德士古水煤浆气化工艺的探讨

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  摘 要:介绍了德士古水煤浆气化的发展历程,水煤浆气化工艺的工艺特点,关键设备的使用情况和特性,气化炉在操作过程中氧碳比对气化过程的影响,合成气带水的危害和带水过程的分析,德士古气化炉在运行过程中出现的问题以及对这些问题的探讨以及持续改进的方法。
  关键词:煤气化;水煤浆;合成气
  Texaco coal-water slurry gasification technology
  Abstract: This article introduces the GE Coal-water Slurry gasification development, mean time points out its process characteristics, operation conditions and properties from the key- equipments; Discusses in deep of effects of the carbon oxygen ratio during the gasifier operation, analysis the entrainment issue as far as its undesired consequences. The article gives many typical issues during the operating period, focuses on the continuous improvement to solve these issues.
  keywords: GE Coal- water Slurry Gasification; Synthesis Gas ; Key-equipment
  1引言
  随着能源的紧缺以及人们环保意识的增强,发展低碳经济成为世界大趋势。我国是一个富煤少油缺气的国家,煤气化技术对国内化肥、甲醇等企业来说至关重要。目前,工业化的煤气化技术有Shell煤气化技术、Texco煤气化技术、鲁奇固定床加压气化技术以及国产化技术。德士古水煤浆加压气化工艺简称 TCGP,是美国德士古石油公司Texco在重油气化的基础上发展起来的。1945年德士古公司在洛杉矶近郊蒙特贝洛建成第一套中试装置,并提出了水煤浆的概念,水煤浆采用柱塞隔膜泵输送,克服了煤粉输送困难及不安全的缺点,后经各国生产厂家及研究单位逐步完善,于80年代投人工业化生产,成为具有代表性的新一代煤气化技术。
  2德士古水煤浆工艺特点
  2.1 对煤种有一定适应性,国内企业运行证实水煤浆气化对使用煤质有一定的选择性:气化用煤的灰熔点温度值低于1350℃时有利于气化,煤中灰分含量不超过15%为宜,越低越好,煤的热值高26000kJ/kg,并有较好的成浆性能,使用能制成 60%~65%浓度的水煤浆之煤种,才能使运行稳定。2.2 气化压力高,工业装置使用压力最高可达到6.5 MPa。2.3气化炉为专门设计的热壁炉,为维持1350 ~1400℃温度下反应,燃烧室内壁由多层特种耐火砖砌筑。热回收有激冷和废锅两种类型,激冷流程一般适用于合成氨和甲醇的生产,辐射废锅流程一般用于联合发电。可根据煤气用途加以选择。2.4 合成气质量先进,其有效组分(CO+H2)含量占80%,甲烷量<0.3%。碳转化率95%~98%。冷煤气效率70%~76%,气化指标较为先进。由于水煤浆中含有35%~40%水分,因而氧气用量较大。2.5 对环境影响较小 ,气化过程不产生焦油、萘、酚等污染物,故废水治理简单,易达到排放指标。高温排出的融渣,冷却固化后可用于建筑材料,填埋时对环境也无影响。2.6 国产化程度高,投资较低,国内已经完全掌握了Texaco气化工艺,所有设备都可以国产化。2.7 控制系统先进、可靠, 德士古水煤浆气化工艺采用了先进的DCS集散控制系统,自动化程度高。为了使装置运行安全可靠,系统中设置了复杂的安全联锁。
  3 德士古水煤浆气化工艺流程,国内大多数气化装置采用美国德士古公司水煤浆加压气化技术,该装置在我國投用以来,经过工程技术人员的不断摸索和技术改造,得以安全、稳定运行。德士古水煤浆气化装置主要包括煤浆制备、水煤浆气化以及灰水处理3个工序,其核心和关键设备是气化炉。
  4 德士古水煤浆气化工艺的关键设备
  4.1 磨机是水煤浆制备的重要设备,煤在磨机中和水混合研磨成具有一定粒度分布的水煤浆,一般磨机采用湿式棒磨机,磨机系统主要由磨机筒体、主轴承、盘车装置、主电机、气动离合器、高、低压润滑油站及主电机减速箱稀油站等构成。
  4.2 煤浆泵用于将水煤浆加压到要求的压力,由于水煤浆是高粘度、易沉降、含有固体颗粒的流体,故对煤浆泵的要求很高,一般采用三缸往复式隔膜软管泵。煤浆泵主要由主电机、减速箱、联轴器、泵体、曲轴、连杆、十字头、活塞杆、活塞、隔膜腔、推进油系统、动力端润滑系统、活塞杆润滑系统构成。
  4.3 德士古烧嘴,是德士古的专利设备,主要用于水煤浆和氧气的高度混合、雾化。其采用外混式三流道设计,中心管和外环隙走氧气,内环隙走煤浆,烧嘴头部有冷却水夹套及冷却水盘管,以保护烧嘴不被烧坏,烧嘴头部采用耐磨蚀材质,并有耐磨陶瓷喷涂。
  4.4 气化炉是煤气化的重要设备,分为燃烧室和激冷室两部分:上部为燃烧室,是气化反应的场所,内村三层作用不同的耐火砖及耐火材料;下部为激冷室,安装有激冷环、下降管、导气管、水分离档板等内件,煤粉燃烧后产生熔渣在激冷室水浴中冷却、固化。在燃烧室中生成的合成气也在激冷室中冷却并初步除尘。
  4.5 碳洗塔内件主要由下降管、导气管、两层湿式冲击塔板、降液管、除沫器等内件构成,主要作用是将气化炉来的合成气除尘。
  4.6 激冷环主要作用是分布激冷水,使激冷水沿激冷室下降管壁呈垂直膜状或螺旋状流下,保护下降管不受高温气体及熔渣的损坏。其主要由激冷水流道、水分布孔、监视孔及水分布环隙构成,激冷环上部由螺拴和燃烧室锥部相连,下部和激冷室下降管焊接。   5 德士古水煤浆气化的操作
  5.1 氧碳比 ,理论上,气化过程的氧碳原子比趋近1.0,碳转化率随着氧碳比的增加而增加,以渐近线的方式接近于100%;在一定煤浆浓度条件下,氧碳比越高,气化温度就越高,CO2就升高,工艺气中的有效气体成分(H2+CO)就降低,CH4含量会降低 。反之,氧碳比越低,气化温度就越低,CO含量就会降低,工艺气中的有效气体成分就会升高,但CH4含量就会升高,碳的转化率就会降低。过低的气化温度还有可能造成气化排渣困难,影响气化炉正常运行。工业生产中,对气化炉运行的氧碳比应综合考虑,不能单纯为了追求高的有效气体含量而降低氧煤比,也不能因提高氧碳比而忽视有效气体含量和炉膛温度。氧碳比的选择既要考虑有效气体成分的含量,还要保证气化炉顺利排渣以及气化炉运行工况的需求。适宜的氧碳比在运行中可以通过CH4含量、气化排放粗渣中的残碳含量、排粗渣的形状来判断气化炉炉膛温度。排粗渣的形状应以外观光滑、圆颗粒状占30%一50%适中。如果排放的粗渣中发现拉丝形状,表明炉膛温度可能偏高;如果出现粗渣颜色发黑,细渣含量很高,可能炉膛温度偏低。另外,气化炉炉膛温度是一个很重要的运行参数,但目前测量 温度基本上还是采用传统的直接热电偶测量法,而在测量过程中,因热电偶插入炉膛的尺寸有变化,同时在运行过程中氧煤比不可能恒定不变,因此热电偶测量端点不可避免受到灰渣覆盖的影响,这对于温度的准确性有着较大的影响 。因此,气化实际运行过程中合理的氧煤比取决于煤种、排渣形状、甲烷含量以及工艺气成分等综合因素,对于特定的气化装置需要通过不断摸索来确定氧煤比。
  5.3合成气带水的现象和危害
  气化炉合成气带水时(1)气化炉激冷室的液位逐渐下降,同时液位波动较大。(2)合成气温度偏低,文丘里压差增大且波动。因为激冷室带水后带入合成气管道,降低了合成气水温。另外激冷室带水后带入合成气管道内由于有黑水的存在而影响了气流的通道,因而文丘里的压差增大且波动。(3)洗滌塔液位升高,因为气化炉激冷室的黑水大量带入洗涤塔,所以洗涤塔的液位会升高,洗涤塔的自动补水阀会自动关小。
  5.3.2 合成气带水过程的分析,合成气通过燃烧室的渣口进入激冷环和下降管以后,由于下降管内壁的四周分布着激冷水形成的液膜,合成气与激冷水并流下降的过程中即发生了传热和传质过程,合成气被冷却,激冷水被加热并吸收部分激冷水蒸发产生的水蒸气。合成气离开下降管后,在下降管和上升管之间的环隙间穿越激冷室的水液层鼓泡上升。在此过程中,由于合成气的流速过快,合成气在逸出水面时,要夹带部分水分。被夹带出的水有四种运动形式:1、部分水液由于动能不够高,上升一段高度后又回落到液面上。2、部分水液撞击到上升管的内壁和下降管的外壁上,以液膜的形式又流回到液面上。3、部分水液上升到上升管的上沿,但是在经过折流板时,被遮挡住又落回到激冷室的液面上。4、最后仍然有部分水液随合成气一起被带出气化炉激冷室。
  6 德士古水煤浆加压气化装置运行经验总结
  1)气化装置工艺操作简单,负荷弹性大。2)装置负荷升降速率快,可以在较短时间内满足后序系统负荷调整变化的需要。3)气化反应的碳转化率高(可达98%以上)。4)气化所产工艺气组成简单,无焦油等污染物。但有效气体(CO+H2)成分低,氧耗高。5)工艺操作参数(如氧煤比)在工业生产中的优化量值标准不易摸索确定,难于掌握,需通过煤质、煤浆浓度 、排渣情况、气体成分、气化炉耐火砖等综合因素分析、判断。6)德士古水煤浆加压气化装置的生产稳定性有着与其相适应的最佳煤种和灰成分的要求。7)与气化装置相配套的空分装置在设计上应有一定的富裕量,以适应工业生产中煤种的不断变化和优化工况对氧气的调节需求。8)水系统合理的配管设计和运行经验总结、对于减缓管道磨蚀,防止泄露十分重要。另外,设计时应充分考虑因设备结垢所导致的运行参数和合理能量回收的需要。同时停炉时对管道设备进行清洗十分必要,防止钙镁离子堆积,使管道有效流道变小。9)生产过程中,德士古气化烧嘴,对气化炉燃烧工况和气体成分有定影响。特别是烧嘴压差波动频繁,对合成气成分影响很大。10)气化炉激冷室内部属多相流,因此,激冷室容积、下降管 、升气管以及齿孔面积等参数的准确设计和合理的裕量,实践证明是十分必要的。11)单台气化炉的合理运行周期主要取决于气化炉烧嘴的使用寿命,一般以 70~90d为宜过长的的运行周期可能会增加烧嘴的检查、维修费用,也可能因烧嘴冲刷导致气体偏流而影响燃烧工况,恶化时引起炉砖的局部损坏。12)不断改进并完善气化炉炉膛的测温系统这对于优化工况、延长装置运行周期是十分必要的。13)激冷室下降管运行过程中温差变化大,易出现下降管变形和损坏的情况,原因分析判断困难。14)气化炉排渣系统(特别是捞渣机)的可靠性对于装置长周期运行十分重要。气化炉在运行过程中工况可能发生波动,使一次排渣量过大(如激冷室积渣时),这对于排渣系统是一次考验,甚至会发生因排渣量过大导致捞渣机故障而中断运行现象。捞渣机故障率高是困扰气化设备平稳运行的瓶颈,有必要对渣的回收设备进行重新设计,可考虑将渣统一排入废渣池中,用爪渣的方式回收。15)气化装置黑水、灰水系统的pH值调节和控制,对于控制酸性腐蚀、减缓碱性条件下的结垢和提高仪表元件的使用寿命有着重要意义。16)气化装置的部分设备(如煤浆给料泵、阀门和管件等)的安全可靠性对于保证气化装置长周期安全稳定运行是至关重要的。17)气化装置氧气管线的振动对法兰,薄弱焊点的危害没有的到充分关注。有必要对管线振动的伤害程度经行分析,提出可行的预防方案和持续改进的目标。
  德士古水煤浆气化工艺是具有代表性的第二代煤气化工艺,经过各国的逐步完善,其技术趋于成熟。我国引进德士古煤气化技术不仅提高了我国煤气化的技术水平,也带动了相关技术的研究和发展,如工艺烧嘴、耐火材料、相关仪表、阀门等在国内均有制造商可以生产,业绩较好。同时德士古的一些衍生炉子也陆续在国内的各研究院设计出来,比如清华炉,航天炉在实际生产中也有很多不俗的业绩。
  参考文献
  [1]章荣林.对水煤浆加压气化工艺技术的评述.(中国天辰化学工程公司,天津 300400)
  [2]李玉成.多元料浆气化装置的运行及问题探讨.(山东华鲁恒升化工股份有限公司,山东 德州 253024)
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