两种水煤浆气化炉运行工艺比较(四喷嘴对德士古)

两种水煤浆加压气化炉设备特点比较

作者/来源：周夏，王吉顺(山东华鲁恒升化工股份有限公司，德州253024) 日期：2009-1-16 在新型煤气化技术中，水煤浆气流床加压气化由于其具有单炉产气能力大、气化炉结构简单、合成气质量好、煤种适应性较广等技术优势，在国内外得到了广泛应用。在水煤浆气流床加压气化技术方面，我国经过技术引进和10多年的消化吸收、技术改造、技术创新，形成了西北化工研究院开发的多元料浆单烧嘴气化专有技术和水煤浆气化及煤化工国家工程中心、华东理工大学等单位开发的四烧嘴对置式水煤浆气化专利技术。

在山东华鲁恒升化工股份有限公司国产化的1000 t／d合成氨大氮肥项目水煤浆气化装置中，由中国华陆工程公司对多元料浆单烧嘴气化专有技术和多烧嘴对置式水煤浆气化专利技术进行了揉合，以煤为原料进行多元料浆（以下简称煤浆）气化，其中建设的气化炉A为四烧嘴侧面对置式气化炉（以下简称气化炉A），气化炉B／C为单烧嘴顶置式气化炉（以下简称气化炉B ／C）。两种气化炉的理论操作压力均为6.5 MPa，日处理煤能力均为750 t。自2004年10月建成投料试车以来，两种气化炉显现出了不同的技术特点。

1 工艺流程与基本结构

两种气化炉共用煤浆制备和灰水处理设备，其局部工艺流程分别见图1及图2。

1.1 气化炉A

水煤浆经两台隔膜泵加压，通过4个对称布置在气化炉中上部同一水平面上的预膜式工艺烧嘴，与O2一起对喷进入气化炉，每台隔膜泵分别为轴线上相对的两个烧嘴供料。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、折返流区和管流区所组成。气化炉激冷室内只有下降管，没有上升管和折流裙板；下降管下端有4个切向排气口；下降管与激冷室内壁之间有4层锯齿形破泡分隔板。工艺气出气化炉后，经文丘里洗涤器、分离器和水洗塔后送变换工段。分离器内有破泡板和导气管；水洗塔工艺气进口无导气管和升气管，上部有固阀塔盘和旋流塔盘。气化炉激冷室下部液、固相出口未设置破渣机。

1.2 气化炉B／C

按文献介绍，气化炉B／C燃烧室内流场按流动过程可分为射流区、回流区和管流区（图3）。激冷室内设置有下降管、上升管和折流裙板。工艺烧嘴为内外混式烧嘴。工艺气出气化炉后，经文丘里洗涤器和水洗塔后送变换工段。水洗塔工艺气进口有导气管和升气管，上部设有与四烧嘴气化炉一样的固阀塔盘和旋流塔盘。气化炉激冷室下部液、固相出口设置有破渣机。

1.3 两种气化炉的工艺配置

就单台气化炉而言，四烧嘴气化炉比单烧嘴气化炉工艺配置要复杂，两种气化炉的工艺配置对比见表1。

2 技术比较

2.1 流场，温度场的分布

气化炉A的4个工艺烧嘴在同一水平面上两两对置安装，烧嘴喷出的物料在炉膛内相互撞击折流，使炉内的反应物呈曲线状态向前移动，流场呈梅花状，这样就大大延长了煤粒在气化炉内的停留时间，从而促使气化反应向更深层次发展，对于提高有效气体成分和碳的转化率都具有十分重要的意义，这是新型气化炉专利技术的一项重大突破。实践证明，采用撞击流，加强了O2与水煤浆的混合，强化了热质传递。高温区在烧嘴位置以下500 mm及烧嘴位置以上一直到拱顶，是耐火衬里蚀损最严重的部位，如烧嘴周围及以下500 mm和以上筒体热面砖累计使用3425 h

就因蚀损过快而更换，而拱顶砖则在3425 h的时间内损蚀130 mm。由于两两对置的工艺烧嘴喷出的物料相互撞击折流后以曲线向渣口运动，这样气化炉燃烧室内的高温区分布就会相对集中，使得渣口处的温度相对较低（气化炉A的炉膛设计得比气化炉B／C高，也是造成渣口温度低的原因之一）。为了保证渣口顺利以液态排渣，气化炉A操作温度相对较高，氧煤比较大。

气化炉B／C的烧嘴与煤气、灰渣出口在同一轴线上，流场呈喷射状，停留时间分布宽，射流以较大速率冲刷筒体下部及锥底耐火砖，下部热电偶处炉温最高。由于喷出速率较高，可能会有部分物料短路。气化炉拱顶使用寿命较长，如气化炉B第1炉拱顶砖在使用8892 h后蚀损60 mm，气化炉C第1炉拱顶砖在使用8412 h后蚀损132 mm，均比气化炉A拱顶砖寿命要长。

2.2 工艺指标

用相同磨煤机磨出的煤浆，在相同煤浆流量和气化炉压力下，两种气化炉生产的有效气体（CO ＋H2）含量、碳转化率等工艺指标对比见表2。

由表2可以看出，气化炉A生产的粗煤气中有效气体（CO＋H2）含量和碳转化率比气化炉B／C 要高。

激冷室及水洗塔前分离器内的破泡板对粗煤气的除灰效果较好，但在一个运行周期的后半段时间，这些破泡板造成的阻力也较大。气化炉B／C激冷室内的下降管、上升管结构易使粗煤气带灰、带水。

2.3 工艺操作

相对气化炉B／C，由于气化炉A涉及的阀门及联锁较多，操作复杂。由于未设置破渣机，从气化炉A下来的灰渣经常发生“架桥”现象。操作上很难将供给两两对置的工艺烧嘴的煤浆、O2流量、压力控制得完全一致，以致难以形成理想中的撞击流，从而对烧嘴及周围的炉砖产生不利的影响。气化炉A使用的预膜式烧嘴煤浆环隙较小，煤浆中出现大颗粒时容易阻塞烧嘴，从而影响烧嘴的雾化效果甚至出现偏喷，因此对磨煤粒度要求较严，对磨煤岗位操作技术要求高。高负荷运行时，气化炉A顶部堵头烧蚀很快，为防止拱顶、顶部堵头等高温部位发生意外事故，不

得不加强中控工艺人员的监视和现场工艺人员的巡检。由于气化炉A的工艺烧嘴为水平式安装，意外跳车时，不容易把烧嘴内的煤浆吹扫干净，连投成功率较气化炉B／C低。总体上来说，气化炉A比气化炉B／C操作难度大。

2.4 设备检修与维护

气化炉B／C更换1次工艺烧嘴所用时间不到0.5 h；而气化炉A因烧嘴多达4个，且为横置，烧嘴安装时不易就位，安装一次工艺烧嘴则需要4～5 h。

气化炉A盲板比气化炉B／C多15块，需要拆口、连口的位置比气化炉B／C多18个，每次开停车倒盲板等准备工作量相当大；气化炉A缠绕垫等易损件消耗多，每次投料比气化炉B／C 多消耗66片。

由于气化炉A燃烧室内高温区靠近上部，除了该部位的炉砖蚀损过快外，顶部堵头因对撞形成的火焰直接烧蚀，每次停车都要重新制作，且必须待温度降下来并检查拱顶蚀损情况后才能确定堵头的长度，因此顶部堵头是影响气化炉A高负荷长周期运行的隐患。在装置开车初期，顶部堵头仅运行86h就烧蚀近50％。现虽经改造，但运行12 d就烧蚀140 mm，给安全生产造成极大隐患。

在激冷室内，气化炉A用破泡板代替气化炉B／C的上升管。由于破泡板与相应支架为焊接成形，停车时若不破坏局部破泡板，检修人员无法从下部人孔进入到激冷环进水管处检修、冲洗，因此每次冲洗激冷环，气化炉A比气化炉B／C多用时20 h。

由于气化炉A燃烧室的高温区位于工艺烧嘴所在的上部，在高温环境的辐射、烘烤之下，工艺烧嘴外喷头端面比气化炉B／C所用工艺烧嘴更容易产生龟裂。

气化炉A所用的预膜式工艺在煤浆冲刷下，烧嘴的小喷头外锥和中喷头内锥产生磨损，中、小喷头均需维修；而气化炉B／C所用的内外混式工艺烧嘴在煤浆冲刷下只是中喷头内锥产生磨损，小喷头一般不用维修。由于使用的是内外混烧嘴，气化炉B／C有时会产生回火，将中、小

喷头及与之连接的烧嘴套管烧坏；而气化炉A因使用的是预膜式烧嘴，就不容易产生回火。就工艺烧嘴维修费用来看，如果不换喷头和盘管等易损件，气化炉A工艺烧嘴维修一次需花费7.2

万元，气化炉B／C则仅需1.8万元。

2.5 设备制造

为了保证工艺烧嘴喷出物料燃烧后形成良好的对撞效果，对气化炉A燃烧室筒体的成型、四侧壁烧嘴安装法兰组件的加工、组焊和二次加工及测量、检查要求非常严格，制造难度大，必须采取特殊的工艺保证措施。由于在气化炉A侧壁上砌筑4个横向烧嘴安装洞口，也增加了气化炉A燃烧室衬里砌筑的难度。气化炉B／C设备制造、耐火衬里砌筑相对来说都要比气化炉A容易。

2.6 设备大型化

由于气化炉A采用四烧嘴供料，加大炉膛直径后能够减轻烧嘴偏喷造成的对面烧嘴周围炉砖的损蚀，同时随着烧嘴料浆环隙的加大更不容易因堵塞造成偏喷，在确定好合适的烧嘴中心线与气化炉拱顶距离及拱顶结构后比较适合于大型化。气化炉B／C采用顶置单烧嘴技术，由于单独1个烧嘴的供料能力较大时不容易实现雾化，并且炉膛直径加大后，因物料呈喷射状离开烧嘴进入气化炉，气化炉上部未被有效利用的“盲区”太大，在实现大型化方面有难度。

3 结语

（1）两种气化炉的拱顶结构不应该完全相同。因为就耐火衬里来说，两种气化炉在此处的燃烧状况、炉温完全不同，气化炉A拱顶寿命远低于气化炉B／C。

（2）气化炉A的有效气体含量和碳转化率指标优于气化炉B／C。

（3）从工艺操作及设备维护、维修方面看，气化炉B／C优于气化炉A。

（4）气化炉A采用了具有完全国内知识产权的技术，该技术尚需在实践中不断完善、改造和创新。