影响水煤浆气化炉单炉长周期运行因素的分析.docx

2012年 4 月Apr.2012第 35 卷 第 2 期Large Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryVol.35 No.2影响水煤浆气化炉单炉长周期运行因素的分析梁志聪（中国石化茂名分公司 ，广 东 茂 名 525011）摘 要 ：从 原 料 煤 性 质 、工 艺 操 作 、工 艺 烧 嘴 、水质等角度分析了影响水煤浆气化炉单炉长周期运行的因素 ，提出了延长水煤浆气化炉单炉长周期运行的措施 。关 键 词 ：水 煤 浆 气 化 炉 长 周 期概述中国石化茂名分公司煤制氢装置采用GE公司行成本。 通常用灰熔点控制：1 100 T41 350 ，灰 熔 点 高 ，则气化炉操作温度高 ，操作温度每提高 100 ，单 位 产 品合成气氧耗增加67，煤 耗 相 应增加，同时耐火砖寿命缩短。1水煤浆加压气化技术 ，气化压力为65 MPa，三 系列 ，两 开 一 备 ，利用外购煤和炼厂副产的高硫石油 焦为原料，有效合成气量为21 104 m3 h。粗合成气灰渣黏温特性的影响熔融灰渣的黏度是熔渣的物 理 特 性 ， 一 旦 煤 的灰分组成确定，黏度主要受操作温度的影响。 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 侵蚀剥落加快。 温度偏低灰渣黏度升高，渣流动不 畅，容易堵塞渣口。 只有在最佳操作温度下操作才 能 保 证 在 炉砖表面形成一定厚度的灰渣保护层 ，212经 耐 硫 变 换 、 低温甲醇洗和甲烷化单元制 取 满 足炼厂需要的工业氢气。GE公司水煤浆气化技术的工艺流程主要包括 磨 煤 制 浆 、水 煤 浆 加 压 气 化 、 气化炉排渣系统 、 粗 合成气洗涤及黑水闪蒸 、黑水处理等单元 ，采 用 水 激 冷 流 程 。 水煤浆加压气化技术虽然工业 应 用 多 年 ，但目前气化装置单炉运行周期仍然较短 ，通 常 气化炉投料开 工 后 ，在23个月后需按计划停炉更 既延长炉砖寿命又不堵塞渣口 。液 态 排 渣 气 化 炉换烧嘴，46个月后需按计划停炉检修 ，同 时 受 到最佳操作温度视灰渣黏温特性而定 ，操 作 温 度 一其他非计划停炉因素的影响 ，的长周期运行。制 约 了 气 化 炉 单 炉般高于灰熔点50 以 上 ，熔渣黏度宜小于25 Pas，否则渣口容易堵塞。煤 种 不 同 ，灰渣的黏温特性差异较大 ，黏 温 特 性 差 的 煤 ，则对应的气化操作温度区间窄 ，当 操 作 温度偏离最佳值时 ，灰渣的黏度变化大 ，容 易 影 响 炉壁挂渣及渣口的正常运行 ，当操作温度低时 ，容 易使渣口局部堵塞。221影响水煤浆气化炉单炉长周期运行因素分析原料煤性质对气化炉单炉长周期运行的影响 水煤浆气化工艺通常要求原 料煤的灰熔点适 中 、灰渣黏温特性好 、低 灰 、低 内 水 、 高 发 热 值 、 高挥发分和煤的成浆性好等。 其中原料煤的灰熔点、灰渣黏温特性和灰含量对气化装置的安全 长 周 期 运行影响较大，重点对其分析。213灰渣的黏结特性的影响水煤浆气化炉的排渣采用水 激 冷 液 态 排 渣 ，灰 渣 进入激冷室遇水凝固后利用重力流分离排 灰熔点的影响211收 稿 日 期 ：2012-01-10；收到修改稿日期 ：2012-03-19。作 者 简 介 ：梁 志 聪 ， 男 ，1974 年 10 月 出 生 ， 工 程 师 ，2007 年 茂 名学院化学工程与工 艺 专 业 毕 业 ， 现就职于中国石化茂名分公司 煤制氢装置筹备组 。 联 系 电 话 E-mail： 。灰 熔 点 高 ，对于液态排渣的 气化炉要求操作 温 度 高 ，使 氧 耗 、煤 耗 增 加 ； 同时高温下操作会缩 短烧嘴及耐火砖的使用寿命 ；使用高灰熔点煤 ，为 了降低气化炉操作温度 ，必须添加助熔剂 ，增 加 运2012 年 第 35 卷130放。 灰渣凝结性好，则黑水中的细灰颗粒少，反之，则黑水中的细灰颗粒含量高 ，加重下游设备管线 、仪表阀门的磨蚀与结垢。全长周期生产极其重要。氧碳比的影响水煤浆气化工艺中 ， 氧 煤 比 是气化工艺的重 要 参 数 。 控制合理的氧碳比的目的是控制 气 化 炉 的 反 应 温 度 ，氧 碳 比 的 控 制 与 煤 种 、 排 渣 状 况 、 合222灰分含量的影响将一定量的煤样在800 的条件下完全 燃 烧 ， 残余物即灰分，表明了煤中矿物质含量的大小。 灰 分不直接参加气化反应 ， 但却要消耗煤在 氧 化 反 应中所产生的热 ，用 于 灰 分 的 升 温 、 熔 化 及 转 化 ， 氧 耗 、煤 耗 增 加 。 煤的灰分含量高 ，煤 的 总 发 热 量 就越低。 灰分的大量增加，不可避免地增加了炉渣 的 外 运 量 ；随炉渣排出的碳损耗量也必然增加 ，合 成 气 产 量 降 低 ；对耐火砖的侵蚀和磨损增加 ，还 会 使黑水中固含量增加 ， 加重黑水对管道 、 阀 门 、 设 备的磨损；容易造成结垢堵塞现象。214成气中有效气含量等因素密切相关 ，气 化 过 程 的氧碳原子比理论上约等于10。氧煤比与气化温度呈 线 性 关 系 ， 气化温度随着氧煤比的提高 而 快 速上升。 实际生产中，氧气流量或煤浆流量的波动均会影响氧煤比和气化温度的波动 ，火衬里和渣口的运行状况。直 接 影 响 到 耐23231关键设备对气化炉单炉长周期运行的影响气化炉烧嘴的影响水煤浆气化炉烧嘴采用三通 道 气 化 烧 嘴 ， 中间通道走水煤浆 ，内部通道为一次氧气通道 ，外 部215煤中杂质的影响1） 氯含量的影响。 煤中氯元素经气化反应后，通道为二次氧气通道 ，进行冷却保护。烧嘴头外部采用水 冷 盘 管主要转移至水系统中 ，气化系统的氯离子 对 设 备管 道 ，特别是不锈钢材质的设备管道造成腐蚀 ，因此通过外排灰水量控制水系统的氯离子不 超 过 设目前，烧嘴头的水冷盘管大多采用Inconel 600镍铬铁基固溶强化 合 金 ， 具有良好的耐高温 腐蚀和抗氧化性能 ；当烧嘴结构形式定型后 ，选 用碳 化 钨 、硬 质 合 金 ， 如UMCo50 和 Hayness188等 高 强度耐磨材料，可以适当延长烧嘴使用寿命。备管道的设计要求 。从防止电化学防腐的 角 度 考虑，要重点控制水系统的氯离子含量和pH值。 通常原料煤中氯元素的质量含量不超过150106。2） 氮含量的影响 。煤种的氮含量 主 要 影 响 合影响烧嘴寿命的主要原因 ：烧嘴头暴露在燃 成气、水系统的氨含量和水系统的pH值。 水系统的氨 含 量 高 ，黑 水 的pH值 高 ，可减轻设备腐蚀 ，但 管 线结垢堵塞严重。 可通过注碱提高水煤浆的pH值， 在pH值低的第一真空闪蒸罐前注入氨含量高的补 充水，但要综合考虑灰水的pH值及灰水外排量。烧室中， 高温热辐射使烧嘴产生热疲劳 ，金属 强 度下 降 。水煤浆与氧气的混合物以较高的速 度 离 开烧嘴头部，线速度高达3040 m s，高压及高速气流对烧嘴产生冲刷磨蚀。 气化炉内高温合成气中硫和 氢对烧嘴产生晶间腐蚀1。 在上述因素的作用下 ，工艺操作对气化炉单炉长周期运行的影响气化温度的影响气 化 反 应温度是气化过程一个关键工艺参 烧嘴喷头部位容易出现喷头磨偏 、 龟 裂 现 象 。因22此，烧嘴是气化炉中最易损坏的部件 ，通 常 每 隔23个月需停炉对烧嘴进行更换 。 图1是 某 气 化 装 置 烧嘴运行65 d后拆检的图片 ， 从图1中可以 看 见 烧嘴的喷头部位出现龟裂现象。221数 ，气化操作温度的选择依据灰渣的黏温特性 、耐火 砖 的 性 能 、 原料煤反应活性及冷煤气效 率 综 合 考虑。 气化温度上限受到气化炉耐火材料的限制 ， 下限受到灰熔点的限制。 反应温度高，气化反应速 度 快 ，同时焦碳与水蒸气转化反应属于吸热反应 ，提高反应温度对其化学平衡有利 。但 反 应 温 度 过高 ，会极大地缩短气化炉内衬耐火砖的使用寿命 ，影响气化装置的长周期运行 。 通 常 水 煤 浆 气 化 温 度比煤的灰 熔 点 温 度 高50 以 上 ，当 温 度 过 低 时 ，灰的流动性下降 ，严重时会引起气化炉渣口堵塞 ，通常水煤浆气化温度控制在1 3001 400 。 因此，维持煤质稳定并及时调整气化温度对气化 装 置 安图1 某气化装置烧嘴运行65 d后 拆 检 图 片延长烧嘴使用寿命的主要措施 ： 烧 嘴 喷 涂 耐 磨 材 料 、改 善 烧 嘴 结 构 ， 提高烧嘴高温耐磨性 ；合理设计磨煤机以降低煤浆粒度 ，选 择 过 滤 精度合适的滚筒筛 ，防止大颗粒对烧嘴的磨蚀 ；气第 2 期梁 志 聪 . 影响水煤浆气化炉单炉长周期运行因素的分析 131化炉的进料负荷宜控制在60100，负荷高流 速高 ，冲 刷 加 剧 ，负 荷 低时煤浆流速下降 ， 火 焰 黑 区 变 短 ， 烧嘴受到的热辐射强度增大 ， 烧 嘴 寿 命 下垢诱导期越短。 随着流速的增大，渐进污垢热阻减小 。 图2为25 时 不 同总钙浓度下成垢指数随pH值的变化曲线图。降 ；平稳控制氧碳比参数 ，避 免 烧 嘴 出 现 脉 冲流 ，降 低 磨 蚀 速 率 ；防止冷却水流量波动或中断 而损坏烧嘴。激冷室的合理设计对长周期运行的影响激冷室的运行对气化装置长 周期运行主要表 232现在粗合成气带水带灰 ，直接影响激冷水 循 环 系统 的 品 质 。激冷室出口的粗合成气带水带 灰 严 重时 ，使激冷水循环系统的粗渣含量增加 ，激 冷 水 过滤器容易堵塞，降低气化炉运行周期。气化炉带水现象分两种情况 ： 高 温 粗 合 成 气 经 水 激 冷 ， 大量的饱和水蒸气随粗合成 气 进 入 洗 涤 塔 ，属 正 常 现 象 ；在气化炉操作异常时 ， 粗图2 不同总钙浓度下成垢指数随水中pH值 的 变 化合成气流夹带着水团 ，沿粗合成气管线进 入 洗 涤塔 ，液态水携带的灰渣量增加 ，此种带水属不正常 现象。气 体 流 速过高是导致气化炉带水的重要因 素 ，当气化炉处于高 负 荷 、 高 炉 温 、 高 液 位 或 压 力大 幅 变 化 时 ，激冷室气体流速迅速增大 ，使 气 流 对液体分散作用加强 ，而液体环流现象加剧 ，导 致 粗 合成气带水带灰。降低粗合成气带水带灰的措施 ： 合 理 设 计 激 冷 室 及 内 件 ，提高激冷室气体流速的操作裕量 ；图3 某气化装置运行5个月后激冷室黑水管线的大块垢物 在 实 验 范 围 内 ， 流 速 对 渐 进 污垢热阻的影响 大于pH 值的影响。流速低会加速垢物、悬浮物的沉 积及增大。 因此在换热器壳程、折流板、管线低点、 管 线 盲 端 、 备用机泵的出入口管线等处容 易 积 聚 垢物。 某气化装置设备管线结垢情况见图35。增加激冷室的容积 ，激冷室气相空间出 口 设 置高效折 流 挡 板 ；操 作 上 ，进 料 负 荷 、气 化 温 度 、压力的调整要缓慢、平稳。水质及结垢对气化炉单炉长周期运行的影响多家企业的生产实践证明 ，黑 水 、灰 水 系 统 的 结 垢 、堵塞是水煤浆气化装置存在的共性问题 ，严 重影响气化炉单炉长周期的运行。 系统结垢、堵塞的主要原因为水质总硬度高 、pH值高，改善水质有 利于延长气化装置长周期运行。3图4 某气化装置运行5个月后激冷室泵体入口的大量垢物 水系统结垢31311硬度、pH值及流速与结垢的关系钙 镁 离子的结垢与水的 pH 值 有 重 要 关 系 2： 总钙浓度一定时 ，pH值 越 高 ，成 垢 指 数 越 大 ，结 垢 趋势越大。 pH值一定时，总钙浓度越高 ，则成垢指 数 越 大 ， 结 垢 趋 势 越 大 。 在pH 值 为79和 流 速 为0510 m s时进行了换热 面上碳酸钙结垢的实验 研究，结果表明，pH 值越大，渐进污垢热阻越大，结图5 某气化装置运行5个月后激冷水过滤器滤芯的大量垢物温度与结垢的关系传热壁面的温度 3：温度对于化学反应结垢和 盐类析晶结垢有着重要的作用 ， 流 体 温 度 的 增 加 一 般 会 导 致化学反应速度和结晶速度的增大 ， 从 而对污垢的沉积量产生影响 ， 导 致 污 垢 增 长 率 升3122012 年 第 35 卷132高。 碳酸钙属微溶性盐，其溶解度不像一般盐类那样 ，随着温度升高而升高 ，而是随着温度的升高而 降低。 一旦光滑的表面上沉积了垢物，就会加速其 沉 积 ，产 生 恶 性 循 环 ，最后堵塞设备管线 。 在 装 置检修清堵中发现在黑水管线等高温部位出 现 大 量的块状垢物。2） 选用灰熔点适中 、灰渣黏温特性好 、低 灰 的原料煤。3） 尽量维持煤质稳定，原料煤定矿供应。 进厂 煤做好采样分析 ，分 类 堆 放 ， 做 好 标 识 ， 防 止 非 预 期混煤。4） 适当增加外排水量 ，降低水系统的 总 硬 度 和氨氮浓度。 在确保正常运行的前提下，减少仪表 冲洗水量及机泵密封冲洗水量 ， 系 统 补 水 宜 选 在 灰水除氧槽，改善除氧器及激冷水系统的水质。5） 做好气化炉衬里制造安装质量 的 监 控 及 检 查验收；生产中平稳控制氧碳比，做好壁温监控。6） 加强高压煤浆泵的操作维护 ，合 理 设 计 滚 筒筛过滤精度以降低粗颗粒对隔膜软管磨损 。7） 对 于 氧 阀 、锁 渣 阀 、合 成 气 放 空 阀 、黑 水 减 压 阀 、煤浆电磁流量计等关键仪表 ，宜 采 购 高 质 量的阀门，提高仪表运行的可靠性。水煤浆气化装置水系统的离子平衡32表1某气化装置外排灰水量与水质分析数据 外 排 灰Ca （以2+气 化 负荷 ，%总 硬 度 氨 氮 CaCO3 计 /（gg-1）-1-1（gg ） （gg ）（th-1 ）2010-01-1282.050.01 079.11 221.2318.8 2011-02-09 81.5 75.0 736.3 845.9 261.3 灰水中钙镁离子 、氮 含 量 在 水循环中处于动 态 平 衡 状 态 ，离子平衡主要由原料煤杂质含量 、出装置的灰渣及合成气中杂质含量 、 助 熔 剂 的 加 入 量 、各种补充水的杂质含量 、外排灰水的流量等决 定 ，调节循环灰水离子平衡最常用的方法 是 调 节8） 优化公用系统的操作 。烧嘴冷 却 水 换 热 器灰 水 外 排 量 ， 增大外排灰水量有利于降低 灰 水 的硬度、氨氮含量和pH值，从而降低水系统的结垢速 率 。 表1为某气化装置外排灰水量与水质分析数 据 ，从 表1可 以 看 出 ， 该装置在煤种和生产负荷接 近 的 情 况 下 ，外 排 灰 水 量 由35 t h提 至50 t h，灰 水增 加 旁 路 ； 除氧器设置合理的防涡器以防 垢 物 堵塞 防 涡 器 ；参照锅炉的排污原理 ，灰水除氧槽增加 定期排污管，每天排污一次。9） 新装置设计建设时 ，合理设计平面 布 置 及 配管。 尽量避免管线出现液袋；合理布置激冷水泵的总硬度和氨氮含量下降明显 ，从 两 个 时 间 段 的的 安 装 位 置 ，减少激冷水管道的弯头数量 及 管 线装置检修清堵情况看 ，2011年 由 于 水 质 改 善 ，管 线结 垢 程 度 减 轻 ， 激冷水过滤器和激冷环结 垢 堵 塞 程 度 减 轻 ， 设备管线的结垢堵塞对装置长 周 期 运 行的影响程度下降。长度；合理布置水系统备用设备的出入口管道及阀门 ，减轻备用设备管线的积垢 ；在管线盲端或备用 管道上设置冲洗水线或排污线，