Texaco煤气化工艺技术指标与经济效益评价系统的设计.doc

Texaco煤气化工艺技术指标与经济效益评价系统的设计国 蓉1 程光旭1 郑宝祥2 王 毅1 赵勇平2(1.西安交通大学环境与化工学院 710049) (2.陕西渭河化肥厂 渭南 714000) 2003-08-16 Texaco煤气化技术是由美国Texaco公司在重油气化的基础上开发成功的第二代煤气化技术，属于加压气流床气化工艺。与其它气化工艺相比，Texaco水煤浆气化工艺以水煤浆形式加料，简化了干粉煤给料及加压煤仓加料的问题，取消了气化前的干燥，节约能量。同时，气化采用1 3001 500的高温，气化压力达6.5MPa，气化效率高，煤转化效率高(达98以上)，无焦油等污染物，是一种工艺先进、可靠的气化工艺。国内目前运行中的Texaco气化装置有山东鲁南化肥厂、上海焦化厂、淮南化工集团以及陕西渭河化肥厂4套装置，这项新技术的应用与投产运行，使我国煤气化技术的应用又获得了进一步的发展。 目前各厂对这一新技术的技术指标、经济效益评价基本上都采用手工作业的方式，手工输入数据，用Excel等应用软件处理数据、输出报表，缓慢而且繁琐，工作量大，周期也比较长，无法及时、准确地评价工艺流程的运行状况。 国外一些公司虽然推出了计算、统计软件，但由于在设计时更多考虑广泛适用性，因此对于个别厂家来说，并不是很适合。笔者针对陕西渭河化肥厂的具体生产情况，开发了基于VB 6.0环境的Texaco煤气化工艺技术经济指标评价系统，并成功地应用于工厂的技术经济分析中。1 Texaco煤气化工艺流程分析1.1 Texaco煤气化工艺流程 Texaco煤气化技术属于加压气流床并流气化工艺，气化过程包括煤浆制备、煤浆气化、灰水处理和CO变换等工序。 煤、石灰石(助熔剂)、添加剂和NaOH经称量后加入磨煤机中，与一定量的水相混合，磨成一定粒度分布、浓度为6570的水煤浆，通过滚筒筛滤去较大颗粒后进入磨机出口槽，最后经磨机出口槽泵和振动筛送至煤浆槽中。煤浆槽中煤浆由高压煤浆给料泵送气化炉工艺喷嘴，与空分装置来的氧气一起进入气化炉，在l 3001 400温度下进行部分氧化生成粗煤气，经气化炉底部的激冷室激冷后，气体和固渣分离。粗煤气经喷嘴洗涤器进入碳洗塔，冷却除尘后进入CO变换工序。气化炉出口灰水经灰水处理工段4级闪蒸处理后，部分灰水返回碳洗塔作洗涤水，经泵进入气化炉，其余送废水处理。熔渣被激冷固化后进入破渣机，特大块渣经破碎进入锁斗，定期排入渣池，由捞渣机捞出定期外运。1.2 Texaco煤气化工艺中的关键设备1.2.1 气化炉 气化炉是圆柱形加压容器，内衬耐火材料，由上部燃烧室和下部激冷室组成，中间有激冷环，着下降管，具体结构见图1。 上部的燃烧室内衬4层耐火材料：第一层为高温层(向火面)，主要成份为Cr2O3，主要是抗煤融渣的侵蚀，其次是抗高温、高压气流和气流夹带的未氧化的煤粒及煤融渣的冲刷；第二层为保护层，主要材料是Al2O3，有部分Cr2O3，主要作用是为绝热创造条件，同时也充当安全衬里的作用，即在高温层整体厚度减薄时，确保装置在短期内继续运行；第三层亦为保护层，Al2O3含量很高，主要作用是提供绝热，以保证壳体温度在设计范围内；第四层为可压缩层，采用陶瓷毡，当产生热膨胀时，防止因壳体不均匀而使得保温层与壳体之间产生的压力不均匀。 气化炉激冷室主要由激冷环、下降管和上升管组成。激冷水经过激冷环分配室的小孔喷射进入激冷室，沿下降管内表面流下，与煤气并流接触，完成降温、增湿、除灰等作用。1.2.2 烧嘴 Texaco气化工艺中使用的烧嘴有预热烧嘴和工艺烧嘴2种。气化炉养护及气化炉预热的初始阶段，使用预热烧嘴。工艺烧嘴用于煤气化阶段，水煤浆及氧化剂通过工艺烧嘴进入气化炉反应室，发生气化反应。Texaco工艺烧嘴端部结构见图2。 工艺烧嘴是煤气化的关键设备之一，其雾化性能直接影响产品气的成份和转化率；其寿命及运转状况直接影响到气化的技术指标与经济效益；火焰的刚性直径和长度不但影响气化的技术指标与经济效益，同时也影响着气化炉的寿命。因此烧嘴的设计、制造、安装及更换都是非常重要的。1.2.3 磨煤机和煤浆泵 磨煤机与煤浆泵是煤浆制备系统的主要设备。煤浆泵的作用是将水煤浆泵送至气化炉，所以其运行状况直接关系到整个装置的运行。磨煤机又分球磨机、棒磨机等不同的型式，是制备高浓度水煤浆的关键设备。 2 技术指标与经济效益评价的基础 2.1 评价的理论基础 气化炉中总反应可表示为： 2.2 评价的工艺基础2.2.1 原料煤的工业分析数据 Texaco煤气化工艺对原料煤的适应性较强，但最好选择灰熔点为1 300左右、灰含量低于20的煤种。 作为低灰熔点的煤种，甘肃华亭煤被选作气化原料煤，其工业分析数据与热值见表1，原料煤元素分析见表2。2.2.2 气化装置运行参数 气化装置运行参数见表3、表4与表5。2.3 评价指标的计算方法 在分析气化工艺反应机理的基础上,选取了如下指标作为评价的主要参数,并通过对气化工艺进行物料衡算、热量衡算，得到了如下的指标计算方式：3 技术指标与经济效益评价系统的设计与实现3.1 系统的需求分析 通过仔细分析，评价系统具有如下需求。 (1)系统功能需求 在系统功能方面，要求进入、退出系统应有明显的命令及提示，能够设置打印机型号等参数，能够不退出系统而更改当前用户(即注销)，并且有联机帮助及使用说明。 (2)数据库管理功能需求 在数据库管理方面，要求能够建立和删除数据库、修改数据库信息等；能够对数据库的信息按照不同项目进行统计；可方便地导入、导出数据并进行备份和恢复；通过权限设置，保证数据库不受非法访问。 (3)报表管理功能需求 在报表管理方面，要求能够建立和删除报表、修改报表信息；报表信息能够与数据库信息保持同步；能够打印报表；可编辑输出格式；能够将报表输出并保存为Word文档格式。 3.2 评价系统结构及运行流程 通过上述流程分析、工艺分析及需求分析，开发了Texaco煤气化工艺技术经济指标评价系统。系统分为系统功能、统计数据库管理、用户数据库管理及报表管理几个部分，总体结构如图3所示，系统运行流程见图4。 3.3 系统编码及数据库设计 系统采用微软公司的VB 6.0可视化开发工具作为本软件的开发工具。这种新型的程序设计语言使得开发过程中代码量少、程序测试量少，而且程序更容易阅读和维护，大大提高了系统开发速度。 通过对系统的规模、使用环境、用户要求等因素进行分析，本系统数据库部分采用单层数据库处理模式即可完成，现采用流行的Microsoft Access7.0作为后台数据仓库。Access 7.0数据库符合关系型数据库模型的标准，采用表处理，支持SQL查询语言，完全符合本软件的要求。 系统能够完全替代现有的手工劳动计算所需数据，能够根据所得计算结果评价气化装置的运行状况，能够根据输入参数预测装置运行态势并对危险状况预警。系统还具备强大的报表功能，能够建立和删除报表、修改报表信息，报表信息能够与数据库信息保持同步，能够打印报表，可编辑输出格式，能够将报表输出并保存为Word文档格式。另外，系统的用户管理功能既方便用户使用，又极大地加强了系统的安全性、保密性。同时该软件支持多用户、多数据库、多报表、多权限，使用安全可靠。 4 结语 “Texaco气化炉技术指标与经济效益评价系统”软件集参数计算、指标分析、数据库管理于一身，可对气化工艺的消耗实现定量分析与评价，从而实现对气化工艺的优化控制，因此具有良好的应用前景。 德士古工艺烧嘴的技改小结韩承结(安徽淮化集团有限责任公司，安徽淮南 232038) 2007-05-140 前 言 我公司“1830”工程气化工序采用的是德士古水煤浆加压气化工艺，为美国德士古公司的专利技术。投用后，气化炉工艺烧嘴的使用周期很短，基本只能维持10d左右，有时不到1周，远达不到设计使用寿命(连续运行40d)，严重制约了系统的正常运行和经济效益。在公司相关技术人员的努力下，经反复攻关，终于将这一难题成功解决。现工艺烧嘴的使用周期一般都在35d左右，最长连续运行51d，满足了系统正常生产的需要，也使“1830”系统工程基本达到了项目设计初期的预计经济指标。1 工艺烧嘴基本情况 德士古炉工艺烧嘴(见图1)为两套管、三通道、外加冷却水盘管结构，从内至外分别为中心氧管、煤浆管以及外环氧管。外环氧管与煤浆管所夹环形通道经流介质为纯度99.6、压力为5.0MPa的氧气，从中外喷头所夹环隙喷出，其作用是使原料煤浆均匀雾化并与之发生化学反应使其气化；中间煤浆管与中心氧管之间通道经流介质为浓度62、压力4.1MPa的原料煤浆，从中喷头喷出，进入气化炉内与氧气发生化学反应生成产品煤气；内侧中心氧管经流介质为与外环氧同一来源的高压氧气，从内喷头喷出后与原料煤浆混合，出烧嘴后最终亦参与化学反应。中心氧的另一个主要作用是利用其出烧嘴后与炉膛内的压差所产生的流速，牵引烧嘴的火焰，使气化反应区域在炉膛内达到一个理想的范围。 图1中，C为外环氧通道宽度，即外环隙，设计值为3.320.25mm；H1为内喷头出口至外喷头出口端面距离，设计值为69.85mm；D2为中喷头出口外径，设计值为38.40.05m。2 发现的问题 (1)烧嘴投用数天后煤浆压差开始下降，随即产生波动；降低负荷后情况有所好转，但不能长时间维持。 (2)以筒体最上层T1438坡面炉砖与其下的T1437砖交接处为中心，有一明显的圆周状 冲蚀带，且发展较快。 (3)烧嘴外头端面均有裂纹，外喷头喷口四周向内收缩，过渡段外圆弧面有明显烧蚀。3 原因分析 仔细观察烧嘴并测量相关尺寸参数后发现，随着在炉内运行时间的延长，工艺烧嘴外头端面产生裂纹的数量和深度以及喷口四周向内收缩的幅度逐渐增大，直接导致的后果就是中外喷头之间的环隙减小。经统计，环隙每日减小量约0.05mm；进一步比较不同使用时间的烧嘴状况发现，环隙的减小在第一个星期较快，往后有减慢的趋势。查阅生产报表发现，烧嘴在整个正常运行时段内，各通道介质流量基本相同，变化极小。据此并通过计算(具体计算略)，找到了导致烧嘴产生波动、最终不能使用的原因所在，即：烧嘴在运行过程中，外头受炉温的影响，喷口处发生收缩，使外环隙减小，导致外环氧气出口流速不断增大，10 d左右外环氧出口流速即可增加约20，流速绝对值增加约40 ms，直接后果就是带动煤浆出烧嘴流速增大，使煤浆压差减小，引起烧嘴波动，无法继续使用。 对于炉砖的过度烧损可做如下解释：外头出口处烧缩后，其内表面不再平直，变成了弧面。这样，在环隙减小、外环氧出口流速增大的同时，外环氧喷出方向亦发生了改变，出口角度大于正常的30，引起煤浆雾化区域上移，且向四周喷射速度增大，燃烧着的煤浆流直接冲蚀炉砖，产生如前所述的炉砖损坏。 以上分析还可以很好地解释烧嘴在出现波动后，减负荷可使运行状况好转的现象：负荷降低后，外环氧量也会随之减小，流速下降，引起煤浆压差减小的因素部分消失，烧嘴的运行状况也就向正常状态移动。4 技术改造 根据分析结果，烧嘴的波动及炉砖损坏的根本原因就是外头的烧缩。针对这一情况，首先想到的是直接消除外头端面喷口处的收缩。要做到这一点，必须使用耐温性能更好的材料替代现用材料。但经多方查询，最终不得不放弃这条途径。因为在用的烧嘴外头前端所用的UMCO50材料是日本为满足航天工业需要专门研制的特种材料，它不但在1 200以上仍能保持良好的机械性能，同时具有能够满足烧嘴焊接要求的良好的焊接性能，目前还找不到更好的替代品。 在更新材料的方案被否决后，不得不采取改变原设计尺寸的措施。因为我们注意到，在烧嘴入炉后到出现压差波动之前这一段时间的运行是稳定的，且各项运行参数基本保持不变。而外头的收缩则是随烧嘴的投用就开始发生的。这说明：烧嘴的外环隙是允许在原设计基础上有一定量的减小，只是当减小幅度超过允许范围时，烧嘴才不可用。据此可以假设：如果将外环隙做成比标准值大一定量，那么它收缩到极限值所需时间必然会延长，也就等于延长了使用周期。当然，这种做法的前提条件是扩大环隙后烧嘴能正常运行。为慎重起见，开始只做了少量的调整，即将标准环隙从3.32mm增至3.6mm，投用后正常。经数次试用，在相同条件下烧嘴的使用周期明显延长，平均达18d。经过进一步的观察和分析后，把外环隙从3.6mm又扩至3.9mm再次试用，结果运行周期进一步延长，烧嘴平均使用寿命达30 d以上，能够满足烧嘴连续运行1个月的需要。至此，困扰我公司“1830”工程的难题终于得到了解决。 至于外头过渡段的烧蚀问题，在查阅相关资料后发现，外头过渡段所用材料INCONEL 600的耐温性能不如外头前端所用的UMCO 50材料，相差200左右。于是要求外头供应商在制作时将过渡段材料改为UMCO 50，使问题得到了解决。5 重要参数及检修要点5.1 外环隙 如前所述，外环隙是保证烧嘴使用周期的关键参数。因此，中、外管的长度必须计算正确，以确保喷头焊接后环隙值基本在要求范围内，微调则可采用更换外氧管法兰垫子进行。另外，要保证环隙值的真实性，这一点需特别重视，原因有二：一是确保环隙的真实是一项精细的维修工作，稍有疏忽，即可产生虚假环隙；二是因其结构特点决定了烧嘴检修完工组装好后将无法再核实环隙的真实性。外环隙的真假主要体现在中头定位块与外头内壁的配合精度上，要求外喷头在焊接前严格测量其内径大小，以此来确定中喷头定位块的间距及需增减的量，以确保定位块单侧总间隙在规定的0.1mm范围内。如果某一只(或对)定位块与外头配合间隙过大(间隙过小装配困难，负间隙则无法装配)，则环隙为虚假值。当存在这种情况的烧嘴投用后，在温度、振动等各种因素的影响下，中、外管稍有变形，环隙即发生偏移，其后果就是在圆周方向上产生喷射不均(即通常所说的“偏喷”)，引起一侧炉壁温度过高，气化炉不能继续运行。5.2 内外喷头顶面间距 该间距(图1中的H1)决定了中心氧受煤浆阻力的大小，即中心氧出烧嘴时与炉膛内的压差，也就是说它决定了中心氧出烧嘴时的喷射速度。因此，内外喷头顶面间距直接影响到烧嘴喷出的火焰长度(反应区域的大小)，左右着气化炉的运行状况。所以该间隙尺寸是除环隙之外的另一个决定烧嘴运行效果的重要参数。其微调与调整外环隙相似，也可采用更换中心氧管法兰垫的方法进行。5.3 外喷头的修复 随着使用时间的推移，外喷头在炉内高温的作用下会不断受到损伤。由于喷头材料特殊、价格昂贵，因此只要