多喷嘴对置式水煤浆气化技术的工业化应用

一.概述

  我国是一个缺油少气富煤的国家，资源特点决定了我国的能源化工原料来源必须以煤为主。煤气化技术是煤基化工的核心技术和龙头技术，开发具有中国自主知识产权的大型煤气化技术对于我国煤化工事业的发展具有重要意义。

  在某化工公司国产化1000t/d合成氨大型氮肥装置中，建设了1台  6.5MPa、处理煤750t／d的多喷嘴对置式水煤浆气化炉(以下简称多喷嘴气化炉)，这也是多喷嘴气化技术在中试装置通过考核后的靠前台工业化装置。山东华鲁恒升化工股份有限公司多喷嘴气化炉是在中试装置的基础上，由华东理工大学、水煤浆气化与煤化工国家工程研究中心提供工艺软件包，中国华陆工程公司进行工程设计，哈尔滨锅炉厂有限公司制造了气化炉设备主体，新乡耐火材料厂提供了气化炉燃烧室耐火衬里。   

二.多喷嘴气化技术流程简介

  来自棒磨机的水煤浆经2个高压煤浆泵加压输送，与来自空分装置的高纯度氧气一起通过4个对称布置在气化炉上部同一水平面上的喷嘴进入气化炉燃烧室。每个高压煤浆泵分别给轴线上相对的2个喷嘴供料。在高温高压下，喷入气化炉燃烧室的水煤浆与氧气进行部分氧化反应，生成以CO、H₂为主要成分的粗煤气。生成的粗煤气和熔融态的渣通过下降管进入下部的喷淋床与鼓泡床复合的激冷室，下降管上端连接激冷环，激冷环以交叉射流的方式对粗煤气和熔渣进行喷淋冷却，下降管下部浸入激冷水中，下端有4个切向排气口。下降管与激冷室内壁之间有4层锯齿型的破泡分隔板，形成鼓泡床。工艺气出气化炉后经文丘里洗涤器、分离器和水洗塔后送变换工段。分离器内有破泡板和导气管，水洗塔上部有固阀塔盘、旋流塔盘和效率高除沫器。

三.工艺特点与技术优势

3.1工艺特点

  四喷嘴在同一水平面上向中间对喷，形成撞击流场，使得混合更充分，燃烧更完全。气流撞击后，形成梅花瓣状火焰，迅速燃烧，此区为撞击区、气流撞击后，方向发生变化，部分气流上升，遇拱顶后，沿炉壁下行，形成撞击流区和折反流区；部分气流下行，形成射流区和管流区。由此炉内流场看出，相对于德士古气化，火焰在炉内上部燃烧，气体在炉内停留时间延长，二次反应充分，有效气体含量明显提高，尤其因折反流区域存在，更延长了气体在炉内停留时间。   

  撞击流将燃烧区域约束在炉膛中点，在撞击区域内，氧气浓度相对较高，所以燃烧较德士古炉而言更为充分，所以残碳含量相对更低。在靠近炉壁的部分以二次反应为主，二次反应为吸热反应，二次反应的增加，就使得炉壁附近温度降低，保护了向火面的耐火砖。

3.2技术优势   

  与引进德士古水煤浆加压气化技术相比，多喷嘴气化炉由于其特殊的炉内流场，使得气化反应更为完全，同时，因二次反应区明显加大，故产出的粗煤气中有效成分平均高2％～4％，碳转化率也高。粗渣含碳量仅为1％左右(干基)，较低不到0.1％。

  多喷嘴气化炉的4个工艺烧嘴均采用预膜式烧嘴，其雾化夹角大，雾化效果好，又因采用对撞方式，其混合更加充分。当某一个烧嘴因制造或其他原因雾化不好时，因对撞原因，其影响也非常小。由近4000h的实践经验看，这种技术不但有效气体成分高(较高达到85％)，而且反应完全，单位煤浆产气量也较德士古气化技术高，灰渣残碳含量低；碳转化率高。

   多喷嘴气化技术采用多个喷嘴同时进料，虽然安装喷嘴时间相对延长，但是由于可以在烘炉阶段就可以将工艺喷嘴安装好，当炉温达到投料条件时，将预热喷嘴从顶部取出，装上封堵，就可以进行投料，因而从烘炉到投料的过渡期较短，同时，也把停炉及过氧的风险化解。在有条件的企业，当一对喷嘴停车时，另一对喷嘴可继续运行，维持生产，当缺陷清理后，可继续投入运行，这种方式已经成功用于企业生产。在这种运行方式下，因单喷嘴信号故障造成停车的几率大幅降低。在4个喷嘴中，当1个喷嘴因煤浆泵或其他因素造成煤浆流量低过氧时，其他喷嘴可及时缓解这种危险，赢得处理时机。安全系数提高，对生产较为有利。

  多喷嘴对置式水煤浆气化技术的合成气初步净化系统采用了分级净化的方法，即先对合成气中容易分离的固体进行分离，然后用水洗的方式进行进一步净化，这种净化流程具有明显的优点。德士古水煤浆气化炉投料初期，由于附着在工艺气出口管线内壁上的垢片受热及高速气流冲刷后脱落，易造成水洗塔出口管线堵塞。多喷嘴气化技术由于设置了分离器，灰垢被预先挡在了分离器内，这样，即使分离器排水管线被堵，碳洗塔排水照样可完成排灰作用。

四.有关问题探讨   

  多喷嘴对置式水煤浆气化技术已经运行了一年多，到2006年6月为止，累计运行超过6000h，较长连续运行时间近2个月(包括连投一次)，工业运行证明了该技术的优势。但由于是靠前套工业化装置，存在一定的问题还是难免的，以下列出了在运行过程中暴露的一些问题，并对产生问题的原因进行了分析，提出了改进意见。

4.1存在的问题

4.1.1上部空间耐火砖寿命偏短，封堵头更换频繁

  多喷嘴气化炉炉内高温区在喷嘴位置以下500mm及喷嘴位置以上一直到拱顶。这些高温区也是四喷嘴气化炉耐火衬里损蚀较严重的部位，例如：喷嘴周围及以下500mm和以上简体热面砖在累计使用3425h的时间内，因损蚀过快已经进行过更换；在累计使用3425h的时间后拱顶砖则已损蚀130mm。

  顶部堵头寿命也较短。每次停车都要重做新的，并且必须待降下温来检查拱顶蚀损情况后，才能确定堵头长度再进行制作，影响备用。顶部堵头是影响气化炉高负荷长周期运行的隐患。开始使用的顶部堵头结构为浇铸料外包耐热钢壳体，仅运行86h就烧蚀近50％，后来将下部浇铸料改为耐热钢筋挂耐火砖外包耐热钢壳体结构后，运行时间有所延长，但仍旧是安全生产的隐患。

4.1.2喷嘴室口径过小，容易造成“窝火”

  喷嘴室起初采用了帽檐结构，以防止喷嘴挂渣，即：喷嘴就位后藏在前面的扩口砖后面，扩口砖洞口比喷嘴外径小。运行中发现这样很容易造成“窝火”，严重时会烧毁扩口砖后面的背撑砖甚至喷嘴本身。将扩口砖洞口改大后，没再出现窝火现象。

4.1.3激冷室检修不便，容易积灰

  激冷室内，多喷嘴气化炉用破泡板代替了传统水煤浆气化炉的上升管，由于破泡板与相应支架为焊接成形，激冷室缺少上部人孔，停车时若不破坏局部破泡板，检修人员从下部人孔无法上到激冷环进水管处检修、冲洗。

  在早期操作过程中，由于未掌握多喷嘴气化炉的运行规律，长期在较低温度下操作，导致出燃烧室的粗合成气中细灰含量较高，每次停车后进炉检查时发现，破泡板之间缝隙内严重集灰，从下往上看不出破泡板之间的缝隙，且集灰结得比较结实。在气化炉每次运行的后期，从气化炉压差上也能反映出这一点。

  就激冷室结构，对新建四喷嘴气化炉的建议是：上、下部各设一个人孔；破泡板之间的距离适当加大；每层破泡板加人孔方便检修冲洗。破泡板强度要足够，以免运行中发生冲散事件。

4.2对问题的原因分析及改进建议

4.2.1喷嘴以上空间偏小   

  在中试成功的基础上，华东理工大学在设计靠前台工业装置时，改变了喷嘴以上到气化炉顶空间的高径比，当时的目的是提高气化炉单位空间的产气量。但是，实际运行表明，改变后的高径比偏小。由于撞击后的物料部分向上运动，上部空间偏小，则会导致耐火砖离撞击火焰过近，温度偏高，导致顶部耐火砖和预热口封堵处于高温环境，耐火砖寿命较短。

4.2.2工艺喷嘴通道偏小

  多喷嘴对置式水煤浆气化炉日处理煤750t，运行结果表明，对多喷嘴气化技术而言，这样的规模偏小了。由于采用4个喷嘴同时进料，工艺喷嘴的通道要比德士古喷嘴小得多，过小的喷嘴通道会带来如下问题：

a)由于制造或维修误差，造成喷嘴煤浆环隙和外氧环隙不均匀；四喷嘴气化炉在生产中经常出现喷嘴小喷头外锥面、中喷头内锥面不均匀磨蚀，从而造成煤浆环隙严重不均匀，从而偏喷，导致喷嘴周围耐火砖某部位严重冲刷。

 b)由于预膜式喷嘴煤浆环隙较相同生产能力的德士古气化炉喷嘴小，几个大的煤浆颗粒挤在煤浆环隙里很容易造成堵塞，这种堵塞是随机的，也有可能在运行过程中被冲开，因而也会导致喷嘴偏喷，影响周围的耐火砖。所以，多喷嘴技术更适用于大型气化炉，其被堵塞几率会明显降低。

4.2.3顶部堵头的结构方式和加工工艺不合理

  顶部堵头损毁的原因的分析外，还有其本身在制造工艺等方面的原因：

a)原设计的直接打浇筑料的堵头，浇筑料高温强度太弱，很容易被烧毁。

b)堵头与拱顶炉砖之间的缝隙，使得火焰窜入，先逐步烧毁顶部堵头的金属壳体，烧断挂耐火砖的钢筋，然后耐火砖掉落下来。

c)堵头在开车投料前直接放入高温炉内，巨大的温差也是造成浇注料或耐火砖强度降低的因素之一。

d)工艺操作条件的变化，如炉温的高低、渣口压差等也会加剧堵头及拱顶的冲刷。

计划将靠中心的几圈拱顶砖加厚50mm(已委托耐火材料厂家进行过相关计算)，将较上面一圈放置顶部堵头的拱顶砖做成台阶状，避免火焰直冲顶部堵头的金属壳体。

五.结束语

  经过不断的实践，已逐步掌握多喷嘴对置式水煤浆气化的技术要点，并在工业生产中不断探索，目前，四喷嘴气化炉已运行6100多小时，各种指标良好，连续高负荷运行超过58d(期间连投一次)，堵头可以继续使用，拱顶冲刷在合理范围内，预计使用寿命可达5000h，基本实现了稳定高产低耗的目的。