型煤气化造气工程设计中的若干问题

型煤气化造气工程设计中的若干问题

                                                                 作者/来源：赵乐群0 前言      近年来，由于无烟块煤市场价位居高不下，煤炭生产企业和煤化工企业重新整合，使80%以上煤化工企业失去了稳定的优质无烟块煤原料基地。双重困难使以块煤焦为原料的煤化工企业，选择了型煤气化的道路。   但是，在实际生产经营中，不同企业型煤气化的效果却有天壤之别。好的企业，吨氨耗入炉型煤≤1.6t，差的企业却达到2.0t以上。一些企业靠型煤气化每年实现经济效益达上亿元，有的企业却被型煤拖入泥潭，劳民伤财，见不到效益。   总结几十家以型刑煤为原料的煤化工企业成功的经验和失败的教训，我们发现：型煤气化造气工程的设计，是生产经营效益奸坏的根源，是影响企业生存和发展的重要问题。本文就型煤气化造气工程设计中的问题进行分析。1  若干问题分析1.1  煤气炉   型煤气化的特点与块煤焦差距较大。型煤气化生产的原料气中CO₂含量较高，一般为9%～11%左右，要把CO₂降低到9%左右的范围，必须提高气化层中的还原层，因此，需要把煤气炉炉膛加高。型煤热稳定性较差，需要把炉面温度降低，也需要提高炭层进而加高炉膛。但是，炉膛高度并不是越高越好。如果高度超过了实际需要，反而会带来负面影响。同时，不同型号的煤气炉，实际设计“高径比”也会不一样。“高径比”应该根据系统工程的要求设计，而不是所有炉型、所有企业的煤气炉千篇一律。   型煤煤气炉破排渣系统的设计与块煤差别较大。型煤气化煤气炉要求排渣能力要强，破渣不要求太强，因为型煤灰份较高，灰渣量大，但渣块较松软，不易过度破碎，碎渣粉较多，反而增加了灰层阻力。这样，对炉箅，破渣条(板)，灰犁、排灰口都要求有相应的设计。型煤气化强度较块煤偏低，且气化温度范围偏窄。这一特性要求炉风管、炉箅、通风面积要人、风道布风更均匀。否则，会造成局部超温和局部烧不透。块煤的炉箅用于型煤，风道的分布是不适宜的。它只能限制型煤气化的强度，造成工艺不稳定。1.2 除尘器     型煤气化过程中粉尘较多，并且气流中焦油含量较高，对煤气炉吹风气和煤气除尘要求比块煤高得多。   固定层煤气炉刑煤气化一般采用旋风除尘器。除尘器的设计也有它的特殊性。   块煤气化气流中的尘粒组成与型煤气化气流中的尘粒组成差别很大。烧块煤块焦的旋风除尘器可以用铸铁内衬，因其防磨防冲刷非常重要。气流切线运动时，粗糙的铸铁内衬形成的涡流利减速，对分离大颗粒的粗尘影响不大，反而不引起人们的重视。而烧型煤就不同了，它的含尘量大，粉尘质量较块煤粉尘小，微尘含量高。如果采用铸铁内衬，粗糙的筒体内表面形成气体涡流利切线运动速度大幅度下降，对粉尘的沉降是非常不利的。因此，型煤气化工程设计旋风除尘器，内衬应该选用尽量表面光滑，不易形成涡流并且气阻较低的材料。同时，考虑造价和使用周期等因素，以设计“龟甲网刚玉内衬”为佳。   为了确保旋风除尘器的除尘效率，出口管的插入深度要严格控制，使出口管的下沿略低于进口，控制在300mm之内。这是型煤气化特点决定的。   1.3  余热锅炉   型煤气化工程选择余热锅炉主要考虑防粉尘附着和堵塞换热元件，影响换热效率。   在设计时要确保换热器筒体内气体状态和流速，流速达到3m/s以上，换热翅片按纵片设计，才能达到较好的防附着防堵效果。1.4  洗气塔   型煤气化工程中，洗气塔的设计要求除尘效果好，同时又要防止粉尘对洗气塔形成填料堵塞，使阻力升高。   一般而言，空塔喷淋可以有效地防止型煤气化中的粉尘聚集，形成阻力升高，但容易形成除尘效果达不到理想状态。   而填料塔除尘效果好，但又容易造成阻力升高。   经过生产实践，型煤气化工程的洗气塔，应该吸取空塔喷淋技术中的优点，如喷头设计技术。同时吸取填料塔气液充分接触的优点，形成一种新的洗气塔，即防堵高效洗气塔。它既不会造成阻力升高，又不会造成洗涤效果下降，非常适合型煤气化工程采用。1.5  空气鼓风机   较长时间以来，人们有一个认识误区：型煤气化易在吹风时“吹翻”，冈此，空气鼓风机不易选择高风压大流量的型号。   经过最近多个企业实践验证，以型煤为原料，吹风阶段的空气流量要比以块煤为原料大。如江西氨厂以煤棒为原料，一次风流量Ф3000mm炉达到35000m³/h左右，而块煤的炉仅为30000m³/h左右，洛阳氮肥厂改造后的炉以煤球为原料，D800空气鼓风机在吹风时控制阀全开。而烧块煤达不到全开。   以型煤为原料设计的新煤气炉，它要求的一次风流量比块煤大，主要原因是型煤的透气性好，但蓄热能力低，必须采用高炭层、高风量工艺才能满足气化要求。   在这种情况下，必须走出原来型煤选风机的误区。   一般而言，Ф2600mm型煤气化炉要川风压为28kPa、流量为600Nm³/min，电机功率440kW的鼓风机：Ф3000～Ф3200mm刑煤煤气炉要用风压为28kPa、风量为800Nm³/min、电机功率为630kW的鼓风机：Ф3600mm型煤气炉要用风压为28kPa、风量为1100Nm³/min、电机功率为800kW的鼓风机。三种炉以型煤为原料，比较理想的风量应分别为：26000m³/h，35000m³/h，45000m³/h，即煤气炉达到4700m³/h·m²较好。1.6  加氮空气的设计   型煤气化工程原料气如果为半水煤气，则应该充分考虑上吹阶段加氮空气系统的优化设计。   因为型煤气化吹风需求的空气量较多，但全靠一次风流量又有难度。所以，一部分空气要转移到上吹加N₂上来。要有足够的上加N₂空气入炉，就必须有高效能的喷射器来实现。一般而言，Ф2650mm型煤气化炉要选择PS-I刑加N₂喷射器，确保可以达到上吹蒸气7t/h，空气0～7000m³/h；Ф3000～Ф3200mm型煤气化炉要选择PS-II型加N2喷射器，确保可以达到上吹蒸气9t/h，空气0～10000m³/h；Ф3600mm型煤气化炉要选择PS-III型加N₂喷射器，确保可以达到上吹蒸气11t/h，空气0～12000m³/h。   为确保煤气中N₂含量不超标，有条件的企业可以把富氧空气用加N₂喷射器上吹时加入，或用加N₂喷射器实现连续富氧气化。这种方法，可以实现固定床间歇气化煤气炉，向富氧连续气化的改造。如：三明化工用这种技术已经实现了型煤富氧连续气化。   1.7  油压控制系统利阀门   型煤气化煤气炉的油压控制系统和其它煤气炉是一致的。油压控制系统的基本要求：   (1)系统油压低，总管油压在4.0MPa：   (2)油压驱动阀门变向快。所有油压控制阀变向应在2.0～2.5s之内。其中：Ф2650mm煤气炉应在2s内，Ф3000～Ф3600mm煤气炉应在2.5s之内；   (3)油压波动小，应在±0.2MPa；      (4)夏季压力油温度≤60℃。   要满足上述要求，油压系统的设置就必须做到如下几点：   (1)DN500mm以上的阀门，包括DN500mm，要用电液阀控制，通油口径≥18mm。其它阀可用电磁阀控制；   (2)DN250～DN700mm阀门选择油缸应为80/40缸，DN700～DNl000的阀门选择油缸应为90/50～100/55的缸。为了避免系统高油压，所有自控阀不用能63/45的油缸：   (3)系统油压总管储能器应适当选大。一般应≥100L/台炉。   (4)油冷器换热面积≥10m²。   (5)油压泵站的配备，Ф2650mm炉80L/min泵站，Ф3000～Ф3600mm炉140L/min泵站。1.7.2  工艺阀门的配备  Ф2650mm炉一般大阀为DN600～DN800mm阀门，蒸汽、氮空气为DN250～DN300mm阀门。 Ф3000～Ф3200mm炉一般大阀为DN700～DN900mm阀门，蒸汽、氮空气为DN300～DN400mm阀门。   Ф3600mm炉一般大阀为DN900～DNl000mm阀门，蒸汽、氮空气为DN300～DN400mm阀门。1.8  蒸汽缓冲罐   Ф2650mm炉应为3～4台炉一组，Ф3000～Ф3200mm炉、Ф3600mm炉应为3台炉一组，每组煤气炉蒸汽缓冲罐尽量安装在一组炉的中间位置，容积≥20m³。1.9  自动加煤机   型煤气化炉自动加煤机与块煤炉自动加煤机区别很大。主要区别是：型煤加煤体积大，要求自动加煤机容煤槽≥1.2m³。型煤机械强度偏低，要求料斗设计要减少跌落、碰撞，使型煤入炉破碎率降至最低。   型煤最怕吸水，因此，要求型煤自动加煤机生产中，型煤与炉内漏出的蒸汽分离。   型煤在输送中易产生粉，并且产生的粉粘度大。因此，型煤自动加煤机必须要设计防堵型的固定筛，以减少入炉型煤带粉率。2 工程设计  2.1  工艺流程的设计   型煤气化一般应采用较简短的“小氮流程”，即四炉一机一站一锅一塔流程。但是在Ф3000mm以上炉，则应三炉一机一站一锅一塔。Ф3600mm炉则应二炉一机一站三锅一塔。   下行蒸汽入炉位置，近年来有逐步靠近煤气炉炉顶的趋势，这无疑是一进步。但是，越靠近炉顶，越应该解决蒸汽带水问题，以及蒸汽的均匀分布问题。否则，会产生新的问题影响正常生产。如：使炉上部耐火层损坏，被迫停炉检修。2.2 蒸汽系统的设计      蒸汽系统要按每组煤气炉1台蒸汽缓冲罐，减压阀每套最多供两组煤气炉。自产蒸汽过热后进入蒸汽缓冲罐。超过两组煤气炉必须增设减压阀1套，并且要从煤气炉蒸汽总管的中间部位接入。   蒸汽系统压力波动应该在±0.001 MPa之间。   Ф2650mm炉每组炉低压蒸汽总管应≥DN500mm。      Ф3000～Ф3200mm炉每组炉低压蒸汽总管应≥DN600mm。      Ф3600mm炉每组炉低压蒸汽总管应≥DN800mm。   上述儿项措施确保型煤气化炉生产中蒸汽流量和压力适应型煤气化需要。   2.3  工艺阀门的安装方向   为了确保煤气炉生产中的安全，所有进入煤气炉的工艺油压控制阀门都应该高进低出，以防止油压突然降低后，工艺气体把阀门打开。如蒸汽总阀，一次风阀、加N₂空气总阀等。   吹风气回收阀，上行煤气阀、下行煤气阀，如果安装位置为低进高出，则禁止采用油压差动联接方式，以防止漏气。   控制高温汽体的二通阀，如吹风气回收阀，上、下行煤气阀、煤气总阀等，尽量要让阀门密封面背对来气方向，以防止直接冲刷密封面，造成阀门使用周期下降。2.3  空气系统的设计   多台炉生产系统，空气风机与空气总管的联接不能从一端相联，而应从空气总管中间相联，以防止出现弱势煤气炉。   一次风阀采用二通座板阀的情况下，可以去消安全档板阀(或称安全放散阀)。   空气总管，Ф2650mm炉应为Ф630×8mm，Ф3000～Ф3200mm炉应为Ф770×10mm，Ф3600mm炉应为Ф920×10mm管道。   煤气炉中央灰箱，Ф2650mm炉应为Ф1000/1200mm，Ф3000mm(2)m炉应为1200/1400/1600mm，Ф3600mm炉应为Ф1620/2000mm。   优化空气系统管道，可以使煤气炉在烧型煤的情况下，以最小的风速获得最大的空气流量，稳定吹风。一次风入炉箅气室风速应控制在7m/s之内。2.4  系统煤气管道的设计   最近有人认为煤气炉系统在气化过程中阻力越小越好，因此，在设计煤气系统管道时尽量加大直径。这无疑是个误区。   首先要把概念分清，煤气炉的系统压力和系统阻力是两个概念，前后压力差为阻力，而不是压力。煤气炉在气化过程中增大压力是有利于气化的，而不是增大阻力有利于气化，同时，一定的阻力也是气化所必须的，只要有设备、管道存在就会形成一定的阻力。煤气系统管道设计原则是要满足煤气在适当流通范围内的流量，如果把煤气总管直径的设计超过这个范围，不但浪费投资，对工艺也没有好处。3 系统其它设备的关键部位，按系统大修周期≥24个月设计3.1 气柜内导轨导轮材质用1Cr18Ni9Ti，确保运行30个月以上。   3.2  电除尘采用间断热水冲洗。3.3  煤气炉下气道设重力除尘器，下气道管内壁喷涂防冲刷材料。3.4 罗茨风机设足够备机，确保及时清理维修。   4  结束语   型煤气化造气的设计是个系统工程，它的每个系统都要适应和支持整个工程。也正是一点一滴的优化形成了整个工程的优化。希望以型煤为气化原料的企业都能逐步优化系统，真正从型煤气化中获得经济效益。