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水煤漿加壓氣化技術(shù)的發(fā)展途徑探討

2013-12-23 05:52:30劉孝弟顧學(xué)穎
化工設(shè)計通訊 2013年1期
關(guān)鍵詞:耐火磚水煤漿煤種

劉孝弟,張 勇,顧學(xué)穎

[1.北京航天動力研究所,北京 100076;2.山西陽煤豐喜肥業(yè)(集團)臨猗分公司,山西臨猗 044100;3.清華大學(xué),北京 100084]

水煤漿加壓氣化技術(shù)是由美國GE 公司(原美國TEXCO 公司)在渣油加壓氣化工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的潔凈煤氣化技術(shù),也是我國引進并運行的第一種運行壓力超過4.0MPa的煤氣化技術(shù),首先應(yīng)用于上海焦化、山東魯南、陜西渭河等工程項目。多年來經(jīng)過國內(nèi)技術(shù)人員的共同努力,對該項技術(shù)不斷消化吸收,并針對國內(nèi)的煤種特性及應(yīng)用特點,使水煤漿加壓氣化技術(shù)取得了長足的發(fā)展,展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。

1 水煤漿加壓氣化技術(shù)的不足

美國GE公司水煤漿加壓氣化技術(shù)的原始設(shè)計中,在加壓氣化部分的基本配置如下[1]。

(1)立式帶耐火磚的氣化爐(圖1)。

(2)頂置單臺三通道的氣化工藝燒嘴,內(nèi)通道供應(yīng)中心氧氣,中通道供應(yīng)水煤漿,外通道供應(yīng)外氧氣,燒嘴的冷卻采用了冷卻盤管結(jié)構(gòu)。

(3)開車時利用抽引器使氣化爐形成負(fù)壓,在工藝燒嘴的位置安裝預(yù)熱點火燒嘴,利用高品質(zhì)的輕質(zhì)燃料(柴油、液化氣、弛放氣等),對氣化爐進行預(yù)熱(預(yù)熱期間,所有燃燒氣體排放)。當(dāng)爐膛溫度達(dá)到1 000℃以上時,更換工藝燒嘴,利用耐火磚的蓄熱能力,將水煤漿與氧氣的混合物點燃。同時關(guān)閉抽引器,使?fàn)t膛逐漸建壓。

(4)為了穩(wěn)定生產(chǎn),需要設(shè)置熱備用氣化爐,熱備用氣化爐需要不間斷供應(yīng)輕質(zhì)燃料,以保證氣化爐膛保持一定的溫度,從而利于耐火磚的熱變形及縮短氣化爐的啟動時間。

運行中,水煤漿氣化工藝暴露出以下問題。

(1)比起粉煤氣化工藝(SHELL、GSP、HT-L)的水冷壁結(jié)構(gòu),耐火磚需要定期更換,增加了運行費用。同時由于耐火磚,不但需要熱備用情況下的啟動條件,而且要限制氣化溫度,是高灰熔點煤種處理不可逾越的障礙。

圖1 帶耐火磚的水煤漿加壓氣化爐

(2)由于使用了含固體顆粒的液體燃料,三通道燒嘴的中噴頭物理磨損非常嚴(yán)重,加上外噴頭的化學(xué)侵蝕以及冷卻水盤管的結(jié)構(gòu)不盡合理,導(dǎo)致燒嘴的使用壽命不太長,一般情況下,使用30~50d就必須更換。加大了維護和使用成本,而且使熱備用爐成為不可缺少的補充手段。

(3)開車時的預(yù)熱及熱備用爐所需的輕質(zhì)燃料,加大了運行成本,浪費了能源。同時,在熱狀態(tài)下更換燒嘴,也存在安全隱患。

鑒于以上問題,廣大科研人員進行了長期的探索,實施了一系列改進,使水煤漿加壓氣化工藝技術(shù)在實際生產(chǎn)中煥發(fā)了越來越強大的生命力,在煤的潔凈利用領(lǐng)域內(nèi)占領(lǐng)了一席之地。

2 水煤漿技術(shù)的改進

2.1 煤基多元料漿氣化技術(shù)[2]

多元料漿氣化技術(shù)的核心改進點是在水煤漿的制漿工藝中,加入其他有利于水煤漿流動,改善煤的氣化性能,并且增加氣化后對有效氣體成分有用的添加劑:石油焦、瀝青、油、煤液化殘渣、化工廢液、廢水等。據(jù)報道,在長距離輸送、改善氣化條件、增加有效氣體成分等方面具有一定的成效。

但從根本上來說,煤基多元料漿氣化技術(shù)基本上沒有脫離GE水煤漿加壓氣化技術(shù)的總體模式,從流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)及布置上沒有原則性的改動,只是從原料的組成上進行了改進。從運行結(jié)果和廢物利用等方面來說,水煤漿氣化工藝還是有很多改進之處。

2.2 多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)[3]

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)是華東理工大學(xué)與國家煤氣化工程技術(shù)中心共同開發(fā)的技術(shù)。其根本點在于改進了GE水煤漿加壓氣化技術(shù)的供料方式,采用多噴嘴的對置式布局。對置形式的噴嘴,強化了水煤漿的霧化效果,改善了氣化爐內(nèi)的溫度場、速度場等,改善了氣化條件(見圖2),據(jù)報道,合成氣的有效氣體成分有所提高。該技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)占領(lǐng)了一定的市場,2008年該技術(shù)返過去出口到了美國市場,與美國Valero能源公司簽訂了用于石油焦氣化制氫項目的氣化裝置合同。

圖2 四噴嘴對置式水煤漿加壓氣化爐

2.3 熔渣-非熔渣水煤漿氣化技術(shù)(分級氣化)[4]

該技術(shù)由清華大學(xué)與山西豐喜肥業(yè)(集團)共同開發(fā),其主要原理是將GE水煤漿加壓氣化技術(shù)的頂置單燒嘴改成為頂置主燒嘴加二次補氧燒嘴。利用二次補氧燒嘴,一方面可以降低頂置主燒嘴對水煤漿霧化的苛刻條件,降低主燒嘴內(nèi)水煤漿的流速(減緩物理磨蝕),提高主燒嘴的使用壽命(連續(xù)使用可達(dá)100d以上);另一方面,由于有二次氧氣,主燒嘴出口處的氧氣濃度下降,該區(qū)域內(nèi)的氣體溫度也會下降(理論計算可降低200℃左右),這樣就會導(dǎo)致主燒嘴外表面化學(xué)侵蝕的因素有所減緩,這也是提高工藝燒嘴使用壽命的有效措施之一。具體情況見圖3,圖4。

圖3 分級氣化水煤漿氣化爐

圖4 分級氣化爐膛內(nèi)溫度分布

以上各種措施,均得到了用戶的認(rèn)可,也都有裝置在線運行,形成了多彩的市場格局(表1)。

2.4 水煤漿氣化工藝燒嘴的延壽措施

以上介紹的幾種技術(shù),要么從原料的配備方面改進,要么從工藝路線上改進,均沒有工藝燒嘴的延壽措施。實際上,提高工藝燒嘴的壽命,對于水煤漿氣化工藝的技術(shù)競爭力具有非常重要的現(xiàn)實意義。

文獻(xiàn)[4,5]中詳細(xì)介紹了如何利用航天產(chǎn)品表面處理工藝技術(shù),對工藝燒嘴的零件進行表面處理,提高中噴頭耐物理磨蝕、外噴頭耐化學(xué)侵蝕的方法,可以將工藝燒嘴的連續(xù)使用壽命提高到150d以上(圖5),這些技術(shù)已在上海焦化、陜西渭河、華魯恒升等多家單位成功使用,對于降低氣化爐運行和維護費用起到了重要作用,為提高水煤漿工藝的長周期運行提供了保證條件。

表1 水煤漿加壓氣化應(yīng)用裝置情況

圖5a 改進前燒嘴使用一個周期后

圖5b 表面處理后燒嘴使用一個周期后

2.5 帶水冷壁的水煤漿氣化爐的技術(shù)突破[6,7]

眾所周知,水煤漿加壓氣化爐從一開始就設(shè)計成帶有耐火磚內(nèi)襯的形式(圖1)。這是由于水煤漿與氧氣混合物的點火必須要耐火磚的蓄熱才能完成。造成的最大問題有以下。

(1)由于需要耐火磚蓄熱,因此在氣化爐開車時,必須用輕質(zhì)燃料加熱,而且需要抽引器使?fàn)t膛建立負(fù)壓,所有加熱期間的燃燒氣體必須排空,造成較大的浪費。同時,耐火磚在使用過程中會逐漸損壞,因此,要定期更換,一要停爐耽誤生產(chǎn),二要產(chǎn)生不小的費用。

(2)由于耐火磚耐高溫極限的限制,氣化爐的運行溫度一般不能高于1 100℃,因此,對于處理高灰熔點的煤種就顯得無能為力,這就造成了水煤漿氣化工藝只能使用較低灰熔點煤種的局面。

山西豐喜肥業(yè)(集團)臨猗分公司,首先提出了利用水煤漿工藝處理高灰熔點煤種的問題,經(jīng)和清華大學(xué)商議,試圖采取水冷壁式的氣化爐用于水煤漿的氣化。存在的問題是,由于是水冷壁,無法實現(xiàn)蓄熱功能,即需要冷爐點火。如何實現(xiàn)水煤漿的點火就成了該方案能否實現(xiàn)的最重要因素,該課題的重點就集中在此。

北京航天動力研究所具有多年從事氣化爐工藝燒嘴的研制經(jīng)驗,該項任務(wù)就落在了我們的肩上。為此,我們進行了大量的研究工作,設(shè)計出“帶點火功能的水煤漿工藝燒嘴”,同時申報了國家發(fā)明專利[8]。該燒嘴設(shè)計中考慮了以下因素:①足夠的能量點燃水煤漿與氧氣的混合物;②點火燃?xì)獾墓?yīng)與切斷;③點火能量的提供;④點火裝置的熱保護,即實現(xiàn)多次點火的需求;⑤點火裝置的安裝與工藝燒嘴性能的匹配;⑥燒嘴冷卻結(jié)構(gòu)的改進,摒棄一貫采用的盤管形式,采用水冷夾套,提高工作可靠性。

2011年8月22日,國際首套帶水冷壁的水煤漿加壓氣化爐在山西豐喜肥業(yè)(集團)臨猗分公司一次點火成功,首次連續(xù)運行時間達(dá)到了140d,帶點火功能的水煤漿工藝燒嘴始終保持了穩(wěn)定的工作性能,在業(yè)內(nèi)產(chǎn)生了較大的影響。水煤漿氣化爐從此不再需要大量的輕質(zhì)燃料預(yù)熱,而且點火過程不再需要抽引器建立負(fù)壓,氣化爐的升溫和建壓同步進行,點火階段的燃燒氣體直接可以利用,避免了不必要的浪費。同時,工藝燒嘴兼顧了點火的功能,不需要熱狀態(tài)下替換燒嘴,避免了安全隱患。水冷壁水煤漿氣化爐的運行成功,可能會將水煤漿氣化工藝帶入一個新的發(fā)展階段。主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)該氣化爐不再為耐火磚的更換不斷地投入資金。

(2)可以提高氣化爐的運行溫度,使煤種的適應(yīng)性得到進一步的放寬。

(3)氣化爐不再需要預(yù)熱過程,即實現(xiàn)冷爐直接點火,大大縮短啟動過程,直接可以升溫升壓,節(jié)省費用。

到目前為止,該氣化爐已累計運行了279d。2012年9月3 日,中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織了國內(nèi)有關(guān)專家對此工程項目進行鑒定。鑒定結(jié)論為:“……氣化爐水冷壁采用垂直懸掛膜式壁結(jié)構(gòu),……特殊設(shè)計的工藝組合燒嘴,使氣化爐啟動速度快,節(jié)省了開車成本……煤種適應(yīng)性較好……總體技術(shù)水平處于國際領(lǐng)先水平,……建議加快大型化的開發(fā)及推廣應(yīng)用”。

水冷壁結(jié)構(gòu)水煤漿氣化爐工藝,由于以上所述的性能優(yōu)勢,很快得到了業(yè)內(nèi)的認(rèn)可。目前,該工程項目由北京盈德清大科技有限責(zé)任公司全力推廣,用戶情況見表2。

表2 水冷壁水煤漿加壓氣化爐裝置用戶情況

可以預(yù)見,水冷壁結(jié)構(gòu)的水煤漿氣化爐工藝在未來的煤潔凈氣化市場中將占一席之地。

3 其他技術(shù)改進途徑的思考

3.1 工藝燒嘴材料的優(yōu)化

提高工藝燒嘴連續(xù)使用壽命的最直接方法是,利用新興的材料技術(shù)發(fā)展成果,選用適合水煤漿氣化工況的噴頭材料,加工噴頭零件,從而使整個工藝燒嘴達(dá)到長周期的運行條件。據(jù)有關(guān)報道,兗礦魯南化肥廠已經(jīng)進行了利用高溫陶瓷材料作為噴頭鑲嵌內(nèi)襯的試驗,達(dá)到了不錯的效果。

3.2 噴頭零件的表面處理

對工藝燒嘴的中噴頭進行耐物理磨蝕表面處理,對外噴頭進行抗高溫化學(xué)侵蝕處理。北京航天動力研究所借鑒航天產(chǎn)品的表面處理工藝進行了有效的嘗試,已經(jīng)取得了可喜的進展,進一步的研究試驗工作正在進行中。

3.3 噴頭結(jié)構(gòu)的改進

對中噴頭物理磨蝕機理的研究結(jié)果表明,優(yōu)化中噴頭的型面,改善固體顆粒的沖擊角度,會進一步提升中噴頭的工作壽命[5]。關(guān)于工藝燒嘴的冷卻結(jié)構(gòu),北京航天動力研究所已經(jīng)利用夾套式結(jié)構(gòu)替換了盤管式結(jié)構(gòu),取得了一定的進展。

3.4 工藝條件的優(yōu)化

熔渣-非熔渣氣化工藝中,利用二次補氧,減緩了中噴頭的物理磨蝕和外噴頭的化學(xué)侵蝕,對工藝燒嘴工作壽命的提高起到了一定的作用。如何進一步優(yōu)化工藝條件,降低對工藝燒嘴霧化水煤漿性能的要求,也是一個值得考慮的方向。

4 結(jié) 語

在廣大技術(shù)人員的共同努力下,水煤漿加壓氣化技術(shù)不斷煥發(fā)出新的生命力,取得了一個又一個進步。由于可以實現(xiàn)泵送,氣化爐操作壓力高、操作簡單,煤種有一定的適應(yīng)能力,可以相信,該技術(shù)的應(yīng)用市場還將有進一步的擴展。

[1]陜西省渭河化肥廠.《渭化科技》-美國德士古氣化裝置譯文專輯,2000年增刊.

[2]張曉慧.多元料漿氣化裝置的設(shè)備布置及工藝配管設(shè)計[J].化肥設(shè)計,2009,48 (1):35~37.

[3]朱敏,孫永奎,馬廷衛(wèi),等.多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置優(yōu)化與改進 [J].化工設(shè)計通訊,2011,37 (4):65~69.

[4]劉孝弟,尹潤生.改進水煤漿氣化工藝裝置的一些思考[J].大氮肥,2009,32 (4):222~227.

[5]劉孝弟,王岳,李兵科.水煤漿氣化爐工藝燒嘴有關(guān)問題的探討 [J].化肥工業(yè),2009,36 (2):20~23.

[6]王中剛,韓喜民.水煤漿水冷壁氣化爐建設(shè)及運行總結(jié)[G].2011年全國氮肥、甲醇行業(yè)技術(shù)經(jīng)驗交流會資料匯編,90~95.

[7]劉孝弟,張勇,王岳,等.帶點火功能的水煤漿燒嘴及應(yīng)用 [J].化工設(shè)計通訊,2011,37 (6):15~18,22.

[8]王岳,劉孝弟,宋曉峰,等.自帶點火裝置的水煤漿加壓氣化工藝燒嘴裝置:中國,ZL200920219759.3 [P].

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