鄭州中威環(huán)保設(shè)備有限公司

一.概述

  我國是一個缺油少氣富煤的國家，資源特點決定了我國的能源化工原料來源必須以煤為主。煤氣化技術(shù)是煤基化工的核心技術(shù)和龍頭技術(shù)，開發(fā)具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的大型煤氣化技術(shù)對于我國煤化工事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

  在某化工公司國產(chǎn)化1000t/d合成氨大型氮肥裝置中，建設(shè)了1臺  6.5MPa、處理煤750t／d的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐(以下簡稱多噴嘴氣化爐)，這也是多噴嘴氣化技術(shù)在中試裝置通過考核后的靠前臺工業(yè)化裝置。山東華魯恒升化工股份有限公司多噴嘴氣化爐是在中試裝置的基礎(chǔ)上，由華東理工大學、水煤漿氣化與煤化工國家工程研究中心提供工藝軟件包，中國華陸工程公司進行工程設(shè)計，哈爾濱鍋爐廠有限公司制造了氣化爐設(shè)備主體，新鄉(xiāng)耐火材料廠提供了氣化爐燃燒室耐火襯里。   

二.多噴嘴氣化技術(shù)流程簡介

  來自棒磨機的水煤漿經(jīng)2個高壓煤漿泵加壓輸送，與來自空分裝置的高純度氧氣一起通過4個對稱布置在氣化爐上部同一水平面上的噴嘴進入氣化爐燃燒室。每個高壓煤漿泵分別給軸線上相對的2個噴嘴供料。在高溫高壓下，噴入氣化爐燃燒室的水煤漿與氧氣進行部分氧化反應，生成以CO、H₂為主要成分的粗煤氣。生成的粗煤氣和熔融態(tài)的渣通過下降管進入下部的噴淋床與鼓泡床復合的激冷室，下降管上端連接激冷環(huán)，激冷環(huán)以交叉射流的方式對粗煤氣和熔渣進行噴淋冷卻，下降管下部浸入激冷水中，下端有4個切向排氣口。下降管與激冷室內(nèi)壁之間有4層鋸齒型的破泡分隔板，形成鼓泡床。工藝氣出氣化爐后經(jīng)文丘里洗滌器、分離器和水洗塔后送變換工段。分離器內(nèi)有破泡板和導氣管，水洗塔上部有固閥塔盤、旋流塔盤和效率高除沫器。

三.工藝特點與技術(shù)優(yōu)勢

3.1工藝特點

  四噴嘴在同一水平面上向中間對噴，形成撞擊流場，使得混合更充分，燃燒更完全。氣流撞擊后，形成梅花瓣狀火焰，迅速燃燒，此區(qū)為撞擊區(qū)、氣流撞擊后，方向發(fā)生變化，部分氣流上升，遇拱頂后，沿爐壁下行，形成撞擊流區(qū)和折反流區(qū)；部分氣流下行，形成射流區(qū)和管流區(qū)。由此爐內(nèi)流場看出，相對于德士古氣化，火焰在爐內(nèi)上部燃燒，氣體在爐內(nèi)停留時間延長，二次反應充分，有效氣體含量明顯提高，尤其因折反流區(qū)域存在，更延長了氣體在爐內(nèi)停留時間。   

  撞擊流將燃燒區(qū)域約束在爐膛中點，在撞擊區(qū)域內(nèi)，氧氣濃度相對較高，所以燃燒較德士古爐而言更為充分，所以殘?zhí)己�量相對更低。在靠近爐壁的部分以二次反應為主，二次反應為吸熱反應，二次反應的增加，就使得爐壁附近溫度降低，保護了向火面的耐火磚。

3.2技術(shù)優(yōu)勢   

  與引進德士古水煤漿加壓氣化技術(shù)相比，多噴嘴氣化爐由于其特殊的爐內(nèi)流場，使得氣化反應更為完全，同時，因二次反應區(qū)明顯加大，故產(chǎn)出的粗煤氣中有效成分平均高2％～4％，碳轉(zhuǎn)化率也高。粗渣含碳量僅為1％左右(干基)，較低不到0.1％。

  多噴嘴氣化爐的4個工藝燒嘴均采用預膜式燒嘴，其霧化夾角大，霧化效果好，又因采用對撞方式，其混合更加充分。當某一個燒嘴因制造或其他原因霧化不好時，因?qū)ψ苍�因，其影響也非常小。由�?000h的實踐經(jīng)驗看，這種技術(shù)不但有效氣體成分高(較高達到85％)，而且反應完全，單位煤漿產(chǎn)氣量也較德士古氣化技術(shù)高，灰渣殘?zhí)己�量低；碳轉(zhuǎn)化率高。

   多噴嘴氣化技術(shù)采用多個噴嘴同時進料，雖然安裝噴嘴時間相對延長，但是由于可以在烘爐階段就可以將工藝噴嘴安裝好，當爐溫達到投料條件時，將預熱噴嘴從頂部取出，裝上封堵，就可以進行投料，因而從烘爐到投料的過渡期較短，同時，也把停爐及過氧的風險化解。在有條件的企業(yè)，當一對噴嘴停車時，另一對噴嘴可繼續(xù)運行，維持生產(chǎn)，當缺陷清理后，可繼續(xù)投入運行，這種方式已經(jīng)成功用于企業(yè)生產(chǎn)。在這種運行方式下，因單噴嘴信號故障造成停車的幾率大幅降低。在4個噴嘴中，當1個噴嘴因煤漿泵或其他因素造成煤漿流量低過氧時，其他噴嘴可及時緩解這種危險，贏得處理時機。安全系數(shù)提高，對生產(chǎn)較為有利。

  多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)的合成氣初步凈化系統(tǒng)采用了分級凈化的方法，即先對合成氣中容易分離的固體進行分離，然后用水洗的方式進行進一步凈化，這種凈化流程具有明顯的優(yōu)點。德士古水煤漿氣化爐投料初期，由于附著在工藝氣出口管線內(nèi)壁上的垢片受熱及高速氣流沖刷后脫落，易造成水洗塔出口管線堵塞。多噴嘴氣化技術(shù)由于設(shè)置了分離器，灰垢被預先擋在了分離器內(nèi)，這樣，即使分離器排水管線被堵，碳洗塔排水照樣可完成排灰作用。

四.有關(guān)問題探討   

  多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)已經(jīng)運行了一年多，到2006年6月為止，累計運行超過6000h，較長連續(xù)運行時間近2個月(包括連投一次)，工業(yè)運行證明了該技術(shù)的優(yōu)勢。但由于是靠前套工業(yè)化裝置，存在一定的問題還是難免的，以下列出了在運行過程中暴露的一些問題，并對產(chǎn)生問題的原因進行了分析，提出了改進意見。

4.1存在的問題

4.1.1上部空間耐火磚壽命偏短，封堵頭更換頻繁

  多噴嘴氣化爐爐內(nèi)高溫區(qū)在噴嘴位置以下500mm及噴嘴位置以上一直到拱頂。這些高溫區(qū)也是四噴嘴氣化爐耐火襯里損蝕較嚴重的部位，例如：噴嘴周圍及以下500mm和以上簡體熱面磚在累計使用3425h的時間內(nèi)，因損蝕過快已經(jīng)進行過更換；在累計使用3425h的時間后拱頂磚則已損蝕130mm。

  頂部堵頭壽命也較短。每次停車都要重做新的，并且必須待降下溫來檢查拱頂蝕損情況后，才能確定堵頭長度再進行制作，影響備用。頂部堵頭是影響氣化爐高負荷長周期運行的隱患。開始使用的頂部堵頭結(jié)構(gòu)為澆鑄料外包耐熱鋼殼體，僅運行86h就燒蝕近50％，后來將下部澆鑄料改為耐熱鋼筋掛耐火磚外包耐熱鋼殼體結(jié)構(gòu)后，運行時間有所延長，但仍舊是安全生產(chǎn)的隱患。

4.1.2噴嘴室口徑過小，容易造成“窩火”

  噴嘴室起初采用了帽檐結(jié)構(gòu)，以防止噴嘴掛渣，即：噴嘴就位后藏在前面的擴口磚后面，擴口磚洞口比噴嘴外徑小。運行中發(fā)現(xiàn)這樣很容易造成“窩火”，嚴重時會燒毀擴口磚后面的背撐磚甚至噴嘴本身。將擴口磚洞口改大后，沒再出現(xiàn)窩火現(xiàn)象。

4.1.3激冷室檢修不便，容易積灰

  激冷室內(nèi)，多噴嘴氣化爐用破泡板代替了傳統(tǒng)水煤漿氣化爐的上升管，由于破泡板與相應支架為焊接成形，激冷室缺少上部人孔，停車時若不破壞局部破泡板，檢修人員從下部人孔無法上到激冷環(huán)進水管處檢修、沖洗。

  在早期操作過程中，由于未掌握多噴嘴氣化爐的運行規(guī)律，長期在較低溫度下操作，導致出燃燒室的粗合成氣中細灰含量較高，每次停車后進爐檢查時發(fā)現(xiàn)，破泡板之間縫隙內(nèi)嚴重集灰，從下往上看不出破泡板之間的縫隙，且集灰結(jié)得比較結(jié)實。在氣化爐每次運行的后期，從氣化爐壓差上也能反映出這一點。

  就激冷室結(jié)構(gòu)，對新建四噴嘴氣化爐的建議是：上、下部各設(shè)一個人孔；破泡板之間的距離適當加大；每層破泡板加人孔方便檢修沖洗。破泡板強度要足夠，以免運行中發(fā)生沖散事件。

4.2對問題的原因分析及改進建議

4.2.1噴嘴以上空間偏小   

  在中試成功的基礎(chǔ)上，華東理工大學在設(shè)計靠前臺工業(yè)裝置時，改變了噴嘴以上到氣化爐頂空間的高徑比，當時的目的是提高氣化爐單位空間的產(chǎn)氣量。但是，實際運行表明，改變后的高徑比偏小。由于撞擊后的物料部分向上運動，上部空間偏小，則會導致耐火磚離撞擊火焰過近，溫度偏高，導致頂部耐火磚和預熱口封堵處于高溫環(huán)境，耐火磚壽命較短。

4.2.2工藝噴嘴通道偏小

  多噴嘴對置式水煤漿氣化爐日處理煤750t，運行結(jié)果表明，對多噴嘴氣化技術(shù)而言，這樣的規(guī)模偏小了。由于采用4個噴嘴同時進料，工藝噴嘴的通道要比德士古噴嘴小得多，過小的噴嘴通道會帶來如下問題：

a)由于制造或維修誤差，造成噴嘴煤漿環(huán)隙和外氧環(huán)隙不均勻；四噴嘴氣化爐在生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)噴嘴小噴頭外錐面、中噴頭內(nèi)錐面不均勻磨蝕，從而造成煤漿環(huán)隙嚴重不均勻，從而偏噴，導致噴嘴周圍耐火磚某部位嚴重沖刷。

 b)由于預膜式噴嘴煤漿環(huán)隙較相同生產(chǎn)能力的德士古氣化爐噴嘴小，幾個大的煤漿顆粒擠在煤漿環(huán)隙里很容易造成堵塞，這種堵塞是隨機的，也有可能在運行過程中被沖開，因而也會導致噴嘴偏噴，影響周圍的耐火磚。所以，多噴嘴技術(shù)更適用于大型氣化爐，其被堵塞幾率會明顯降低。

4.2.3頂部堵頭的結(jié)構(gòu)方式和加工工藝不合理

  頂部堵頭損毀的原因的分析外，還有其本身在制造工藝等方面的原因：

a)原設(shè)計的直接打澆筑料的堵頭，澆筑料高溫強度太弱，很容易被燒毀。

b)堵頭與拱頂爐磚之間的縫隙，使得火焰竄入，先逐步燒毀頂部堵頭的金屬殼體，燒斷掛耐火磚的鋼筋，然后耐火磚掉落下來。

c)堵頭在開車投料前直接放入高溫爐內(nèi)，巨大的溫差也是造成澆注料或耐火磚強度降低的因素之一。

d)工藝操作條件的變化，如爐溫的高低、渣口壓差等也會加劇堵頭及拱頂?shù)臎_刷。

計劃將靠中心的幾圈拱頂磚加厚50mm(已委托耐火材料廠家進行過相關(guān)計算)，將較上面一圈放置頂部堵頭的拱頂磚做成臺階狀，避免火焰直沖頂部堵頭的金屬殼體。

五.結(jié)束語

  經(jīng)過不斷的實踐，已逐步掌握多噴嘴對置式水煤漿氣化的技術(shù)要點，并在工業(yè)生產(chǎn)中不斷探索，目前，四噴嘴氣化爐已運行6100多小時，各種指標良好，連續(xù)高負荷運行超過58d(期間連投一次)，堵頭可以繼續(xù)使用，拱頂沖刷在合理范圍內(nèi)，預計使用壽命可達5000h，基本實現(xiàn)了穩(wěn)定高產(chǎn)低耗的目的。