水煤漿耐火磚氣化爐改為水冷壁氣化爐的思路及可行性分析

雷玉龍，閆曉澤

（1.北京清創(chuàng)晉華科技有限公司，北京 100084；2.潞安豐喜肥業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司臨猗分公司，山西 運(yùn)城 044199）

水煤漿氣化技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)主流的煤氣化技術(shù)之一[1]。傳統(tǒng)水煤漿氣化爐燃燒室由外殼和耐火磚組成，受耐火磚使用壽命的限制，耐火磚氣化爐的在線使用時(shí)間及煤種適應(yīng)性受到影響。水煤漿水冷壁氣化爐（晉華爐）燃燒室采用水冷壁結(jié)構(gòu)，克服了耐火磚氣化爐的缺點(diǎn)，具有在線率高，煤種適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，將耐火磚氣化爐改造為水冷壁氣化爐可以拓寬其原料煤采購(gòu)范圍，延長(zhǎng)氣化爐運(yùn)行時(shí)間，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。本文以每小時(shí)產(chǎn)100 000 m3（CO+H2）生產(chǎn)能力的耐火磚氣化爐為例，詳細(xì)分析了氣化爐基本情況、耐火磚氣化爐改造為水冷壁氣化爐的方案、可行性和經(jīng)濟(jì)效益，以期實(shí)現(xiàn)氣化裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行和原料煤的本地化，提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

1 水煤漿氣化爐基本情況

1.1 耐火磚氣化爐基本情況

20 世紀(jì)80 年代我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)水煤漿加壓氣化技術(shù)，1993 年在山東魯南化肥廠建成了第一套Texaco水煤漿氣化制合成氨示范裝置[2]，隨后上海焦化廠、陜西渭河化肥廠、淮化有限公司等多家企業(yè)也采用了該工藝流程，主要用于制取甲醇、合成氨、乙二醇、烯烴等的合成氣。因?yàn)榫哂心芎妮^低、三廢排放少、工藝流程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，Texaco 水煤漿氣化技術(shù)在我國(guó)得到迅速發(fā)展和推廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)已應(yīng)用一百多臺(tái)（套）Texaco 水煤漿氣化爐[3]。

以Texaco 水煤漿氣化爐為代表的耐火磚氣化爐，其燃燒室由耐火磚和外殼組成，每小時(shí)產(chǎn)100 000 m3（CO+H2）生產(chǎn)能力的氣化爐燃燒室殼體內(nèi)徑約3 200 mm，爐膛內(nèi)徑約2 134 mm。一般通過(guò)在殼體內(nèi)部砌筑耐火磚來(lái)呈現(xiàn)出其內(nèi)部形狀，耐火磚分為3 層，由外向內(nèi)分別是隔熱磚、背襯磚和向火面磚。

耐火磚氣化爐一般運(yùn)行4 000 h～5 000 h 后需要更換錐底磚，時(shí)間需要20 d 左右；運(yùn)行10 000 h 左右，需要更換向火面磚，時(shí)間需要60 d 左右，年運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間最長(zhǎng)6 500 h[4]。耐火磚氣化爐采用蓄熱式點(diǎn)火，氣化爐必須先用預(yù)熱燒嘴將爐溫升至800 ℃以上，然后更換為工藝燒嘴投煤漿，水煤漿進(jìn)入氣化爐后，利用耐火磚的蓄熱將揮發(fā)分點(diǎn)燃，然后將煤點(diǎn)燃，一般耐火磚氣化爐要求煤的揮發(fā)分＞20%，限制了原料煤的使用范圍。另外氣化爐使用的原料煤種和氣化爐溫等操作因素直接影響耐火磚氣化爐的運(yùn)行時(shí)間[5]。

1.2 水冷壁氣化爐基本情況

2006 年，國(guó)內(nèi)以清華大學(xué)為首的技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始對(duì)水煤漿水冷壁氣化技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，2011年世界首臺(tái)水煤漿水冷壁氣化爐（晉華爐）示范裝置在陽(yáng)煤豐喜集團(tuán)臨猗分公司成功開(kāi)車(chē)[6]。隨后新疆天業(yè)集團(tuán)、陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)分公司和稷山分公司、山東金誠(chéng)集團(tuán)、江蘇德邦興華、新疆國(guó)泰新華等幾十家企業(yè)也采用了水煤漿水冷壁氣化爐技術(shù)。

水冷壁氣化爐由水冷壁內(nèi)件和承壓外殼組成，在氣化爐燃燒室殼體直徑3 200 mm 的情況下，爐膛內(nèi)徑可以達(dá)到2 400 mm，有效增大了燃燒室的容積。水冷壁系統(tǒng)包括頂盤(pán)管、主水冷壁、渣口盤(pán)管三部分，水冷壁管外焊接銷(xiāo)釘，用來(lái)固定外表面的SiC 耐火材料。

主水冷壁結(jié)構(gòu)采用鍋爐工程領(lǐng)域成熟的懸掛列管，水冷壁的水動(dòng)力按照自然循環(huán)設(shè)計(jì)，生產(chǎn)時(shí)按照強(qiáng)制循環(huán)運(yùn)行，保證水冷壁的本質(zhì)安全。氣化爐使用組合式燒嘴，水煤漿投料采用“火點(diǎn)火”技術(shù)，點(diǎn)火、投料程序一體化完成，提高了氣化爐的開(kāi)車(chē)速度，同時(shí)減少了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 耐火磚氣化爐改造為水冷壁氣化爐方案

2.1 改造方案和內(nèi)容

氣化系統(tǒng)的水煤漿制備和輸送、粗煤氣洗滌、灰/黑水處理、粗渣和細(xì)灰處理等工段維持原狀不變，僅對(duì)氣化爐進(jìn)行改造，氣化爐的所有改造均在原有框架上完成，主要改造內(nèi)容包括：（1）割除現(xiàn)有氣化爐封頭，安裝水冷壁系統(tǒng)內(nèi)件，焊接新氣化爐封頭；（2）更換組合式工藝燒嘴，增加火焰檢測(cè)系統(tǒng)；（3）增加水冷壁汽包和鍋爐水循環(huán)泵以及相關(guān)管線；（4）增加點(diǎn)火、烘爐燃料氣及氧氣相關(guān)管線；（5）改造原有燒嘴冷卻水系統(tǒng)；（6）DCS 和SIS 系統(tǒng)改造。

2.2 工藝系統(tǒng)改造

水冷壁氣化爐使用組合式燒嘴，不再設(shè)置開(kāi)工升溫?zé)?，由于改變了原耐火磚氣化爐的投料方式，所以必須對(duì)氣化部分工藝管線進(jìn)行改造。改造后水冷壁氣化爐爐頭部分工藝流程示意圖如圖1 所示。

圖1 改造后水冷壁氣化爐爐頭部分工藝流程示意圖

2.2.1 燃料氣系統(tǒng)

水冷壁氣化爐點(diǎn)火時(shí)爐內(nèi)壓力為微正壓，投料時(shí)煤漿和氧氣壓力均在1.0 MPa(G)左右，所以要求燃料氣壓力不低于2.0 MPa(G)。工藝管線上增加相應(yīng)的燃料氣調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、燃料氣切斷閥和氮?dú)馇袛嚅y。

2.2.2 氧氣系統(tǒng)

原有氣化工段上的氧氣管道系統(tǒng)（包括氧氣放空管線、主氧管線）維持不變，在原有的氧氣管線上增加點(diǎn)火烘爐氧氣系統(tǒng)，同時(shí)增加相應(yīng)的氧氣調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、氧氣切斷閥和氮?dú)馇袛嚅y。中心氧管線增加兩個(gè)切斷閥和閥間密封氮?dú)馇袛嚅y。

2.2.3 氮?dú)庀到y(tǒng)

密封氮?dú)夤芫€維持不變，增加點(diǎn)火烘爐氧氣、中心氧和燃料氣管線閥間密封氮?dú)夤芫€。

增加火焰檢測(cè)器保護(hù)用氮?dú)夤芫€；增加氣化爐環(huán)腔保護(hù)氮?dú)夤芫€（也可用其他干燥氣體）。

維持原氧氣管線上的氮?dú)獯祾吖芫€不變；維持煤漿管線上的氮?dú)獯祾吖芫€不變；增加點(diǎn)火烘爐氧氣和燃料氣管線開(kāi)停車(chē)用氮?dú)獯祾吖芫€。

2.2.4 水汽系統(tǒng)

改造后的水汽系統(tǒng)流程示意圖如圖2 所示。增加燃燒室水汽系統(tǒng)，燃燒室配套的設(shè)備包括水冷壁汽包和鍋爐水循環(huán)泵，氣化爐水冷壁系統(tǒng)和燒嘴冷卻水系統(tǒng)共用一套鍋爐水系統(tǒng)。新增汽包屬控制系統(tǒng)，汽包中的鍋爐水通過(guò)鍋爐水循環(huán)泵分別送入氣化爐水冷壁系統(tǒng)和燒嘴冷卻水系統(tǒng)。增加水冷壁汽包、鍋爐水循環(huán)泵與氣化爐、燒嘴及火檢連接的相應(yīng)管道和閥門(mén)。

圖2 改造后的水汽系統(tǒng)流程示意圖

2.2.5 公用工程

2.2.5.1 蒸汽和鍋爐水系統(tǒng)

水煤漿水冷壁氣化爐（晉華爐）在開(kāi)車(chē)階段需要使用低壓蒸汽對(duì)汽包和水冷壁系統(tǒng)進(jìn)行升溫，蒸汽消耗量一般為1 t/h～2 t/h，需要增加低壓蒸汽去水冷壁汽包管線。

系統(tǒng)停車(chē)后要使用低壓蒸汽對(duì)氣化爐組合式燒嘴進(jìn)行吹掃，需要增加低壓蒸汽去煤漿管線和氧氣管線、燃料氣管線，對(duì)燒嘴的煤漿和氧氣、燃料氣通道進(jìn)行吹掃。

正常運(yùn)行期間，氣化爐燃燒室水冷壁可以產(chǎn)生7.0 MPa（G）飽和蒸汽3 t/h 左右，需要增加水冷壁汽包補(bǔ)充鍋爐水管線和蒸汽去其他工段或管網(wǎng)管線。

2.2.5.2 燃料氣

改造后系統(tǒng)的升溫時(shí)間在2 h～3 h，由于使用了組合式燒嘴，烘爐時(shí)要求燃料氣壓力不低于2.0 MPa(G)，熱值大于8 370 kJ/m3。燃料氣可以采用天然氣、焦?fàn)t氣、甲醇合成弛放氣等廠內(nèi)現(xiàn)有的工藝氣體。

2.2.5.3 保護(hù)氣

水煤漿水冷壁氣化爐燃燒室環(huán)隙需要充干燥氣體，可以充氮?dú)饣蚱渌稍餁怏w，壓力要求不低于7.0 MPa（G）。同時(shí)燃料氣通道及火檢通道也需要通入一定量的惰性氣體作為保護(hù)氣。

2.3 設(shè)備改造

耐火磚氣化爐改造為水冷壁氣化爐時(shí)，僅更改氣化爐和氣化爐配套設(shè)備。在不改變耐火磚氣化爐總高度的前提下，分以下步驟完成：（1）現(xiàn)場(chǎng)先清理燃燒室內(nèi)的耐火磚，對(duì)氣化爐燃燒室封頭進(jìn)行環(huán)形切割；（2）安裝水冷壁系統(tǒng)，組對(duì)和焊接新的氣化爐燃燒室封頭；（3）連接與氣化爐相關(guān)管道及安裝新型燒嘴后，進(jìn)行氣化爐承壓試驗(yàn)。改造的主要設(shè)備如表1 所示。

表1 改造的主要設(shè)備

2.4 儀控改造

由于改造后系統(tǒng)的點(diǎn)火方式及投料情況與耐火磚爐不同，需要對(duì)耐火磚氣化爐聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行修改。

改造后的開(kāi)車(chē)順控主要分為點(diǎn)火、升溫、投料和燃料氣退出四個(gè)部分，均通過(guò)SIS 系統(tǒng)自動(dòng)完成；停車(chē)聯(lián)鎖增加汽包的液位低低聯(lián)鎖和鍋爐水循環(huán)泵出口的流量低低聯(lián)鎖；DCS 新增點(diǎn)可以在現(xiàn)有系統(tǒng)上擴(kuò)容，新增的SIS 系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況在現(xiàn)有系統(tǒng)上擴(kuò)容或新增。

2.5 土建改造

利用現(xiàn)有的框架空間，在氣化框架頂層拆除原有的燒嘴冷卻水設(shè)備和管線，安裝水冷壁汽包和蒸汽消音器，其他所有的設(shè)備維持原位置不變；新增的點(diǎn)火烘爐燃料氣、點(diǎn)火烘爐氧氣及氮?dú)庀到y(tǒng)的管線閥門(mén)安裝在燒嘴層或下一樓層的適當(dāng)位置；新增加的鍋爐水循環(huán)泵布置在氣化框架一樓撈渣機(jī)附近；新增加的鍋爐水加藥裝置布置在氣化框架的空置地方。

3 氣化爐改造的可行性分析

3.1 技術(shù)可行性分析

水煤漿水冷壁氣化爐自2011 年首臺(tái)工業(yè)化裝置成功開(kāi)車(chē)以來(lái)，已經(jīng)平穩(wěn)安全運(yùn)行超過(guò)10 a，水冷壁系統(tǒng)沒(méi)進(jìn)行過(guò)檢修和耐火材料更換，證明水煤漿水冷壁氣化爐技術(shù)安全可靠。

3.2 土建可行性分析

耐火磚氣化爐改造為水冷壁氣化爐，僅更換氣化爐球形封頭和安裝水冷壁系統(tǒng)，水冷壁系統(tǒng)重量遠(yuǎn)小于燃燒室耐火磚的重量，改造后氣化爐重量載荷降低；水冷壁汽包重約10 t，安裝在氣化框架頂層，氣化頂層框架可通過(guò)增加橫梁等方式加固。

3.3 設(shè)備可行性分析

耐火磚氣化爐改造水冷壁氣化爐，需要對(duì)耐火磚氣化爐殼體環(huán)形切割，更換新的球形封頭；國(guó)內(nèi)如安徽淮南化肥廠、惠生（南京）化工有限公司、滕州鳳凰化肥廠等企業(yè)進(jìn)行過(guò)氣化爐現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)焊和重新組對(duì)，維修后的設(shè)備不影響正常使用；改造后的水冷壁氣化爐經(jīng)無(wú)損檢測(cè)和試壓試驗(yàn)合格后可安全使用。

4 改造后的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

4.1 改造后的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

4.1.1 煤種適應(yīng)性廣

水煤漿水冷壁氣化爐氣化溫度不受耐火材料限制，可達(dá)1 700 ℃或更高，碳轉(zhuǎn)化率高，煤種適用性相對(duì)較寬，已經(jīng)使用過(guò)朔州、大同等地的高灰熔融性溫度（＞1 500 ℃）煤、半焦和蘭炭、新疆高堿性渣煤等耐火磚氣化爐不能用的煤種，易于實(shí)現(xiàn)原料煤本地化[7]。

4.1.2 啟動(dòng)速度快、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)

耐火磚氣化爐從冷態(tài)到正常運(yùn)行至少需要3 d 時(shí)間，而水冷壁氣化爐投料采用“火點(diǎn)火”技術(shù)，從冷態(tài)啟動(dòng)到滿負(fù)荷運(yùn)行僅需要5 h，燃料氣消耗少[8]；水冷壁氣化爐運(yùn)行時(shí)間不受耐火磚壽命的限制，燒嘴壽命是氣化爐長(zhǎng)周期運(yùn)行的唯一制約因素，水冷壁氣化爐單次運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)已超過(guò)180 d。

4.1.3 安全性好

國(guó)內(nèi)多家運(yùn)行企業(yè)均發(fā)生過(guò)耐火磚氣化爐因爐磚竄氣導(dǎo)致的殼體超溫現(xiàn)象，嚴(yán)重的造成殼體鼓包和爆炸事故。水冷壁氣化爐投料時(shí)由于有燃料氣的伴燃，投料后不會(huì)發(fā)生爆燃；水冷壁氣化爐燃燒室有水冷壁保護(hù)，殼體與水冷壁之間有惰性氣體保護(hù)，殼體外壁溫度比耐火磚氣化爐低100 ℃；水冷壁氣化爐除根據(jù)渣口壓差及氣體組分外，還可以通過(guò)汽包蒸汽產(chǎn)量來(lái)判斷燃燒室爐溫的變化，反應(yīng)更加迅速和安全。

4.2 改造后的經(jīng)濟(jì)效益

水冷壁氣化爐能使用“三高”煤，可實(shí)現(xiàn)原料煤本地化，降低原料煤的采購(gòu)成本。

耐火磚氣化爐每一年半更換一次向火面磚和拱頂磚，每半年左右更換一次渣口磚，每年更換耐火磚費(fèi)用200 萬(wàn)元～300 萬(wàn)元；水冷壁氣化爐燃燒室采用水冷壁結(jié)構(gòu)，無(wú)需更換耐火磚，無(wú)此項(xiàng)費(fèi)用。

5 結(jié) 語(yǔ)

水煤漿水冷壁氣化爐自2011 年首套工業(yè)裝置成功運(yùn)行以來(lái)，已經(jīng)安全穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)10 a，足以說(shuō)明其性能安全可靠。水煤漿耐火磚氣化爐改造為水冷壁氣化爐工藝、設(shè)備、儀表和土建等各專(zhuān)業(yè)可以做到風(fēng)險(xiǎn)安全可控，改造后不僅可以節(jié)約每年更換耐火磚的費(fèi)用和時(shí)間成本，而且拓寬了原料煤的使用范圍，增強(qiáng)了企業(yè)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。