1、多喷嘴水煤浆气化技术0 引言为了推进我国化学工业的发展，扩展气化用原料煤种，自 20 世纪 80 年代以来，我国花费巨额外汇先后引进了 10 余套德士古水煤浆气化装置，用于生产合成氨与甲醇。随着德士古煤气化装置技术优势的显现，由于购买昂贵的专利使用权和过高价格的进口设备、材料，也使一些企业背上了沉重的还贷负担。经过 10 多年的实践，国内在水煤浆气化技术方面积累了一定的设计、安装和运行等工程经验，通过在实践中不断进行技术的优化、完善与创新，推动了水煤浆气化技术在中国的应用和发展。“九五”期间，水煤浆气化与煤化工国家工程中心、华东理工大学和中国天辰化学工程公司承担的国家重点科技攻关项目“新型(多
2、喷嘴对置)水煤浆气化炉开发”，通过了专家鉴定与验收。在山东华鲁恒升化工股份有限公司国产化 1000t/d 合成氨大型氮肥装置中，采用了 6.5MPa、投煤 750td 的四喷嘴对置式水煤浆气流床气化炉(以下简称四喷嘴气化炉)，这也是新型(多喷嘴对置)水煤浆气化炉技术中试装置通过考核后的首次工业化装置。山东华鲁恒升化工股份有限公司四喷嘴气化炉是在中试装置的基础上，由华东理工大学、水煤浆气化与煤化工国家工程中心出具工艺软件包，中国华陆工程公司根据工艺软件包进行了工程设计，哈尔滨锅炉厂有限公司制造了气化炉设备主体，新乡耐火材料厂提供了气化炉燃烧室耐火衬里。山东华鲁恒升化工股份有限公司四喷嘴气化炉自
3、2004 年 12 月 1日开始试车、投入运行，本文拟对其应用情况进行介绍。1 四喷嘴气化炉结构原理来自棒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。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 CO、H 2为有效成分的粗煤气。气化炉激冷室内有下降管，下降管上端连接激冷环，下降管下部浸入激冷水中，下端有四个切向排气口；下降管与激冷室内壁之间有四层锯齿型的破泡分隔板。工艺喷嘴为预膜式喷嘴。工艺气 PG 出气化炉后经文丘里洗涤器、分离器和水
4、洗塔后送变换工段。分离器内有破泡板和导气管，水洗塔上部有固阀塔盘、旋流塔盘和高效除沫器。气化炉激冷室下部没有设置破渣机。气化炉结构见图 1，气化炉局部工艺流程见图 2。气化炉燃烧室内的流场结构由射流区、撞击区、撞击流股、回流区、折返流区和管流区组成，见图 3。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，形成梅花瓣状火焰。气流撞击后，方向发生变化，部分气流上升，遇拱顶后，形成回流区和折返流区；部分气流下行，形成管流区。2 工艺性能与技术优势2.1 工艺性能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
5、高；尤其因折返流区域存在，延长了气体在炉内停留时间，更加促进了气化炉内介质的接触与混和，促进了化学反应。由于二次反应主要是吸热反应，二次反应的增加，其结果使得气化炉燃烧室下部温度下降，为保证气化炉顺利排渣，需将氧煤比进一步提高，此时，撞击区温度较德士古气化炉燃烧室内温度要高，所以燃烧也更充分，残碳相比较而言，也更低。表 1 为 2006 年 3 月份系统测试部分数据。2.2 技术优势我们认为，四喷嘴气化炉有以下技术优势：(1)四喷嘴气化炉，采用预膜式喷嘴，其雾化夹角大，又因采用对撞方式，其混合更充分。当某一个喷嘴因自身或其他外在原因雾化不好时，由于形成了撞击流，其影响也非常小。(2)在四个喷嘴
6、中，当一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，其它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。(3)由于附着在工艺气出口管线内壁上的灰垢在停车检修时不容易清洗干净，德士古水煤浆气化炉投料初期，这些垢片受热后脱落，经常造成水洗塔出口管线堵塞。四喷嘴气化炉由于在水洗塔前设置了分离器，脱落下来的垢片被预先挡在了分离器内，这样，即使分离器排水管线被堵，水洗塔排水可仍旧畅通，不会造成水洗塔底部排水管线堵塞。(4)通过累计 4100h 的生产运行看，这种技术不但有效气体
7、成份高，而且反应完全，单位煤浆产气量也较德士古气化炉高，灰渣残碳含量低，碳转化率高。3 有关问题探讨除了具有上述技术优势外，从原始投资看，还能节约大量购买外国专利需要的外汇，可见，四喷嘴气化炉是一种值得推广的国产化技术。但由于是第一套工业化装置，我们发现，在局部结构上有些问题还值得探讨。3.1 局部炉砖与顶部堵头损蚀过快四喷嘴气化炉燃烧室高度方向炉温的梯度变化很大，高温区在喷嘴位置以下 500mm 及喷嘴位置以上一直到拱顶，停炉降温后，我们进燃烧室检查时有深刻的体会：人站在锥底砖以上，当体感温度跟炉外一样时，越接近喷嘴部位温度越来越高，尽管有四个喷嘴室洞口的径向通风，但到达拱顶部位时人仍然待不
8、住。这些高温区也是四喷嘴气化炉耐火衬里损蚀最严重的部位，例如：喷嘴周围及以下500mm 和以上筒体热面砖在累计使用 3425h 的时间内因损蚀过快就已经进行过更换；在累计使用 3425h 的时间后拱顶砖则已损蚀130mm。喷嘴周围及以下 500mm 和以上筒体热面砖烧蚀过快除了处于高温区的原因外，我们分析还有如下几个原因：(1)单个喷嘴出口流速在 110ms，如某个喷嘴出现故障，喷嘴火焰形不成理想中的撞击流，梅花状火焰区向一侧偏移，造成耐火砖的冲刷腐蚀加剧。(2)由于制造或维修误差，造成喷嘴煤浆环隙和外氧环隙不均匀；四喷嘴气化炉在生产中经常出现喷嘴小喷头外锥面、中喷头内锥面不均匀磨蚀，从而造成
9、煤浆环隙严重不均匀而偏喷，导致喷嘴周围耐火砖某部位严重冲刷。(3)由于预膜式喷嘴煤浆环隙较相同生产能力的德士古气化炉喷嘴小，几个大的煤浆颗粒挤在煤浆环隙里很容易造成堵塞，这种堵塞是随机的，说不定什么时候又被冲开，喷在对面喷嘴周围就造成不均匀冲刷。文献提出的设想可能有助于解决此问题。燃烧室拱顶与顶部堵头因对撞形成的火焰直接烧蚀、冲刷、热剥离，寿命较短。尤其是顶部堵头，每次停车都要重做新的，并且必须待降下温来检查拱顶蚀损情况后才能确定堵头的长度再进行制作，影响备用。顶部堵头是影响气化炉高负荷长周期运行的隐患。开始使用的顶部堵头结构为浇铸料外包耐热钢壳体，仅仅运行 86 h 就烧蚀近 50，后来我们
10、将下部浇铸料改为耐热钢筋挂耐火砖外包耐热钢壳体结构后运行时间有所延长，但仍旧是安全生产的隐患。顶部堵头损毁的情况分析如下：(1)喷嘴对撞流往上，直冲拱顶中心部位及顶部堵头；(2)原设计的直接打浇筑料的堵头，浇筑料高温强度太弱，很容易被烧毁；(3)堵头与拱顶炉砖之间的缝隙，使得火焰窜入，先逐步烧毁顶部堵头的金属壳体，烧断挂耐火砖的钢筋，然后耐火砖掉落下来；(4)负荷越大，因撞击而产生的火焰越强，越容易把堵头烧毁。有一次我们把顶部堵头做得与耐火砖洞口呈“紧配合”，火焰难于窜入，在连续投用 26d 后，顶部堵头损蚀较轻。我们计划将靠中心的几圈拱顶砖加厚 50mm(已委托耐火材料厂家进行过相关计算)，
11、将最上面一圈放置顶部堵头的拱顶砖做成台阶状，避免火焰直冲顶部堵头的金属壳体。3.2 喷嘴室与喷嘴安装3.2.1 喷嘴室结构喷嘴室起初的结构是：喷嘴就位后藏在前面的扩口砖后面，扩口砖洞口比喷嘴外径小。运行中发现这样很容易造成“窝火”，严重时会烧毁扩口砖后面的耐火砖甚至喷嘴本身。我们将扩口砖洞口改大后，没再出现窝火现象。3.2.2 喷嘴位置将扩口砖洞口改大后，就喷嘴端面的径向位置，我们仍保留了喷嘴端面在喷嘴室内相对于扩口砖的位置，没有将喷嘴加长，这主要有两个考虑：一是避免喷嘴加长后对撞流更剧烈，更易烧蚀对面喷嘴周围耐火砖、拱顶砖及顶部堵头；二是由于喷嘴室内为低压区，喷嘴加长后更容易挂渣，拔出喷嘴时
12、很容易将喷嘴上的盘管拉坏。现在的四个喷嘴在高度方向上的位置有点偏上，这应该是拱顶砖和顶部堵头损毁过快的主要内因。建议以后新上的四喷嘴气化炉，在形成合理的回流和折返流、保证足够长的管流区的前提下，尽量加大喷嘴中心线至拱顶的距离。3.2.3 喷嘴安装理想的情况是四个喷嘴安装后，四个喷嘴的中心线在一个平面上，两两相对的喷嘴中心线应能够重合，这样才有可能实现真正的对撞流。由于实际中气化炉制造、炉砖砌筑、喷嘴安装误差以及横置的喷嘴本身作为悬臂梁使得头部下垂等原因，不可能完全达到这些要求。德士古水煤浆气化炉换一次工艺喷嘴所用时间，最短不到0.5h；而四喷嘴气化炉一是因为喷嘴多达四个，更重要的是因为其横置，
13、喷嘴安装时不易就位，安装一次工艺喷嘴则需要 45h。3.3 激冷室激冷室内，四喷嘴气化炉用破泡板代替了传统水煤浆气化炉的上升管，由于破泡板与相应支架为焊接成形，激冷室缺少上部人孔，停车时若不破坏局部破泡板，检修人员从下部人孔无法上到激冷环进水管处检修、冲洗。每次停车后进炉检查时发现，破泡板之间缝隙内严重集灰，从下往上看不出破泡板之间的缝隙。集灰结得比较结实，能够承受人体的重量。在气化炉每次运行的后期，从气化炉压差上也能反映出这一点。就激冷室结构，对新建四喷嘴气化炉的建议是：上、下部各设一个人孔；破泡板之间的距离适当加大；每层破泡板加入孔方便检修冲洗。破泡板强度要足够，以免运行中发生冲散事件。4 结语(1)经过 4100h 的生产实践，山东华鲁恒升化工股份有限公司已逐步掌握了四喷嘴水煤浆气化炉的技术要点。目前，一次检修后，四喷嘴气化炉在 3234m 3h 煤浆流量下运行已超过 35d(期间因断电跳车连投一次)，基本实现了稳产低耗的目的。(2)四喷嘴气化炉存在的问题是局部的、暂时的，对此，我们将在生产中不断探索和完善。(3)四喷嘴气化炉技术作为我国具有自主知识产权的技术，有着其本身独有的技术优势，加之专利费用低，值得推广。
