PDP_大唐气化工艺包.doc

非熔渣 -熔渣氧气分级煤气化工艺设计包(大唐呼伦贝尔化肥有限公司 )燃气轮机与煤气化联合循环国家工程研究中心（清华大学热能工程系代章）北京达立科科技有限公司二 OO 八年十一月声明本工艺设计包所包含的信息为机密资料，其版权归属于清华大学，仅供授权使用。未经清华大学的书面许可和授权，任何单位、组织和个人不得将这些信息的部分或全部复制、公开或用作其它任何用途，否则将视为侵权。清 华 大 学 煤 气 化 工 艺 包目录目录大 唐 呼 伦 贝 尔18-30 化 肥 项 目第一部分基础信息 .11.1 概述 .11.1.1 项目概述 .11.1.2 氧气分级气化工艺描述 .11.2 设计基础 .41.2.1 规模 .41.2.2 可用率及可靠性 .51.2.3 原料煤 .51.2.4 助熔剂 .61.2.5 氧气 .61.2.6 二氧化碳 .61.2.7 设备设计 .71.2.8 排放 .71.3 公用工程 .81.4 气象条件 .111.4.1 自然条件气温 .111.4.2 湿度 .111.4.3 大气压 .111.4.4 降雨量 .111.4.5 雪载荷 .121.4.6 风 .121.4.7 主导风向 .121.4.8 雷暴 .121.4.9 冰冻 .121.4.10 其他 .121.4.11 地震 .121.5 规范及标准 .13本 工 艺 包 属 清 华 大 学 ， 未 经 授 权 和 许 可 ， 不 得 复 制 、 公 开I大 唐 呼 伦 贝 尔18-30 化 肥 项 目目录清 华 大 学 煤 气 化 工 艺 包第二部分工艺流程 .142.1 工艺流程描述 .142.1.1 水煤浆制备 .142.1.2 氧气分级气化炉 .142.1.3 合成气洗涤 .182.1.4 粗渣处理 .182.1.5 灰 /黑水处理.192.1.6 细渣处理 .212.2 工艺流程图 .212.3 热量和物料平衡 .222.4 公用工程汇总 .432.4.1 电力 .432.4.2 循环冷却水 .442.4.3 新鲜水 .442.4.4 脱盐水 .442.4.5 氮气 .442.4.6 蒸汽 .452.4.7 液化气 .452.4.8 锅炉水 .452.4.9 絮凝剂 .452.4.10 分散剂 .452.5界区条件表 .452.6三废排放量、组成及处理方法 .462.6.1固体废物 .462.6.2废气 .462.6.3废水 .47第三部分主要设备设计及说明 .483.1 主要设备列表 .483.2 主要设备说明 .503.2.1 搅拌器类设备 .503.2.2 塔类设备 .52第 II页本 工 艺 包 属 清 华 大 学 ， 未 经 授 权 和 许 可 ， 不 得 复 制 、 公 开清 华 大 学 煤 气 化 工 艺 包目录大 唐 呼 伦 贝 尔18-30 化 肥 项 目3.2.3 换热器类设备 .543.2.4 反应器类设备 .573.2.5 研磨类设备 .683.2.6 沉降过滤设备 .703.2.7 罐、槽、容器类设备 .713.2.8 喷射器类 .723.2.9 泵 .773.3 主要设备供应商 .903.3.1 高 /低压水煤浆泵 .903.3.2 煤浆槽搅拌器 .903.3.3 分级气化炉 .903.3.4 气化炉耐火层 .913.3.5 破渣机 .913.3.6 工艺烧嘴 .923.3.7 激冷水泵锁斗循环泵高压灰水泵 .923.3.8 专用仪器制造商 .923.4 材料选择指南 .933.4.1概述 .933.4.2水煤浆制备 .933.4.3氧气分级气化 .933.4.4粗渣处理 .933.4.5合成气洗涤 .943.4.6灰/黑水处理.943.4.7细渣处理 .94第四部分初步管道和仪表图 .954.1 概述 .954.2 初步管道和仪表图 .96第五部分安全系统 .975.1 气化炉安全系统 .975.1.1 概述 .97本 工 艺 包 属 清 华 大 学 ， 未 经 授 权 和 许 可 ， 不 得 复 制 、 公 开III大 唐 呼 伦 贝 尔18-30 化 肥 项 目目录清 华 大 学 煤 气 化 工 艺 包5.1.2 气化炉开停车时序描述 . 1005.2 气化炉温度测量仪表 . 1045.2.1 气化炉高温热电偶 . 1045.2.2 气化炉表面测温元件 . 1055.3 在线分析仪表 . 1065.3.1 洗涤塔出口合成气在线分析仪表 . 1065.3.2 烧嘴冷却水气体分离器 CO 在线分析仪表 . 1075.4 自控阀门 . 1085.4.1 氧气阀 . 1085.4.2 煤浆阀 . 1095.4.3 氮气阀 . 1095.4.4 黑水减压阀 . 1095.4.5 合成气出口遥控阀和压力调节阀 . 1105.5 锁斗系统 . 1125.5.1 锁斗循环的设计 . 1125.5.2 锁斗循环逻辑步骤 . 1145.5.3 锁斗阀门设计 . 1165.5.4 锁斗冲洗水罐设计 . 117第六部分运行操作 . 1186.1 概述 . 1186.2 初次启动的准备 . 1186.2.1 试车 . 1186.2.2 气化炉耐火层养护和预热 . 1216.3 正常启动程序 . 1236.3.1 启动前条件 . 1236.3.2 气化部分的启动 . 1246.4 正常运行程序 . 1266.4.1 给料速率的影响 . 1266.4.2 气化炉的变负荷操作 . 1276.4.3 合成气甲烷 . 1276.4.4 磨煤系统运行 . 127第 IV页本 工 艺 包 属 清 华 大 学 ， 未 经 授 权 和 许 可 ， 不 得 复 制 、 公 开清 华 大 学 煤 气 化 工 艺 包目录大 唐 呼 伦 贝 尔18-30 化 肥 项 目6.4.5 沉降槽运行 . 128第七部分分析测试 . 1297.1 概述 . 1297.2 取样的一般规定 . 1297.3 取样说明 . 1307.4 分析测试要求 . 1317.4.1 固体物料分析要求 . 1317.4.2 液体物料分析要求 . 1327.4.3 气体物料分析要求 . 133第八部分安全手册 . 1358.1 概述 . 1358.2 主要材料安全数据 . 1358.2.1 氢气 . 1358.2.2 氧气 . 1388.2.3 硫化氢 . 1408.2.4 氮气 . 1438.2.5 一氧化碳 . 1458.2.6 二氧化碳 . 1488.2.7 1.1.1- 三氯甲烷 . 1508.2.8 二氯甲烷 . 1538.2.9 甲烷 . 1558.2.10 四氯化碳 . 158本 工 艺 包 属 清 华 大 学 ， 未 经 授 权 和 许 可 ， 不 得 复 制 、 公 开V清 华 大 学 煤 气 化 工 艺 包1.1 概述 1.1.1 项目概述第 一 部 分基 础 信 息第一部分基础信息大 唐 呼 伦 贝 尔18-30 化 肥 项 目大唐呼伦贝尔化肥有限公司由中国大唐集团公司于2007年在呼伦贝尔市投资成立，公司以呼伦贝尔市富集的煤炭资源为基础，是围绕煤炭开发 项 目 的 企 业 。 公 司 正 在 建 设 的 “ 18-30 ” 化 肥 项 目 是 呼 伦 贝 尔 市 海 拉 尔区重点招商引资项目，也是中国大唐集团公司、大唐吉林发电有限公司实施战略转型和多元化发展的重要步骤。经过深入的技术比较和讨论，大唐呼伦贝尔化肥有限公司（以下简称大唐呼伦贝尔）与清华大学和北京达立科科技有限公司达成协议，在大唐呼伦贝尔建设一座以煤为原料的气化装置，采用非熔渣 熔渣氧气分级（ FJ）气化工艺生产合成气。本工艺设计包（ Process Design Package，PDP ）详细说明了采用 FJ 气化工艺以纯氧和水煤浆为原料生产合成气必要的工艺信息、基础设计和详细的技术说明，包括水煤浆制备单元、气化单元、灰 /黑水处理单元和渣处理单元。根据本工艺包提供的信息，有资质的设计公司能够完成项目的详细工程设计。1.1.2 氧气分级气化工艺描述非熔渣熔渣氧气分级气化工艺是由清华大学（ Tsinghua University，TU）、北京达立科科技有限公司和山西丰喜肥业（集团）股份有限公司共同开发的具有自主知识产权的气化工艺，利用氧气（空气或者富氧）对含碳物质进行部分氧化来生产粗合成气（主要成分为一氧化碳和氢气）的过程。原料（水煤浆、干煤粉或者其它含碳物质）通过给料机构和燃料喷嘴进入气化炉的第一段，采用纯氧作为气化剂，采用其它气体（如纯氧或与O2以任意比例相混合的 CO2、N2、水蒸汽等）作为预混气体调节控制第一段氧气的加入比例，使第一段的温度保持在灰熔点以下；在第二段再补充部分氧气，使第二段的温度达到灰熔点以上并完成全部的气化过程。本 工 艺 包 属 清 华 大 学 ， 未 经 授 权 和 许 可 ， 不 得 复 制 、 公 开第 1页大 唐 呼 伦 贝 尔18-30 化 肥 项 目第 一 部 分基 础 信 息清 华 大 学 煤 气 化 工 艺 包从界区外的煤预处理工段来的碎煤加入煤斗中，煤斗中的煤经过煤称重给料机送入磨煤机。来自研磨水槽的水通过研磨水泵送到磨煤机。来自添加剂地下池的水煤浆添加剂先进入添加剂槽中，再通过添加剂泵送到磨煤机中。从界区外来的石灰石送到石灰石斗中，在必要的时候石灰石通过石灰石螺旋给料机送到磨煤机。在磨煤机上装有控制水煤浆 PH 值和调节水煤浆粘度的添加剂管线。在磨煤机中，煤、水和各种添加剂一同磨制成浓度大约为 60%的水煤浆，通过磨煤机出口的滚筒筛，滤去较大颗粒后，进入磨煤机出料槽，由磨机出料槽泵送进煤浆槽中。煤浆槽中的煤浆由高压煤浆泵送入气化炉顶部一个三通道工艺烧嘴的环隙通道，空分装置来的氧气以一定的压力和温度经氧气流量调节阀、氧气切断阀后，一部分通过工艺烧嘴的外环通道进入气化炉，另外一部分通过气化炉侧壁上的二次氧气喷嘴进入气化炉。用于调节喷嘴附近区域温度的其它气体（如纯氧或与O2以任意比例相混合的 CO2、N2、水蒸汽等）通过工艺烧嘴的中心通道进入气化炉。在气化炉内煤粉、氧气、水和气体等在高温、高压条件下发生复杂的氧化还原反应，生成以CO、H2、CO2为主要成分的合成气，气体经洗涤后，作为气化产品送往下游工序。气 化 炉 分 上 下 两 部 分 ， 上 部 为 非 熔 渣 -熔 渣 燃 烧 气 化 室 ， 下 部 为 激 冷室。在燃烧气化室内反应生产的粗合成气以及在高温下熔融的煤中的灰渣通过激冷环和下降管进入激冷室。在下降管上布置有激冷水雾化喷嘴，使合成气和熔融的灰渣在进入激冷室的过程中被逐渐冷却，从而可以减少激冷室液位的波动，并减少大渣的形成。在激冷室下部充满水，合成气在水中激冷，同时大部分熔渣及残碳以灰渣形式从合成气中除去。根据灰渣粒度大小以两种形式排出：粗渣从锁斗排放，细渣则随着黑水一起送到闪蒸系统。粗渣和水的混合物通过循环水流的循环作用，经锁斗安全阀、锁斗进口阀进入锁斗。锁斗程序启动后，当排渣时间到时，锁斗进口阀关闭，锁斗减压阀打开，锁斗开始减压。减压后打开锁斗出口阀，锁斗内的渣和水靠重力的作用自流到渣池。粗渣排入渣池的第一室，开始隔离两室的溢流阀保持关闭，固体灰渣第 2页本 工 艺 包 属 清 华 大 学 ， 未 经 授 权 和 许 可 ， 不 得 复 制 、 公 开清 华 大 学 煤 气 化 工 艺 包第 一 部 分基 础 信 息大 唐 呼 伦 贝 尔18-30 化 肥 项 目沉降到刮板输送机上，通过刮板输送机把固体运出渣池，约 5 分钟后，溢流阀打开，较澄清的上部黑水送入渣池第二室，用渣池泵送至真空闪蒸罐。合 成 气 洗 涤 塔 下 部 的 灰 水 经 过 激 冷 水 泵 加 压 后 送 入 激 冷 室 内 的 激 冷环和位于下降管上的激冷水喷嘴。合成气洗涤塔底部排出的黑水与气化炉激冷室来的黑水一起送往闪蒸系统，进行热量回收和细渣处理。气化炉工艺烧嘴的头部有冷却水夹套，夹套上部为冷却水盘管，烧嘴冷 却 水 经 水 夹 套 和 盘 管 受 热 后 经 过 烧 嘴 冷 却 水 气 液 分 离 器 回 到 烧 嘴 冷 却水槽，用烧嘴冷却水泵加压后送入烧嘴冷却水冷却器。在冷却器中冷却后送入烧嘴冷却水系统。从 气 化 单 元 气 化 炉 的 激 冷 室 和合 成 气 洗 涤 塔 来 的 黑 水 进 入 灰/ 黑 水 处理单元的高压闪蒸罐减温减压，然后经过真空闪蒸两级闪蒸及沉淀，灰浆浓缩到 1020% 送往过滤机过滤，含水 40 60%的滤饼送出界区。经过滤机过滤除去绝大部分细渣的灰水进入滤液池，滤液池的滤液由滤液池泵送入沉降槽处理。FJ气化工艺技术的要点是：（1）氧气分级供给，气化炉工艺烧嘴和侧壁氧气喷嘴分别加氧，使气化炉工艺烧嘴的氧气量可脱离炉内部分氧化反应所需的碳与氧的化学当量比约束；（ 2）由于氧气分级供给，可以在工艺烧嘴采用氧含量从 0100%的不同气体作为工艺烧嘴预混气体，调整火焰中心的温度和火焰中心距离工艺烧嘴端面的距离，降低气化炉工艺烧嘴端部的温度。FJ 气化工艺技术许可包括：（ I）原料制备；（II）氧气分级气化；（III ）合成气洗涤；（IV）固体处理；（V）灰 /黑水处理；（ VI）副产品的处理和回收。根据项目不同，技术许可范围会有所变化。清华大学一般会根据实际情况修改 PDP 的范围，以适应不同项目的工程范围。因此，不能把本 PDP的工艺和范围看作是 FJ 气化工艺的定义。大唐呼伦贝尔项目的气化工艺是以纯氧和水煤浆为原料，在气流床气化炉中煤和氧气进行部分氧化还原反应，生成以一氧化碳和氢气为主的合成气。本项目采用呼伦贝尔当地褐煤作为原料，成浆性和煤浆质量较差。为了提高煤的成浆性，降低气化成本，本项目煤浆制备部分采用煤炭科学研究总院国家水煤浆工程技术研究中心的高效分级研磨制浆工艺，本工艺包 中 涉 及 煤 浆 制 备 的 部 分 是 由 国 家 水 煤 浆 工 程 技 术 研 究 中 心 完 成 并 提 供本 工 艺 包 属 清 华 大 学 ， 未 经 授 权 和 许 可 ， 不 得 复 制 、 公 开第 3页大 唐 呼 伦 贝 尔18-30 化 肥 项 目的。1.2 设计基础第 一 部 分基 础 信 息清 华 大 学 煤 气 化 工 艺 包本 PDP 中的数据、图表和要求等是根据 FJ 气化工艺的基本原理、工艺 原 则 以 及 大 唐 呼 伦 贝 尔 提 供 的 煤 样 在 清 华 大 学 实 验 室 测 试 的 基 础 上 来计算和编制的。这些煤样是在清华大学的气化研究设备上进行测试的。客户：地点：进料：大唐呼伦贝尔化肥有限公司内蒙古自治区呼伦贝尔市海拉尔区谢尔塔拉镇海拉尔褐煤最终产物：合成气经过设计单位中石油东北分公司和大唐呼伦贝尔化肥有限公司协商，本工程 FJ 气化工艺装置由下面部分组成：两台氧气分级气化炉，每台气化炉的设计容量占工厂总容量的 80%。正常生产时两台气化炉以满负荷的 60%全开，当一台气化炉检修时，另一台气化炉全开，系统以 80%运行。每台氧气分级气化炉配备一套排渣系统和一条合成气洗涤生产线。与气化炉相对应，每套排渣系统和每条合成气洗涤生产线的设计容量占工厂总容量的 80%。一条灰水处理、黑水闪蒸和细渣处理生产线，每条生产线的设计容量占工厂总容量的 100%。1.2.1 规模内蒙古鄂尔多斯市大唐呼伦贝尔化肥有限公司项目中有效气（氢气、一氧化碳）设计产量为 55000Nm3/h。配置 2 套 FJ 气化工艺气化炉系统（包括排渣、合成气洗涤和一套灰/黑水处理系统），气化炉两开不备，单套能力可生产有效气 44000Nm3/h。生产能力：CO+H255000Nm3/h产品质量：组分CO+H2含量（干基）74%第 4页本 工 艺 包 属 清 华 大 学 ， 未 经 授 权 和 许 可 ， 不 得 复 制 、 公 开清 华 大 学 煤 气 化 工 艺 包1.2.2 可用率及可靠性第 一 部 分基 础 信 息大 唐 呼 伦 贝 尔18-30 化 肥 项 目FJ 气化工艺装置的设计，可以使工厂达到合成气供应量需求的目标，年操作时间 7200 小时。1.2.3 原料煤原料煤由大唐呼伦贝尔化肥有限公司提供。气化炉的给煤采用大唐呼伦贝尔提供的当地煤。煤质分析由大唐呼伦贝尔提供。表 1-1 入炉煤分析分析项目全水分%水分 %灰份 %挥发份%焦渣特性 CRC全硫 %硫铁矿硫 %硫酸盐硫 %有机硫%高位发热量MJ/kg高位发热量 cal/kg低位发热量 MJ/kg低位发热量 cal/kg元素分析碳%氢%氮%氧%砷氯 % 灰熔融性变形温度软化温度半球温度流动温度空气干燥基8.509.0439.510.2523.62564961.123.820.8216.4500.011160 118011901200干基9.8843.180.2725.81617266.804.170.9017.982干燥无灰基47.91收到基21.719.044553本 工 艺 包 属 清 华 大 学 ， 未 经 授 权 和 许 可 ，