顶置单喷嘴水煤浆加压气化炉扩能改造

顶置单喷嘴水煤浆加压气化炉扩能改造

郭瑞    王彦海

（国能包头煤化工有限责任公司，内蒙古包头，0140302 ）

摘要：陕西鑫立喷嘴研制开发有限公司对国能包头公司煤气化装置成功的进行了工艺扩能改造。改造内容包括气化炉工艺喷嘴、气化炉内的激冷环、下降管、上升管（环隙）、炉膛耐火砖等。改造后的工艺喷嘴雾化效果更好，气化炉有效气体（CO+H2）成分提高了 1.49%。并解决了现在运行中存在的气化炉下降管、上升管环隙堵塞，气化炉液位大幅度波动的问题，延长了气化炉连续运行周期，使现有气化装置增加了10%以上的产能，折甲醇单炉每天产量增加约120 吨。按目前甲醇价格2600 元/吨计算，单炉年产值可增加1. 02 亿元以上。本次改造的成功也对国内同类型顶置单喷嘴水煤浆加压气化炉的长周期、高效运行具有一定的借鉴意义。

关键词：扩能改造；水煤浆；加压气化炉；工艺喷嘴；激冷环；下降管；上升管

前言

水煤浆加压气化技术是煤化工行业的核心技术之一，其中代表性的技术为德士古顶置单喷嘴水煤浆加压气化技术[1]。该技术在我国应用广泛，目前已经有 200 多台气化炉投入工业运行[2]。国能包头公司气化装置采用了这种水煤浆加压气化技术，其生产能力为有效气（CO+H2）53×104 Nm3/h，主要设备包括日投煤量1500T 的Φ3.2m/Ф3.8m 气化炉 7 台（5 开 2 备），6 套煤浆制备系统（5 开 1 备），7 套煤气化系统和渣水处理系统（5 开 2 备）。该装置于 2010 年投产，是当时国内煤化工示范项目最大的气化单元。

该项目单台气化炉设计煤浆负荷 85 m³/h，有效气产量 106000Nm³/h，投产后的装置总体运行稳定，但由于该项目气化装置关键部位配置及设备选型限制，操作运行中主要存在问题有：气化炉激冷室上升管与下降管间隙积灰堵塞，导致气化炉液位大幅度波动，由 35%左右涨至 75%，后又迅速降低至 20%左右，为生产的长周期稳定运行带来不利影响；气化炉有效气成分偏低，平均为 80.5%，粗渣残碳含量略高，平均为7.75%。炉砖磨损相对偏大，尤其是渣口砖，使用寿命仅为 3500 小时。为了提高该装置的产能并解决以上存在的问题，使装置能够达到一个比较高的运行水平，根据装置运行及配置现状，对该项目气化装置进行了扩能技术改造。扩能技术改造主要目的是将气化炉煤浆负荷由 85 m³/h 提高到 93.5 m³/h，解决现在运行中存在气化炉下降管、上升管环隙堵塞、气化炉液位大幅度波动和粗渣残碳略微偏高等问题， 以实现气化炉系统的长周期稳定运行。本文将报告扩能技术改造的内容，扩能技术改造后所提高的气化炉产能，以及延长了气化炉运行周期取得的成果和经济效益。

 1 扩能改造需求及内容

根据原料煤质分析、煤浆特性、空分制氧能力、气化炉结构尺寸、压力等级及工艺管道配置等和经过对气化炉装置生产粗煤气工艺的物料及热量衡算得出结论是：气化炉、洗涤塔、激冷水泵，灰水处理工段的设备等核心设备的结构尺寸和操作参数也可完全能够满足扩能后的生产需要。因此，扩能技术改造仅需要对工艺喷嘴、煤浆管线、激冷环、激冷室内件等进行改造即可满足扩能需要并解决气化炉效率偏低、液位波动等问题。

工艺喷嘴作为水煤浆(德士古)气化炉的核心设备，其结构为同轴三流道结构，中心流道和外环流道走氧气，中间流道走水煤浆。工艺喷嘴中心氧管的出口（中心氧喷头）设计成具有一定角度缩口形式，目的是对中心氧进行加速，同时其端面相对于水煤浆喷头端面有较大的缩入量，这样形成一个水煤浆与中心氧的预混腔，在预混腔内，利用中心氧的高速射流对水煤浆进行稀释和加速，改善水煤浆的流动特性，其目的是为了保证水煤浆与外环氧更充分的雾化。在工艺喷嘴出口外环氧与预混的水煤浆进行第二次混合，中心氧气、水煤浆、外环氧气三股射流之间进行着剧烈的动量交换，通过撞击、振动等方式达到雾化水煤浆的目的。工艺喷嘴头部设置有冷却水室、冷却水内盘管以及外盘管，利用脱盐水循环冷却保护工艺喷嘴头部及伸入气化炉内部分，有效地降低工艺喷嘴头部在高温辐射、烘烤下的温度。

1.1工艺喷嘴改造

改造前投煤量（水煤浆）约为 85m³/h，改造后要求：正常 93.5m³/h，最大 98 m³/h， 负荷提高 10-15%。现有气化工艺喷嘴管径、环隙整体尺寸偏小，无法满足扩能改造后的需要。所以, 对工艺喷嘴做了重新设计。 此外, 改造前工艺喷嘴煤浆管规格为 DN125 ，由于改造后负荷增加 10%-15%，为减少水煤浆的流速，以降低水煤浆对煤浆管内壁及中心氧管外壁的磨损，尤其是煤浆入口处对中心氧外壁的冲刷磨损，改造后将煤浆管规格增大为 DN150。

以上改造可适当降低烧嘴压差至 0.6MPa 左右，在满足雾化效果的同时也减小对炉砖的冲刷，有利于延长中心氧管及煤浆管的使用寿命, 使工艺喷嘴与气化炉更匹配。

1.2气化炉渣口改造

由于气化炉煤浆投入量增加后，渣量及产气量有所增加，为减小高温熔渣对渣口的冲刷磨损，气化炉锥底砖及渣口砖形式也进行了以下改造。

将锥底砖向火面砖缝数量由 4条减少为 3条。向火面砖为高铬砖，砖缝用耐火泥砌筑，耐火泥强度低于高铬砖，因此，炉砖最薄弱的环节为砖缝，而气化反应产生的高温熔渣均要流经锥底砖砖缝，减少锥底砖向火面砖缝数量可从根源上减少高温熔渣对砖缝的冲蚀，从而增加炉砖使用寿命。将渣口砖由 3 层“阶梯状”改为 4 层“平滑过渡状”，并将其厚度整体增加了50mm，增强了其抗冲刷性能，而且最底层砖优化为 L 型，也增加了对托砖板内环的保护。

1.3气化炉激冷室内件改造

水煤浆加入气化炉负荷的增加以后, 气化炉气量明显增加，气化炉的激冷水量也需要相应地从原来的 400t/h 提高至 500-550 t/h，以保证粗煤气的激冷和洗涤效果以及气化炉下部激冷室水浴液位的稳定。因此气化炉激冷室内(见图 2)的激冷环及上升管和下降管需要进行重新设计，从而实现均匀的水分布，下降管内壁好的旋流和更好的换热效率，保证粗煤气的洗涤效果和激冷效果，合理的气流速度，防止气化炉带水带灰。

1.3.1激冷环改造

   当前的设计在运行中主要存在以下问题：

激冷环用水水质：激冷环用的循环水水质较差，易造成激冷环出水孔堵塞， 从而造成堵塞孔处激冷水偏流甚至断流，导致局部过热造成损伤。因此本次改造提出分流管的概念，在不改变与气化炉连接进水管的情况下，增加一个“一分二”结构的分流管。通过分流管结构设计，将进入激冷环的进水管优化为 8 组，极大的提高了进入激冷环灰水的均匀度，使水分布更均匀。此外还对激冷环出水孔进行优化，在不改变激冷环与气化炉托板连接螺栓孔的情况下将激冷环出水孔翻，减小了孔与孔之间的间距，使水分布更均匀且对水环的冲刷更分散，与增加后的 8 组进水管配合使用，减少了激冷环出水孔堵塞的几率，从而延长激冷环使用寿命。

结构设计：现有的激冷环的水环为“内圆外圆”结构，各处壁厚均为 10mm 左右，且出水孔带有一定的仰角，水流对水环内壁形成一定的冲击力，容易冲透水环，至使水环使用寿命减短。改进后增加了直接受冲刷处水环的厚度，对水环内壁易冲刷部位进行耐磨材料喷涂, 喷涂材料硬度可达 HRA90，而母体 Incoloy825 硬度为 HRA57，硬度提高 57%以上，提高了水环耐磨性能。同时对出水孔仰角进行优化，改进后的激冷环出水斜孔方向与水环内壁承相切方向，减小了水流对水环内壁的正向冲击力，从而延长水环的使用寿命。

1.3.2 下降管及上升管改造

气化炉产生的高温粗煤气及熔渣经激冷环和下降管冷却降温后进入激冷室水浴， 冷却后的熔渣排出气化炉。气体经由上升管下端的集气罩进入下降管与上升管之间的环形间隙排出气化炉。由于气化装置扩能改造后的产气量将明显增加，目前下降管与上升管之间的环形间隙过小不能满足新的需求, 并结合目前存在的气化炉激冷室上升管与下降管间隙积灰堵塞，导致气化炉液位大幅度波动等问题，需对下降管及上升管， 相应配件（如 T 型连接板等）同步进行改造。

2 改造后的效果

2.1  煤质和水煤浆

本次气化炉系统扩能改造首先在 3#气化炉进行，改造完成后一次性投料成功，运行中使用的煤是烟煤。

2.2  工艺喷嘴

改造后的工艺喷嘴初期稳定在 85m³/h 煤浆负荷运行，各项指标正常，然后将负荷缓慢加至 93.5m3/h，稳定运行一周后再将负荷逐步加至 98m3/h。并实现了连续运行 81天按计划停车。

2.3  气化炉的运行主要工艺参数

气化炉煤浆负荷从 85m³/h提高到 93.5m³/h，负荷提高 10%，粗合成气产量提高了 10.6%，有效气含量由改造前的 80.5%增加到 81.7%，增加了 1.49%。实际运行中气化炉粗渣残碳含量由改造前的 7.75%降低至 6.39%。

2.4  炉砖

炉砖自扩能改造更换后，已经连续运行 255天，拱顶、筒体、锥底、渣口情况良好，属于正常的磨损范围，可以继续使用。尤其是锥底及渣口砖使用寿命从改造前

2个烧嘴周期（150天左右）明显延长至 3个烧嘴周期（255天左右），也更好的保护了托砖板内环和激冷环。

2.5 激冷室内件

运行 255 天后托砖板内环、激冷环、下降管、上升管状态均较好，内件表面覆盖约 4-5mm 垢层，激冷室仅轻微积灰，解决了原先下降管与上升管间隙堵塞的问题，保证了气化炉系统的长周期、稳定运行。

3 经济效益

本次扩能改造充分利用了原有设备，改动少、投资省。在现有装置正常运行的基础上增加 10%以上的产能，折甲醇单炉每天产量增加约 120 吨。按目前甲醇价格 2600元/吨计算，单炉年产值可增加 1. 02 亿元以上。通过对磨损数据的测量对比，使用改造后的锥底砖每年节约其他检修、开停炉等工作产生的费用 1000 万元以上。

4 结论

陕西鑫立喷嘴研制开发有限公司对国能包头公司煤气化装置成功地进行了工艺扩能改造。改造内容包括气化炉工艺喷嘴、气化炉内的激冷环、下降管、上升管、炉砖等。结果表明：气化炉在现有装置正常运行的基础上增加 10%以上的产能，折甲醇单炉每天产量增加约 120 吨。按目前甲醇价格 2600 元/吨计算，单炉年产值可增加 1.02 亿元以上，为企业带来了巨大的经济效益。

工艺喷嘴改造后气化炉煤浆负荷从 85m³/h 提高到 93.5m³/h，负荷提高 10%，粗煤气产量提高了 10.6%左右，有效气（CO+H2）含量增加了 1.49%，碳转化率提高，说明改造后雾化效果更好，改造后工艺喷嘴龟裂也减小。气化炉内的激冷环、上降管, 下降管的改造解决了长时间困扰企业生产的激冷室液位大幅度波动问题和气化炉粗渣残碳偏高等问题。炉砖磨损减小，激冷室内件完好，气化炉可运行至 255 天左右再进行检修，为气化炉砖与内件检修的匹配以及气化炉一年一检修铺垫了基础。扩能改造后工艺喷嘴、炉砖、激冷环、下降管、上升管等主要设备使用寿命的延长也降低了检修频率及检修费用，为企业实现降本增效提供了支撑。

此类问题在国内一些厂家也有出现，本次改造的成功也对国内同类型顶置单喷嘴水煤浆加压气化炉的长周期、高效运行具有一定的借鉴意义。

参考文献:

[1]许世森,张东亮,任永强.大规模煤气化技术[M]. 北京：化学工业出版社,2006 : 135-136.

[2]王辅臣. 煤气化技术在中国：回顾与展望[J]. 洁净煤技术, 2021,27（1）: 1-33.