德士古气化炉运行与维护

德士古(Texaco)水煤浆加压气化工艺简称TCGP,是由美国德士古公司开发的一种以水煤浆为进料,氧气为气化剂的加压气流床并流气化工艺,属于气流床湿法加料、液态排渣的加压气化技术。 德士古气化炉结构简单,单炉生产能力大,碳转化率达96%以上,有效气(H2+CO)成分达80%以上。我国从20世纪90年代初开始引进德士古气化技术应用于工业生产,并对其进行了大量研究工作,目前,装置国产化率已达90%以上,是较为成熟的煤气化技术。

一、德士古气化反应原理

气化反应

整个部分氧化反应是一个复杂的多种化学反应过程。 大致分为三步:

(1)裂解、挥发分燃烧

当煤浆与氧气混合喷入气化炉后,煤浆中的水分迅速变为水蒸气,煤粉发生干馏及热裂解。 煤粉变为煤焦,挥发分在高温下迅速完全燃烧,同时放出大量热量。

(2)燃烧、气化

煤焦一方面与剩余的氧气发生燃烧反应,生成CO2和CO等气体,放出热量。另一方面,煤焦与水蒸气、CO2发生气化反应,生成H2和CO。在气相中,H2和CO与残余的O2发生燃烧反应,放出更多的热量。

(3)气化

反应物中几乎不含有O2。主要是煤焦、甲烷等与水蒸气、CO2发生气化反应,生成的煤气中主要有H2、CO、CO2和水蒸气。

气化炉内进行的反应主要有:

C+O2→CO2ΔH=-394．1k J/mol

C+H2O →CO+H2ΔH=+135．0k J/mol

C+CO2→2CO ΔH=+173．3k J/mol

C+2H2→CH4ΔH=+84．3k J/mol

CO+H2O →H2+CO2ΔH=+38．4k J/mol

CO+3H2→CH4+H2O ΔH=-219．3k J/mol

其总反应可写为:

 

煤浆反应在反应系统中放热和吸热的平衡是自动调节的。 且反应是在有氧参与下进行的,因此,自始至终反应是自动进行的。

二、操作条件对德士古气化的影响

1.反应温度

气化温度是一个很重要的操作条件。 水煤浆部分氧化反应系自热反应,碳与氧的燃烧反应所放出来的热量,除维持气化炉热损失外,还供给像甲烷、碳与水蒸气、CO2等这些吸热反应所需要的热量。 从吸热反应平衡上看,提高温度有利于反应的进行,可以改善出口气中有效气体的组成,提高碳的转化率。 由于其反应速度随着温度的升高而升高,提高温度有利于气化反应。

但由于气化炉操作温度不是一个独立的变数,它与氧的用量有直接关系。 如提高氧的用量来提高温度,进料氧碳比发生变化,即导致氧碳比过高,CO2含量升高。另外,气化温度过高,将对耐火材料腐蚀加剧,影响或缩短耐火材料的寿命,甚至烧坏耐火衬里。

气化温度选择原则是在保证液态排渣的前提下,尽可能维持较低的操作温度。 由于煤种不同,操作温度也不相同、工业生产中温度一般为1300~1500℃。

2.气化压力

提高气化压力可以增加反应物的浓度,加快反应速度;同时由于煤粒在炉内的停留时间延长,碳的转化率提高。 其结果是气化炉的气化强度提高,后续工段压缩煤气的动力消耗相应减少。

气化反应是体积增大的反应,提高压力对化学平衡不利,但生产中普遍采用加压操作,其原因是:

(1)加压气化增加了反应物的浓度,加快了反应速度,提高了气化效率。

(2)加压气化有利于提高水煤浆的雾化质量。

(3)加压下气体体积缩小,在生产气量不变的条件下,可减小设备体积,缩小占地面积,使单炉产气量增大,便于实现大型化。

(4)加压气化可降低动力消耗。

德士古气化压力选择范围比较宽,工业生产中采用的压力为3~8MPa。

3.水煤浆浓度

水煤浆的浓度是指煤浆中煤的质量分数,该浓度与煤炭的质量、制浆的技术密切相关。需要说明的是:水煤浆中的水分含量是指全水分,包括煤的内在水分。 通常使用的煤也并不是完全干的,一般含有5%~8%甚至更多的水分在内。

水煤浆浓度及性能,对气化效率、煤气质量、原料消耗、水煤浆的输送和雾化等,均有很大的影响。 一般地,随着水煤浆浓度的提高,煤气中的有效气成分增加,气化效率提高,氧气的消耗量下降,如图3．5．1和图3．5．2所示。

 

图3．5．1 水煤浆浓度和气化效率之间的关系

 

图3．5．2 水煤浆浓度与煤气质量及氧耗的关系

水煤浆浓度必须适宜才能满足工业生产的需要,如果水煤浆的浓度过低,则随煤浆进入气化炉内的水分增多。 由于水分的蒸发和被加热,要吸收较多的热量,降低了气化炉的温度。为保证气化炉的温度,就要增加氧气的耗量。随着氧气耗量的增加,煤气中(CO+H2)的含量下降、气化效率就会降低。

但是,当水煤浆的浓度过高时,黏度急剧增加,流动性变差,不利于输送和雾化。 同时,由于水煤浆为粗分散的悬浮体系,存在着分散固体重力作用而引起的沉降问题。 因而水煤浆浓度过高时易发生分层现象。 故水煤浆浓度也不能太高。 水煤浆浓度选择的原则是保证不沉降,流动性好,黏度小的条件下,尽可能提高水煤浆浓度。 为使煤浆易于泵送和提高其浓度,工业上采用添加表面活性剂来降低其黏度。

4.氧煤比

在气化炉内,氧与水煤浆直接发生氧化和部分氧化反应。 因此,氧煤比是气化反应非常重要的操作条件之一。 随着氧煤比的增加,较多的煤与氧发生燃烧反应,放出较多热量,气化炉温度升高。 同时,由于炉温高,为吸热的气化反应提供的热量多,对气化反应有利,煤气中CO和H2含量增加,碳转化率升高。当氧碳比为1．0左右时,碳转化率可达到96%以上,冷煤气效率达到最大值。 随着氧煤比的继续增加,碳转化率增加不大,而冷煤气效率降低。这是由于过量的氧气进入气化炉,导致了CO2含量的增加,使有效气体成分下降,从而使得冷煤气效率降低。

随着氧碳比的增大,产气率增加,在氧碳比为1．0左右时,产气率达到最大,再增加,则产气率下降。

氧煤比是德士古气化法的重要指标。 在其他条件不变时,氧煤比决定了气化炉的操作温度,如图3．5．3所示。 同时,氧煤比增大,碳的转化率也增大,如图3．5．4所示。

虽然,氧气比例增大可以提高气化温度,有利于碳的转化,降低灰渣含碳量。 但氧气过量会使二氧化碳的含量增加,从而造成煤气中的有效成分降低,气化效率下降。

 

图3．5．3 氧煤比与气化温度的关系

 

图3．5．4 氧煤比与碳转化率的关系

三、煤种及煤质对德士古气化的影响

随着气化工艺选取的不同,其对煤品质的要求也不尽相同。 高活性、高挥发分的烟煤是德士古水煤浆气化工艺的首选煤种。

1.总水分

总水包括外水和内水。 外水是煤粒表面附着的水分,来源于人为喷洒和露天放置中的雨水,通过自然风干即可失去。 外水对德士古煤气化没有影响,但如果波动太大对煤浆浓度有一定影响,而且会增加运输成本,应尽量降低。

煤的内水是煤的结合水,以吸附态或化合态形式存在于煤中,煤的内水高同样会增加运输费用,但更重要的是内水是影响成浆性能的关键因素,内水分越高成浆性能越差,制备的煤浆浓度越低,对气化时的有效气体含量、氧气消耗和高负荷运行不利。

2.挥发分及固定碳

煤化程度增加,则可挥发物减少,固定碳增加。 固定碳与可挥发物之比称为燃料比,当煤化程度增加时,它也显著增加,因而成为显示煤炭分类及特性的一个参数。 煤的变质程度影响着煤的反应活性,变质程度低的反应活性较高,变质程度高的反应活性较低。 在水煤浆气化这种气流床的流动方式中,煤与气体接触时间很短。 所以要求煤有较高的反应性能。当然,如果某种煤的反应较差,可以减小颗粒粒度来弥补。

3.煤的灰分及灰熔点

灰分虽然不直接参加气化反应,但却要消耗煤在氧化反应中所产生的反应热,用于灰分的升温、熔化及转化。 灰分含有率越高,煤的总发热量就越低,浆化特性也较差。 灰分含量的增高,不仅会增加废渣的外运量,而且会增加渣对耐火砖的侵蚀和磨损,还会使运行黑水中固含量增高,加重黑水对管道、阀门、设备的磨损,也容易造成结垢堵塞现象,因此应尽量选用低灰分的煤种,以保证气化运行的经济性。

德士古气化炉是液态排渣气化炉,因此,尽可能采用低灰熔点的煤比较好,如果要气化灰熔点比较高的煤,则需要加入助熔剂。

4.助熔剂

助熔剂的种类及用量要根据煤种的特性确定,一般选用氧化钙(石灰石)或氧化铁作为助熔剂。 石灰石及氧化铁特别适宜作助熔剂的原因在于:它们是煤的常规矿物成分,几乎对系统没有影响,流动性与一般的水煤浆相同,加入后又能有效地改变熔渣的矿物组成、降低灰熔点和黏度。 加入助熔剂后气化温度的降低将使单位产气量和冷煤气效率提高、氧耗明显降低,但同时也会使碳转化率稍有降低,排渣量加大,过量加入石灰石还会使系统结垢加剧。

在筛选煤种时,宜选择灰熔点较低的煤种,这可有效地降低操作温度,延长炉砖的使用寿命,同时可以降低氧耗、煤耗和助熔剂消耗。

5.灰渣黏温特性

煤种不同,渣的黏温特性差异很大。 有的煤种在一定温度变化范围内其灰渣的黏度变化不大,也即对应的气化操作温度范围宽,当操作温度偏离最佳值时,也对气化运行影响不大;有的煤种当温度稍有变化时其灰渣的黏度变化比较剧烈,操作中应予以特别注意,以防低温下渣流不畅发生堵塞。 可见,熔渣黏度对温度变化不是十分敏感的煤种有利于气化操作。

水煤浆气化采用液态排渣,操作温度升高,灰渣黏度降低,有利于灰渣的流动,但灰渣黏度太低,炉砖侵蚀剥落较快。 根据有些厂家的经验,当操作温度在1400℃以上每增加20℃,耐火砖熔蚀速率将增加一倍。 温度偏低灰渣黏度升高,渣流动不畅,容易堵塞渣口。 只有在最佳黏度范围内操作才能在炉砖表面形成一定厚度的灰渣保护层,既延长了炉砖寿命又不致堵塞渣口。 液态排渣炉气化最佳操作温度以灰渣的黏温特性而定,一般推荐高于煤灰熔点30~50℃。

6.粉煤的粒度

粉煤的粒度对碳的转化率有很大影响。 较大的颗粒离开喷嘴后,在反应区的停留时间比小颗粒的停留时间短,而且,颗粒越大气固相的接触面积减小。 这双重的影响结果是:使大颗粒煤的转化率降低,导致灰渣中的含碳量增大。 另外,粉煤的粒度对煤成浆性能有着重要影响,粒度过大,则水煤浆浓度下降;否则,反之。

7.可磨指数

一般多用哈氏可磨指数表示煤的可磨性,它是指煤样与美国一种粉碎性为100的标准煤进行比较而得到的相对粉碎性数值,指数越高越容易粉碎。 煤的可磨指数决定于煤的岩相组成、矿质含量、矿质分布及煤的变质程度。 易于破碎的煤容易制成浆,节省磨机功耗,一般要求煤种的哈氏可磨指数在50~60以上。

综上所述,从技术角度来看,水煤浆加压气化技术可以适用于大多数褐煤、烟煤及无烟煤的气化。 但从经济运行角度来看,在筛选煤种时可将以下指标作为参照进行比较:煤种的内水以不大于8%为宜、灰分宜小于13%;以灰熔点小于1300℃的煤种为佳,但灰熔点太低对气化采用废锅流程不利,易使废锅结焦或积灰;尽可能选择煤中有害物质少、可磨性好、灰渣黏温特性好的煤种;尽可能选择年限长、储量大、地质条件相对好、煤层厚的矿点,以保证供煤质量的稳定。

四、德士古气化主要设备

1.气化炉

水煤浆加压气化炉是此项技术的核心设备。 上部是燃烧室,为一中空内衬耐火材料的立式圆筒形结构;下部根据不同需要,可为激冷室或为辐射废热锅炉结构,以下重点介绍德士古激冷型加压气化炉。

激冷型德士古气化炉燃烧室和激冷室外壳是连成一体的,其结构如图3．5．5所示,上部燃烧室为一中空圆形筒体带拱形顶部和锥形下部的反应空间,顶部烧嘴口供设置工艺烧嘴用,下部为生成气体出口去下面的激冷室。 激冷室内紧接上部气体出口设有激冷环,喷出的水沿下降管流下形成一下降水膜,这层水膜可避免由燃烧室来的高温气体中夹带的熔融渣粒附着在下降管壁上,激冷室内保持相当高的液位。 夹带着大量熔融渣粒的高温气体通过时下降管直接与水溶液接触,气体得到冷却,并为水汽所饱和。 熔融渣被淬冷成粒,从气体中分离出来,被收集在激冷室下部,由锁斗定期排出。 饱和了水蒸气的气体进上升管到激冷室上部,经挡板除沫后由侧面气体出口管去洗涤塔,进一步冷却除尘。 气体中夹带的渣粒约有95%从锁斗排出。

 

图3．5．5 激冷型德士古气化炉结构

结构特点介绍如下:

①反应区实为一空间,无任何机械部分。 只要反应物中氧的配比得当,反应瞬间即可获得合格产品。 这是并流气化法的特点,也是优点。 正因如此,在反应区中留存的反应物料最少。 如果反应物料配比或进料顺序不得当,不是超温就是有爆炸危险。

②由于反应温度很高,炉内设有耐火衬里。

③为了调节控制反应物料的配比,在燃烧室的中下部设有测量炉内温度用的高温热电偶4支。

④为了及时掌握炉内衬里的损坏情况,在炉壳外表面装设表面测温系统。 这种测温系统将包括拱顶在内的整个燃烧室外表面分成若干个测温区,在炉壁外表面焊上数以千计的螺钉来固定测温导线。 通过每一小块面积上的温度测量,可以迅速地指出在炉壁外表面上出现的任何一个热点温度,从而可预示炉内衬的侵蚀情况。

⑤激冷室外壳内壁采用堆焊高级不锈钢的办法来解决腐蚀问题。

气化炉气化效果的好坏取决于燃烧室形状及其与工艺烧嘴结构之间的匹配。 而气化炉的寿命则与炉内衬耐火材料材质和结构形式的选择有关。

2.工艺烧嘴(喷嘴)

工艺烧嘴和气化炉同属水煤浆加压气化装置的核心设备,二者的结构和几何尺寸属于专利。

(1)工艺烧嘴的功能和要求

工艺烧嘴的主要功能是借高速氧气流的动能将水煤浆雾化并充分混合,在炉内形成一股有一定长度黑区的稳定火焰,为气化创造条件。

对工艺烧嘴的设计要求有以下几方面。

①烧嘴接受的物料量是由工艺条件决定的,这是烧嘴设计的基本依据。

②采用的气流雾化形式是由水煤浆性质决定的。 水煤浆的浓度、粒径分布和黏度即流动性,决定其雾化性能。

③雾化了的水煤浆与氧气混合的好坏,直接影响气化效果。 局部过氧,会导致局部超温,对耐火内衬不利;局部欠氧,会导致炭气化不完全,增加带出物中碳的含量。

④由于反应在有限的炉内空间进行,因此炉子结构尺寸要与烧嘴的雾化角和火焰长度相匹配,以达到有限炉子空间的充分和有效的利用。

(2)工艺烧嘴的结构和材质

工业化的三流式工艺烧嘴如图3．5．6所示。 该工艺烧嘴为三流通道,氧分为两路:一路为中心氧由中心管喷出,水煤浆由内环道流出,并与中心氧在出烧嘴口前已预先混合;另一路为主氧通道在外环道流出,在烧嘴口处与煤浆和中心氧再次混合。

五、德士古气化工艺流程

1.流程分类

德士古气化工艺可分为激冷流程和废热锅炉流程。 激冷流程如图3．5．7所示,从煤输送系统送来原料煤,经称重后加入磨机,根据煤的性质在磨机中加入一定量的水和添加剂共同磨制成浓度为60%~65%的水煤浆。 煤浆经滚筒筛筛去大颗粒后流入磨机出口槽,先后经低压煤浆泵、高压煤浆泵送入气化炉顶部烧嘴。 通过烧嘴,煤浆与空分装置送来的氧气仪器混合雾化喷入气化炉,在燃烧室中发生气化反应。 气化炉燃烧室排出的高温气体和熔渣下行经激冷环被水激冷后,沿下降管导入激冷室进行水浴,熔渣迅速固化,粗煤气被水饱和。出气化炉的粗煤气再经文丘里喷射器和炭黑洗涤塔用水进一步润湿洗涤,除去残余的飞灰。生成的灰渣留在水中,绝大部分迅速沉淀并通过锁渣罐系统定期排出界外。 激冷室和炭黑洗涤塔排出黑水中的细灰(包括未转化的炭黑)通过灰水处理系统经沉降槽沉淀除去,澄清的灰水返回工艺系统循环使用。 为了保证系统水中的离子平衡,抽出小部分水送入生化处理装置处理排放。 为保护气化喷嘴头部,设置专用循环冷却水系统。

 

图3．5．6 德士古气化炉三流式煤烧嘴

 

图3．5．7 德士古激冷流程工艺简图

如图3．5．8所示,废锅流程气化炉燃烧室排出物经过紧连其下的辐射废锅副产高压蒸汽,高温粗煤气被冷却,熔渣开始凝固;含有少量飞灰的粗煤气再经过对流废锅进一步冷却回收热量,绝大部分灰渣(95%)留在辐射废锅底部水浴中。 出对流废锅的粗煤气用水洗涤,除去残余的飞灰,然后可送往下游工序进一步处理;粗渣、细灰及灰水的处理方法与激冷流程相同。

 

图3．5．8 德士古废热锅炉流程工艺简图

2.德士古激冷流程

如图3．5．9所示为某甲醇企业德士古水煤浆气化的工艺流程图,图中各设备编号与名称的对应关系见表3．5．1。

(1)制浆系统

由煤贮运系统来的小于10mm的碎煤进入煤贮斗后,经煤称量给料机称量送入磨机。粉末状的添加剂由人工送至添加剂溶解槽中溶解成一定浓度的水溶液,由添加剂溶解槽泵送至添加剂槽中贮存。 并由添加剂计量泵送至磨机中。 添加剂槽可以贮存使用若干天的添加剂。 在添加剂槽底部设有蒸汽盘管,在冬季维持添加剂温度在20~30℃,以防止冻结。甲醇废水、低温变换冷凝液、循环上水和灰水送入研磨水槽,正常用灰水来控制研磨水槽液位,当灰水不能维持研磨水槽液位时,才用循环上水来补充。 工艺水由研磨水泵加压经磨机给水阀来控制水量送至磨机。 煤、工艺水和添加剂一同送入磨机中研磨成一定粒度分布的浓度约60%~65%的合格水煤浆。 水煤浆经滚筒筛滤去3mm以上的大颗粒后溢流至磨机出料槽中,由磨机出料槽泵经分流器送至煤浆槽。 磨机出料槽和煤浆槽均设有搅拌器,使煤浆始终处于均匀悬浮状态。

(2)气化炉系统

来自煤浆槽浓度为60%~65%的煤浆,由煤浆给料泵加压,投料前经煤浆循环阀循环至煤浆槽。 投料后送至德士古烧嘴的内环隙。 空分装置送来的纯度为99．6%的氧气经氧气缓冲罐控制氧气压力为6．2~6．5MPa,在投料前打开氧气手动阀,经氧气放空阀送至氧气消音器放空。 投料后由氧气经氧气切断阀由调节阀控制氧气流量送入德士古烧嘴的中心管和外环隙。 水煤浆和氧气在德士古烧嘴中充分混合雾化后进入气化炉的燃烧室中,在约4．0 MPa、1350℃条件下进行气化反应。

表3．5．1 德士古工艺流程设备对照表

 

 

图3.5.9 德士古煤浆气化工艺

生成以CO和H2为有效成分的粗合成气。粗合成气和熔融态灰渣一起向下,经过均匀分布激冷水的激冷环沿下降管进入激冷室的水浴中。 大部分的熔渣经冷却固化后,落入激冷室底部。 粗合成气从下降管和导气管的环隙上升,出激冷室去洗涤塔。 在激冷室合成气出口处设有工艺冷凝液冲洗,以防止灰渣在出口管累积堵塞。 由冷凝液冲洗水调节阀控制冲洗水量为23m3/h。激冷水经激冷水过滤器滤去可能堵塞激冷环的大颗粒,送入位于下降管上部的激冷环。 激冷水呈螺旋状沿下降管壁流下进入激冷室。 激冷室底部黑水,经黑水排放阀送入黑水处理系统,激冷室液位控制在60%~65%。 在开车期间,黑水经黑水开工排放阀排向真空闪蒸罐。 气化炉配备了预热烧嘴,用于气化炉投料前的烘炉预热。 在气化炉预热期间,激冷室出口气体由开工抽引器排入大气。 开工抽引器底部通入低压蒸汽,通过调节预热烧嘴风门和抽引蒸汽量来控制气化炉的真空度。

(3)合成气洗涤系统

从激冷室出来饱和了水汽的合成气进入文丘里洗涤器,在这里与激冷水泵送出的黑水混合,使合成气夹带的固体颗粒完全湿润,以便在洗涤塔内能快速除去。 从文丘里洗涤器出来的气液混合物进入洗涤塔,沿下降管进入塔底的水浴中。 合成气向上穿过水层,大部分固体颗粒沉降到塔底部与合成气分离。 上升的合成气沿下降管和导气管的环隙向上穿过四块冲击式塔板,与冷凝液泵送来的冷凝液逆向接触,洗涤掉剩余的固体颗粒。 合成气在洗涤塔顶部经过丝网除沫器,除去夹带气体中的雾沫,然后离开洗涤塔进入变换工序。 合成气水气比控制在1．4~1．6,含尘量小于1mg/m3。在洗涤塔出口管线上设有在线分析仪,分析合成气中CH4、O2、CO、CO2、H2的含量。

在开车期间,合成气经背压阀排放至开工火炬来控制系统压力在3．74MPa。 火炬管线连续通入低压氮气(LN)使火炬管线保持微正压。当洗涤塔出口合成气压力温度正常后,经压力平衡阀使气化工序和变换工序压力平衡,缓慢打开合成气手动控制阀向变换工序送合成气。

洗涤塔底部黑水经黑水排放阀排入高压闪蒸罐处理。 灰水槽的灰水由高压灰水泵加压后进入洗涤塔,由洗涤塔的液位控制阀控制洗涤塔的液位在60%。 除氧器的冷凝液由冷凝液泵加压后经洗涤塔补水控制阀控制塔板上补水流量,另外当除氧器的液位高时,由洗涤塔塔板下补水阀来降低除氧器的液位。 当除氧器的液位低时,由除氧器的补水阀来补充脱盐水(DW),用除氧器压力调节阀控制低压蒸汽量从而控制除氧器的压力。 从洗涤塔中下部抽取的灰水,由激冷水泵加压作为激冷水和文丘里洗涤器的洗涤水。

(4)烧嘴冷却水系统

德士古烧嘴在1300℃的高温下工作,为了保护烧嘴,在烧嘴上设置了冷却水盘管和头部水夹套,防止高温损坏烧嘴。 脱盐水(DW)经烧嘴冷却水槽的液位控制在80%,烧嘴冷却水槽的水经烧嘴冷却水泵加压后,送至烧嘴冷却水冷却器用循环水冷却后,经烧嘴冷却水进口切断阀送入烧嘴冷却水盘管,出烧嘴冷却水盘管的冷却水经出口切断阀进入烧嘴冷却水分离罐分离掉气体后靠重力流入烧嘴冷却水槽。 烧嘴冷却水分离罐通入低压氮气(LN),作为CO分析的载气,由放空管排入大气。 在放空管上安装CO监测器,通过监测CO含量来判断烧嘴是否被烧穿,正常CO含量为零。 烧嘴冷却水系统设置了一套单独的联锁系统,在判

断烧嘴头部水夹套和冷却水盘管泄漏的情况下,气化炉立即停车,以保护德士古烧嘴不受损坏。 烧嘴冷却水泵设置了自启动功能,当出口压力低则备用泵自启动。 如果备用泵启动后仍不能满足要求,则出口压力低使消防水阀打开。 如果还不能满足要求,事故冷却水槽的事故阀打开向烧嘴提供烧嘴冷却水。

(5)锁斗系统

激冷室底部的渣和水,在收渣阶段经锁斗收渣阀、锁斗安全阀进入锁斗。 锁斗安全阀处于常开状态,仅当由激冷室液位低引起的气化炉停车,锁斗安全阀才关闭。 锁斗循环泵从锁斗顶部抽取相对洁净的水送回激冷室底部,帮助将渣冲入锁斗。 锁斗循环分为泄压、清洗、排渣、充压、收渣五个阶段,由锁斗程序自动控制。 循环时间一般为30分钟,可以根据具体情况设定。

从灰水槽来的灰水,由低压灰水泵加压后经锁斗冲洗水冷却器冷却后,送入锁斗冲洗水罐作为锁斗排渣时的冲洗水。 锁斗排出的渣水排入渣斗,用冲洗水泵来的冲洗水冲入渣沟进入澄清池进行沉淀分离。 经澄清、过滤后的清水由冲洗水泵大部分送至制浆、气化、渣水工序作为冲洗水,一部分送往沉降槽重复使用,多余部分经废水冷却器冷却后送入生化处理工序。 粗渣经沉降分离后,由抓斗起重机抓入干渣槽分离掉水后由灰车送出界区。

(6)黑水处理系统

来自气化炉激冷室和洗涤塔的黑水分别经减压阀减压后进入高压闪蒸罐,由高压闪蒸压力调节阀控制高压闪蒸系统压力在0．5MPa。 黑水经闪蒸后,一部分水被闪蒸为蒸汽,少量溶解在黑水中的合成气解析出来,同时黑水被浓缩,温度降低。 从高压闪蒸罐顶部出来的闪蒸汽经灰水加热器与高压灰水泵送来的灰水换热冷却后,再经高压闪蒸冷凝器冷凝进入高压闪蒸分离罐,分离出的不凝气送至火炬,冷凝液经液位调节阀进入灰水槽循环使用。 高压闪蒸罐底部出来的黑水经液位调节阀减压后,进入真空闪蒸罐在-0．05MPa下进一步闪蒸,浓缩的黑水经液位调节阀自流入沉降槽。 真空闪蒸罐顶部出来的闪蒸汽经真空闪蒸冷凝器冷凝后进入真空闪蒸分离罐,冷凝液经液位调节阀进入灰水槽。 循环使用,顶部出来的闪蒸汽用水环式真空泵抽取在保持真空度后排入大气,液体自流入灰水槽循环使用。 真空泵的密封水由循环上水提供。 从真空闪蒸罐底部自流入沉降槽的黑水,为了加速在沉降槽中的沉降速度,在流入沉降槽处加入絮凝剂。 粉末状的絮凝剂加脱盐水(DW)溶解后贮存在絮凝剂槽中,由絮凝剂泵送入混合器和黑水充分混合后进入沉降槽。 沉降槽沉降下来的细渣由刮泥机刮入底部排至渣池,上部的澄清水溢流到灰水槽循环使用。

六、德士古气化技术特点

1.德士古气化技术的主要优点

(1)可用于气化的原料范围比较宽。 几乎从褐煤到无烟煤的大部分煤种都可采用该项技术进行气化,还可气化石油焦、煤液化残渣、半焦、沥青等原料,1987年以后又开发了气化可燃垃圾、可燃废料(如废轮胎)的技术。

(2)水煤浆进料与干粉进料比较,具有安全并容易控制的特点。

(3)工艺技术成熟、流程简单,过程控制安全可靠。 设备布置紧凑,运转率高。 气化炉内结构设计简单,炉内没有机械传动装置。 操作性能好,可靠程度高。

(4)操作弹性大,气化过程碳转化率比较高。 碳转化率一般可达96%以上,负荷调整范围为50%~105%。

(5)粗煤气质量好,用途广。 由于采用高纯氧气进行部分氧化反应,粗煤气中有效成分(CO+H2)可达80%左右,除含少量甲烷外不含其他烃类、酚类和焦油等物质,粗煤气后续过程无须特殊处理而可采用传统气体净化技术。 产生的粗煤气可用于生产合成氨、甲醇、羰基化学品、醋酸、醋酐及其他相关化学品,还可用于供应城市煤气,也可用于联合循环发电装置。

(6)可供选择的气化压力范围宽。 气化压力可根据工艺需要进行选择,目前商业化装置的操作压力等级在2．6~6．5MPa,中试装置的操作压力最高已达8．5MPa,这为满足多种下游工艺气体的压力需求提供了基础。6．5MPa高压气化为等压合成其他碳类化工产品如甲醇、醋酸等提供了条件,既节省了中间压缩工序,也降低了能耗。

(7)单台气化炉的投煤量选择范围大。 根据气化压力等级及炉径的不同,单炉投煤量一般在400~1000t/d(干煤),但在美国Tampa气化装置最大气化能力达2200t/d(干煤)。

(8)气化过程污染少,环保性能好。 高温、高压气化产生的废水所含有害物极少,少量废水经简单生化处理后可直接排放;排出的粗、细渣既可作水泥掺料或建筑材料的原料,也可深埋于地下,对环境没有其他污染。

2.德士古气化技术的缺点

(1)炉内耐火砖冲刷侵蚀严重,选用的高铬耐火砖寿命为1~2年,更换耐火砖费用大,增加了生产运行成本。

(2)喷嘴使用周期短,一般使用60~90天就需要更换或修复,停炉更换喷嘴对生产连续运行或高负荷运行有影响,一般需要有备用炉,这增加了建设投资。

(3)考虑到喷嘴的雾化性能及气化反应过程对炉砖的损害,气化炉不适宜长时间在低负荷下运行,经济负荷应在70%以上。

(4)水煤浆含水量太高,使冷煤气效率和煤气中的有效气体成分(CO+H2)偏低,氧耗、煤耗均比干法气流床气化高一些。

(5)对管道及设备的材料选择要求严格,一次性工程投资比较高。

总之,水煤浆气化技术在一定条件下有其明显的优势,当前仍是被广泛采用的新一代先进煤气化技术之一。

七、德士古气化炉的运行

(一)原始开车

1.公用工程辅助设施具备的条件

(1)开车前,检查公用工程辅助设施正常,即:

①新鲜水、循环水已正常供水,压力满足要求。

②中压蒸汽、低压蒸汽管网供应正常。

③仪表空气、工厂空气管网压力满足要求。

④密封水已正常供水,压力满足要求。

⑤氮气管网、高压氮气压力满足要求。

(2)注意观察公用工程物料的温度、压力是否发生变化。

(3)随时检查设备用冷却水、密封水是否有堵塞现象。

2.本装置具备的条件

①装置气化部分及灰水处理部分相应的公用工程已具备使用条件。

②所有设备及管道已完成吹扫(冲洗)及试压工作。

③所有施工设备及杂物已清除。

④所有临时盲板已拆除,所有正式盲板已倒好。

⑤其他与气化装置开车有关的运行装置已接到气化装置即将开车的有关通知。

⑥所有控制仪表已安装就位,调校合格。 所有调节阀及止逆阀已按标示流向正确安装就位,其阀门动作已确认无误。 锁斗系统及气化炉安全联锁系统以及所有气体报警装置已经调试合格,均已好用。

⑦磨机及制浆设备调试运转正常,具备投用条件。

⑧添加剂槽已充满添加剂,系统具备投用条件。

⑨制浆系统已制备好合格料浆,料浆贮槽已贮有至少可供单台气化炉8小时运行所需的料浆。

⑩锁斗系统、破渣机及渣池设备(渣池泵、捞渣机等)已经系统调试,运转正常。

◈1制浆设备及料浆泵相应由供货厂商提供的润滑系统均已投用。

◈12所有安全阀在装置开车前均已安装调试合格。

3.装置正常开车程序

(1)确认下列设备已建立相应液位:制浆水槽、气化炉激冷室、洗涤塔、烧嘴冷却水槽、事故烧嘴冷却水槽、烧嘴冷却水气体分离器、锁斗、锁斗冲洗水罐、渣池、溢流水封、气液分离器、高温热水器、高压闪蒸分离器、低温热水器、真空闪蒸器、真空闪蒸分离器、真空泵出口分离器、澄清槽、灰水槽、脱氧水槽。

(2)气化炉升温步骤:

接通原水经黑水过滤器直入气化炉激冷室的激冷水供给通道或者接通原水经除氧水泵通过洗涤塔、灰水循环泵及黑水过滤器进入气化炉激冷室的通道。 气化炉激冷室建立起相应液位后,打开去往气化炉溢流水封的手动截止阀。 通入溢流水封的预热激冷水溢流排入渣池。 渣池液位上涨至正常液位后,启动渣池泵,将渣池中的水送往澄清槽。 澄清槽充满后,灰水从澄清槽上部溢流排入灰水槽。 这部分水可用以向洗涤塔供水。 系统水循环建立后,灰水槽中的水溢流排入地沟。 灰水系统/洗涤塔系统投用。

通过原水建立起系统水循环后,可着手准备进行预热烧嘴点火。 按照供货厂商的有关要求进行气化炉升温,维持最少8h的恒温“蓄热”时间,保证耐火材料能够均匀完全蓄热。

(3)按照以下步骤启动锁斗系统:

①灰水槽的灰水通过灰水泵向锁斗冲洗水罐送水,控制锁斗冲洗水罐的液位,锁斗冲洗水罐投入使用。

②灰水通过灰水泵再经锁斗冲洗水罐送入锁斗。

③锁斗充好水后,启动锁斗循环泵,按要求建立锁斗循环水量。

④启动破渣机。 锁斗系统可在气化装置投料后操作中保持连续运行。 至此,建立起锁斗循环系统。

(4)投用烧嘴冷却水系统,并对烧嘴冷却水系统进行相应试验,步骤如下:

①用脱盐水给烧嘴冷却水槽及相应管道充水。

②打开排气口用临时高压软管连通烧嘴冷却水管与烧嘴冷却水进出口接管。

③接通烧嘴冷却水换热器所用的循环冷却水进出口阀。

④启动烧嘴冷却水泵,建立烧嘴冷却水循环系统。

⑤进行烧嘴冷却水备用泵的自行启动试验。 确认运行烧嘴冷却水泵故障情况下,备用烧嘴冷却水泵可自行启动,提供烧嘴冷却水。

⑥进行事故烧嘴冷却水补水试验。 设定两台烧嘴冷却水泵均出现故障情况下,事故烧嘴冷却水槽可自行向系统补入事故烧嘴冷却水。

⑦确认烧嘴冷却水系统所有有关仪表均工作正常。

(5)按照以下步骤建立料浆给料系统:

①料浆贮槽中贮有一定量的满足工艺要求的合格料浆。

②气化炉安全联锁系统复位。

③启动已标定好的高压料浆泵,建立经料浆循环阀返回料浆贮槽的料浆循环。

(6)按照以下步骤,建立气化炉投料前的有关激冷水循环系统:

①准备将激冷室排水通过激冷室液位调节阀切往渣池。

②启动经除氧水泵供给激冷水通道,同时,关闭原水供水阀。 这时,由除氧水泵向系统提供全部激冷水。

③接入灰水循环泵,由洗涤塔经灰水循环泵及黑水过滤器向激冷室供水。 缓缓打开洗涤塔液位调节阀,建立相应洗涤塔正常操作液位。

注意:缓缓打开洗涤塔液位调节阀,同时,应注意激冷器供水量的变化。 不能使激冷器供水量低于最小供水量。

④建立好洗涤塔正常操作液位后,启动灰水循环泵,控制通过黑水过滤器的激冷水流量。 稳定洗涤塔液位,同时关闭旁路经过洗涤塔的激冷水直入激冷器截止阀。

⑤投用气化炉激冷室液位调节阀(角阀)、气液分离器液位、压力调节阀(角阀),关闭通往气化炉溢流水封管线上的截止阀。 通往气化炉溢流水封管线上的盲板倒至“盲”。

⑥至此,建立起气化炉投料前的有关激冷水循环系统。 进行激冷水循环系统切换期间,一定要注意确保激冷器供水不中断。

(7)更换烧嘴:

①停止向预热烧嘴送入燃料,减小开工抽引器蒸汽通入量,使得抽入气化炉的空气量相应减少。 系统要维持一定负压,防止换烧嘴时炉内高温气体上窜,造成人员伤害。

②卸下预热烧嘴,立即装入工艺烧嘴。 烧嘴冷却水进出口接管由高压软管切至正常操作条件下使用的正式接管。

③停止向开工抽引器送入抽引蒸汽。

④出气化炉粗合成气通往开工抽引器管线上加装盲板。

(8)打开连通烧嘴管线上的相应手动截止阀:

①导通接入氧气管道的中压氮管线。

②打开氧气管线及料浆管线上入烧嘴的截止阀。

③用中压氮对烧嘴氧气通道及气化炉进行系统氮置换,从出洗涤塔粗合成气管线进行取样分析,氧含量低于2%视为氮置换合格。 关闭氮置换充氮阀,相应加装隔离盲板。

④氧气管线充高压氮。

⑤对料浆管线进行蒸汽吹扫。

⑥调节料浆循环流量至正常操作流量的50%。

(9)从空分装置引氧气至气化炉烧嘴平台,通过氧气放空阀放空,通过氧气流量调节阀调整流量。

①将激冷室液位提至正常操作液位(高于下降管下沿)。

②将系统背压调节器设置手动状态,背压调节阀处于全开位置,准备进行气化炉投料。

③从空分装置引入氧气,从氧气放空消音器放空。 通过氧气流量调节阀控制氧气流量。确认气化炉投料氧气流量及报警指示值(气化炉投料氧气流量为正常操作条件的50%)。

(10)建立气化炉投料条件下的激冷水循环系统:

将气化炉激冷室排水由排往渣池切至经压力调节阀至真空闪蒸槽。 气化炉投料前,迅即将激冷室排水由排往渣池切至真空闪蒸槽。 通向渣池的排水管线上相应加装隔离盲板。

(11)所有人员撤离气化炉框架。

(12)气化炉投料:

①按下料浆控制键,正式送料浆进入气化炉。 (气化炉投料时要求的最低炉温为1000℃。 如果气化炉投料前炉温降至1000℃以下,气化炉投料会对气化炉耐火材料造成过度“热震击”,出现投料不成功的情况。)

②中控室操作人员要监视气化炉投料时相应料浆阀阀位的变化情况,确认料浆截止阀及料浆循环阀相应于规定时限完成其行程动作。

③确认料浆进入气化炉后,随着氧气进入气化炉,气化炉内发生燃烧反应,炉温迅速升高,开工火炬放空量增大,激冷室液位突然下降,气化炉压力突然升高。

④调整入炉氧气流量,稳定气化炉炉温。

⑤控制文丘里管进水流量,设定正常操作条件50%的流量值。 随着气化炉负荷的提高,相应增加喷入水量。

⑥提高粗合成气背压调节阀设定值,气化炉提压至1．0MPa(G),然后投自动。 现场检查系统泄漏情况,重点为炉顶烧嘴法兰。

⑦投用甲烷及粗合成气组分在线分析仪。

⑧投用相应气化炉差压指示仪表。

(13)建立气化炉正常运行条件下的灰水循环系统,对气化炉投料期间的激冷水供水系统进行相应处理。

接通脱氧水槽经除氧水泵及灰水加热器至洗涤塔的灰水循环通道。 脱氧水槽建立相应液位后,启动除氧水泵经灰水加热器向洗涤塔送入灰水。

(14)启动真空泵,投用真空闪蒸系统。

(15)建立气化炉正常运行条件下的黑水循环系统,对气化炉投料期间的气化炉排水系统进行相应处理。

①接通激冷室、洗涤塔经高温热水器、低温热水器、真空闪蒸器及澄清槽进料泵至澄清槽的黑水循环通道。 关闭气化炉投料期间激冷室通向真空闪蒸槽排水管线上的截止阀。 至此,建立起正常操作条件下的黑水循环系统,对投料期间激冷室排水管线进行相应处理。 冲洗通向真空闪蒸槽的排水管线。

②投用真空带式过滤机(M1401A/B)。 启动过滤机给料泵(P1409A/B),相应投用过滤机系统。 滤液返回至澄清槽(V1405)。

(16)调整系统有关水量,系统压力提至正常操作值。

逐步提高系统粗合成气背压调节器设定值,将系统粗合成气压力提至正常操作值。 粗合成气流量保持正常操作流量的50%。

(17)冲洗料浆循环管线。

(18)下游变换冷凝液回收后,送入洗涤塔上部塔盘以及有关的槽罐作为系统补充水。

(19)至此,完成气化炉有关开车步骤。 系统在50%负荷条件下运行稳定后,逐步提高料浆及氧气量,将系统负荷提至100%。

(二)正常操作

为了优化多元料浆气化工艺装置的操作运行,应遵循以下正常操作程序,对运行工况进行相应调整。

(1)逐步提高装置负荷,先提高入炉料浆量,再增加入炉氧气量。 每次负荷增加幅度应尽可能小,以保持炉温相对稳定。

注意:增加装置负荷,先提高入炉料浆量,再增加入炉氧气量。 降低装置负荷,先减少入炉氧气量,再相应降低入炉料浆量。 这样可最大限度地减小由于氧气/料浆比例变化幅度较大,而导致出现炉温突升的情况。

(2)气化炉负荷提至要求负荷后,调整入炉氧气流量,使氧气/料浆比例及炉膛温度达到“设计基础”中相应正常操作条件下的数值。

(3)调整磨机负荷,制得的合格料浆量要适应入炉料浆量的需要。

(4)操作人员要对捞渣机捞渣情况进行检查,确认气化炉排渣正常。

(5)往下游工序送气之前,要对粗合成气进行取样分析,确保粗合成气夹带飞灰量在允许范围之内。 如果粗合成气夹带飞灰量超标,应加大通入文丘里管及洗涤塔的洗涤水量。

(6)要对系统有关黑水、灰水物流进行取样分析,确认黑水/灰水系统相应物流固含量及p H值在允许范围之内。

(7)要经常进行料浆取样分析,确认制得料浆的粒度分布及料浆浓度与“设计基础”中相应正常操作条件下的数值相一致。

(8)要对澄清槽排出物进行取样分析,确认细渣在澄清槽底部的沉积情况。

(三)正常停车

针对一套气化系列100%负荷运行的情形,装置正常停车程序如下:

(1)通知空分装置及有关下游工艺装置操作人员,气化装置准备停车,以便其做好相应准备。

(2)氧气自动控制切换至手动控制。

(3)将装置负荷降至最低稳定负荷。 该负荷为正常操作条件的50%。

(4)将气化炉粗合成气系统背压调节器设定值略高于洗涤塔操作压力(此时背压调节阀处于关闭状态)投自动。 提高入炉氧气流量,将炉温提至高于正常操作温度50~100℃,保持30min,以便熔掉炉壁挂渣。

(5)缓缓降低气化炉粗合成气系统背压调节器设定值至略低于洗涤塔操作压力,出洗涤塔粗合成气开始排往开工火炬系统。 停止向洗涤塔(T1301A)塔盘上加入工艺冷凝液。 逐步关闭出洗涤塔粗合成气主阀,减少通往下游工序的粗合成气量。

(6)待粗合成气全部切往开工火炬系统后,中控室手动关闭通往下游工序的粗合成气电动调节阀。

(7)按下停车按钮,随即关闭粗合成气通往开工火炬的背压调节阀,系统保压。

(8)将氧气流量调节器打手动,将阀位调至关闭状态。

(9)气化炉停车按钮按下后,氧气及料浆截止阀立即自动关闭,高压氮开始对连接烧嘴的氧气管道及料浆管道进行置换,并在两道氧气截止阀间建立氮封缓冲区(气化炉停车时,氧气管道氮置换比料浆管道氮置换较先进行,以免烧嘴氧气通道中进入料浆)。

(10)粗合成气洗涤系统水温降低后,降低系统背压调节器设定值,开始进行洗涤塔及气化炉系统卸压。

(11)系统卸压至1．0MPa以下后,将出激冷室黑水从气化炉正常运行条件下通往气化高温热水器切至真空闪蒸槽。

(12)系统压力卸至低于1．0MPa,停文丘里管进水。

(13)激冷室排水温度低于93℃后,将激冷室排水从排往真空闪蒸槽切至经溢流水封排往渣池。 接通旁路原水经黑水过滤器直入气化炉激冷室的激冷水通道或经洗涤塔、灰水循环泵及黑水过滤器进入气化炉激冷室的激冷水通道。

(14)洗涤塔及气化炉系统压力卸至常压。

(15)关闭氧气、料浆炉前阀及粗合成气管线上的自动截止阀。 导通接入氧气管道的中压氮管线,对气化炉、激冷室及洗涤塔进行系统氮置换。

(16)倒通开工抽引器盲板,启动开工抽引器系统,建立相应系统负压。

(17)将烧嘴冷却水进出口接管切至烧嘴冷却水软管。 小心拆卸烧嘴,对烧嘴及耐火衬里状况进行检查。 拆卸烧嘴及检查炉内耐火衬里时,应采取相应防护措施(有关人员要佩戴防火面罩、防火服及耐热手套)。 卸下的烧嘴必须进行彻底的清理检查,方可再次使用。 气化炉下次投料,应使用经过清理的烧嘴。

(18)如果需要保持炉温以便进行下一步操作,装入预热烧嘴,进行点火升温。

小资料

多喷嘴对置式水煤浆气化技术

兖矿集团有限公司与华东理工大学在煤气化、多联产关键技术的研究中,成功开发出具有自主知识产权的新型多喷嘴对置式水煤浆气化技术,打破了国外跨国公司对水煤浆气化技术的垄断,为我国能源和煤化工市场提供了新的具有自主知识产权的技术。

来自磨机的水煤浆经两个隔膜泵加压,与来自空分装置的高纯度氧气一起通过4个对称布置在气化炉中上部同一水平面上的工艺喷嘴,对喷进入气化炉燃烧室,每个隔膜泵分别给轴线上相对的两个喷嘴供料。 四喷嘴在同一水平面上向气化炉中心对喷撞击后,雾化后的水煤浆与氧气的混合更充分。 在高温高压下,喷入气化炉燃烧室的水煤浆与氧气进行部分氧化反应,生成以CO、H2为有效成分的粗煤气。

相对于德士古气化炉,四喷嘴气化炉火焰在炉内上部燃烧,气体在炉内停留时间延长,二次反应充分,有效气体含量明显提高。 在4个喷嘴中,当1个喷嘴因煤浆泵或管线堵塞等原因造成煤浆流量低而过氧时,其他喷嘴可及时缓解这种危险,赢得处理时机。 在一定条件下,当一对喷嘴或管线出现故障时,另一对喷嘴可在短时间内继续运行,维持生产;待故障喷嘴或管线问题解决后,可继续投入运行。