鲁奇加压气化炉的运行与技术改造.docx

鲁奇加压气化炉的运行与技术改造李新社任富强(山西天脊煤化工集团公司张爱民潞城市047507)摘要 根据国内鲁奇炉的使用情况 ,总结了山西天脊煤化工集团公司 10 年的运行经验和技术改造成果 ,提出了鲁奇炉在我国的发展方向 。关键词 鲁奇炉 运行总结 技术改造Operat ion an d Techn ical Renovat ion of L urgi Pressurized Ga sif ierL i Xinshe , Ren Fuqiang and Zhang AiminAbstractIn line wit h t he use of t he L urgi gasifier in China , t he operatio n experience andtechnical renovatio n result of Shanxi Tianji Coal Chemical Gro up Co . are summed up , and t he directio n of develop ment of t he L urgi gasifier in China is p ropo sed.Key words L urgi gasifieroperatio n summarytechnical renovatio n固定床加压煤气化炉最早为鲁奇公司所开发 ,因此常将这种带有夹套锅炉固态排渣的加 压煤气化炉称为鲁奇炉 。鲁奇加压气化炉 ( 以下简称鲁奇炉) 是以碎煤为原料 ,经加压气化来 制取粗煤气的 。50 年代中期 ,云南解放军化肥厂从前苏联引进了第一代鲁奇炉 ,以煤造气制 合成氨 。70 年代末 ,沈阳加压气化厂用第一代 鲁奇炉制取城市煤气 。80 年代初 ,山西天脊煤化工集团公司 (原山西化肥厂) 从西德鲁奇公司 成套引进第三代 Mar k - IV 鲁奇炉 , 用于制取合成氨的原料气 。以后我国又建设了兰州煤气 厂和哈尔滨气化厂 ,这 2 套装置已于 90 年代初相继投入运行 。目前河南义马煤气厂引进的第三代鲁奇炉也开始建厂 。随着我国人民生活水 平的提高 ,以煤制气尤其是以鲁奇炉造气在我 国将有广阔的发展前景 。用于合成氨生产 , 其它厂用于 制 取 城 市 煤 气 。虽然各厂最终产品不尽相同 ,但气化炉的结构 型式大同小异 。根据气化用原 料 煤 的 性 质 不同 ,在炉内部件的设置上各有差异 。各厂气化 炉结构见图 1 。1 . 1鲁奇炉结构简介 鲁奇加压气化炉是一个结构复杂的组合设备 ,它由炉体与煤锁 、灰锁等辅助设备组成 。1 . 1 . 1 炉体炉体的主要功能是均匀布煤 、布气 、除灰 , 使气化剂与煤均匀接触 ,从而使固体煤转化为 煤气 。炉体分为壳体和炉内件两部分 。国内各厂鲁奇炉壳体均采用水冷却双层夹套外壳 ,外壳体承受高压 ,内夹套仅承受夹套蒸汽通过气 化炉床层的阻力 。不同之处是各厂的水夹套宽度及容积有所不同 ,夹套内外壳体由于温度不 同所采取的吸收热膨胀的方式也不相同 。山西 天脊煤化工集团公司气化炉的内壳体下部设置膨胀节 ,哈尔滨气化厂气化炉 ( 由原东德 P KM设 计院设计 ,也称 P KM炉) 的外壳体上部用填1鲁奇炉的结构与工艺原理目前我国在运行的鲁奇炉约有 20 台 ,其中山西天脊煤化工集团公司与云南解放军化肥厂34化肥工业 第 25 卷 第 5 期革新与经验西化肥厂 3 800 气化炉云南解放军化肥厂 2 700 气化炉兰州煤气厂 2 800 气化炉义马煤气厂 3 800 气化炉图 1 几种气化炉结构图料函密封 ,吸收膨胀量 。一般外壳材质为 WS2J E36 ,内壳材质为 H 锅炉钢 ( 20 锅) 。炉内件 一般包括煤分布器 、炉箅两大部分 。煤分布器一般为固定的波斯曼套筒 ,炉箅一般为宝塔式多层布气式 ,在炉箅的底部装有刮刀 ,以便气化 后的灰渣排出 。对于使用具有粘结性的煤 ,炉内件还包括搅拌器 ,与布煤器连接在一起 ,通过 外部的传动装置带动 ,起到均匀下料和破焦的作用 。由于搅拌器与炉箅的工 作 环 境 较 为 恶 劣 ,故一般选用耐磨 、耐腐蚀的 16Mo3 铸钢 ,其表面还要堆焊硬质合金 ( E20 - 50 - ZCt) 。1 . 1 . 2辅助设备由煤斗 、煤锁 、灰锁 、灰斗 、气化炉出口的洗 涤冷却器等组成 。Mar k - 型鲁奇炉设有灰锁膨胀冷凝器 ,用于灰锁泄压气体的冷凝和洗涤 。煤斗 、灰斗均为常压设备 ,作为气化炉间歇 供煤排灰的缓冲 。煤锁与灰锁系承受 0 3 . 0M Pa 循环载荷的压力容器 ,灰锁还需耐 400 的高温 。它们用法兰与气化炉联接 ,通过上下锥形阀的开或闭与其它阀门配合 ,使煤锁 、灰锁 进行常压 高压的循环操作 ,以实现将常压的煤加入高压气化炉及将高压的灰排至常压灰 斗 。各厂气化炉煤锁 、灰锁的上 、下阀均为锥形阀门 ,表面堆焊有硬质合金 ,以保证运转时良好 的密封 。煤锁 、灰锁的上 、下锥形阀是气化炉运行的关键部件 ,尤其是灰锁上 、下锥形阀工作环境恶劣 ,它们的使用寿命和操作状况直接影响着气化炉运行率 。洗涤冷却器采用文丘里洗涤 器 ,将气化炉出口的高温煤气激冷并除尘 。此外 ,气化炉水夹套外部都设有汽水分离器或汽 包用于除去饱和蒸汽中的水份 。国内各厂鲁奇炉情况见表 1 。1 . 2 工艺原理原料 煤 由 煤 锁 加 入 气 化 炉 后 , 在 3 . 0M Pa 压力下 ,自上而下依次经过干燥 、干馏 、气 化层 (或称还原层) 后到达燃烧层 。在此 ,煤中 的残留碳与气化剂中的氧发生燃烧反应 ,灰渣将热量传递给气化剂后由炉箅排入灰锁 。气化 剂中的氧自下而上在燃烧层全部参与反应 ,然后进入气化层 ,在此水蒸气与碳 、CO2 与碳分别 反应 ,生成了 CO 、H2 、CH4 、焦油等组份 ,即成为粗煤气 。2鲁奇炉在山西天脊煤化工集团公司的运行与技术改造情况2 . 1运行情况山西天脊煤化工集团公司自 1987 年 7 月 第一台鲁奇炉投料至今 ,已运行 10 年有余 。由 于设计 、设备及操作不适应等问题使气化炉在 投产后一段时期内运行不稳定 。经过几年的摸 索并采取一系列的技术改造 ,近年来气化炉运 行 率 ( 开工率) 不断上升 。到目前为止 ,气化炉35革新与经验化肥工业第 25 卷 第 5 期表 1 国内鲁奇炉汇总项 目山西天脊集团哈尔滨气化厂解放军化肥厂兰州煤气厂义马煤气厂气化炉数量 ( 台)气化煤种4贫煤 ( 半无烟煤)第三代鲁奇炉( Mar k - )3 800中置灰锁 ,设膨胀 冷凝器5长焰煤9褐煤3长焰煤2 长焰煤 第三代鲁奇炉( Mar k - )3 800中置灰锁 ,设膨 胀冷凝器炉型P KM第一代鲁奇炉第二代鲁奇炉炉径3 800中置灰锁 ,不设 膨胀冷凝器2 700旁置灰锁 ,不设 膨胀冷凝器2 800中置灰锁 ,不设 膨胀冷凝器灰锁与膨胀冷凝器夹套水 循环方式夹套蒸汽水 分离方式炉箅驱动方式强制循环自然循环自然循环自然循环强制循环夹套上部与外部分离器液压驱动 四层布气宝塔式转动型布煤器 ,设搅拌器夹套上部与外部分离器电机驱动 四层布气宝塔式固定型布煤器 ,不设搅拌器外设汽包外设汽包外设汽包液压驱动三层布气 宝塔式固定型布煤器 ,不设搅拌器电机驱动单层布气( 后改多层)固定型布煤器 ,不设搅拌器电机驱动炉箅布气方式多层布气布煤型式及搅拌器固定型布煤器 ,不设搅拌器表 2山西天脊煤化工集团公司鲁奇炉运行情况1992 年1993 年1994 年1995 年1996 年1997 年气化炉运转时数( h)运转率( %)运转时数( h)运转率( %)运转时数( h)运转率( %)运转时数( h)运转率( %)运转时数( h)运转率( %)运转时数( h)运转率( %)A B C D平均5 9675 1146 1594 0255 316 . 381 . 970 . 384 . 755 . 373 . 14 9275 4544 5825 9055 21767 . 875 . 063 . 081 . 271 . 84 9295 6436 5594 5125 435 . 867 . 877 . 690 . 262 . 074 . 45 123 . 76 322 . 75 286 . 06 637 . 35 842 . 470 . 587 . 072 . 391 . 380 . 34 955 . 15 918 . 76 361 . 76 518 . 95 938 . 668 . 181 . 487 . 589 . 681 . 74 609 . 86 748 . 66 276 . 86 617 . 46 063 . 263 . 492 . 186 . 391 . 083 . 2注 :运转率基数为 303 d ,设计单炉年运转率为 75 %的单炉运行率已接近或超过设计值 ,只是 3 台 炉并网运行率和负荷与设计值尚有一定差距 。 近几年的运行情况见表 2 。2 . 2出现的问题及技术改造2 . 2 . 1内夹套鼓包与水循环方式的改进B 炉于 1990 年 4 月大 修 后 运 行 , 至 1991 年 1 月发现气化炉夹套内壁发生严重内鼓 ,内 夹套被迫进行更换 。自此以后 ,其它炉也相继发生类似事故 ,最严重的鼓包高度达 600 mm , 共更换内夹套达 8 台次 。曾采取多项措施 ,都 未能彻底解决 。1996 年针对 C 炉鼓包情况进 行了分析 ,并与有关兄弟厂气化炉的结构情况 进行比较 ,发现炉内夹套的宽度及夹套水的循环方式存在问题 。由于夹套宽度已无法改变 ,只能对夹套水的循环方式进行改造 ,使其流向合理 。改造后经过一段时间的运行考核 ,效果良好 ,于是对其它炉内夹套水循环也相继进行 了改造 。到目前为止 ,运行情况较好 。2 . 2 . 2灰锁上 、下阀使用情况与阀门改造 灰锁的功能与煤锁相近 ,但所处的工作环境恶劣得多 。灰锁上阀工作温度约为 300 , 且经常处于高温灰渣 、含灰蒸汽的腐蚀和冲刷 环境中 。当灰锁需排灰时 ,上阀需关闭 (即与气化炉隔离) , 阀头与阀座之间的线密封要承受3 . 0 M Pa 的高压 ,密封面稍有泄漏 ,将受到含有 大量灰粒蒸汽的高速冲刷 ,短时即可造成上阀 泄漏 ,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 。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 。 除选用硬度高 、耐磨 、耐高温的材料外 ,还在阀36化肥工业 第 25 卷 第 5 期革新与经验门密封接触面上堆焊硬质合金 , 其硬度为 RC4752 。堆焊后将阀座密封面加工成球形面 , 阀头密封面为线形 ,以保证阀杆有位移时仍能 保证密封效果 。原设计灰锁上阀使用寿命为半 年 ,下阀使用寿命为 12 年 。但自开车以来 ,灰锁上 、下阀使用寿命一般为 12 个月 ,最长 为 3 个月 。频繁的更换造成了气化炉不能长周 期运行 , 严重制约了装置运行 率 和 生 产 能 力 。1995 年我们首先对灰锁下阀进行了密封改造 ,将阀头密封面改为球形 ,并提高阀座的密封面 硬度 。改造后使用寿命延长至 23 个月 ,仍不能满足生产需要 。1996 年引进了 1 套由南非萨索尔 ( SA SOL ) 制造的灰锁上 、下阀 , 它将原 堆焊硬质合金改为由碳化钨粉末合金成型 ,硬 度大为提高 ( RC 可达 60 以上) 。投入运行后使用寿命达半年以上 ,1997 年使用的 1 套已运 行 1 年以上 。1997 年又购买了 2 套南非萨索 尔阀 ,并与国内科研单位合作开发制造 ,若试制 成功 ,将大大提高鲁奇炉的运行水平 。2 . 2 . 3 搅拌器漏水与结构改造搅拌器工作温度较高 ,设计上内部由锅炉 水强制循环冷却 。由于搅拌器处于炉内高温区 域 ,在运行中与焦块 、煤气接触 ,工况恶劣 ,虽在 其表面堆焊有一层硬质合金 ,但也常常出现裂 纹造成搅拌器内的锅炉水漏入炉内 ,造成炉内局部熄火 ,进而引发恶性事故 。针对这一问题 , 首先在搅拌器进 、出水管上增加膨胀节 ,避免因 膨胀不匀造成的漏水 ; 其次将搅拌器桨叶上原 满焊的硬质合金层改为间断堆焊 ,使母材堆焊 层在受热后膨胀不互受影响 。改造后搅拌器使用寿命得以延长 ,漏水减少 ,避免了恶性事故的 发生 。2 . 2 . 4灰锁膨胀冷凝器的改造 灰锁膨胀冷凝器的作用是在灰锁泄压时 ,将灰锁气经水洗冷凝除尘后再减压排放 。其优点是在压力下把含有大量灰尘的灰锁蒸汽除尘 并大部分冷凝 ,减少了含灰蒸汽对泄压阀门的 磨损 ,并缩短了泄压时间 ,减少了废气排放 。它 属鲁奇专 利 设 备 , 为 Mar k - 型 鲁 奇 炉 所 独有 。设有膨胀冷凝器的灰锁泄压阀门其使用寿命是不设的 34 倍 。在开车初期 ,灰锁膨胀冷 凝器常出现泄压管被堵及灰锁进水事故 ,导致 灰锁无法泄压或灰锁积灰严重而使用效容积减 小 。分析其原因主要是 : (1) 膨胀冷凝器泄压管底部开孔仅为 45 ,致使泄压时带入泄压管内 的灰块不能排出 ; (2) 膨胀冷凝器充水液位由热 电偶间接测得 ,因热电偶指示往往滞后 ,导致水 溢入灰锁 ,使灰锁内灰渣挂壁不能靠重力排出 。 灰渣挂壁又使灰锁内料层超高 ,加剧了灰渣在泄压时进入灰锁膨胀冷凝器 ,从而使泄压管经 常发生堵塞 。对此进行了以下改造 : (1) 将膨胀 冷凝器中泄压管底部孔加大至 75 ,使带入的 灰块能顺利排出 ; (2) 将充水液位监测由热电偶 改为双法兰差压式液位计 ,使其能及时监测液位 ,避免充水过满 ; ( 3) 在灰锁操作中增加用蒸 汽吹扫灰锁步骤 ,促使积灰排出 。后又增加了 灰锁射线料位计 ,以加强对灰锁积灰量的监 测 ,以防料位超高 。通过以上改造 ,膨胀冷凝器 的问题已彻底解决 ,满足了生产需要 。2 . 2 . 5炉箅 、布煤器润滑方式改进 炉箅与布煤器均由液压马达驱动 。它们在炉内的支撑以平面和圆柱面的滑动止推轴承与 静止设备相连 ,在滑动止推轴承面加注耐高温 润滑油 。由于止推轴承处于高温及灰尘较多的工作环境中 ,工况恶劣 ,润滑油由管子输入 ,润 滑油在管中流动缓慢 ,易因高温碳化堵塞输油 管 ,常常发生轴承面断油而导致轴承干磨损坏 , 迫使炉箅 、布煤器停转 ,气化炉停车 。由于润滑 油管在短期内即被堵塞 ,使炉箅与布煤器不能坚持到 1 个大修期就损坏 。经多年的摸索 ,我 们将注油润滑改为干式润滑 ,即在大修时用石 墨粉与锂基脂混合后填充于止推轴承面 。改造 后避免了润滑油管堵塞造成的干磨 ,炉箅与布 煤器一般能坚持运行 1 个大修期 ,从而减少了气化炉的故障率 。2 . 2 . 6输灰机改造 鲁奇炉的排灰是由灰锁排入常压灰斗 ,经灰斗缓冲后再由底部螺旋输灰机送至皮带运37革新与经验化肥工业 第 25 卷 第 5 期出 。开车期 ,螺旋输灰机常出现堵塞故障 。由于灰渣较硬 ,运行一段时间后输灰机的桨叶即 严重磨损 ,壳体也磨损严重 ,使桨叶与壳体的间 隙加大 ,输灰能力变小 。而灰锁排灰时 ,灰全部 由灰斗直接压至输灰机端部 ,造成输灰机超负荷停车 。尤其是输灰机经几次修复后大轴挠度 变大 ,且难已校正 ,使得桨叶与壳体间隙不均 , 遇有大渣块时常被卡住 ,引起输灰故障 。为此 在灰斗与输灰机间增设一挡板 ,并在挡板上增 设充灰水 ,使落入灰斗的灰渣先落在挡板上 ,再由充灰水均匀充入输灰机 ,使超负荷现象得到 缓解 。1995 年将原 8 m 长的输灰机截短改为 4 m ,灰斗出灰位置相应进行了调整 ,解决了大轴 过长造成的弯曲变形 ,使输灰机运转率及使用 寿命大为提高 。术 ,由经验公式计算 。这还有待于我们长期的生产实践 ,再配合其它方面的改进 ,使炉箅布气 更趋合理 ,降低灰中的残碳 。3 . 3原料煤质量 目前国内外在运行鲁奇炉气使用的煤种一般均为褐煤或长焰煤 , 属不粘 或 弱 粘 性 煤 种 。 第三代鲁奇炉在炉内增设了搅拌器用于破焦 , 但也仅限于粘结性较小的煤种 。我厂鲁奇炉原 料煤为贫瘦煤 , 即半无烟煤 , 自 由 膨 胀 指 数 为3 ,具有一定的粘结性 。鲁奇公司为我厂设计气化炉时仅在炉内增加了搅拌器 ,炉体高度方面 未做改动 。而贫瘦煤反应活性较褐煤为低 ,致 使我厂气化炉出口煤气温度较高 ,使炉内部件 易损坏 , 同时也引发其它的问题 。1996 年 10 月开始 , 我厂将气化用煤逐步 过 渡 为 洗 精 煤 。 虽然煤种没有变化 ,但因矸石等杂质去除后 ,气 化炉的气化强度提高 , 耗氧量 下 降 , 热 损 失 减 少 ,设备磨损减少 ,故障率降低 ,提高了气化炉 的运行率 。几年来 ,我厂在使用贫瘦煤方面积 累了一些经验 ,但今后还应提高对原料煤性质 的认识 ,不断提高操作水平 ,进一步提高气化炉 的运行率 ,开创鲁奇炉气化贫瘦煤的新水平 。3 . 4应用展望 鲁奇炉在初期仅限于生产城市煤气 ,后来南非将其产出的气体用于生产合成油 、蜡等产品 ,我厂将其运用于合成氨生产 ,拓宽了鲁奇炉 的应用领域 。目前我国以轻油为原料的化肥厂 由于成本高而面临油改煤的问题 ,大多选择德 士古炉造气 。但德士古炉在原料 、运行等方面 也存在不足之处 ,所以选择何种炉型还需多方 面比较 。小化肥一般为常压水煤气发生炉 ,该 炉型能耗高 ,气化效率低 ,单炉产气量小 ,且为 间歇造气 ,应逐步淘汰 。鲁奇炉用于合成氨生 产是可行的 ,但目前未被推广主要有以下几方 面的原因 : (1) 由于加压气化 ,煤气中甲烷含量 较高 ,从原料气中分离 、转化的流程较为复杂 ; (2) 鲁奇炉需配套相应的空分装置 ,一次性投资 较大 ; (3) 鲁奇炉所产生的废水处理的流程较 长 ,工艺复杂 。笔者提出以下思路 :以鲁奇炉造3 存在的技术难题及发展方向3 . 1 灰锁上 、下阀使用寿命灰锁上 、下阀的使用寿命对鲁奇炉的长周 期运行起着关键作用 。通过改造虽使其寿命增加至 3 个月左右 ,但与南非萨索尔阀可使用 18 个月比还相差甚远 ,国内其它厂的情况大致相 同 。由于煤种不同 ,我厂灰渣硬度较大 ,再加上 有时炉内部件脱落 ,造成阀门碳化钨密封面损 坏 ,影响其寿命 。但总体来讲 ,该种阀门基本可满足鲁奇炉运行要求 ,只是长期依赖进口势必 增加运行成本 。目前我们已与国内科研单位合 作试制 ,若攻克这一难关 ,并在国内推广 ,鲁奇 炉在我国的运行水平将会大为提高 。3 . 2 灰中残碳与炉箅布气孔问题灰中残碳的设计值应小于 5 % , 但我厂鲁 奇炉灰中残碳指标的合格率仅为 30 % 。残碳 含量虽取决于操作工况 、炉内最高温度等条件 , 但与炉箅的布气方式也有很大关系 。为降低灰 中残 碳 , 改 善 操 作 工 况 , 鲁 奇 公 司 专 家 曾 于1995 年提出改变炉箅布气分配量 ,即调整四层 布气孔的分布 。但实施后不但没有得到改善 , 反而使工况恶化 ,操作难以控制 。由于炉箅布气量分配是鲁奇公司的专利技38化肥工业 第 25 卷 第 5 期革新与经验气制合成气 ,利用变压吸附或深冷工艺分离煤气中的甲烷做城市煤气 ,用变压吸附制富氧或 直接用空气代替氧气进行气化反应 。这样可以 减少一次性投资 ,又可满足合成气的配氮需要 。 至于废水处理 ,目前工艺已趋成熟 ,排放水可达国家标准 。以上思路仅属探讨 ,在选择炉型及 工艺路线时还需进行多方面技术经济比较 ,以 使工艺先进 、技术经济合理 。鲁奇炉在我厂运行 10 年多 ,它的运行 、操作 、技术管理等经验已基本掌握 ,通过实践 、摸 索 ,一些技术改造已获成功 ,促进了鲁奇炉的长 周期稳定运行 。因受油 、气资源的限制 ,用煤制 气在我国仍将有广阔的发展前景 。鲁奇炉作为一种成熟的气化技术会逐渐被人们所认可 ,加 强鲁奇炉操作 、管理技术的交流 ,使鲁奇炉更趋 合理 、完善 ,对发展我国的煤化工事业是非常必 要的 。(收稿日期1998 - 04 - 22)结语4L H E - 聚合羟基羧酸盐水处理技术在循环水中的应用目 前 我 厂