第一代鲁奇炉在褐煤加压气化中的运行状况及技术改进.docx

第 39 卷第 3 期Yunnan Chemical TechnologyVol 39，No 3doi: 10 3969 /j issn 1004-275X 2012 03 014设备技改第一代鲁奇炉在褐煤加压气化中的运行状况及技术改进 王朝文( 云南解化化工分公司，云南 开远 661600)摘 要: 介绍了国内首套自行设计利用劣质褐煤加压气化制氨工艺鲁奇炉运行的状况及出现的问题。总结了自 1972 年以来，第一代鲁奇炉在运行中存在的主要问题及相应的技术改造状况，并 对鲁奇炉运行存在的问题及发展方向进行了分析和展望。关键词: 第一代鲁奇炉; 褐煤; 煤气化; 煤化工中图分类号: TQ545文献标识码: A文章编号: 1004-275X( 2012) 03-0049-07云南解化化工分公司是 1958 年建设的国内第一批中型氮肥企业，现有生产能力为: 褐煤制氨40 万 t /a，褐煤制二甲醚 15 万 t /a。褐煤制氨气化 炉为第一代鲁奇炉加压气化炉，褐煤制二甲醚气 化炉为熔渣气气炉( 15 万 t /a 二甲醚装置 2008 年 建成投 产 ) 。合 成氨生产装置由国内自行设计，1974 年正式投入生产，为我国以鲁奇炉为气化装 置生产合成氨的第一套装置。鉴 于 当 时 的 条 件， 资金投入少，设计起点低，关键气化设备鲁奇 炉设备问题较多，造成设备运行周期短，制约了生 产的进一步发展。炉的辅助设备 由 煤 斗、煤 锁、灰 锁、气 化 炉 出 口 的文丘里洗涤器等组成。煤锁与灰锁均为承受 0 2 5 MPa 循环载荷的压力容器，灰锁还承受 400的高温。煤锁与灰锁通过法兰与 气 化 炉 联 接，经 上下阀的开或闭，与其他阀门配合使用实现将 煤 加入到气化炉内并将灰排出。煤 锁、灰 锁 的 上 下阀均为锥形阀门，线线密封; 它们表面堆焊硬质合金，以保证在关闭时密封良好。煤、灰锁的上下锥 形阀是气化炉运行的关键部件，灰锁的上下锥 形阀工作环境还比较恶劣，它们的使用寿命和操 作状况直接影响着气化炉运行率。灰锁结构如图 1所示。11 1鲁奇炉构造与工艺原理1 2鲁奇炉工艺原理鲁奇炉加压气化实际上是以部分碳与氧气燃鲁奇炉构造我公司使用的鲁奇加压气化炉为第一代鲁奇烧，将反应热提供给水蒸汽与碳、二氧化碳等吸热反应( 也伴随有碳与水蒸汽、碳与氢等生成甲烷的 放热 反 应 ) 。这些反应产生了 H2 、CO、CH4 、CO2等气体，即粗煤气。炉内的工艺过程为: 原料煤由 煤锁加入气化 炉 后，在 约 2 50 MPa 压 力 下，煤 自 上而下依次经过干燥层、干馏层、气化层( 或称还炉，它由炉体、煤 锁、灰 锁 及辅助设备组成。炉 体为带水冷夹套的压力容器，材质相当于国内 20 g。 炉体的主要功 能 是 布 煤、布 气、除 灰，使 气 化 剂 与 煤均匀接触发生化学反应生产粗煤气。炉内件核 心部件为炉 篦 部 分，炉篦为塔式结构。在 炉 篦 的 底 部 装 有 刮 刀 ，以 便 将 气 化 后 的 灰 渣 排 出 。鲁 奇收稿: 2012-03-19作者简介: 王朝文( 1968-) ，男，工程师，主要从事煤化工的生产管理。50云南化工2012 年第 3 期原层) ，到达燃烧 层。同 时，煤中的残留碳与自下 而上进入的气化剂中的氧气发生燃烧反应，反应 的灰渣将热量传递给逆流而上的气化剂后由炉篦 排至灰锁。气化剂自下而上在燃烧层中氧气全部 参与反应，然后进入气化层。在 气 化 层 中 水 蒸 汽 与碳、CO2 反应生成了 H2 、CO、CH4 、有机物、焦油等组分后在气化炉上部进入洗涤冷却器，即产生了粗煤气。粗煤气经洗涤冷却除尘回收热量后送 后序工段加工。靠近气化炉内壁的煤与气将部分 热量传递给夹套中的锅炉水，产生饱和蒸汽，此蒸 汽返回炉内做为气化剂，从而减少了外供过热蒸 汽量。如图 2 所示。图 1 灰锁结构示意图Figure 1 Ash lock structure diagram王朝文: 第一代鲁奇炉在褐煤加压气化中的运行状况及技术改进512012 年第 3 期图 2 鲁奇炉制氨工艺流程图Figure 2 Flow diagram o Lurgi Furnace for ammonia process的填料泄漏问题，使大轴密封漏气的现象得到彻底解决。2运行情况及技术改造2 1存在的问题我公司褐 煤 制 氨 于 1974 年 投 产 运 行，并 不 断进行技术改造。但灰锁充卸压管易磨损，传动 主轴、灰锁上阀横轴填料易泄漏，主轴轴套、止推 轴承无油润 滑 易 磨 损，汽包液位计易损坏，灰 锁 煤锁上下阀易泄漏，煤锁阀芯易脱落等问题一直 没有取得显著成效。2 2原因分析及改进措施2 2 1主轴密封针对加压气化炉转动轴由于密封条件恶劣， 造成漏气严 重，多次发生爆炸着火事故的问题， 将轴密封由机械密封改为聚四氟乙烯填料密封。 大轴与填料接合部分堆焊 A312 不锈钢焊层，有 效解决了填料部位因麻点 腐蚀轴表面损伤产生 2 2 2灰锁上下阀灰锁的作用是将气化炉压力状态下的灰经 灰锁降到常压后排出，以维持气化炉的连续运转 生产。灰锁工作 环 境 恶 劣，工 作 温 度 达 400 左 右，且经常处于灰渣、灰蒸汽、煤气的腐蚀和冲刷 环境中。当排 灰 时，上阀关闭即与气化炉隔离， 阀芯与阀座之间的线密封要承受 2 5 MPa 的 高 压。密封面有 泄 漏时将含有大量灰粒的蒸汽高 速冲刷，短时 即 可造成上阀泄漏，进 而 导 致 气 化 炉停车。下阀的工作工况与上阀相差无几，只是 温度稍低。灰锁上、下阀使用寿命对鲁奇炉的长 周期运行起 着 关 键 作 用，所以延长灰锁上、下 阀 的使用寿命成为气化炉运行的关键 所 在。图 3、 图 4 为密封面堆焊位置示意图。52云南化工2012 年第 3 期图 3 阀座密封面堆焊位置示意图Figure 3 Scheme of valve seat sealing surface location图 4 阀芯密封面堆焊位置示意图Figure 4 Scheme of spool sealing surface location密封面 A 堆焊材质及热处理工艺是关键，我公司原 堆 焊 3Cr13 密 封 材 料，其 使 用 寿 命 仅 为 1 2 月。后从母材设计上选用硬度高、耐磨、耐高 温的材料，同时密封接触面上堆焊层改为硬质合 金焊材，其硬度为 HRC47 HRC52。堆焊后将阀 座密封面加工成球形面，阀芯密封面为线形，以保 证阀杆有位移时仍能保证密封效果，使用寿命增 加至六个月左右。气化剂分布为 A、B、C 三层，通风面积分布分别为10% 、30% 、60% 。实际使用中解化 型 炉 篦 C 层气化剂通道未用，实际的气化剂通道只有 A、B 层，原设计占炉篦总流通面积 60% 气化分配到了 A、B 层。根 据 气 化剂分布与炉堂截面积关系可 以说这是很不合理的，这样的炉篦要降低灰渣含 碳量理论上是不行的。炉篦破碴筋分布密集、平 缓( 高 30，宽 25) 倾斜 12，几乎无任何破渣能力。 从气化剂分布看，A 层气化剂分布区 域 很 容 易 形 成过烧，特别是煤质较差的情况下，当形成过烧结 块以后炉篦破渣又很差，结块破不碎排不出，随着 炉篦上进一步恶化。炉篦整体倾斜角度小，传动 装置负荷 大。褐煤及煤灰的安息 角 为 35，解 化 型炉篦倾 斜 角 度 为 24，炉篦运动中除克服灰 2 2 3炉篦炉篦是气化炉气化反应核心部件，其 作 用 是气化反应气化剂蒸汽、氧气分布及反应后灰渣排 出，对降低灰渣含碳量、实现气化炉长周期运行至 关重 要。第一代鲁奇炉使用炉篦为解化 型 炉 篦，该炉篦高 634 mm，炉篦倾斜角度 24，原设计王朝文: 第一代鲁奇炉在褐煤加压气化中的运行状况及技术改进532012 年第 3 期渣磨擦力、承受灰渣重量外，灰渣排除完全靠炉篦上下刮刀刮出，增加了炉篦传动装置负荷，使传动 装置负荷过大。改造后，新型炉篦中炉篦倾斜角度提 高 到 了33 5，接近 了灰渣运动安息角 35; 增 设 了 炉 篦 破 碴 板 及 防 磨 板; 气化剂通风面积分布严格按 10% 、30% 、60% 分布。这些措施有效的解决了原来问题，并且在常压煤气炉的炉篦设计中表现较 为明显，是炉篦设计的发展方向。2 2 4 气化炉主轴套1) 材质由 HT150 200 改为耐磨铸铁 MT-4气化炉传动主轴上下轴套材质原设计为灰铁 HT150 200，上下轴套未实现润滑，工 作 条 件 恶 劣，上轴套工作温度高达 450 左右。磨损严重、 运行周期短，连续运行六个月就需要大修更换一 次。2004 年将轴套材质改 为 耐 磨 铸 铁 MT-4，轴 与轴套接合部分堆焊 A312 不锈钢焊层。轴与轴 套接合部分原修复采用 J422 焊条堆焊修复，材料 硬度较低，加之气化炉停车备用时，炉内的冷却水 易使之生锈。堆焊不锈钢材料不但提高了接合处 的硬度，也使生锈问题得到了缓解。2) 轴套、止推轴承、灰锁横轴轴套的高温润滑 主轴下 套、止推轴承工作温度高达 320 450 。在保证密封的可靠性后 ( 气 化 剂 为 纯 氧 禁油) ，随着高温润滑技 术 进 步，对 主 轴 上 下 轴套、止推轴承、灰锁横轴轴套采用高温润滑脂已实 现高温润滑，并实行专人负责润滑的管理。这就 减少了机械磨损，提高了轴承的使用寿命。各部件润滑情况见表 1。时，该测温点准确测出了炉底温度 ( 原 炉 底 测 温点位于炉篦下刮刀处，被不能移动的灰覆盖着，伸 长又被刮刀刮着，测量不准) 。在 15#炉试用成功 后，2002 年完成了 6#、7#、8#、11#安装。这一装置 的投运，为今后鲁奇炉灰锁料位测定提供了一种 新测量方法，即经济又实用。同时解决了因无料 位将灰锁灰开满而导致被迫停炉问题。也为炉底温度控制提供了准确参数，使鲁奇炉传统检测灰锁料位下灰方法有所发展。2) 实现自动加煤 由于鲁奇炉工况特殊、料位测量不准等原因，使得国 内 厂 家 几 乎都没有实现自动加煤。2004 年，我公司在 16#、15#炉 上试验了气化炉加煤自 动化的工作，并取得成功。2 2 6 气化炉炉内测温为进一步了解气化炉反应 层的温度变化情 况，利用卡萨利公司在氨合成塔内径上测温原理， 对气化炉炉内测量温度系统进行了改造，使气化 炉整个床层 6 8 m 高度范围内温度变化充分反映出来。为气化炉的控制、稳定工艺起到了较好的 作用。2 2 7 排灰装置排灰装置由管道排灰改成水泥地沟排放。根 据南非萨索尔公司经验，设计了近 6 m 深地沟排 灰，解决了由于灰渣冲刷磨损管道产生爆管不安 全问题及下灰时管道振动问题。2 2 8灰锁充卸压管、下灰高压水管灰锁充卸 压 管、下 灰 高 压水管原设计为 57 5 的 20#钢管，工作时受灰渣的冲刷易磨损，连 续运行一至二个月需要更换一次，否则管道磨擦 减薄易 引 起 物 理 爆 炸。 经研究后将钢管改为 127 21 /68 13 套管，并定期更换 68 13 内 管。改进后的灰锁充卸压管、下灰高压水管安全性能可靠，即使内管冲刷减薄，承压的外管同样能维持生产。非带压部分由 20#钢管改成马贝体耐 磨管，使用寿命可延长 4 5 倍。表 1 气化炉主轴各润滑点润滑情况Table 1 Lubrication of ubrication points of the gasifier spindle上轴套 下轴套 止推轴承 灰锁上阀横轴填料工作温度 /选用润滑脂 润滑方式450180 280 180 280300 360铁霸高温防卡脂，最高使用温度 800，700以上防卡。装配时加入油杯润滑2 2 5灰锁2 2 9煤锁部分煤锁灰锁 设 计 壁 厚 为 = 50 mm，无 料 位 测量，或料位不准，难以实现自动加煤、下灰。1) 安装灰锁热电偶取代射线测料位2001 年在 15#炉拆出灰锁内夹套时，在 灰 锁 上装入热电偶测温计。当灰锁内灰接触到温度计 时，温度计温度迅速上涨，表明灰满必须下灰。同改进前煤锁上下阀运行周期短、上阀 密 封 为丁晴橡胶密封圈，因此，容易泄漏。煤锁上下阀密 封面材料 先 由 橡 胶 改 为 3Cr13，之 后 又 改 为 硬 质 合金材料; 下阀阀座本体与密封件结构由整体式 改为分离式，加工修理密封面十分方便，更换时只 须更换密封件; 改旋转阀至煤锁段用胶皮带密封54云南化工2012 年第 3 期为 377 /325 承插管密封，有效解决漏碳现象。2 2 10夹套锅炉及汽包部分改进前存在的主要问题是 汽包液位控制不 好。常常满液位导致煤气酚水量增加，加大了煤 化工厂污水处理装置负荷; 夹套蒸汽未回收，浪费 较大。经研究增设汽液分离器，回收了夹套锅炉 自产蒸汽，完善了液位计自动调节辅助系统，保证 了蒸汽不带水。由于蒸汽回收减轻了煤化工污水 处理负荷，收到了较好经济和社会效益。气化炉 夹套蒸汽回收后，汽包温度改变升高，原玻板液位 计使用易碎裂，更换频繁，每天需要更换 1 3 台 液位计。后改玻板液位计为磁性翻板液位计，有 效解决了安全、检修频繁问题。2 2 11改变炉篦调速装置原有炉篦传动采用 EQ140 排档箱变速，但调 速不 方 便，炉篦转速受档位限制，可 调 速 范 围 不 大，影响炉篦布气、排渣。改为调速电机 变 速 后， 炉篦转速不受档位限制，为无级变速，可调速范围 为 0 1200 r /mim。显减少，2004 年仅 6 10 月共停炉 89 次，平均为18 次 /月; 2005 年 1 10 份共停炉 102 次，平均 103次 /月。由于开停炉次数的减少，生 产 1 m 粗 煤气的原煤、蒸汽、氧气消耗量也降低，详细情况见 表 2。表 2 2004 2007 年生产 1 000 m3 粗煤气消耗量对照表Table 2 Consumption table of production of3 1 000 m of crude gas during 2004 2007 原材料消耗量 /kg年份原煤蒸汽氧气2004200520062007124711301040989 3210921006924827 311510310198 796从表 2 看出，原煤蒸汽等消耗逐年降低。按本公司的生产能力计算，2007 年与 2006 年相比，节煤215 16 5 吨，褐煤 101 43 元 /吨，共计约 218 2 万元。节约 蒸 汽 410 54 5 吨，蒸 汽 38 22 元 /吨，共 计 约156 9万元。两项合计节约 375 万元。3 2灰渣含碳量下降由于无级调速电机的使用，气化炉排 灰 量 调 整更加精细，炉篦可随时处于运动状态，这对于气 化剂 均匀分布降低灰渣含碳量是很有利 的。2003 2007 年灰渣含碳量月平均统计详见表 3。3实施后的效果3 1原煤、蒸汽、氧气消耗下降上述项目实施后，改善了气化炉运行工况，为 气化炉长周期运行创造条件，并实现了单炉连续 运行 136 天的历史最好成绩。倒炉熄火的次数明表 3 2003 2007 年灰渣含碳量月平均统计表( 数据来自监测)Table 3 Average ash carbon content monthly ( Data from self monitoring) during 2004 2007灰渣中碳的质量分数 /%年分1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月10 月11 月12 月平均200351 5646 0545 3932 3738 5646 3838 9138 9341 1245 8051 4529 2842 09200435 8927 9832 0330 7028 6135 848 533 624 528 6542 4023 3232 67200519 7222 9317 1019 5625 0419 5820 6313 7515 4314 5323 29 21 0318 1200618 9815 8712 5111 914 3216 212 3818 4715 7211 5712 312 19 8200711 2109 79 51011 48 79 59 59 7109 39 87从表 3 年出，气化炉灰渣含碳量逐年下 降，2007 年已经控制在 10% ( 质量分数，下同) 以下， 目前可控制在 6% 以下，处于国内先进水平。4技术难题及展望4 1技术难题改造后灰锁上、下阀使用寿命有了明 显 的 增王朝文: 第一代鲁奇炉在褐煤加压气化中的运行状况及技术改进552012 年第 3 期长，但与南非萨索尔公司相比还有差距，需要进一步探索; 核心设备炉篦设计需要根据不同煤 种设计，不应该一概而论，理论上需要技术创新。利条件。鲁奇炉在初期仅限于生产城市煤气，后 来 南 非将其用于合成油、蜡等化工产品。我公司将其 运用于合成氨生产，拓宽了鲁奇炉的应用领域。 目前我国许多以天然气、油、焦炭、烟煤为原料的 化肥公司由于成本高，面 临 气 头、原 料 改 造 的 问 题，选择何种气化炉还需多方面比较。鲁奇炉用 于合成氨生产是可行的，我公司已成功将天然气 化工中甲烷转化工艺运用到了鲁奇制氨工艺中， 可提供范本。2008 年我公司 新 建 15 万 t /a 褐 煤 制 二 甲 醚 装置一次开车成功，由鲁奇炉发展的熔渣炉，具有 气化效率高，煤气化废水大幅度减少等优势，这为 我国煤气化技术的选择提供了工业化示范装置。4 2应用展望目前我国 煤化工产业迅速发展，煤 制 油、甲醇、二甲醚、化肥，主要问题都在煤气化工段，煤气化的关键是气化炉设备。尽管我国利用谢尔炉作 为煤气化炉新建成多套年产 50 万 t