GE德士古气化炉

德士古气化炉1. 德士古气化炉概况德士古水煤浆加压气化工艺简称TCGP ,是美国德士古石油公司TEXACO 在重油气化的基础上发展起来的。1945 年德士古公司在洛杉矶近郊蒙特贝洛建成第一套中试装置,并提出了水煤浆的概念,水煤浆采用柱塞隔膜泵输送,克服了煤粉输送困难及不安全的缺点,后经各国生产厂家及研究单位逐步完善,于80年代投入工业化生产,成为具有代表性的第二代煤气化技术。国外已建成投产的装置有6套，15台气化炉；国内已建成投产的装置有8套，24台气化炉，正在建设、设计的装置还有4套，13台气化炉。已建成投产的装置最终产品有合成氨、甲醇、醋酸、醋酐、氢气、一氧化碳、燃料气、联合循环发电。我国自鲁南化肥厂第一套水煤浆加压气化装置（2台气化炉）1993年建成投产以来，相继建成了上海焦化厂气化装置（4.0 MPa气化，4台气化炉，于1995年建成投产），渭河化肥厂气化装置（6.5 MPa气化，3台气化炉，于1996年建成投产），淮南化肥厂气化装置（4.0 MPa气化，3台气化炉，于2000年建成投产），金陵石化公司化肥厂气化装置（4.0 MPa气化，3, , , , 台气化炉,于2005年建成投产），浩良河化肥厂气化装置（3.04.0 MPa气化，3台气化炉，于2005年建成投产），南化公司气化装置（8.5 MPa气化，2006年建成投产），南京惠生气化装置（6.5 MPa气化，2007年建成投产）等装置。由于我国有关生产厂的精心消化吸收，已掌握了丰富的连续稳定运转经验，新装置一般都能顺利投产，短期内便能连续稳定、高产、长周期运行。并且掌握了以石油焦为原料的气化工艺技术。水煤浆和99. 6 %纯氧经德士古烧嘴呈射流状态进入气化炉,在高温、高压下进行气化反应,生成以CO +H2 为主要成分的粗合成气。在气化炉内进行的反应相当复杂,一般认为气化分三步进行:(1) 煤的裂解和挥发份的燃烧水煤浆和氧气进入高温气化炉后,水份迅速蒸发为水蒸汽。煤粉发生热裂解并释放出挥发份。裂解产物及挥发份在高温、高氧浓度下迅速完全燃烧,同时煤粉变成煤焦,放出大量的反应热。因此,在合成气中不含有焦油、酚类和高分子烃类。这个过程进行的相当短促。(2) 燃烧及气化反应煤裂解后生成的煤焦一方面和剩余的氧气发生燃烧反应,生成CO、CO2 等气体,放出反应热;另一方面,煤焦又和水蒸汽、CO2 等发生化学反应,生成CO、H2 。(3) 气化反应经过前面两步的反应,气化炉中的氧气已完全消耗。这时主要进行的是煤焦、甲烷等与水蒸汽、CO2 发生的气化反应,生成CO 和H2 。2 德士古水煤浆气化工艺2. l 制浆系统制浆系统用于水煤浆的制备。原料煤经煤称重给料机计量后送入磨机,同时在磨机中加入水、添加剂、石灰石、氨水,经磨机研磨成具有适当粒度分布的水煤浆,合格的水煤浆由低压煤浆泵送入煤浆槽中。2. 2 合成气系统水煤浆经高压煤浆泵加压后与高压氧气经德士古烧嘴混合后呈雾状喷入气化炉燃烧室,在燃烧室中进行复杂的气化反应,生成的煤气(称为合成气) 和熔渣经激冷环及下降管进入气化炉激冷室冷却,冷却后的合成气经喷嘴洗涤器进入碳洗塔,熔碴落入激冷室底部冷却、固化,定期排出。在碳洗塔中,合成气进一步冷却、除尘,并控制水气比(即水汽与干气的摩尔比) ,然后合成气出碳洗塔进入后工序。2. 3 烧嘴冷却系统德士古工艺烧嘴是气化装置的关键设备,一般为三流道外混式设计,在烧嘴中煤浆被高速氧气流充分雾化,以利于气化反应。由于德士古烧嘴插入气化炉燃烧室中,承受1400 左右的高温,为了防止烧嘴损坏,在烧嘴外侧设置了冷却盘管,在烧嘴头部设置了水夹套,并由一套单独的系统向烧嘴供应冷却水,该系统设置了复杂的安全联锁。2. 4 锁斗系统落入激冷室底部的固态熔渣,经破渣机破碎后进入锁斗系统,锁斗系统设置了一套复杂的自动循环控制系统,用于定期收集炉渣。在排渣时锁斗和气化炉隔离。锁斗循环分为减压、清洗、排渣、充压四部分,每个循环约30 分钟,保证在不中断气化炉运行的情况下定期排渣。2. 5 闪蒸及水处理系统该系统主要用于水的回收处理。气化炉和碳洗塔排出的含固量较高黑水,送往水处理系统处理后循环使用。首先黑水送入高压、真空闪蒸系统,进行减压闪蒸,以降低黑水温度,释放不溶性气体及浓缩黑水,经闪蒸后的黑水含固量进一步提高,送往沉降槽澄清,澄清后的水循环使用。 德士古淬冷型气化炉 k-t煤气化炉，德士古煤气化炉3 德士古气化使用原料原料煤适应性较广，气煤、烟煤、次烟煤、无烟煤、高硫煤及低灰熔点的劣质煤、石油焦等均能用作气化原料。但要求原料煤含灰量较低、还原性气氛下的灰熔点低于13000C，灰渣粘温特性好。煤质对气化的影响主要表现在水煤浆的质量,为了提高经济性,得到较高的气化效率及较好的合成气组份,一般要求水煤浆具有较高的浓度(5862wt %) 、较好的稳定性(煤浆不易分层沉降) 及较好的流动性(粘度90m；735，315m，15，：500m。 4气化压力 气流床操作压力的提高，有利于气化过程的进行。因为压力增加，不仅增加了反应物浓度，加快了反应速度；而且也延长了反应物在炉内的停留时间，使碳的转化率提高。气化压力的提高，既可提高气化炉单位容积的生产能力，又可节省压缩煤气的动力。故德士古工艺的最高气化压力可达8.0MFa。一般根据煤气的最终用途，选择适宜的气化压力。巳投产的几套装置中，大多数采用392 MPa（表压)，在伊斯特曼工程中配等压合成甲醇，采用了6.37MPa(表压)。5本工艺运行中存在的突出问题5. 1 气化炉耐火材料使用寿命短气化炉耐火砖一般采用法国沙佛埃砖,使用寿命较短,约一年半左右,必须局部或全部更换,主要原因是耐火砖受到高温(1400 左右) 气流及熔渣的冲刷,特别是燃烧室中下部,直接受到熔渣冲刷,磨蚀严重。另外开停车频繁也是影响其寿命的原因。由于耐火砖价格昂贵,每炉砖约需80 万美元,故在现有条件下加强工艺操作管理十分必要,另外也可采用国产的耐火材料。5. 2 气化炉炉膛热电偶寿命短炉膛热电偶由燃烧室外壁经壳壁、隔热层、三层耐火砖插入燃烧室用以指示炉内反应温度。热电偶头部距内壁向火面砖内缩约50mm。由于各层耐火材料的热膨胀系数不同,热电偶常受到剪切力的作用而损坏,有的使用寿命只有一周左右,短的甚至刚开车即损坏,无法长期准确指示炉内温度,仅能用于指导开车。正常操作一般根据气体组成及炉渣的形状间接判断炉温。5. 3 德士古烧嘴使用周期短在高温及高浓度煤浆冲刷的苛刻条件下,德士古烧嘴的使用周期较短,一般约50 天左右,即要停炉拨出烧嘴进行检查,对有龟裂、烧蚀、磨蚀现象的烧嘴进行修复,重新使用。目前德士古烧嘴的损坏是影响装置连续运行的主要因素。5. 4 黑水管线容易堵塞、结垢、磨蚀由于气化炉和碳洗塔排出的黑水中含固量较高,经常造成黑水管线堵塞,影响正常操作,并往往造成气化炉停车。黑水管线、煤浆管线的清洗增大了工作强度。在黑水减压部份的管线在节流、汽蚀作用下,磨损严重,常常需要更换。 6 渣堵 6.1气化炉渣堵现象 根据目前德士古装置运行的实际情况来看，气化炉的渣堵现象可以分为3类： (1)熔渣堵塞渣口，使燃烧室的灰渣无法排出，堆满燃烧室的底部。 (2)熔渣逐渐积累到下降管内壁上，直至挂满下降管而堵塞气体通道。这种类型的渣堵仅上海焦化厂报道过，其它厂家还未出现此问题。 (3)激冷后的大块灰渣堆积在气化炉锁斗上部LHV51阀的上部，锁斗排渣无法顺顷利进行而造成渣堵。这种现象较为普遍，本文主要对这种渣堵现象进行分析。 生产中渣堵现象的具体表现如下： (1)渣堵时，气化炉的渣口压差变大，而且压力波动很大。 (2)锁斗循环泵的流量由正常的22.0m3h锐减至10.0m3h左右，严重时降至零，锁斗系统无法运行。 (3)渣量由正常的35 td降至极少，气化炉排出物甚至出现清水。 (4)大量的细灰渣被带入闪蒸系统，闪蒸罐及其管线出现渣堵，沉降槽底部排出的几乎全部为细灰渣。 兖矿鲁南化肥厂自1994年气化炉运行达到设计能力后，至1997年渣堵现象并不明显。1997年后，由于B炉拆除了破渣机，渣堵问题逐渐暴露出来，每年均有数次严重渣堵，影响气化炉的安全运行。特别是在2001年1月至4月间，B炉出现20余次渣堵，致使气化炉被迫减负荷。其中特别严重的渣堵有3次，锁斗及闪蒸管线均被灰渣：堵死，致使气化炉被迫停车处理。打开人孔检查，灰渣已堆到气化炉的入孔以上，并发现大量直径在200300 mn左右的块渣及20 mm左右的渣块，很难处理，严重影响厂生产。 6.2 渣堵的原因分析 6.2.1 炉渣的组成与分类 根据渣的组成和生成原因，炉渣可以分为4类。 （1）灰渣 灰渣为直径0.55.0mm的渣粒，主要来源于气化炉内煤浆颗粒在雾化燃烧过程中，微粒间碰撞烧结后，随着气流进入激冷水浴，经过激冷破碎而成。其主要成份见表1。 (2)块渣 直径在5.0mm以上的为块渣，但质地较为疏松，主要来源于沿炉壁流下的熔渣。当温度低时，炉壁积累了厚厚的渣层，当温度突然升高时，大片的熔渣被烧下来，进入激冷室，未能被完全激冷破碎。其主要成份与灰渣相同。 (3)疤渣 疤渣为块渣，但质地较为坚硬且致密。成因是熔渣的组份渗透熔解耐火砖的组份后，形成了低熔点化合物：当熔渣的侵蚀作用加强、生成的低熔点化合物较多时，就进入激冷室。这种熔渣通常难以被激冷破碎，其主要组成包括Ca2SiO4、Ca2SiO5、CaAl2Fe2O7、CaOAl2O3，SiO2、CaCrO3、CaZrO4等低熔点化合物，质地较为坚硬，大都呈熔融玻璃状。 (4)砖渣 砖渣主要是一些损蚀剥落的耐火砖碎块：熔渣的主要成份逐渐沿着耐火砖的气孔或裂纹侵入耐火砖内，形成共熔物。开停车过程中，压力、温度巨变时，共熔物发生热应力膨胀，沿着气孔或裂纹使砖分离、剥落，进入激冷室成为砖渣。主要成份和耐火砖略为不同，见表2。 6.2.2 渣堵原因分析 (1)原料煤种变化的影响 入炉煤中灰份含量的变化及灰渣组份的变化，也会影响到灰渣的熔融特性(即确定气化炉操作温度所需要测定的入炉煤浆的灰熔点T3)。灰熔点过高或过低，均会使气化炉温度发生变化，影响气化炉排渣。煤灰渣的组份又是灰渣粘温特性的主要影响因素之一，其中A12O3、SiO2的含量过高均会使灰渣熔点升高，粘度变差，而灰渣中Fe2O3、CaO的含量也会影响灰渣的熔点和粘度。 因而，如果煤种的灰份含量增高，灰渣中的Fe2O3、CaO含量过高，将会导致灰渣的熔点过高，粘温特性变差，灰渣的焦渣特性(即灰渣的粘结指数)变大，容易形成质地坚硬、体积较大的块渣，造成渣堵。 (2)耐火砖的损蚀过程发生变化 在气化炉的反应区，熔渣会与耐火砖形成一层低熔点化合物。随着外界因素如气化炉操作工况、煤灰组份等的变化，会加剧灰渣对耐火砖的损蚀，使低熔点化合物逐层被剥蚀下来，形成大块的疤渣。当投料或压力波动较大时，也会使耐火砖沿裂纹剥落，形成大块的砖渣，使锁斗排渣困难，造成渣堵。这种渣堵一般较难处理，需停车处理。 (3)气化炉操作工况的影响 气化炉的操作工况较为复杂，其中操作炉温是影响气化炉渣堵的一个主要因素。由于外界工况如氧压的变化，炉温由高到低变化幅度较大时，炉温低时挂在耐火砖表面的厚厚熔渣及低熔物脱落，在激冷室形成块渣和疤渣。另外，炉温高时，熔渣中的各侵蚀性金属元素活跃，极易渗透进入耐火砖本体，加快砖的损蚀。高炉温也会使砖的抗侵蚀能力和机械强度下降，加快耐火砖的烧损，这就不可避免地造成气化炉的渣堵。工业试验证明，炉温每升高100，熔渣对砖的损蚀就会加快1倍。压力的影响较炉温而言相对较弱，但其影响也不容忽视，因而气化炉操作压力应尽可能保持稳定。 (4)设备因素 设置破渣机的目的是为防止大块的熔渣和砖渣所造成的渣堵。但从装置投用至矍997年底，并未暴露出特别严重的渣堵现象，相反由于破渣机轴封泄漏原因，严重影响了气化炉的安全运行，因而将破渣机拆除，并与A炉作对比试验。这也是由于存在设备缺陷而造成2000年初B炉渣堵特别严重的又重要因素。 (5)其它影响因素 由于烧嘴装配尺寸不匹配或烧嘴使用后期磨损较为严重而形成偏喷，发生反应区偏流现象，使煤浆与氧的反应过程变化而导致渣的生成状态也发生变化，形成大块渣，造成渣堵。另外，由于气化炉的不稳定运行，也会导致块渣的生成。 6.3 预防气化炉渣堵的措施 6.3.1 稳定煤源优化配煤技术水煤浆加压气化要求煤种在反应性、成浆性、灰熔融特性方面均应达到一定的指标：热值在25.12MJkg以上，灰熔点(T3)在重300以下(但不可过低)，原料煤中的灰份含量不得高于1215(越低越好)。为防止气化炉渣堵，并充分考虑到运行的经济性，我们采用精煤掺配技术。 所选用的精煤品种均符合指标，并对采购煤种严格把关，特别控制煤种的灰份含量绝对要小于10。通过采用定的掺配比例达到降低入炉煤的灰熔点、改变煤灰渣的组份，以减缓对耐火砖的损蚀，改善熔渣的形成状态，最大限度地减少疤渣、砖渣的生成，从而尽可能地防止气化炉渣堵现象的发生。 6.3.2 把好耐火砖的质量 耐火砖要严格按照其理化性能标准选用，严把质量关。还应加强砌筑质量管理，严格执行筑炉技术要求：控制横向灰缝1 mm、纵向灰缝1.8 mm，灰缝耐火泥浆要饱满，垂直度偏差5 mmm，水平度偏差为4mmm，最大同心度为5mm。另外，严格按照烘炉曲线烘炉升温，控制升温速率为25/h。 6.3.3 严格控制操作温度 (1)正常运行时，要严格执行工艺指标，控制炉温在1 350以下，这对防止气化炉的渣堵十分重要。若高温热电偶烧坏后，可根据在线质谱仪测得的气体成份含量及甲烷含量综合判断炉温的高低，严禁超温操作。并且采用氧煤比自动跟踪技术，可以避免炉温的大幅度波动。采用新的高温热电偶装配技术，延长高温热电偶的使用寿命，对稳定炉温同样重要。 (2)投料时炉温不可过高。投料是系统一个突变的过程，炉温会瞬间猛升，加快耐火砖的损蚀，加速疤渣、砖渣形成，易造成气化炉的渣堵。 因而在投料时，要将投料的氧煤比调低，控制炉温在合适的范围内。 (3)加强入炉煤浆灰熔点的检测，每天都应准时、快速地将灰熔点(T3)检测出来并将结果报给控制室，由操作人员参照灰渣的粘温特性变化情况，随时调整气化炉的操作温度。 (4)通常以灰渣流动时其粘度在2535Pas时的温度作为气化炉的操作温度，此时气化炉的排渣较为顺利。 6.3.4 稳定气化炉运行，加强气化炉安全生产管理 (1)对德士古气化炉的安全联锁系统及高压