德士古煤气化工程技术问题探讨.doc

德士古煤气化工程技术问题探讨王旭宾(上海焦化有限公司 200241) 2004-04-16 德士古煤气化工艺自1993年在国内实现工业化运行以来，至今已有4套装置在国内运行，仍有几套在建设中。运行多年来，各装置都遇到了一系列的问题，主要分为两大类：(1)德士古煤气化工艺技术本身固有的缺陷；(2)工程技术方面的问题，包括工程设计、工程材料、工程设备等。这些问题是否能够得到有效解决或改善，关系到装置能否经济运行，是各生产厂值得关注的问题。 1 装置运行的总体状况 从国内几套装置多年来运行的情况看，都经历了一个试生产的运行阶段。这个阶段因各装置的设计、选用的设备及材料的不同，其长短处各异，经过各自的改造与完善，有些问题得到了彻底解决，而有些问题只是得到改善。这些问题所带来的后果，一是安全隐患，二是生产成本增加，三是增加了操作与检修工的劳动强度。上海焦化有限公司德士古煤气化装置近2年来的运行情况见表1，装置历年运行台时统计见图1。装置故障停车分析见表2，其中在工艺与设备故障中，相当一部分故障出于工程技术方面的问题。 据不完全统计，几套装置停车故障的原因约 30来源于工程技术方面的问题，因此彻底解决该方面的问题对德士古煤气化装置的经济运行将起着关键的作用。2 存在的主要工程技术问题及讨论 一项成熟的先进技术包含工艺技术的先进与工程技术的先进2层含义，并能在商业化生产中产生较大的经济效益与社会效益。就德士古煤气化技术而言，自20世纪80年代实现工业化运行以来，经历了漫长的工程技术开发与完善过程。上海焦化有限公司的德土古煤气化装置自1995年5月投入运行，8年来积累了较多的经验和教训。 2.1 气化炉耐火砖 气化炉向火面耐火砖是德土古煤气化技术面临的最主要的工程材料技术问题。煤气化工艺与天然气转化及油气化工艺不同，向火面耐火砖在经受高温及压力下激烈反应的同时，还将承受高温熔融煤灰的冲刷及侵蚀，使得耐火砖的寿命大大缩短。为了延长耐火砖的寿命及降低成本，从研究、设计、制造及使用厂家各方面都进行了大量的研究工作。近2年来，在延长耐火砖的寿命方面取得了可喜的进步，特别是部分条件具备的厂家采用局部更换与修补的方式，大大延长了整炉砖的寿命。各生产厂家的耐火砖使用寿命如表3所示。 延长耐火砖使用寿命的途径是多样的，根据经验，主要有以下几个方面： (1)研究抗冲刷、抗侵蚀性能强的优质耐火砖。近2年来，有关研究院所在研究高性能的耐火砖方面做了大量的工作，不断调整耐火砖的原料配方，并在加工工艺方面进行了大胆的探索，使砖的性能有了大幅度的提高。 (2)砖的结构设计改造，特别是锥口砖、拱顶砖的砖形设计。上海焦化有限公司近2年来在砖的形状上作了较大的改造，有效延长了炉砖的整体寿命，且大大有利于降低砖的成本、缩短检修周期。 (3)提高砖的制造质量。制造商不断提高自身制造高质量砖的水平，确保提供给用户的每一块砖都能达到规定的质量要求。 (4)高度重视筑炉技术。筑炉技术对砖寿命的影响往往被忽视，对于耐火砖在冷、热不同状态时所发生的轴、径向位移应在筑炉时予以认真考虑，这将大大有利于砖寿命的延长。 (5)使用低灰、低灰熔点、灰中低钙、低铁含量的煤。煤质对砖寿命的影响是最重要的因素之一，但由于生产厂在建厂时受资源配置的限制，往往又是很难选择的。 (6)在不影响正常运行的条件下，尽量降低操作温度，并减少开停车次数。 在延长耐火砖寿命方面，各生产厂都做了大量的工作，但效果不一。笔者认为，在众多因素中，煤质是最重要的因素之一。在多数情况下，生产厂家很难选择到既经济又稳定的优质煤源，这也正是本文要提出的德士古煤气化技术仍将面对的首要工程技术问题。2.2 激冷环 激冷环是激冷室内为冷却高温气体、保护设备而设计的一个关键部件，沿用了油气化炉的设计。在油气化工艺中，该激冷环的使用已暴露出了一些问题，以致在条件更为苛刻的煤气化工艺状况下，其问题更加突出，主要表现在整体产生裂纹、角焊缝产生裂纹、向火面处被连通孔进来的高速水流打穿孔、高温变形等。上海焦化有限公司在激冷环问题上曾经经历过一个非常艰难的过程，最严重时12个月就需更换或修补1次激冷环，以致影响到锥口砖的使用寿命及激冷室的正常运行。近几年来，上海焦化有限公司在激冷环的改造中投入了大量的精力，进行了多次改造，取得的经验主要有3点：(1)改变进水孔的直径、形状及数量；(2)改变连通进水孔的进入方向；(3)改变原有的加工工艺，以消除焊缝应力。上述措施取得了一定的效果，但仍未彻底解决使用中所遇到的问题，如激冷环水分配不匀而造成的下降管变形等。 2.3 激冷室结构 目前国内已工业化运行的4套德土古装置中，虽然各自的压力等级及负荷不同，但激冷室的结构设计尺寸却几乎相同，以致各装置都不同程度地出现带水现象，即激冷室的水大量带至后系统，使得气化炉高负荷运行受到限制，工况调节困难。近2年来，各装置的工程技术人员对激冷室的结构进行了大量的计算与研究，提出了大量的改造设想，其要点是：(1)加大、加长激冷室尺寸，以改善传热工况；(2)调整原设计的内部构件相互尺寸，以增强激冷室内的气液分离效果，减少气体中的液沫夹带量。但由于设计已定型，只能在现有基础上对内部结构件的尺寸作适当修改，因此所暴露出的问题也未能得到彻底解决。因此希望在新装置中大胆采用新的结构设计，有效解决存在的带水问题。 2.4 工艺喷嘴 工艺喷嘴是德士古煤气化技术的核心设备，其性能、使用寿命直接影响到整个装置的运行质量，装置的大部分技术经济指标都与工艺喷嘴有关。 工艺喷嘴的工作原理是利用从喷口高速(120130ms)喷出的氧气的动能来充分混和与雾化煤浆，以保证“雾状”的煤浆与氧气在气化炉短暂的停留时间内充分地完成反应。工艺喷嘴的结构与材料的选择是一对矛盾，往往一种较好的结构形式却对材料要求较高。目前工业化运行装置上的喷嘴形式均是三流式的预混喷嘴，其特点是从实用的角度出发，较好地实现了结构与材料的统一，但在应用中仍表现出性能不够理想(碳转化率 95左右，渣中残碳较高)、寿命较短(12个月就需停炉维修)的缺点。 在工艺喷嘴的使用、维护与管理上，上海焦化有限公司积累了大量的经验，基本保持在23个月对喷嘴进行1次小的修补与维护。同时在提高喷嘴的性能与使用寿命方面，上海焦化有限公司的工程技术人员一直没有停止研究与探索，但限于德土古煤气化技术的特性(水煤浆进料)、工程材料的技术现状及苛刻的使用条件，使得工艺喷嘴的技术一直未能得到突破。 工艺喷嘴与前面所述的耐火砖是德士古煤气化技术2项最致命的弱点。由于高速磨损与侵蚀，使得正常生产不得不停下来进行定期的调整。因此，德士古煤气化技术如果要得到大的发展，必须要在这2项工程技术问题上取得实质性的突破。 2.5 黑水、灰水系统 德士古煤气化工艺的特点之一是工艺用水量较大，但这些水量中约23是循环使用的，因此在德士古煤气化装置中都设计有1套黑水闪蒸冷却、固液沉降分离与灰水阻垢回用的工序。在实际运用中，各装置都遇到管道、机泵结垢与激冷环堵塞问题，只是程度不同而已。这种现象的发生，轻者影响生产负荷，严重时则须停车处理。其主要原因与煤质、水质及工程设计有关，因此根据各装置的经验与教训，对于新建装置笔者认为： (1)应根据装置所使用的煤质、水质，结合其设计，委托有关水处理专家或单位，对水系统进行认真研究，确定1套科学的水系统处理方案，并应力求效果与成本的最优； (2)工程设计时要避免硬度较高的水(如灰水)与碱度较高的水(如中压、真空闪蒸冷凝液)通过管道直接混和。 (3)使用阻垢性能较好（耐高温性能好)的阻垢剂。 (4)添加装置的设计要有利于操作工的配制与管理。 2.6 闪蒸系统耐磨件 在上海焦化有限公司的德土古煤气化装置中，高磨损区主要存在于闪蒸系统，包括减压角阀的底部三通及端板、闪蒸汽进入闪蒸罐的折流挡板、中压罐至真空罐黑水的调节阀后150250 mm区域直管段。 在最初设计时，以上几处都选用普通碳钢，磨损率曾高达0.01 mmh，后经普通碳钢内堆焊(复合)耐磨材料，减缓了磨损，但仍很严重。近2年来，上海焦化有限公司的工程技术人员与有关科研院所合作进行了多种耐磨材料的试验，取得了一定的成效，改善了因材料磨损问题带来的对生产装置连续运行的影响。笔者认为，要彻底解决磨损问题，还应从结构(配管)与材料2方面着手解决，即在强化材质的同时还应大幅度加粗、加长减压角阀后的直管，同时加大进入闪蒸罐的入口尺寸。对于新装置这是一条很有效的措施。 2.7 主要设备的相对无故障期 设备的相对无故障期是指符合质量要求的新设备或大修后的设备运行至开始出现影响装置正常运行的较大故障时的周期。这个周期根据工程设计、设备制造厂家及材料差异而不同，上海焦化有限公司主要设备的相对无故障期如表4所示。各装置相对无故障周期有所差异，但它们之间存在内在的联系与规律。根据装置的实际情况，可借鉴这个周期来做好装置的材料、备件与大修的计划及生产的计划管理。 目前德士古煤气化工艺技术在各生产厂家工程技术人员的共同努力下已逐步走向完善。上海焦化有限公司德士古装置自1995年运行以来，在工程技术方面已积累了几十条技术诀窍(部分已申报专利)，这些诀窍将有助于推动该技术走向更高水平。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