4-祝庆瑞-兖矿国泰运行总结论文07[1].04.doc

兖矿国泰日处理1000吨煤多喷嘴对置式水煤浆气化炉及配套工程项目建设和运行总结祝庆瑞 朱敏 孙永奎 丁辉(兖矿国泰化工有限公司 山东滕州277527) 摘要：介绍了兖矿国泰化工有限公司日处理1000吨煤多喷嘴对置式水煤浆气化炉及配套工程项目的由来、工艺路线、建设及运行情况。 兖矿国泰化工有限公司日处理1000吨煤多喷嘴对置式水煤浆气化炉配套24万吨甲醇、71.8MW燃气发电工程项目，是多产品联合生产系统示范工程，该项目包含了两个国家“863”计划课题，即“多喷嘴对置式水煤浆气化技术”和“煤气化发电与甲醇联产系统关键技术的研发与示范”。气化装置建设了两台操作压力为4.0MPa、日处理1000吨煤的多喷嘴对置式水煤浆气化炉，气化系统投资约2.4亿元人民币，为年产24万吨甲醇、联产71.8MW燃气发电装置供应煤气。该项目总投资为15.6亿元，于2003年8月1日正式开工建设，2005年10月试生产。2006年生产甲醇23.4万吨，发电2.3亿度。目前整个装置的运行已全面超过设计能力，日生产甲醇达到950吨，预计2007年甲醇产量将达到27万吨。1. 项目由来“新型(多喷嘴对置)水煤浆气化炉开发”是华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂(水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心)、中国天辰化学工程公司共同承担的国家“九五”重点科技攻关项目。该中试装置在兖矿鲁南化肥厂试车成功后，为发展中国自己的煤气化技术，形成具有完全自主知识产权的技术，在充分论证的基础上，依据以“项目带研发，以研发促项目”的思路，兖矿集团有限公司决定建设日处理1000吨煤多喷嘴对置式水煤浆气化炉及配套工程项目工业示范装置。在项目的立项过程中，同时向科技部申报并承担了国家“863”计划能源技术领域洁净煤技术主题“多喷嘴对置式水煤浆气化技术”和“煤气化发电与甲醇联产系统关键技术的研发与示范”课题的研究开发任务。2. 工艺技术方案及工艺流程煤气化采用多喷嘴对置式水煤浆气化技术，空分装置采用液氧内压缩流程，气体净化采用耐硫变换、NHD脱硫脱碳，甲醇合成采用均温型合成塔技术，精馏采用三塔精馏流程，硫回收采用克劳斯+还原吸收工艺，冷冻站采用氨吸收制冷，发电采用中热值燃气轮机联合循环发电。2.1 空分装置 本项目选用一套液空(杭州)有限公司生产的6.0万Nm3/h液氧泵内压缩流程空分装置。空分装置中的空气压缩机、空气增压机采用一台40MW全凝式蒸汽轮机驱动，启动平稳、运行稳定。是我国化工系统中目前投入运行最大的一套空分装置。2.2 气化装置本项目新上两台日处理1000吨煤多喷嘴对置式水煤浆气化炉，该技术由兖矿集团有限公司、华东理工大学及中国天辰化学工程公司共同开发，具有完全自主知识产权。该技术包括三个关键工序：水煤浆制备工序、四喷嘴对置气化及煤气初步净化工序、含渣水处理工序。气化原理及流程示意图如图1所示。图1 多喷嘴对置式水煤浆气化原理及流程示意图2.3 净化工艺方案变换：采用耐硫变换流程，以避免气体先冷却脱硫再升温变换的冷热病，减少了换热设备，简化了流程，节省了变换用的工艺蒸汽，降低了能耗。酸性气体(H2S、CO2)脱除：采用兖矿鲁南化肥厂第一家开发应用的NHD脱硫脱碳工艺，该工艺在常温下操作(-524)，尤其是在3.5MPa压力下，对H2S、CO2、COS选择吸收能力强，溶液挥发性小，无毒、无腐蚀。硫回收工艺：采用克劳斯+还原吸收硫磺回收技术，设备少，流程简单，排放气达到环保要求。冷冻采用氨吸收制冷技术，利用变换低位余热，以降低电耗。2.4 发电方案本项目发电部分采用中热值合成气燃料的燃气轮机/蒸汽轮机联合循环系统。具体流程为：来自气化的水煤气经有机硫水解槽水解，再经脱盐水加热器回收热量后送入NHD脱硫系统，煤气脱硫系统只设脱硫塔，其溶液的再生与甲醇变换气脱硫共用一套再生系统。煤气经脱硫后进入燃气轮机发电，烟道气直接进入余热锅炉产生蒸汽，蒸汽带动蒸汽轮机发电。 3. 装置建设情况2003年8月1日装置正式开工建设后，兖矿国泰化工有限公司项目建设指挥部针对地下管网和土建施工的实际状况，于2003年8月2日11月10日，发起了第一个“百日会战”，完成了工地的“四通一平”及地下管网和部分土建施工任务。2003年11月11日2004年春季，组织了“冬春会战”，全面掀起了基本建设的热潮。2004年2月，公司54米高的标志性建筑物气化炉框架和最高建筑物150米的锅炉烟筒相继完成施工。2004年底完成：甲醇净化六大塔吊装、两条10公里长的输水线路铺设、两台130吨循环流化床锅炉安装调试、110kV输变电线路冲击送电、第一台新型气化炉吊装等繁重的工作任务。2005年项目逐渐由土建施工转向安装试车阶段。项目建设指挥部从3月21日迅速组织了第二个“百日会战”，掀起了工程决战的施工高潮。7月21日，多喷嘴对置式水煤浆气化炉利用兖矿鲁南化肥厂14000Nm3/h空分装置提供的氧气一次投料试车成功；10月13日，6.0万Nm3/h空分装置试车成功，分离出合格的氧气；2005年10月15日16时，B#气化装置正式投入生产运行；10月17日1时，甲醇系统产出合格产品，公司基建、试车工作取得了决定性胜利。4. 气化流程介绍空分来的高压氧气和煤浆槽内的煤浆经两台煤浆给料泵加压后分别送至气化炉的四个工艺烧嘴，在气化炉燃烧室内进行部分氧化反应，生成的粗合成气、熔渣及未完全反应的碳，通过燃烧室下部的渣口与洗涤冷却水沿洗涤冷却管并流向下，进入气化炉洗涤冷却室，粗合成气被冷却后在洗涤冷却室的液位以下以鼓泡的形式进行洗涤和进一步冷却，由洗涤冷却室上部空间出气化炉。出气化炉的粗合成气经过混合器、旋风分离器、水洗塔洗涤除尘后送净化系统。水洗塔中部含固量较低的洗涤黑水经黑水循环泵加压后分两路，一路送入气化炉洗涤冷却环，另一路送入混合器作为洗涤润湿水。 熔渣在洗涤冷却室冷却固化，锁斗循环泵将锁斗上部的黑水加压循环回气化炉洗涤冷却室，黑水在向下流动的过程中将渣输送到锁斗，定期排出系统，经捞渣机后，装入渣车运到储存界区。图2 多喷嘴对置式水煤浆气化及初步净化流程简图 从气化炉、旋风分离器、水洗塔出来的三股黑水减压后进入蒸发热水塔蒸发室。在蒸发热水塔蒸发室内发生闪蒸，水蒸汽及部分溶解在黑水中的酸性气CO2、H2S等被闪蒸出来。通过上升管进入蒸发热水塔上部热水室，与低压灰水泵来的灰水直接接触，低压灰水被加热，经换热后未冷凝的闪蒸气体进一步冷却和气液分离，酸性气体排放至火炬燃烧排放。在蒸发热水塔蒸发室初步浓缩后的黑水进入真空闪蒸器，进行真空闪蒸。闪蒸后的气体经真空闪蒸冷却器换热降温，分离后排入大气。再次浓缩的黑水通过静态混合器与絮凝剂混合后进入澄清槽，澄清槽中澄清后的灰水溢流至灰水槽。灰水经低压灰水泵分三路，一路输送到蒸发热水塔热水室，加热后经高温热水泵提压到5.2MPa返回水洗塔作为洗涤水：第二路作为锁斗的排渣冲洗水；第三路少量灰水送废水处理装置处理后外排。 澄清槽内加入絮凝剂加速固体颗粒沉降，多次浓缩的黑水含固量达到30%以上，经澄清槽底流泵送入压滤机系统压滤处理，滤饼运出界外，滤液自流入滤液受槽，返回系统制备煤浆。 为保证系统安全运行，装置还设有一套安全联锁逻辑控制系统来保证整个生产装置的安全运行。生产装置运行时，当由于某种原因危及系统安全，安全联锁系统触发停车动作，气化炉按照原设定的程序进行自动停车，当只有一对或一只烧嘴的工艺参数变化到联锁值时，气化炉一对烧嘴跳车，另一对烧嘴正常运行，后系统减负荷运行，跳车烧嘴故障消除后进行带压连投，后系统恢复高负荷生产。5. 装置试车及运行情况日处理1000吨煤多喷嘴对置式水煤浆气化炉是由日处理20吨煤多喷嘴对置式水煤浆气化炉中试装置工程放大而来，一次性工程放大倍数达到50倍。为充分暴露多喷嘴对置式水煤浆气化炉从中试装置放大到工业装置中存在的问题，在气化装置已具备化工投料条件，但6.0万Nm3/h空分装置尚不具备运行条件的情况下，兖矿国泰化工有限公司大胆决策，新铺了一条从兖矿鲁南化肥厂14000Nm3/h空分装置到气化装置的高压氧气管线，借用兖矿鲁南化肥厂14000Nm3/h空分装置的氧气，于2005年7月21日对多喷嘴对置式水煤浆气化装置第一次化工试投料，一次投料成功，一次打通工艺流程，气化装置成功地连续运行80小时。2005年10月15日，6.0万Nm3/h空分装置具备运行条件后，B#气化装置正式投入生产运行，17日1:56甲醇装置产出合格甲醇。2005年11月26日，A#气化炉第一次投料。2005年11月29日成功实现了一对喷嘴停止工作后，通过消除触发安全系统的因素，在不降低气化炉操作压力(4.0MPa)的情况下，将停止工作的一对烧嘴通过带压连投，并入气化炉继续运行。2005年12月11日18日通过了由中国石油和化学工业协会组织的现场168小时工业运行考核，2006年1月8日在北京通过了由中国石油和化学工业协会组织的科技成果鉴定。5.1 装置初期运行情况日处理1000吨煤多喷嘴对置式气化炉配套24万吨甲醇装置于2005年10月15日投入运行后很快达到设计负荷, 且系统初期运行较平稳，到2005年底累计生产甲醇3.2万吨。但2006年1月中下旬，两台气化炉先后因拱顶超温而停车，给兖矿国泰化工有限公司组织正常的生产经营活动带来了相当大的困难。双炉拱顶同时出现拱顶砖超过正常烧蚀速率的问题，立刻引起了兖矿集团有限公司、华东理工大学的高度重视，意识到出现此问题的根本原因不单纯是开、停车频繁及操作原因。通过召开各种形式的专题会议，大家普遍认为兖矿国泰化工有限公司两台气化炉拱顶砖出现的寿命短的问题，是由中试装置向大规模工业化示范装置放大过程中出现的问题。一是烧嘴室离拱顶砖的距离(即气化炉的长径比)选择偏小，燃烧室顶部空间较小，撞击流的上升流股能量未完全释放，上升气流速度过快撞击到顶部耐火砖，造成冲刷；二是烧嘴速度偏高，撞击流上升流股火焰未能完全结束对拱顶砖造成烧损。5.2 实施技改情况及技改后的运行情况在设备结构暂时无法改变的条件下，华东理工大学建议通过改变喷嘴结构及严格控制操作负荷与操作压力的对应关系来改善上部空间火焰结构，从而改善拱顶耐火砖工作环境。根据华东理工大学的建议，在实际生产中严格控制喷嘴出口速度。并改变了拱顶耐火砖/预制块的设计，调整了工艺烧嘴的结构。经过优化，取得了良好的效果，目前拱顶耐火砖的使用寿命大大提高，已超过4000小时,满足了长周期运转的要求。实施技改后两台气化炉累计运行13400小时，其中A#气化炉累计运行6300小时，B#气化炉累计运行7100小时。因气化原因A#炉停车4次、B#炉停车6次，占总停车次数的29.4。系统整体运行趋于稳定，气化炉长周期运行负荷越来越高，由原来的煤浆流量在10.5m3/h增加至13.5m3/h，日产甲醇突破950吨；系统压力也越来越高，由原来的3.2MPa升高至3.75MPa。气化炉最长运行周期为A#气化炉于06年911月创造的68天运行时间(2006年9月8日23:35分A#气化炉投料开车，11月16日0:00因系统大修手动停车，共运行1632小时)。由于气化炉内流场不同，占气化炉耐火砖总量80的筒体砖(气化炉下部)使用情况较好，A#气化炉筒体砖使用8000小时，B#气化炉筒体砖使用9000小时，蚀损量较小，平均在20mm左右，预计使用寿命将突破15000小时。表1 气化炉6次长周期连续运行情况停车时间运行情况停车原因运行时间系统2006年4月19日15:53分单炉运行气化炉压力控制在3.8MPa燃机不具备条件，气化炉手动停车789hA2006年6月6日0:00气化双炉运行。气化炉压力：3.20MPa 系统大修计划停车1168hB2006年7月25日11:30使用混煤北宿:田庄:内蒙=3:3:4气化炉压力3.5MPa 空分跳车736hB2006年10月22日9:50双炉/单炉运行气化炉压力3.5MPa 计划停车更换拱顶耐火砖972hB2006年11月16日0：00双炉/单炉运行气化炉压力3.6MPa 系统大修1632hA2007年2月14日2：25双炉/单炉运行，使用混煤气化炉压力3.7MPa A系统停车更换拱顶耐火砖744hA工艺烧嘴是气化炉稳定运行的核心设备，其运行质量直接决定气化炉的运行状况。多喷嘴气化炉使用外混式预膜式烧嘴，平均使用寿命超过2个月(因为使用2个月左右的烧嘴不能满足气化炉的一个运行周期，为了效益最大化，有时会提前检修工艺烧嘴)。烧嘴最长使用寿命达到83天(06年11月24日07年2月14日安装于A#气化炉)，停车后拆检发现烧嘴顶部端面有轻微的裂纹，预计仍可运行1个月左右。针对A#、B#气化炉拱顶空间的不理想和没有备炉的实际情况，兖矿国泰化工有限公司正在新上一套多喷嘴对置式水煤浆气化系统，新建的气化炉在A#、B#气化炉的基础上，增大了燃烧室顶部空间。该气化炉已吊装到位。该套气化系统2007年8月即可投入使用。预计新上的第三台气化炉投入运行后，拱顶耐火砖的使用寿命将超过8000小时，整个公司的生产运行将更加优化。6. 多喷嘴对置式水煤浆气化技术的优点现两台多喷嘴对置式水煤浆气化技术运行稳定，截止到2007年2月底，兖矿国泰化工有限公司已累计生产甲醇31.1 万吨，发电3.2亿度。实践证明，多喷嘴对置式水煤浆气化技术具有以下优点：(1) 合成气中有效气成分(CO+H2)高。多喷嘴对置式水煤浆气化炉的有效气成分达到84.9%，比单喷嘴水煤浆气化炉高23个百分点。掺烧40的内蒙煤有效气成份超过83。(2) 碳转化率高。多喷嘴对置式水煤浆气化炉碳转化率达到9899%。可从渣中可燃物得到验证，单喷嘴水煤浆气化炉的渣中可燃物一般在2540%，而多喷嘴对置式水煤浆气化炉的渣中可燃物平均低于10%。(3) 消耗低。使用多喷嘴对置式水煤浆气化技术的兖矿国泰化工有限公司吨甲醇耗煤1.30吨，而使用单喷嘴水煤浆气化炉的兖矿鲁南化肥厂吨甲醇耗煤1.45吨，每吨甲醇可节约0.15吨煤。比氧耗降低约7.9%。(4) 多喷嘴对置式水煤浆气化技术更适合大型化。单喷嘴水煤浆气化炉只有一只工艺喷嘴，加大烧嘴间隙影响雾化效果，提高气化负荷受到限制。而多喷嘴对置式水煤浆气化技术由于有四只喷嘴，即使单炉日处理煤量达到2000吨的规模，每只烧嘴的负荷也只有500吨煤/天，不会影响雾化效果。(5) 带压连投。多喷嘴对置式水煤浆气化炉一对烧嘴跳车(非烧嘴自身因素跳车)，另外一对烧嘴维持后系统生产，跳车烧嘴可进行带压连投。而单喷嘴水煤浆气化炉因为只有一只工艺喷嘴，当出现跳车时该台气化炉需从系统中退出，若系统只有一台气化炉运行时，还会造成整个系统的停车，开、停车损失较大。据测算年产20万吨甲醇的装置，一次开停车费用超过50万元。(6) 长寿命的高温热偶。多喷嘴对置式水煤浆气化炉由于其流场和单喷嘴水煤浆气化炉有很大区别，决定了高温热偶具有寿命长的特点。热偶平均寿命一般大于2个月，这可以保障每个生产运行周期内气化炉均有温度指示，对于生产运行意义重大。而相同质量的高温热偶在单喷嘴水煤浆气化炉上使用寿命大约只有一周的时间，不利于指导生产运行。(7) 环保性能优。由于多喷嘴气化炉碳转化率高，渣中含碳量低，气化渣和滤饼粘度低，更容易进行渣、水分离，有利于现场的管理，可有效减轻环保的压力。兖矿国泰化工有限公司气化装置现已实现黑水的零排放，每吨甲醇的污水排放量低于1.1吨。(8) 气体净化处理工艺先进，带灰带水的现象有了明显的改善。气化炉出来的合成气先进入混合器与洗涤水混合，再进入旋风分离器分离，最后进入水洗塔洗涤，三单元组合，先“粗分”再“精分”，混合器后设置分离器，除去从气化炉出来的合成气带出的8090%的细灰，使进入水洗塔的合