德士古煤气化技术改造的几个思路.doc

德士古煤气化技术改造的几个思路许令奇(安徽淮化集团有限责任公司，安徽淮南 232038) 2003-05-161 德士古煤气化技术在我国的应用 德士古煤气化技术在我国的应用始于80年代末，从国内已投入运行装置的运行效果来看，该技术控制简单、生产稳定、安全可靠，装置的开工率、设备国产化率高。经过十余年的吸收、消化，我国在水煤浆气化领域积累了丰富的设计、安装、开车以及技术研究开发经验。2 德士古煤气化技术发展的几个思路2.1 配煤技术的应用 2.1.1 德士古气化工艺对煤质的要求 煤的灰分、成浆性、灰熔点、粘温特性是影响德士古气化经济运行的几个重要指标。煤中的灰虽不直接参加气化反应，但要消耗反应热，增加氧耗、煤耗，灰分每增加1，氧耗将增加0.6以上。灰分多，渣量多，随渣而损失的碳也相应增加，且给锁渣系统及灰水处理系统的运行带来难度。成浆性能好的煤易制得较高浓度的煤浆，可降低制浆成本，煤浆浓度高，合成气中的有效气体成分(COH2)将增加。根据经验，煤浆浓度每提高1，(COH2)将增加0.5以上。德士古气化为液态排渣，灰熔点高，操作温度就高。在正常生产条件下，耐火砖表面有一层煤渣层，适当厚的渣层可以减缓气体和熔渣对砖表面的冲刷，温度低时渣层较厚，温度高时渣层较薄，会影响耐火砖的使用寿命，不利于系统的经济运行。煤的粘温特性也直接影响气化炉的操作温度，有时灰熔点低的煤，灰的粘性温度并不低，如义马煤其T4温度一般小于1300，当温度在1400以上时，灰粘度较小，低于1400，灰粘度急剧增大，流动性变差(见图1)，故气化炉操作温度应综合考虑灰熔点和灰粘度。国内四家投运德士古炉(鲁南2台，上海4台，渭化3台，淮化3台)几年来的实践表明，低灰分、成浆性能好、灰熔点低、粘温特性好的煤比较适合气化。2.1.2 配煤技术的应用 德士古煤气化对原料煤的苛刻要求，使单一的原料煤种很难满足系统正常运行的需要，采用配煤技术，扩大气化用煤来源已成为国内现有德士古气化厂的共同之举。陕西渭河化肥厂由原来的灰熔点较高的黄陵煤改为灰熔点较低的华亭煤；鲁南由灰熔点较高的七五煤改为混配精煤；淮化也由原灰分高、灰熔点高的义马煤改为义马煤中掺配石油焦、华亭煤、北宿煤、三河尖煤等，且都取得了成功，掌握了一定的配煤经验。配煤不但可以使原不能用于气化的单煤、石油焦可以气化，拓宽了德士古气化的原料来源，并能保持系统的长周期稳定运行，降低煤耗、氧耗。表l为淮化配煤前后的经济技术指标对比。可见采用配煤后，吨氨煤耗和氧耗都有了明显下降。2.2 气化反应机理及技术思路2.2.1 气化反应机理 水煤浆气化过程属于受限气流床气化反应，出煤浆泵的水煤浆经喷嘴雾化后，在气化炉内约1400的高温条件下，经历升温、水分蒸发、脱挥发分、挥发分燃烧、残炭燃烧及一系列的气化反应，生成(COH2)含量约80的合成气。气化的目的反应如下。 CCO22CO (1) CH2OCOH2 (2) (1)、(2)反应均为吸热反应，需要的热量由燃烧反应生成的燃烧热来提供，主要燃烧反应有： CO2=CO2 (3) C0.5O2=CO (4) CH4+2O2CO2+2H2O (5) 但影响煤气组成的反应有两个，即： CO2H2=COH2O (6) CH4H2OCO3H2 (7) 实践已经证明在气流床气化条件下，进行的为逆变换反应(6)、甲烷转化反应(7)，而不是正变换反应、甲烷化反应。反应(6)为吸热反应，焓变不大，化学平衡常数对温度不敏感。2.2.2 制备高浓度、高有效组分煤浆的技术思路 由以上反应可看出，制备高浓度、高有效组分的煤浆，降低进气化炉煤浆的水含量，是提高合成气有效气体组分(COH2)含量，降低消耗，实现经济运行的有效手段。制备优质煤浆的技术思路有以下几个方向。 (1)降低煤的内在水分 煤的内在水分是影响煤成浆性最直接的因素，选择内在水分低、成浆性能好的煤是一种方法；同样在制备煤浆前对煤进行低温热处理、选择性破碎，以减少不利于煤浆特性的惰性组分，提高水煤浆浓度，也可提高煤的制浆浓度。 (2)开发高浓度煤浆添加剂 通过对煤表面物化性质的研究，寻找与之分子结构相对应的优良添加剂，降低水煤浆中的含氧官能团和亲水官能团，减小空隙率，从而提高煤的制浆浓度。国内许多大学及研究机构一直在做这方面的工作，并取得了一定的进展。据悉南京大学水煤浆添加剂研究所已成功开发出新型优良添加剂，可以制得浓度在70以上的水煤浆。 (3)开发三元混合煤浆 降低煤浆中的水含量，增加有效组分，开发由煤、水或有机废水、油组成的三元混合料浆，改变现行由单一煤制浆的状况，提高进炉煤浆中的有效组分也是一个重要途径。淮化已成功实现用焦化含酚废水来制取气化用合格水煤浆。实验表明，由煤、水、油组成的料浆是一种复杂的固一液分散体系，属非牛顿流体中的假塑性流体，可采取强化搅拌的方式来改变煤浆的流变特性。2.3 气化过程的控制步骤及技术对策 气化炉反应温度在1400，如此高的温度下，气化过程受传递过程速率控制，炉内的混合过程是影响气化效果的关键，因此，技术对策将着眼于强化传递过程速率。2.3.1 采用粉煤或增大水煤浆中细颗粒含量 煤质量一定，外表面积大致与粒径成反比，气流床用粉煤外表面积比流化床用粒煤外表面积增加近百倍，传热、传质速率显著增加。2.3.2 优化混合 混合是影响气化效果的重要工程因素，气化炉因为化学反应是以分子接触为前提，如混合不均匀，富氧处将生成较多的CO2；富碳处碳的转化率势必降低。试验证明，喷嘴对置形成的撞击流更有利于混合。据悉，国内已成功开发出喷嘴对置的多喷嘴气化炉，并将运用到鲁南二期工程中。 撞击流是否会对炉衬形成严重的冲刷、磨蚀是人们普遍关心的问题，试验结果表明，单喷嘴射流运行工况下，炉壁处的最大速度3.5ms，而撞击流为2ms。2.3.3 炉体、喷嘴尺寸 在工艺条件一定的情况下，炉内流场、雾化的关键因素是炉体结构和尺寸以及喷嘴结构和尺寸。国内四厂家的德土古气化炉，其筒体高度和有效内径之比都在2.6左右，物料在炉内的停留时间为7s左右。实践证明，物料在气化炉内停留时间长，返混就好，气体中有效气(CO十H2)含量将上升。改变气化炉的高径比和喷嘴尺寸，增大喷嘴的雾化角，有效利用返混，可提高合成气中的有效气体含量。2.4 灰水处理系统的技改思路2.4.1 灰水系统对气化运行的影响 灰水处理系统对稳定气化操作很关键。经长时间运行，闪蒸罐及管壁会出现结垢，操作不稳定时，易出现壁垢脱落堵塞管道或卡住阀门，导致闪蒸罐液位高，满人换热器，使换热器效率变差，灰水质量下降，影响系统的稳定运行。因此，一般运行3个月就得停车清理闪蒸系统，此已成为影响德士古气化系统长周期运行的关键因素。2.4.2 技改思路 (1)设置两套灰水处理系统 上海焦化厂德士古气化的灰水处理系统就是这样的流程，正常情况一套投入运行，一套备用。一段时间后(23个月)，备用的一套投入运行，另一套切出进行检修、清理，检修完毕后重新投入备用，大大减少了因灰水处理系统故障而使整个系统停车的机率。 (2)增大开工冷却器的处理能力 开工冷却器只是在开、停车时使用，在气化炉温度、压力未正常之前，黑水由此冷却后直接排向沉降槽，正常后切向闪蒸，设计上能处理一台套气化炉的排放黑水。根据需要可把此换热器能力增大一倍或者再增加一台，以便在灰水处理系统出现堵塞时，把系统排放黑水全部导入开工冷却器，为灰水处理系统腾出检修清理时间，检修完毕后再把黑水重新切回。3 结束语 德士古煤气化技术在我国应用的十年里，国内几个厂家根据各自不同的工艺，现状对该技术进行了多项改进，包括为提高气化效率的气化炉型改进，为延长使用寿命的喷嘴尺寸调整，为解决带水问题的碳洗塔内件改造，为延长运行周期的锁渣系统改进等，使该技术在我国的应用越来越成熟可靠，也大大促进了德士古煤气化技术自身的发展，为该技术在我国更广阔的应用打下了坚实的基础。德士古煤气化炉合成气带水问题分析与探讨丁振伟，王 伟(兖矿鲁南化肥厂，山东滕州 277527) 2003-05-16 气化炉是德士古水煤浆加压气化装置的核心设备，它包括燃烧室和激冷室两部分，上部为燃烧室，内衬三层耐火材料；下部为激冷室，内有激冷环、下降管、上升管和折流挡板等主要部件。生产操作过程中时常发生激冷室合成气带水问题。本文我们将对气化炉带水的问题进行分析和探讨。1 装置流程简述 加压的水煤浆和氧气经过特制的工艺喷嘴喷入气化炉内后，水煤浆被高效雾化成细小的颗粒，与氧气在炉内13001400的高温下发生复杂的氧化一还原反应产生煤气，其主要成分为CO十H2，我们称为合成气；同时生成少量熔渣。合成气与熔渣出气化炉燃烧室后，在下降管的引导下，进入到气化炉激冷室液面下，在此熔渣被冷却固化后沉降到气化炉激冷室锥底，经锁斗收集后排出；合成气被冷却并吸收饱和水蒸气后出下降管，沿下降管与上升管之间的环隙鼓泡上升，离开上升管后被激冷室顶部的折流挡板折流，由激冷室合成气出口排出，经文丘里洗涤器去洗涤塔进一步洗涤除尘后，送变换工序。洗涤塔的补充水有三路：一路是高压灰水，由文丘里加入；另两路为冷凝液，分别由洗涤塔的塔盘和洗涤塔液位调节阀加入。出洗涤塔的水有两路，一路是去闪蒸处理的排放水；一路是去气化炉激冷环上的激冷水，为气化炉的补水。2 气化炉带水时的现象与危害2.1 异常现象 (1)气化炉的液位下降，气化炉去闪蒸的黑水调节阀自动关小(本装置用出气化炉的排水量来控制气化炉的液位)。 (2)合成气温度偏高，文丘里压差增大并出现波动。 (3)洗涤塔液位升高，洗涤塔补水阀关小。2.2 对系统的危害 (1)气化炉液位持续下降会导致减负荷生产，影响装置的生产强度。 (2)气化炉带水后，由于激冷室内直接接受自气化炉燃烧室来的熔渣、飞灰，系统内水质较差，大量灰分会随合成气夹带的水到达洗涤塔内，影响洗涤塔水质，也影响出塔合成气清洁度。 (3)洗涤塔液位升高，操作不稳，有时会引发洗涤塔带水，影响后工序运行。 (4)洗涤塔水质恶化，影响自洗涤塔抽取供气化炉激冷环激冷水的水质，长期运行会加剧气化炉激冷环结垢问题，并最终导致停车处理。 (5)由于气化炉黑水向闪蒸系统的排放量减少，黑水中的灰渣成分增加，容易堵塞气化炉去闪蒸系统的黑水管线，影响闪蒸系统的正常操作。3 气化炉合成气带水过程分析 合成气通过燃烧室的渣口进入到激冷环和下降管后，由于下降管内壁四周分布着激冷水形成的液膜，合成气与激冷水在并流下行的过程中即发生了传热、传质过程，部分激冷水蒸发成为饱和水蒸气进入合成气成为气相组分，合成气离开下降管后，在下降管与上升管的环隙间穿越激冷室水液层鼓泡上升。在合成气鼓泡上升的过程中，由于气体流速较快，合成气在溢出激冷室液面时会夹带部分水液，这些夹带的水液，一部分在随合成气经环隙上升的过程中，由于没有足够的功能，又落回到环隙的液层中；一部分撞击到上升管的内壁和下降管的外壁上，以液膜的形式流回到液层中；还有一部分在离开上升管后流经激冷室上部的折流板时，被分离沉降到激冷室液面上；只有一部分最终随合成气带出气化炉，经文丘里进入洗涤塔中。4 带水问题讨论4.1 从气体流速的角度 合成气带出的小水滴与气流输送中的固体颗粒有许多相似之处，液体的密度与固体的密度非常接近而与输送介质合成气的密度却相差甚远，这一点与气流床的情况很相似；另外小液滴作为一个质点在液面上运动时，受到气体的推动力和自身重力这两个力的作用，合成气中夹带的小液滴要以流化状态被带出气化炉，有一个带出速度的问题。我们以合成气夹带直径3mm的小液滴为例来计算，其带出速度为2.31ms，以鲁南装置现在的生产强度，合成气量为40000m3h，加上由激冷水气化产生的饱和水蒸气量(为合成气的1.4倍)，总气量为96000m3h，换算成气化炉操作工况下的气量为5688.8m3h，即1.58 m3s，激冷室下降管与上升管环隙的面积为0.391 m2，因此实际合成气在下降管与上升管环隙中的流速为4.04 ms，远大于3 mm液滴的带出速度2.31 ms。可见，气化炉合成气带水的量是很大的，这一点，我们在实际操作中深有体会。鲁南装置正常满负荷生产时，气化炉合成气带水量大约在25m3h，而在气化炉严重带水时，合成气实际带入气化炉的水量为50m3h，比正常时增加了25m3h，对系统的水平衡产生了严重的威胁。4.2 从传热、传质角度 在激冷室内，合成气与激冷水之间的传热过程属于两相流的沸腾传热过程，根据流体沸腾传热理论，其过程将随热流强度的增加而发生传热机理的转变，即；当热流强度增加到某一临界值时，传热过程将由高效的泡核沸腾转变为低效的膜状沸腾，此时气相中夹带大量的水沫。由于水沫的密度比液体的密度大大降低，这就使气体夹带液体所需要的能量大大降低，可以在气体流速并不太大的情况下发生大量带水的现象。这一理论可以成功地解释气化炉运行过程中的一个怪现象；当气化炉带水时，我们加大气化炉的排水量后，气化炉的液位不但不下降反而升高。这是因为排水量加大后，激冷室内激冷水的滞留时间相对缩短，激冷水的温度降低，这样合成气与激冷水之间的热流强度也就降低了，传热过程又从膜状沸腾转变为泡核沸腾，气相中不再有大量水沫出现，于是合成气带出的水量大大减少，激冷室的液位也就又升高了。5 解决合成气带水问题的应对措施 解决合成气带水问题我们可以试着从以下几个方面着手考虑。 (1)扩大上升管的直径，加大上升管与下降管之间的环形通道面积，降低气体的流速，减弱合成气对液相的冲击，降低夹带水的动能，从源头上