GE水煤浆气化炉的结构设计特点分析

200年6月Jun.2009第32卷第3期Large Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryVol 32 No. 3GE水煤浆气化炉的结构设计特点分析郑泉杰林亚森王明锋陈怡(上海惠生化工工程有限公司,上海,201203)摘要分析了以水煤浆为原料的CE煤气化工艺气化炉的结构设计特点。该气化炉釆用非催化部分氧化法制合成气(CO+H2),合成气由燃烧室(气化反应室)通过激冷环冷却进入激冷室。气化炉主要由燃烧室激冷室、耐火衬里、激冷组件及气化烧嘴等部件组成关键词气化炉结构CE气化技术水煤浆1概述室的合成气温度约250℃左右。粗合成气中的碳煤炭资源在我国一次能源中占70%以上,煤黑在激冷室中大部分被清除,由渣水出口(N)进化工具有广阔的前景。煤气化产生的合成气(CO入破渣机。H2)可用于生产合成氨、甲醇、城市煤气、醋酸和气化喷嘴安装口衬里发电等,是重要的基本化工原料。目前国外知名的煤气化技术主要有CE(原德土古 Texaco)水煤燃烧室浆气化、壳牌(Shel)粉煤气化、鲁奇( Lurgi)煤气化等,其中以CE水煤浆和 Shell煤粉气化工艺在国内运用最为广泛惠生(南京)化工有限公司二期合成气工程采用了GE水煤浆气化技术,在一期工程(3台水煤激冷环浆气化炉)的基础上,再新增3台水煤浆气化炉,最终达到6台水煤浆气化炉(4开2备)的规模激冷水入口激冷室气化炉是整个装置的关键设备之一,气化炉运行的稳定性及运行周期直接影响到整个装置的运下降管行。文章着重对水煤浆气化炉的结构设计进行分上升管析黑水出口2技术特点GE水煤浆气化炉是一种以水煤浆为原料、氧气为气化剂的加压气化技术。水煤浆经原料加压泵加压后与高压氧通过气化炉顶部的气化烧嘴进渣水出口入气化炉(图1),在燃烧室(气化反应室)内在表图1气化炉示意压6.5MPa、约1400℃条件下水煤浆与氧发生部分气化室的温度大约在1400℃,耐火材料设计氧化反应,生成CO、H2、CO2、H2O和少量CH4收稿日期:200902-17。H2S、COS及微量的NH3、 HCOOH等气体。从气化作者简介:郑泉杰,男,工程师,1997年毕业于西北大学化工反应室出来的粗合成气直接向下通过下降管进入设备与机械专业,现从事石油化工设备设计工作。联系电话:021气化炉的激冷室完成合成气的激冷洗涤,出激冷58560898617:Emui;thengquanjie@wison.com1542000年第32卷温度可达1540℃左右。气化炉壳体外壁设有壁1。温监测系统,反应室内的温度通过伸入到耐火材表1气化炉主要技术参数料内的热电偶来测量,当反应室外壁某区域燃烧室激冷室(0.1mx2)温度达到345~370℃时高温报警。因合操作压力(表压)/M设计压力(表压)MPa7.15/F.V7.15/F.V成气中含有少量的H2S气体为防止湿H2S腐蚀,操作温度/℃1430400壳体)气化炉外壁温度不应低于225℃,以避免内壁结设计温度/℃425(壳体)露造成露点腐蚀。操作介质合成气激冷水+合成气腐蚀裕量/mn2.1GE加压水煤浆气化技术特点2容器类别1)水煤浆气化工艺要求原料水煤浆要有良气化炉是在高温、高压临氢条件下进行操作,好的稳定性、流动性,较低的灰熔点及泵易输送气化炉壳体可按压力容器进行设计,并采用国内等的设计标准和规范。2)气化炉内结构简单,操作性能好,操作弹3.1气化炉承压外壳性大,可靠程度高。3.1.1材料)高温加压气化,气化效率高,气化采用对于临氢设备,为了防氢腐蚀,均按 Nelson曲1300~1500℃的高温气化压力达6.5MPa。气化线进行选材。因气化炉燃烧室壳体内壁有耐火衬炉能力与压力成正比,气化压力高,反应的速度里保护且为气相空间,氢分压17MP左右,在快,反应物在气化炉内的停留时间长,碳的转化率425℃下选用SA387Grl1CL2(1.25cr0.5Mo)材高,增加单台气化炉的生产能力,同时可节省后工料,腐蚀余量取6mm;急冷室为气液两相空间,为序气体压缩功。防止合成气净化后形成酸性介质腐蚀,壳体材料4)碳转化率较高,一般可达9%-9%,灰采用SA387GllC12+316L复合板。考虑到Cr渣中粗渣含碳量约5%,少量细渣含碳量约25%。M钢材料长期处于370~575℃温度下会产生回单位体积产气量大,粗煤气质量好,有效气成分较火脆性,在工程设计中采取以下措施来抑制高,产品气中(CO+H2)可达80%左右1.25Cr0.5Mo材料的回火脆性。5)水煤浆进料与干粉进料比较,简化了干粉1)降低Si含量,一般小于0.1%。煤给料及加压煤仓加料的问题,具有安全并容易2)降低杂质元素P、Sn、As、Sb含量,可控制控制的特点,取消了气化前的干燥,节约了能量。P、S含量小于0.010%、0.012%6)采用半封闭供煤、湿法磨煤以及气流床气3.1.2尺寸公差化,全过程污染轻微,无焦油等污染物,是一种先气化炉内部衬耐火衬里,对于壳体的制造精进、可靠的气化工艺。度要求很高,如外壳的精度达不到要求,则不能保22GE加压水煤浆气化工艺存在的不足证燃烧室的气化反应要求,合成气的质量就无从1)受气化炉耐火砖操作条件和使用寿命的保证,且会造成气化烧嘴与壳体的轴线不在同限制,气化温度不宜过高,一般气化操作温度不高轴线上。烧嘴火焰偏心而烧到衬里的耐火砖,烧于1400℃。损内部衬里,致使燃烧室外部壳体超温,造成频繁2)气化炉内砌耐火砖冲刷侵蚀严重,更换耐停车且减少了衬里的使用寿命。因此要严格控制火砖费用大,增加了生产运行成本。气化炉壳体制造的外形尺寸偏差。3)喷嘴使用周期短,一般情况下每2个月检1)气化炉外壳筒体圆度要求:对于上部燃烧查更换1次,若由于操作不当,烧嘴头则更易烧室不得超过±5.0mm(按内径);对于下部激冷室损。停炉更换喷嘴对生产连续运行或高负荷运行不得超过±6.0mm(按内径)。有影响,一般需要有备用炉,增加了建设投资。2)气化炉外壳筒体直线度公差:任意3m圆筒段偏差不得大于±3.0mm,总长度偏差不得大3结构特点于±6.0mm。气化炉总体上由承压外壳、内件、隔热耐火衬3)燃烧室壳体的中心线偏差不大于6mm,托里、气化烧嘴等部件组成,其主要技术参数见表砖板的平行度不大于3mm。第3期郑泉杰等.GE水煤浆气化炉的结构设计特点分析1554)接管N8轴线与气化炉壳体轴线之间的同刷,且在开停车时有较大的温度和压力波动等。轴度偏差不得大于±6m,与气化炉壳体轴线之因此,对气化炉用耐火材料提出严格要求3间任意方向的角度偏差不得大于±0.25°1)必须有高的抗熔渣侵蚀性和渗透性。5)在制造及现场安装完毕后设备筒体安装2)较高的热态强度以抵抗高温下的冲刷磨总直线度偏差不得超过14.0mm损3.2气化炉内件3)较好的高温体积稳定性能以抵抗温度和气化炉内件主要包括激冷环、上升管、下降管压力的波动。及其支撑件,见图2。dh0m叫、激冷环下降管150mbmm图3气化炉隔热耐火衬里三维示意图2激冷环区域连接示意气化炉燃烧室耐火衬里采用底部直接支撑从气化炉燃烧室出来的粗合成气直接向下通(图3),各层独立膨胀结构。直筒耐火衬里一般过下降管进入气化炉的激冷室,下降管在水面以分为4层:最外层为可压缩料或耐火纤维层,具有下排出合成气。为防止下降管过热,在下降管内容重小导热率低的特点,能够有效缓冲高温下里侧通过安装在下降管顶部的激冷环形成一层水膜层耐火材料的径向膨胀;次外层为氧化铝空心球来保护,合成气在下降管的底部与激冷水混合并隔热砖,位于支撑砖之后,对气化炉起保温作用,被冷却,合成气与激冷水的两相混合物通过下降降低热损失,使外壁温度保持在设定值;次内层为管与上升管之间的环隙向上流动,最后由激冷气12铬刚玉支撑砖,位于向火面砖背后,能够经受体出口(N4)流入下一个工段。激冷环的作用就高温下腐蚀性气体的侵蚀,并且对气化炉拱顶整是使激冷水均匀的沿下降管分布在激冷室内,将体耐火材料起至关重要的力学支撑作用;见火面1400℃左右的工艺气冷却到250℃左右。激冷环层为90铬铝锆砖,其作用为直接承受气化反应形内是冷却水,环外是高温1400℃左右的工艺气,成的高温、工艺气流的高速冲刷及炉渣的侵蚀。激冷环要经受工艺气和熔融灰渣的侵蚀和冲蚀,在拱顶部位,由于形状不规则,面层用90铬铝锆传热处于过临界状态,因此激冷环及下降管均选砖作为见火面,背层采用铬刚玉浇注料,在浇注料用耐应力腐蚀、耐高温的镍基合金 Incoloy825合与钢壳间、炉口和大法兰间分别贴有可压缩料或金材料(Ni-CrFe-MoCu合金)。该材料具有较好耐火纤维层作为纵向膨胀间隙,以保证见火面砖的热稳定性,经常用于一些严酷工况下的腐蚀场热膨胀后能安全工作。合,对氧化性和非氧化性腐蚀都有非常高的耐蚀耐火衬里质量及砌筑的好坏直接影响气化炉性,并且具有良好的耐应力腐蚀性能,但由于激冷的使用周期及使用寿命。CE气化炉耐火衬里的环组件的工作工况非常苛刻,激冷环组件尤其是使用寿命一般都较短,衬里损坏的原因大致分析下降管容易损坏,因此需要备有备件。如下:33气化炉隔热耐火衬里1)化学侵蚀{4。由于气化炉的原料为水煤GE水煤浆加压气化工况条件极为苛刻,为高浆,而且为了降低煤的灰熔点以降低操作温度,需温(1400℃左右)、高压(65MPa)、强还原气氛和要加入适量CaO、FeO助熔剂,构成由SiO、Al2O3、液态酸性排渣,伴随着固体、液体、气体的高速冲Ca0和FeO为主体的低熔点低黏度渣系,这种渣大做2009年第32卷系对耐火砖的危害很大,尤以CaO、SO和FeO等高速气流的冲刷,是整个气化炉中最易损坏的部最为严重。其损坏杋理一般认为这些氧化物既能件,每隔1~2个月或者时间更短就需停炉对烧嘴与砖组分发生化学反应,更能以液态形式渗入砖头进行检查修复。体内部,在距热面不同距离固化沉积形成热膨胀系数与砖不同的新矿相,在热应力作用下产生裂次氧入口纹导致砖的开裂和剥落,从而导致砖的损坏。2)高温、高压、高速气流冲刷。水煤浆与氧水煤浆王气经过加压后以高速喷入燃烧室,如果气化烧嘴中心线与壳体中心线存在偏差或由于操作不当而次氧入口造成烧嘴火焰不稳定,则火焰就有可能烧到耐火冷却水入口-一冷却水出口衬里,并将挂在砖壁上的保护熔渣冲刷下来,从而加剧了耐火砖的烧损减缓衬里损坏的措施:①燃烧室的结构尺寸应合理,避免流体的冲刷;②提高衬里的砌筑质量,防止高温气窜入衬里;③控制耐火砖的质量。经试验证明4,氧化铬(Cr2O3)与煤熔渣具有较大图4气化烧嘴示意的二面角,最难与煤溶渣润湿,要使气化炉长期稳烧嘴头的水冷盘管采用了 Incone I600镍一铬定运行,砖中氧化铬含量必须大于75%,这样可一铁基固溶强化合金,具有良好的耐高温腐蚀和以保证使煤熔渣在砖中的渗透与侵蚀降到最小。抗氧化性能;内外喷嘴头及定位块采用UMCo50国内现在使用的热面砖为90铬铝锆砖,氧化铬含钴基合金,化学成分为:Co48.0%~52.0%,量不小于86%,Cr2O3+Zn2O2不小于90%,且由于Cr27.0%-29.0%,并含有Ni,Mo等元素,使用温氧化铬与氧化铝在高温下能形成连续固溶体,可度在750~1150℃,具有良好的高温性能,优异的提高热面砖的热态强度,从而抵抗气化炉中高速抗高温氧化性能和耐磨性,能够较好地抗高压氧气体、煤熔渣等的冲刷。由于氧化锆在高温下存及水煤浆的冲刷。在晶形转变,易形成微裂纹,若在耐火砖中引人氧化锆则能提高砖的抗热震稳定性能。因此见火面4结束语砖要做到四高,即高纯度(化学成分C2O3不小于从当前国内外煤气化技术发展趋势看,大型86%,ZAO2%~7%);高精度;高密度(低气孔化、加压、煤种适应性好低污染、易净化是煤气化率);高强度。的发展方向。煤气化工艺开发集中于提高气化压3.4气化烧嘴力、提高气化炉容量、扩大煤种适应性、环境友好、气化炉匹配的气化烧嘴根据炉型及气化原料提高碳转化率和提高气化效率和液态排渣等。国不同,有2通道、3通道及4通道等不同型式。CE外新开发的气化炉都采用加压气化工艺,可提高水煤浆气化烧嘴采用的是3通道气化烧嘴,中间气化强度,增加单炉产量,节约压缩能耗,这就要通道走水煤浆,内部通道为一次氧气通道,外部通求在进行气化炉结构设计时应充分考虑设备本体道为二次氧气通道,烧嘴头外部采用水冷盘管进的结构及强度,并注意耐火衬里材料的选择,以适行冷却保护。烧嘴的技术参数见表2,气化烧嘴应加压、多煤种的气化工艺要求;在炉体制造、安结构见图4。装及衬里施工过程中应严格控制尺寸公差,尤其表2气化烧嘴技术参数是炉体与烧嘴及衬里之间的配合,应保证烧嘴的组合件氧气水煤浆冷却水安装垂直度,防止火焰直接冲刷到耐火衬里,现场设计压力(表压)/Pa8.158,811.56再配合以精心操作才能保证气化炉稳定、长周期操作压力(表压)/MPa8.11运行。操作温度/℃参考文献烧嘴头暴露在燃烧室中,承受着高温、高压及1于光远,李压东煤气化工艺技术分析.洁净煤技术,x06.11第3期郑泉杰等.CE水煤浆气化炉的结构设计特点分析157耐火材料,2007,(5):391-3932韩承结德士古气化工艺的优劣比较安徽化工,2007,33(14宋林喜.水煤浆气化操作条件对高铬耐火材料的影响.耐火材3段勤国,刘会林,王丽萍等,水煤浆气化炉用高铬耐火材料ANALYSIS OF STRUCTURAL DESIGN FEATURES OF GECOAL-WATER SLURRY GASIFIERZheng Quanjie, Lin Yasen, Wang Mingfeng, Chen YiShanghai WISON Chemical Engineering Co, Ltd, Shanghai, 201203)Abstract This paper analyzes the structural design features of ge gasifier with coal-water slury as feedstock. The gasifier uses non-catalysis partial oxidation method to generate syngas(CoH2), which leaves gasification chamber, passes through quenching ring and enters quenching chamber. The gasifier mainly consists of gasification chamber, quenching chamber, refractory liningquench fittings and burners, etcKey words: gasifer, structural design, Ge gasification technology, coal-water slurry(上接第146页)上要尽量保证密封水压力,必要时可降低系统压①针对双端密封按原设计若考虑水的回收,其机力;③仪表冲洗水应按规定值调整;④本系统止逆械密封水返回管线应增加滤网及止逆阀;②操作阀要加强检查维修保证完好。ATTENTIONS FOR FEEDING DURING FIRST-TIME STARTUPOF SHELL POWDERED COAL PRESSURED GASIFICATIONLu ChunhuaHubei Chemical Fertilizer Branch Co., SINOPEC, Zhijiang, 443200)Abstract Presents key problems occurred during feeding for the first-time startup of Shell powdered coal pressured gasification plant, analyzed reasons for the problems during feeding, and pro-posed relative measures for improvementKey words: first-time startup, feeding, key problems生·心·?G(上接第152页)Gasification Research Department, Northest Research Institute Of Chemical Industry, Xi'an, 710054)Abstract The new type entrained flow gasifier combines the advantages of dry and wet enrained flow gasifiers, such as stagewise design, wet feeding and dry gasification principles, specialchilling structure, space multi-channel design in space for spraying nozzle, single channel structureand separate feeding for coal slurry and oxygen spraying nozzle to lengthen the distance between ignition point and nozzle head, so the new gasifier has good gasification index and high productivityKey words: new type entrained flow gasifier, space multi-channel nozzle, chiller