干煤粉气化炉水冷罩结构的研究

第45卷第4期锅炉技术Vol, 45, No. 42014年7月BOILER TECHNOLOGYJuly.，2014[制造.质最t.标准●材料]干煤粉气化炉水冷罩结构的研究郑海英，梁新忠，赵军(上海锅炉厂有限公司，上海200245)摘要:为解决干煤粉气化炉运行中水冷罩频繁出现的渗漏问题,以华能绿色煤电天津IGCC示范项目气化炉为研究对象,通过对气化炉水冷罩渗漏现象的讨论和研究,提出了该现象的产生除腐蚀、过热、水质、水循环等综合原因外,磨损和温度控制是主要因素的观点。得出了可以通过调整水冷罩的结构和位置以及温度控制方法来解决水冷罩渗漏问题的结论,从而延长水冷罩使用寿命,提升气化炉的运行时间。关键词: 1GCC; 气化炉;水冷單;灰熔点;磨损中围分类号:TM611.3文献标识码:B文章编号:1672 -4763(2014)04-0053-04循环的优点(高发电效率),又解决了燃煤所带来的0前言环保问题。因此,IGCC 发电技术是世界上极有发随着我国经济的快速发展，能源与环境正日展前途的一种洁净煤发电技术，能够满足中国能益成为限制我国经济发展的主要瓶颈。我国“富源需求持续增长的同时,可减少燃煤产生的SO,煤贫油少气”的能源资源特点决定了我国电力工NO, .CO2、烟尘等对大气的污染[2-3]。业以燃煤发电为主的基本格局在相当长时间内不会发生根本性改变。我国发电设备的装机容1背景及介绍量每年都以较快的速度递增'。火力发电一方华能绿色煤电天津IGCC气化炉是首台由国内面为中国社会可持续发展和物质进步提供动力自主设计的拥有自主知识产权的IGCC示范性项保障;另一方面,由于煤炭的固有特点，燃煤电站目。该项目气化炉日处理煤量为2000 t,发电机组产生巨大电能的同时,对自然资源、自然环境和的容量为250 MW ,另配备50 000 Nm'/h的空分装人类生存环境产生了巨大压力。据统计,我国大置。气化炉所产合成气的80%用于联合循环发电，气中70%~ 80%的SO2.NO, .CO2、Hg以及粉另20%通过相接管廊提供天津渤化集团公司联产尘排放是由直接燃煤产生的,将近三分之一国土化工产品，可使渤化集团公司的产能提高10%。受酸雨和大气污染影响严重,特别是我国的西南华能绿色煤电天津IGCC(简称天津绿煤)气地区。燃煤产生的CO2是我国CO2排放的主要.化炉由原西安热工研究院(简称热工院)提供专来源,2007年我国CO2排放总量达67.2亿公吨利技术,气化炉壳体和内件均由热工院进行工艺已超越美国居世界第一位。因此,研究和开发先设计和方案设计，气化炉壳体由中国石化集团宁进的洁净煤发电技术是解决我国能源与环境问.波工程有限公司进行施工设计,上海锅炉厂有限，题的唯--途径,是保证我国能源稳定可靠供应以公司负责制造;气化炉内件由上海锅炉厂有限公及可持续发展的重要科技基础。司负责施工设计和制造。整体煤气化联合循环(Integrated Gasification2气化炉水冷罩结构Combined Cycle)发电技术(简称IGCC)是将固体煤气化、净化与燃气-蒸汽联合循环发电相结合天津绿煤气化炉水冷罩结构是由热工院进的一种洁净煤发电技术。IGCC 发电技术具有燃行基础设计,上海锅帕厂有限公司设计并生产制中国煤化工，料适应性广、热效率高、对环境污染小,废物回收利造完成,该)通进出水2用条件好、节水、可实现多联供等特点,既具有联合个集箱。YHCNMHG收稿日期:2014-03 -07作者简介:郑海英(1978 -),女,工程师,主要从事锅炉设计工作。第4期郑海英,等:干煤粉气化炉水冷罩结构的研究55从图1和图2的对比可以看到,当燃烧区煤的气化反应过程也有一定的积极作用,但随之域温度降低时,固态渣膜的厚度会增加。温度而来的问题是运行温度提升至1 700 C以上时，越高,灰渣的粘度就越小，也就是渣的流动性越就会对气化炉水冷壁的耐火材料产生影响,耐火好,反之亦然。那么，随着温度的下降,渣膜就材料附面层被破坏而影响灰渣的附着能力。甚会不断积聚,并会使渣膜外侧的流动渣层往炉至使耐火材料完全裸露在高温合成气中而出现内方向移动。由于水冷罩与水冷壁的相对位置表面软化,并随流动的灰渣- -起剥落,从而影响是固定的,所以当固态渣膜积聚到一定厚度时，到气化炉水冷壁的安全性,也就是整个气化炉的外侧的流动液态渣就会慢慢溢出水冷罩上端流安全性将受到威胁。进水冷罩从而影响了火焰的正常喷射,并使局另一方面,为保障后续废热锅炉对流换热通部火焰产生折射,而折射方向正好是在水冷罩道的通畅,废热锅炉人口的合成气温度应控制在上部的第2根至第5根管圈之间的一个扇形区750C左右。由于布置在废锅前的气体返向室的域,这与水冷罩发生渗漏的位置是完全一致的，换热能力有限,因此,高温合成气在进入气体返见图3。向室前就必须进行大幅度降温,为此需要喷淋大量激冷气。由于激冷位置在气化室上方,故大量喷淋的激冷气体又会对气化段的反应温度造成较大影响,故而会形成一个恶性循环。所以,气化炉的气化反应温度必须控制在一个合理的温度区间，而这个温度区间的确定取决于煤的灰熔点,也就是采用不同的煤种必须采用不同的气化反应温度。气化室的气化反应温度保持合理稳20121500定,那么固态渣膜的厚度也就能得到保证,在此(2)4号第四圈基础上调整水冷罩结构和布置位置就成为解决水冷罩自身问题的关键所在。5结构改进就天津绿色煤电两段式气化炉而言,依据现有设计煤种和气化炉水冷壁形成的总渣层厚度及区域最高热负荷参数来设计水冷罩插人水冷壁的深度和水冷罩的扩散角,是防止顶部的渣溢(6)4号第五圈流破坏火焰方向,保证火焰的形状，解决水冷罩图3水冷單渗漏图被损坏的最有效方法,如图4所示。当火焰折射至水冷罩上部的扇形区域时,该水冷眾插人深度的优化处的流动场发生了变化,并在管圈表面形成涡流。同时,由于折射后火焰的直接接触,该区域. 固态渣膜耐火材料-. 流动渣层.的热负荷也随之升高。水冷罩管圈的金属壁温销升高导致材料的热强度下降,加之涡流携带着的灰粒对管圈表面的不断冲刷，以及前面提到的腐蚀等对金属材料的侵蚀,所以管子很快就会被磨水冷罩管圈穿而引起泄漏。综上所述,水冷罩被损坏的原因是多样的且较为复杂,但究其主要原因还是以磨损为主。要中国煤化工防止这一现象的产生,显 然，提升气化炉的运行MYHCNMHG温度以提高渣的流动性并降低固态渣膜的厚度，是一种解决问题的思路。同时,提升运行温度对图4水冷罩插人深度 优化示意图.56锅炉技术第45卷如果在水冷罩正上方的最外圈设置一导流冷罩管圈的布置及水冷罩进出水集箱母管的位圈，如图5所示。置,按水动力的计算数据进行优化设计,防止出现三通效应等，也都是保护水冷罩免遭破坏可耐火材料. 固态渣膜采取的综合措施。销钉二. 流动渣层导流圈6结语沿水冷罩上半部分约150°布置整个气化炉结构都已是定型的，气化炉的运行温度的调整范围也是有限的(根据煤种确定)，水冷罩管圈控制渣的流动性来保护水冷罩的方法也较难实施。所以,只有从渣的流动性着手对水冷罩的结构和布置位置加以改进,并结合气化炉操作运行进行有效控制才是根本保障水冷罩安全运行的唯一途径。图5水冷罩上方放置导流圈示意图参考文献:顶部形成的固态渣膜和流动的液态渣,虽[1]朱军.我国IGCC发电技术的发展[J].陕西电力,2006.34然由于气化室气化反应温度的波动而发生变.(1),46-49.化,但渣层的总厚(高)度可始终保持不超越导[2]张斌,倪维斗,李政.火电厂和IGCC及煤气化SOFC混合循流圈并随导流圈的两侧边缘流下，这样就能有环减排CO2的分析[J].煤炭转化,2005,28(1):1-7.效地防止渣溢流后阻碍火焰正常喷射,避免影.[3]施强,乌晓江,徐雪元,等.整体煤气化联合循环(IGCC)发电技术与节能减排[J].节能技术,2009,27(1):18- 20.响火焰形状等诱发水冷罩被磨损的问题。同[4]徐才福,殷为玉,李家伟,等.壳牌气化炉烧嘴罩失效原因分时,考虑到腐蚀、过热等因素,采用耐高温耐合析及应对策略[J].化肥设计,2011,10(5):23- 28.成气腐蚀等特性更佳的金属管材料,并从水冷[5]耿恒聚.壳牌粉煤气化炉烧嘴單泄漏原因分析及对策[J].罩的循环水量、压力、热负荷等方面着手,对水化肥工业,2010,10(5):62.Study on Burner Muffle Structure of Dry Pulverized Coal GasifierZHENG Hai ying，LIANG Xin- zhong，ZHAO Jun(Shanghai Boiler Works Co.，Ltd.，Shanghai 200245 ,China)Abstract: In order to solve the frequent leakage of burner muffle during the operation of drypulverized coal gasifier, taking an integrated gasification combined cycle (IGCC) demonstra-tion project about gasifier in Greengen Corporation Limited as the research subject, it is dis-covered that abrasion and temperature control are the major factors in addition to corrosion,0-verheating ,quality of water，water circulation etc，through the research on leakage phenome-non of burner muffle. It is shown that the leakage phenomenon of burner muffle could be re-lieved via adjustment of the structure and position of burner muffle, and improvement of thetemperature control method, which benefits for extending the lifespan of burner muffle andincreasing the operation time of gasifier.Key words: IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle); gasifier:. burner muffle;中国煤化工ash melting point; abrasionTYHCNMHG