確定循環水流量。循環水流量可以由下面的公式來求得[6]：
Q1（Cltl-C2t2）=Q2（h2-h3）?????（1）
式中：Q1—氣化爐渣產量，kg/s;
Cl—液態渣在熔融溫度下的比熱，kJ/（kg·℃）;
C2—渣在渣池水溫度下的比熱，kJ/（kg·℃）;
t1—液態渣的熔融溫度，℃;
t2—渣池水溫度，℃;
Q2—循環回水流量，kg/s;
h2—渣池水溫度下水的焓值，kJ/kg;
h3—循環回水的焓值，kJ/kg。
通過式（1）計算出渣水循環流量后，再根據各段管路損失可以計算出渣水循環泵的揚程，根據伯努利方程可知渣水循環泵的出口流量降低時除渣系統中流動性降低，造成系統堵渣主要造成渣水循環泵進出口管線、破渣機低部、排渣管線堵塞。嚴重時可能被迫停爐進行處理。經過重新工藝核算增加渣水泵進出口的管線直徑，渣水循環量控制在120 m3左右，管線內流速較之前降低，減緩除渣系統中管線設備的磨損。
針對渣鎖斗泄壓時溫度高，泄壓管線內氣體攜帶部分灰渣顆粒，較長時間泄壓對閥門、管線磨損比較嚴重，在泄壓管線上增加一路低壓沖洗水其溫度在35 ℃左右，泄壓程序運行時打開泄壓管線上的沖洗水，對管道進行沖洗，減緩了泄壓時渣水對管道的磨損，同時也縮短泄壓時間。
2.3 ?去掉渣緩沖罐
針對除渣工藝灰渣緩沖作用不明顯，渣順控停運1 h造成系統積渣的問題，在新建的工藝中對其進行優化，將激冷室的體積增加約15%，除渣系統中灰渣的緩沖作用得到了進一步提升，在激冷室底部增加了四層泡破條，灰渣和合成氣通過下降管進入激冷室底部，在合成氣強大的氣流帶動下，爐渣不斷沖撞，較大的顆粒碰撞成小顆粒，然后沉降激冷室底部，再次通過破渣機的破碎作用，爐渣顆粒進一步變小。在自身重力和渣水循環泵水流的作用下，進入渣鎖斗，將渣鎖斗的容積增加至32 m3取消了渣收集罐，節省了投資成本。
2.4 ?渣鎖斗沖壓管線優化
原有工藝渣鎖斗的沖壓管線在渣鎖斗的底部，管線直徑約80 cm，除了對渣鎖斗的沖壓之外，在收渣過程中起著調節渣鎖斗溫度的作用。收渣階段需要20 m3/h的高壓工藝水才能保證排渣時渣水溫度低于120 ℃。高壓沖洗水除了供渣鎖斗沖壓、降溫外，其余用戶還包括氣化爐、合成氣洗滌塔液位計沖洗水，因此渣鎖斗升壓過程中容易造成其他用戶供水緊張，造成液位計波動嚴重。
為了減少渣鎖斗沖壓過程中對氣化爐液位計、合成氣洗滌塔液位計沖洗水干擾，將高壓循環水引至高壓沖洗水單系列手閥處，渣鎖斗升壓時使用高壓循環水，根據裝置運行情況，選擇性使用高壓沖洗水或者高壓循環水。除此之外又增加了一臺高壓沖洗水泵，各區三臺高壓循環水泵，實現兩開一備，提高了高壓沖洗水系統的穩定性，解決了渣鎖斗升壓過程中對氣化爐、合成氣洗滌塔液位計沖洗水的干擾。
3 ?灰渣脫水、外運系統優化
3.1 ?可行性分析
撈渣機的斜坡段出口設置有小型緩沖倉，底部設置有平板閘門。正常生產過程中，渣車在緩沖倉下方接料裝車，當車裝滿，空車未到時，緩沖倉下部平板閘門暫時關閉，從撈渣機出來灰渣進入小緩沖倉進行瀝水，瀝出的水通過地溝收集至地坑最后進入沉降槽。通過數據采集分析可以看出，從撈渣機頭輪處采集到的爐渣全水Mt=25%左右，其堆密度約為1.16～1.28 kg/L 左右，通過實驗發現爐渣憎水性強，裝車過程中經過簡單瀝水后爐渣中任然含有大量水分，在運輸過程中不僅增加運輸成本[7]，也污染環境。
在氣流床氣化工藝隨著溫度和氣化反應過程的進行，從制取的渣樣看反應產物之一爐渣層外貌有顯著的不同。大部分煤樣在1 200 ℃左右有灰渣開始出現大面積熔融的現象;此時氣化溫度高于煤樣熔點 100 ℃左右，熔渣均勻的附于表面，形成致密的渣層，因此爐渣存在一定的疏水性。
通過觀察發現渣斗裝車完畢后，關閉撈渣機渣斗下平板閘門，在平板底部及渣斗的錐部開設小孔，增加了瀝水效果，在空車到來之前，物料進一步瀝水，瀝水效果比較明顯。結合爐渣裝車制度與爐渣特性，對爐渣粒度組成、比例進行分析觀察發現延長爐渣在渣斗內的瀝水時間，部分未完全燃燒的殘碳以及細顆粒物料隨爐渣瀝水脫除的比例較多，能夠有效降低爐渣含水量[8]。
