壳牌煤气化技术煤粉输送管道的设计.docx

壳牌煤气化技术煤粉输送管道的设计郑学锋(中国五环化学工程公司 ,湖北 武汉430079 )摘 要 : 介绍了煤气化技术中煤粉制备和输送给料系统的工艺过程 ,结合工程建设经验 ,论述了煤粉制备 、加压及进料系统的管道设计要领 ,指出了管道设计中相关注意事项 。关键词 : 壳牌煤气化技术 ( She ll Coa l Ga sfica tion P roce ss) ;煤气化 ;粉料 ;气力输送 ;管道设计文章编号 : 1004 - 8901 ( 2006 ) 06 - 0031 - 04中图分类号 : TQ055. 8 文献标识码 : AD e s ign for C on vey in g P ip in g of SC GP Pu lver ized C oa lZH EN G Xue2feng( C h ina W uhuan Chem ica l Eng ineering C orpora tion, W uhan Hubei 430079 C h ina )A b stra ct: P rocess flow wa s in troduced fo r p u lve rized coa l p rep a ra tion and feed conveying system in coal ga sifica tion techno logy, in com b ination w ith p ro jec t con struc tion exp e rience, the p ip ing design gists we re d iscu ssed fo r p u lve rized coa l p rep a ra tion, p re ssu rization and feed ing system s, re la tive m a tte rs to be no ticed were ind ica ted in p ip ing de sign.Key word s: SCGP, coa l ga sifica tion; p u lverized coa l; p neum a tic conveyance; p ip ing de sign随着煤化工技术的发展 , 煤粉气化 、煤直接液化 、煤间接液化等洁净煤技术在化工装置中得到大 量应用 。中国五环化学工程公司近年来承 接了 多 项煤气化和煤液化制油工程项目 。笔者针 对粉 煤 气化项目中干煤粉制备和进料系统及其输送管道 的设计作一些探讨 。SCGP煤气化装置由如下工序组成 : 磨煤及干燥 ; 煤粉 加 压及 进料 ; 煤气 化 ; 除 渣 ; 除灰 ; 湿洗 ; 初步水处理 ; 公用系统 。本文 重点讨论前 2 个工序 ,即干煤粉制备与进料系统 。干煤粉制备与进料系统干煤粉的制备 磨煤及干燥煤磨粉及干燥在国内外电力 、冶金 、建材 、化工 等行业应用广泛 ,常采用的流程有中间贮仓式或直吹式 。国内煤气化装置多采用“一级磨粉干燥 、一级煤粉分离收尘 、中间贮仓 ”的工艺技术 。干煤粉 制备与进料系统示意见图 1。合格粒度的原料煤由原料贮运系 统通 过胶 带 输送机送入 磨 前 碎 煤 仓 , 碎 煤 仓 中 的 煤 通 过 称 重给煤机送到磨煤机中磨粉 。从热风炉送来的热烟 气送入磨煤机中对煤粉干燥 ,在磨粉的同时 ,经旋转分离器 (和磨 煤 机一 体 ) 分 选 , 将 干 燥 后 合 格 的 煤粉吹入煤 粉 袋 滤 器 分 离 收 集 , 经 螺 旋 输 送 机 送 入煤粉贮仓中贮存 。分离后的尾气经循环风机加压后 大 部 分 循 环 至 热 风 炉 循 环 使 用 , 部 分 排 入大气 。煤气化技术简介目前世界范围内正在应用 和 开发 的煤 气化 技 术有数十种之多 , 气化炉型也是多种多样 , 但所有 煤气化技术都有一个共同特征 ,即气化炉内煤炭在 高温条件下与气化剂反应 ,使固体煤炭转化为气体 燃料 ,剩余的含灰残渣排出炉外 。我国近几年新建的甲醇或 合 成氨 装置 较多 采 用壳牌煤气化技术 ( She ll Coa l Ga sfica tion P roce ss简 称 SCGP) ,到目前为止 ,中国五环化学工程公司承 担了其中大部分工程项目的设计或总承包 。SCGP是 20 世 纪 末实 现工 业 化的 新型 煤气 化 技术 ,是 21 世纪煤炭气化的主要途径之一 。 SCGP属加压气流床粉煤气化 , 是以干煤粉进料 , 纯氧作气化剂 ,液态排渣 。干煤粉由惰性气体氮气或二氧 化碳密相输送吹入气化炉 。对煤粉的细度 要求 为90 , 90 % ,经热风干燥 ,将水分控制在 2 % (允许在 1 % 3 %范围内波动 ) 。作者简介 : 郑学锋 ( 1977 年 - ) ,男 ,湖北武汉市人 , 2001 年毕业于武汉化工学院化学工程与工艺专业 , 助理工程师 , 从事煤气化工程管 道布置设计工作 。化肥设计2006年第 44卷32干煤粉的输送 煤粉加压及进料干法气化的关键技术在于干煤粉的加压进料 ,早在 20世纪 50年代初期就有人探索煤粉加压连续 输送 技 术 , 但 未 取 得 实 质 性 进 展 。直 到 1978 年She ll - Copp e rs工艺问世 ,才开发出粉煤间断升压和加压下连续进料的半连续式加煤工艺 。此 后开 发 的 P reflo、SCGP和 GSP等加压粉煤气化炉都属此类型 1 。原料煤在磨机内磨制成符合气化要求的 粉煤 (粒度小于 0. 1 mm ,烟煤含水量 1 % ,褐煤含水量10 % ) ,借助于高压惰性气体输送至气化工序 ,经分 离后进入常压料仓 ,惰性气体经过滤 、除尘后放空 。从研磨和干燥区出来的煤 通 过气 流输 送到 煤粉加压及进料系统 。该系统由常压料斗 、锁斗和加 压料斗组成 。锁斗通过高压惰性气体加压 ,将煤粉从常压料斗送至加压料斗 。粉煤在加压料 斗中 通 过高压惰性气体输送至气化炉烧嘴 。如图 1 所示 ,煤粉贮存在煤粉贮仓中 ,当煤粉锁斗处于常压状态 时 ,关闭煤粉锁斗出口的下阀 , 打开煤粉锁斗进口的上阀 , 使煤粉贮仓的煤粉自流进入煤粉锁斗 , 料满后 关 闭 上 阀 , 通 入 高 压 惰 性 气 体 加 压 后 打 开 下 阀 ,使煤粉通过重力流进入煤粉给料仓中 , 卸完后关闭下阀 , 排出惰性气体降至常压 , 再循环上述过 程 。煤粉给料仓中的煤粉由管道通过高压 惰性 气体送往气化炉喷嘴 。锁斗减压或气化炉喷 嘴调 试 排气经煤粉仓装料袋滤器过滤 ,收集的煤粉进入煤粉贮仓 ,气体排入大气 。管道中的流动状态很复杂 ,主要随气流速度及气流中所含的物料量和物料本身特性等的不同而变化 。 管道气力 输 送 具 备 以 下 优 点 : 长 期 连 续 运行 ,输送效率高 ; 整个输送过程完全封闭 ,物料不 泄漏 ,污染小 ; 使用惰性气体输送 ,安全可靠 ; 易于对整个系统实现集中控制和程序自动化 。 管道气力输送按照输送物 料在 输 送管 中的 运动状态可分为稀相气力输送和密相气力 输 送 。还 可按照管道中形成的气流 ,将气力输送分为吸送式和压送式两大类 。气力输送技术是散料物 料的 主 要输送方式之一 ,近年来发展很快 。在 She ll煤气化 技术干粉煤进料系统中同时采用了多种输送方式 。磨煤及干燥工序采用的是负压稀相气力输送 ,煤粉的 加压及进料工序采用的是正压密相气力输送 。煤粉输送管道的设计布置管道时 , 应对全装置所有管道 (包括生产 系统管道 、辅助系统管道 、电缆及电缆托盘 、仪表托 盘 、采暖通风管道等 )全盘规划 ,统一考虑 。气力输 送系统的输料管是用来输送物料的管道 ,装置功耗 中的大部分用于输送管系 。气力输送系统 的管 道 连接在供料器与卸料器之间 。输送管系统由直管 、 弯管 、软管和管道连接部件等组成 。煤粉制备系统的管道设计要点化工装置煤粉制备系统的 管道 设 计参 照电 力 行业 标 准 (如 DL / T5121 - 2000、DL / T5145 - 2002等 )进行 。设计要点如下 。( 1 ) 碎煤仓至给煤机 、给煤 机 至磨 煤机 、煤 粉 袋滤器至排粉螺旋输送机 、输送机至煤粉贮仓之间为重力流管线 , 管道应尽可能垂直布置 , 与 水平 面 的夹角不应小于 70 。( 2 ) 磨煤机出口至煤粉袋滤器入口之 间的 管道按送粉管道设计 , 管道应倾斜或垂直 布置 , 与 水 平面的夹角不小于 45 ,不应有袋形 ,特殊情况下的水平管段应尽量短 ,以免积粉引燃爆炸 。( 3 ) 管道设计应保证密闭 , 在 正常 操作 时 , 不 允许有煤粉和气体泄漏 ,除与设备 、阀门 、特殊管件的连接必须采用法兰连接外 ,应尽可能采用焊接 。( 4 ) 为便于磨煤机检修时移走分离器 ,磨煤机 出口管上宜安装一段可拆卸的管段 。( 5 ) 管道布置及支吊架设计应注意操 作温 度变化产生的膨胀和收缩 。( 6 ) 从防止粉尘爆炸安全考虑 ,磨煤机出口至 袋式收集器入口送粉管道抗爆压力按 0. 35 M Pa设计 ,其他管道按 0. 15 M Pa设计 ,均不设防爆门 。图 1 干煤粉制备与进料系统示意1 碎煤仓 ; 2 旋环风机 ; 3 热风炉 ; 4 磨煤机 ; 5 煤粉 袋滤 器 ;6 排粉螺旋输送机 ; 7 粉煤仓装料袋滤机 ; 8 煤粉贮仓 ; 9 煤粉 锁斗 ; 10 煤粉给料仓 ; 11 旋转分离器管道气力输送煤气化技术中干粉煤进料 采 用管 道气 力输 送 的方式 。 管道气力输送是在管道内利用气体作为 承载介质 ,将物料从一处输送到另一处 2 。物料在第 6期郑学锋 壳牌煤气化技术煤粉输送管道的设计33煤粉加压及进料系统的管道设计要点由于系统的管道配置不同 (如重力流管线 、压 力平衡管线 、减压管线 ) ,同时被输送的介质性质各不相同 , 因此 , 管道安装设计应根据具体的生产特点 ,结合设备布置 、建筑物和构筑物情况进行综合 考虑 。煤粉加压及进料系统管道的设计应 该遵 循 以下原则 。( 1 ) 输送距离要尽量短 。两 点之 间以 直线 距 离为最短 ,但在实际环境中常常是不可能实 现 的 。 不能简单从配管美观和便于支撑的角度用直角向 上配管 , 而应根据煤粉输送管道的特性 , 有一定的 倾角 。允许水平倾角 ,重力流管线最小为 70 ,压力平衡管线最小为 60 ,减压管线最小为 60 ,带固体 物料的管线不允许有袋形 。( 2 ) 管系的弯头要尽量减少 ,固体物料输送管 线两弯管之间要有一定间距 。( 3 ) 应充分考虑利用建筑 物 、车间 作 支撑 , 同时不影响其他设备的维修和通道的通畅 。( 4 ) 管道的支架将承载管道的自重以及充 满 被输送物料的自重 ,应有足够的强度 。由于输送粉 粒体时和在终端卸料排气时的振动 ,应考虑有足够 的刚度 。管系应采取减振措施 。( 5 ) 管道之间 ,通常采用法兰连接 。当管道很 长时 ,为减少法兰数目 ,同时也为减少泄漏点 ,可将 管道焊接 ,适当使用法兰 ,以便于拆卸 。( 6 ) 为防止在输送煤粉的过程中 ,因煤粉温度 的降低造成结露 , 使煤粉凝聚 , 所有煤粉输送设备和管路应采取蒸汽伴管保温的措施 ,系统应考虑预 防热膨胀的措施 。弯管使用弯管给管道布置提供了极大灵活性 ,却也 因此引起系统的压损增加 ,弯管磨损 。通常要求采 用的弯管数量要尽可能的少 , 其内壁应光滑 过 渡 ,弯管的形状和曲率半径大小的选择也至关重要 。 对于常规高压压送弯管的曲率半径 ,国内外的文献有以下 2种不同的说法 。( 1 ) 弯管曲 率 半径 大 , 压损 就小 。理 由是 : 物 料颗粒在弯管内因受离心力作用而延外侧的内表面滑动 ,曲率半径越大 ,弯管就越接近直管 ,压损也 随之减小 。当曲率半径趋于无穷大时 ,压损即与直 管的一样 。因此 , 建议弯管的 R /D ( R 为弯 管曲 率 半径 , D 为管道直径 )值在 7 15 之间 (也有提出 712或 710 不等 ) 。同时 ,压损还随着料气比的增大而增大 , 在其他条件不变时 , 从水平转为垂直 向上时的压损最大 。( 2 ) 从压损方面来分析 ,小曲率半径弯管的压损低 , T形弯管的压损居中 ,大曲率半径弯管的压损 最大 ( R /D 8为大曲率半径 , R /D = 2 3 为小曲率半径 ) 。其原因是 : 曲率半径越大 , 弯管越长 , 摩擦损失越大 ; 曲率半径增大后 , 颗粒在弯管中的 碰撞次数增加 , 由于料粒每次碰撞均产 生减 速 , 然 后再从气流中获取能量用以加速 ,反复的减速和加速 ,使得空气的能量损失增大 。不同曲率半径弯管 中粒子的运动轨迹见图 2。图 2 不同曲率半径弯管中粒子运动轨迹以 上 所 述 不 同 方 法 的 出 现 , 可 能 因 实 验 方 法(包括所用物料 ) 、数据处理 , 甚至对弯管压损的定 义不同所致 ,加之弯管中料粒运动现象本身就很复杂 ,因此 ,弯管曲率半径究竟多少才恰当的问题 ,迄今尚无统一定论 2 。设计中应根据试验结果或 工 程经验确定 。参照电力等行业标准 ,磨煤及干燥工序的负压稀相气力输送管道的 R = 3D (该管道固气比约 1. 7 , 输送气速为 1520 m / s,管径为 DN 1 200 DN 1 800 mm ) 。在 She ll提供的 BD EP中 ,煤粉的加压及进料 工序送往气化炉的正压 密相 气 力输 送管 道 的 R =50D (该 管 道 固 气 比 高 达 100 , 输 送 气 速 为 7 12m / s,管径为 DN 40 DN 65 mm ) 。在国内第 1 套 She ll煤气化装置“三查四定 ”时 , She ll方代表对回 煤粉管线也同样要求 R = 50D , 这给框架内管道布 置提出了较高的要求 。弯管间距的确定管道系统中连续布置 2 个或 2个以上同类型弯 管时 , 工 程 设 计 应 使 2 个 弯 管 间 直 管 段 相 对 长 度 L /D足够大 。这是因为弯管内的粉粒体在离心力的 作用下靠向外侧 ,管道内壁外侧增加了摩擦而降低 了运动速度 。如果第 1 个弯管出来后 接着 又进 入第 2 个弯管 , 粉粒体就会因速度太低而 堵塞 管 道 。 因此 应 让 煤 粉 在 2 个 弯 管 间 有 一 段 加 速 的 距 离 。 弯管间距可根据以下公式来推算 。S = vt + 1 / 2 a t2式中 , S 为煤粉加速距离 ; v为煤粉出弯管的速度 ; a为煤粉出弯管的速度 ; t为煤粉加速时间 。(下转第 54页 )化肥设计2006年第 44卷54( 2 ) 水碳比由原来控制的大于 3. 0降低到设计值范围的 2. 752. 8。( 3 ) 预转化加热炉对流段蒸汽过热盘管提 高 了高压蒸汽过热度 ,达到设计值 。( 4 ) 节约燃料气 240 m3 / h。( 5 ) 节约工艺蒸汽 8. 0 t / h。( 6 ) 一段转化炉对流段入口平均温度 865 。脱碳系统改造效果吸收塔和再生 塔阻 力大 为 降低 。尤其 是再 生 塔 ,阻力一般在 5 8 kPa,在溶液总碱度 27. 5 % 28. 5 %时 ,出口 CO2 含量达到设计值 。苯菲尔压缩 机改 造 后 连 续 运 转 至 今 , 按 计 划 停 机 做 了 详 细 检查 ,没有 发 现 任 何 问 题 。本 次 改 造 满 足 了 生 产 要 求 ,性能可靠 、运行稳定 ,此设备国产化改造成功 。尿素装置改造效果( 1 ) 改造后尿素合成塔 CO2 平均转化率提高到 64. 44 % ,比改造前提高了 3. 16 % ,改造后合成塔CO2 最高转化率达到 66. 34 % 。( 2 ) 改造后汽提塔底部温度平均为 206. 3 ,顶部平均温度 191. 3 ,底部温度比改造前提高了2. 9 ,顶部温度比改造前下降了 1. 9 。汽提塔温度的提高使汽提塔的汽提效率得以提 高 , 中 、低压分解温度得到改善 。合成塔转化率的提高 ,尿素 生成量增加 ,使循环甲铵量减少 ,按吨尿素氨耗 580kg计 ,汽提塔负荷减轻 13. 2 % 。( 3 ) 技术改造后可节约低压蒸汽 3. 7 t / h,汽提 塔的中压蒸汽压力下调了 0. 05 M Pa。根据意大利 斯那 姆 公 司 的 经 验 数 据 , CO2 在 合 成 塔 内 每 增 加1 %的转化率 ,每吨尿素可节约蒸汽 35 kg,按照生产52 万 t / a 尿 素 计 算 , 每 年 节 约 的 中 压 蒸 汽 量 约 为5 751 万 t / a。( 4 ) 低压系统放空量减 少 。由 于 汽提 塔温 度 达到了设计值 ,后系统负荷得以减轻 。低压系统放空副线全关 ,主线仅是间断放空 (改造前低压副线 开度 50 % ) ,可减少低压系统排放氨量 3 529 t / d。 综上所述 ,经过系列扩能改造 ,合成氨 、尿素装 置负 荷 从 原 来 的 95 % 提 高 到 了 110 % , 扩 能 约15 % ,多产尿素 7. 8 万 t / a。锦天化通过一系列扩产改造 ,大化肥装置实现了达产扩能的预 期目 标 , 取 得了良好的经济效益 , 并减少了大量烟 气的 排 放 , 使周围环境大为改善 ,对装置安 、稳 、长 、满 、优运行 亦起到至关重要的作用 。收稿日期 : 2006- 06 - 09(上接第 33 页 )我们知道 , 煤粉输送的动力来源是输送压力 ,这也是煤粉加速的动力来源 。将其代入公式中 :F t =M ( v2 - v1 )( 4 ) 对吸送式装置 ,可在易堵塞部位开几个可调节口径的小孔 , 以便补充该处的进气 ; 对 压送 式 装置 ,可在弯管处顺气流方向装进气小 管 , 喷入 高 压惰性气