壳牌煤气化装置管道布置特点分析

姜 华李 霖 陈毅烈 惠生工程(中国)有限公司 武汉430070

目前国内已有20余套投入生产运行或在建的合成氨、甲醇、煤制氢及煤制烯烃装置采用壳牌煤气化技术。由于工艺流程特殊要求较多，公用系统配置繁多，在设备布置及管道布置设计期间需要考虑较多的因素，难度也相对较大。本文对煤气化管道布置特点进行分析总结，为今后的煤气化管道布置或大型装置框架管道整体布置提供参考和借鉴。壳牌煤气化主要流程见图1。

图1 典型的壳牌煤气化主要流程

壳牌煤气化装置是以煤为原料生产粗合成气(CO+H2)。主要生产工序包括磨煤及干燥、煤加压及输送、煤气化、除渣、除灰、湿洗、初步水处理、公用工程系统8个工序。根据工序特点以及管道内的介质特性，各工序的配管各有其特殊性;同时，由于煤气化框架多高达100m以上，楼层十余层，每层都需要配置公用系统管线，为使配管合理有序，需要合理规划公用系统管道布置。

1 磨煤及干燥

此工序中原料煤通过重力输送至磨机，重力流管线需要与水平面有最低70°的夹角要求，配管时要尽量使煤粉垂直输送至磨机;碎煤仓中的原料煤经磨机磨粉，与热风炉中燃烧产生的热烟气混合吹入煤粉袋式过滤器中，烟风煤粉管道的配管需要注意防止堵粉、过量积灰和管道磨损，因此，配管时宜倾斜布置，其与水平面的倾斜角不宜小于45°，管线弯头采用弯曲半径3DN;根据《烟风煤粉管道设计技术规程》DL/T 5121－2000要求，还需要对烟风煤粉管道采用管道加固筋;另外，管线布置还需要考虑避让吊车轨道，预留足够检修吊装空间。

2 煤加压及输送、除灰

煤加压及进料由煤粉贮仓、煤粉锁斗、煤粉给料器组成，为垂直布置，煤粉靠重力从上往下输送，此系统的布置从底部向上部反算，配管时注意煤粉给料器底部预留煤粉输送管线的管件及长半径弯头(R=50DN)的空间，见图2。两设备间的管线长度需要预留管道充气锥长度、管件长度、管道膨胀节的长度，见图3。同时还要考虑管件操作维修的方便。

除灰系统主要由HTHP飞灰过滤器/HTHP飞灰收集器、飞灰排放罐、飞灰气提/冷却器、中间飞灰贮罐、吹灰器组成，飞灰靠重力从上往下输送，同样配管时要注意预留设备之间管件的长度，管道膨胀节的长度，同时还要考虑管件操作维修的方便。

两工序煤粉及灰粉都为重力输送，重力流管线需要与水平面有最低70°的夹角要求，系统中平衡管线需要与水平面有最低60°的夹角要求。

图2 煤粉给料仓出口处煤粉输送管线典型配管

图3 煤粉输送系列设备间典型配管

3 煤气化

从煤粉贮仓来的煤粉送入气化炉粉煤烧嘴的中心管，在此处与氧气发生部分氧化反应生成高温煤气，此工序是煤气化装置的核心，也是煤气化装置配管的重点及难点。

3.1 煤粉输送及返回管线

为减轻煤粉对管线的磨损，管线要求采用R=50DN的弯头，返回管线工作频率较送粉管线低，采用R=30DN的弯头;通常煤粉加压及输送工序有两个或三个系列，单系列的煤粉输送至气化炉管口时要保证为对口接入(管口夹角180°，见图4)。为保证两管线的压力降相等，不使煤粉在气化炉燃烧火焰偏心，需要两管线尽可能管线长度及弯头个数尽量相等。

3.2 氧气管线配管

图4 典型4烧嘴气化炉煤粉管线入口布置

氧气本身无任何毒性，但由于其助燃的特性，使其在布置时需要特别注意，应严格按照国内氧气的相关标准规范的要求设计。除此之外，壳牌专利商还要求遵循欧洲标准(EIGC)中关于氧气管线的相关章节内容。

(1)氧气主管要高于烧嘴(氧气进口)，主管末端不能有袋形，氧气在管内要避免撞击区，管内无残渣。

(2)当主管低于烧嘴，其上支管需从主管顶部接出。

(3)所有氧气介质弯头需大于1.5DN，如采用3DN等。

(4)管道缩径一次只能降低一个规格，两异径管之间至少要有10DN的直管段长度，若异径管缩径坡度小于15°则无需异径管之间10DN的直管段长度要求。

(5)支管弯头距主管至少要有10DN的直管段长度。

3.3 水汽系统管线

水汽系统的管道多密集集中在气化炉和汽包附近，受气化炉管口方位影响，管线多为对称布置;另受气化炉运行热膨胀的影响，管口处管线位移量较大，距管口较近的管线需要设置较多的弹簧支架，需要注意在设置弹簧支架的地方要保证有足够的弹簧安装空间;汽水系统配管关系到气化炉水冷壁水通道流量的分配，在管道设计时不得出现袋型;流量计、限流孔板等上下游需保证足够的直管段。

4 除渣、初步水处理

除渣系统处理原料为气化炉燃烧段产生的高温熔渣，在此系统中，渣水混合物中的大颗粒熔渣被除去，含小颗粒灰渣的渣水混合物进入初步水处理工序继续被处理，由于所处理介质含有固体颗粒，容易对管道有冲涮磨蚀，因此配管时需要采用长半径的弯头(R=5～10DN)。

除渣工序的渣水混合物中灰渣的颗粒相对较大，容易堵塞管道，由于管内流速不高，与减少冲涮磨蚀相比，泵进出口处的配管更要注重方便拆卸检修，见图5。

图5 典型的除渣工序泵进出口管道布置

初步水处理工序的渣水混合物中灰渣的颗粒相对较小，对管道的堵塞可能性较小，在泵进出口处管线的分支及汇合处，宜采用斜三通，见图6。这种布置可以减轻对管道的冲涮磨蚀。

5 装置公用系统管线布置规划

煤气化公用系统比较复杂，且框架较高，层数较多，如不合理规划公用系统管线走向，管线布置将会杂乱无章，所以应有合理的布置原则。

(1)框架每层楼面设置内管廊，用于电缆、公用管线的布置，内管廊下方可做每层楼面的操作检修通道。

图6 处理泵进出口管道布置

(2)框架外挑用作绝大多数工艺管线配管区域，避免与公用系统管线交叉布置，既有条理又美观。

(3)公用物料站位于柱侧和通道侧边，方便操作人员的使用。

典型煤气主框架布置规划见图7。

图7 典型煤气化主框架布置规划

6 结语

壳牌煤气化在国内已经有数十年的成功运行经验，通过对壳牌煤气化各工序的布置特点分析，可以促使在今后的设计过程中，更好地把握流程中的特殊要求，并从工程实践中吸取经验教训，不断优化设计，促使今后的煤气化布置不断优化进步，同时也为大型化工装置的配管提供借鉴或参考。