水煤浆气化炉布置及管道设计

杨 柳

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

水煤浆气化炉布置及管道设计

杨 柳*

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

结合具体项目情况，介绍水煤浆气化炉及气化工艺特点，分析气化炉及其烧嘴从设备布置到相关管道布置的设计难点，提出合理建议。

水煤浆气化炉 烧嘴 布置 管道

水煤浆气化工艺是以纯氧和水煤浆为原料，经烧嘴进气化炉，在高温、高压下进行气化反应，生成粗合成气的工艺过程。其中最具代表性的为德士古水煤浆气化工艺，作为工艺核心设备的气化炉，其设备布置及其相关管道设计的合理性直接影响到气化框架整体布局。本文以气化炉单台投煤量1500t/d，操作压力6.5MPa，燃烧室内径Ф3200mm，激冷室内径Ф3800mm，三台气化炉两开一备工况为例，提出气化炉布置及管道设计时应注意的几个问题。

1 水煤浆气化炉与气化工艺

气化炉为燃烧室内衬耐火材料的立式压力容器，是气化工艺最核心设备，作为高温气化反应发生场所，根据不同的工艺要求，其燃烧室可与激冷室或废锅相连，在本文中以激冷流程进行说明，具体工艺流程：料浆由料浆贮槽经高压料浆泵加压后，连同空分送来的高压氧气经烧嘴混合雾化后进入气化炉发生气化反应。高温气体和熔渣经激冷环、下降管进入激冷室的激冷水中，并被水蒸汽饱和后出气化炉。粗合成气经文丘里和炭黑洗涤塔用水进一步湿润洗涤，除去残余的飞灰，并根据需要制氢或做它用，生成的灰渣通过渣排放系统定期排出界外。

2 气化框架

气化炉布置见图1。

气化框架占地面积约为16m×45m，总高度为53.7m，框架东侧为装置外管廊，南侧与磨煤框架相连，气化炉布置在A、B轴与2-5轴区域内。为保证气化炉等大型设备吊装，西侧道路延伸至北侧框架，楼梯间设置在西南角及东南角，以满足安全疏散通道要求，吊装孔考虑设置在西北角靠近装置出入口附近，便于搬运。框架跨度的设计主要以气化炉为依据，它是此区域最大体积设备，其炉体直径为Ф3800mm，四个支耳支撑，支耳底板外缘6m，同时兼顾操作检修将跨度确定为9m。

图1 气化炉布置

3 气化炉布置时的注意事项

3.1 支撑层高度的确定

根据气化工艺要求，为保证气化炉排渣顺畅，设备与设备间均为串联布置，其顺序依次为气化炉-破渣机-渣锁斗-捞渣机，故气化炉支撑高度应充分考虑设备及其相连管道所需空间，从下至上推算出气化炉安装高度，同时保证气化炉顶部管口(与烧嘴连接处法兰)高出平台150mm左右，以便拆卸更换烧嘴。

3.2 吊装方案对框架结构的影响

气化炉总长约20m，设备质量约500t，为气化框架内最长、最重的设备，其吊装方案直接影响到框架结构，包括吊装孔的设置、框架梁的布置方式等。采用混凝土结构的气化框架，一般有以下三种方式：

(1)施工至气化炉支撑层后对气化炉进行吊装，待就位后施工上部结构，此方案最为简单、经济，但需考虑气化炉进场时间、工程进度以及施工时对气化炉保护等问题。

(2)气化炉待整体框架结构施工完毕后从框架顶部自上而下进行吊装就位，同时设计时应考虑自上而下均设置吊装孔，具体需注意以下问题：① 为适当减小吊装孔的大小，一般考虑将设备旋转45°，即将4个支耳的位置旋转至楼板开孔的四个角处，设备吊起，支耳通过开孔、楼板后，再转回45°将支耳在梁上就位；② 吊装孔的大小必须能通过设备各部件，一般来讲，人孔或者是最大的工艺管口都会是整个设备的最大部件,但应注意当与最大管口高差小于梁高的设备管口方位对吊装孔的影响；③ 设备吊装完毕后对吊装孔用花纹钢板补齐，以保护人员通行安全。

(3)气化炉待框架施工完毕后从框架侧面进行吊装，此方式需设置活动梁，此梁一般为钢梁，当设备吊装时，取下活动梁，设备就位后，再将活动梁安装好。该方法适用于吊装设备总长较大，吊车从顶部吊装较为困难的情况，对于水煤浆气化炉大型吊车(例如1250吨位)可顺利从顶部吊起，故此吊装方法并不常见，更多用在粉煤气化炉的吊装过程。

水煤浆气化炉常用后两种吊装方案，具体需根据整个项目进度、吊车大小等情况统一考虑，必要时应与施工单位共同协商。

3.3 烧嘴平台吊车的选用

3.3.1 吊车存在的必要性

(1)气化炉、烧嘴日常检修维护非常频繁，尤其是烧嘴在高温、高压及高速气流的冲刷下，使用周期较短，平均寿命为45d, 属易损部件，检修频率非常高，这同样也是德士古水煤浆气化炉考虑备用炉的重要因素。

(2)为减少开车时燃烧室的热量散失，保证快速拆卸预热烧嘴，更换工艺烧嘴，需将整个过程控制在45min之内，为满足此要求，必须设置吊车。

3.3.2 主要吊装部件数据

吊车主要吊装部件为工艺烧嘴、预热烧嘴、耐火砖、下降管、上升筒，其具体参数见表1。

为保证更换烧嘴的过程中，烧嘴冷却水不间断，吊装时应连冷却水管线上的三通阀及其附件(例如法兰、软管等)一起吊装，故起吊部件重量将其一起考虑。另外，由于耐火砖吊装数量可控(参考重量为4500kg/m3)，即吊装重量可控，故可不作为确定因素。

表1 起吊部件参数

3.3.3 吊车的选用原则及方案

吊车的选用原则：其运行轨迹应通过所有吊装或检修部件的正上方，并预留足够空间，保证检修件吊起时，与平台管线(包括控制阀的执行机构)完全分离。目前常用做法有两种：一台桥式吊车或两台独立的单轨吊车，前者覆盖范围相对广，但成本高，但后者优势在于可同时吊装、缩短更换烧嘴时间，也可同时对停车检修的气化炉进行耐火砖的更换，稳定性好、成本相对低。

吊车选用方案：本项目综合考虑后选用两台单轨吊车，起吊重量均为3t，起吊高度分别为10m用于更换烧嘴、60m用于吊装耐火砖、下降管、上升筒。

4 气化炉主要管道的设计

气化炉管道设计难点主要在于烧嘴相关管线的设计，因为烧嘴是气化炉重要组成部分，用于水煤浆和氧气的高度混合、雾化，是气化反应的第一步，也是气化炉安全稳定运行的关键，同时由于其输送介质的特殊性，水煤浆为固液两相，易沉积、易堵，磨蚀严重；纯氧为强助燃剂，加上为使装置运行安全可靠，系统设置了复杂的安全联锁，自动化程度高，各种工艺阀门、仪表元件较多，所以布置时应统筹考虑工艺要求，介质特性、安全操作等各方面因素。

4.1 烧嘴管口参数与方位布置原则

烧嘴管口为主氧气入口(DN100)、中心氧入口(DN40)、煤浆入口(DN100)、冷却水入口(DN50)、冷却水出口(DN50)，其中冷却水系统是在烧嘴外侧设置的冷却盘管，由一套单独的系统向其供应冷却水，防止烧嘴损坏。

烧嘴管口的布置方式直接影响到管道的整体布局，见图2。

图2 烧嘴管口布置

一般情况以烧嘴为界，一侧为操作区，主要为气化炉更换烧嘴、耐火材料预热及修复、设备维护等提供场地，另一侧为配管区，集中布置工艺管线。将烧嘴工艺管口布置在南侧区域，为防止拆除烧嘴时水煤浆滴落在氧气管口上引起燃烧，同时保证阀门及自控元件集中布置在此区域后水平进入烧嘴以满足管线“短而直”的要求，两管口在水平方向上应分开布置，烧嘴冷却水管线分别布置在东西两侧，避免与氧气与煤浆管线互相影响。

4.2 氧气管线布置

氧气管线作为煤气化装置的核心管道，所输送气体不仅因为是气化反应的主要物料之一，主要由于其特殊属性—强氧化剂和助燃剂，除与金、银以及惰性气体一般情况下不发生反应外，与其他物质均能发生氧化反应。在化工装置管道中，随着气流运动与管壁发生磨擦、撞击，会产生大量的热，发生剧烈燃烧，甚至爆炸，故必须遵循设计规范要求，保证氧气管道的安全性，同时兼顾操作性。以下几点需要重点关注：

(1)氧气管道与可燃气体、液化烃和可燃液体管道共架敷设时应布置在一侧，不宜布置在可燃气体、液化烃和可燃液体管道正上方和正下方，平行布置时净距不应小于500mm，交叉布置时净距不应小于250mm，当管道采用焊接连接结构并无阀门时，平行布置时净距可取250mm。两类管道之间宜用公用工程管道隔开。尽可能将成为火源的管道或电仪设施远离氧气管道。

(2)氧气管道系统尽可能简单，阀门、管件、支管和管口的数量尽可能少。例如可以考虑几个仪表的连接共用一个管件或管口。

(3)氧气管道的弯头、三通不应与阀门出口直接连接，调节阀组、干管阀门、供一个系统的支管阀门、车间入口阀门，其出口侧管道宜有不小于5倍管道公称直径且不小于1.5m的直管段。这是因为氧气管道的阀门出口处气流状态急剧变化，而直管段可以改善流动状态，使其不产生涡流。但使用豁免材料可不按此执行(豁免材料是指在确定压力限制、材料厚度和氧气纯度的情况下，不受氧气流速的限制，例如在操作压力不大于8.61MPa、壁厚大于等于3.18mm时，镍基合金Inconel600)。

(4)氧气管道的异径接头，应采用标准的钢制对焊无缝异径接头，当焊接制作时，变径部分长度不应小于两端外径差值的3倍，其内壁应平滑，无锐边、毛刺及焊瘤。

4.3 水煤浆管线布置

(1)对浆液管道来讲，要求管道尽可能短，少拐弯，切忌两端高中间低的“袋型”， 除非有标高提升要求，管道应布置为“步步低”，并宜设置坡度。管道越短，可以缩短残留浆液的直管段，同时发生堵塞的可能性就越小。

(2)浆液管道上的支管连接，应采用Y型三通，支管流向应顺主管流向，以避免流体通路断面的急剧变化引起湍流和涡流。

(3)浆液管线的旁路、支管均应从主管的顶部或侧面接入，以避免渣的沉积。

(4)浆液管道当改变走向时，管道的弯曲部分。应采用大曲率半径的弯管，弯管的曲率半径根据工艺要求确定，一般应大于4DN，这样浆液能在管道中光滑过渡，便于流动，减少对管线的磨蚀。

4.4 仪表阀门布置要求

氧气与水煤浆管线上的控制阀和切断阀均为管线上的关键仪表，其不仅有严格的工艺安装要求，同时执行机构较大，故合理布置是保证装置长期、稳定运行的关键，也是管道布置难点之一，具体要求如下：

(1)氧气流量控制阀(图3)到下游主管阀门及其支管的第一道阀门距离烧嘴应尽量短，且应布置在烧嘴所在平台上，此管线越短，残留在管道里的氧气亦越少，也就降低了因氧气过量而发生爆炸的可能性。

(2)氮气管线上的切断阀应靠近氧气主管布置。氮气在化工装置中，对防止燃烧、爆炸、保证安全生产具有不可缺少的辅助作用。由于氧气可燃，开车前，必须用氮气对管道中的空气进行置换，使系统内氧含量降至0.2%(体积分数)及以下，而切断阀与主管距离远近决定了氮气对氧气管线进行吹扫、置换的时间以及氮气用量大小。

(3)煤浆主管切断阀、循环管线上切断阀距离烧嘴应尽量短，且均应布置在烧嘴所在平台上。这是因为过长的距离会使管线内水煤浆过多即进炉时间变长, 而过长的投料时间将导致气化炉热量损失过大, 致使气化炉内的温度不能满足开车要求。

图3 各阀门与仪表的布置

(4)上述仪表阀门执行机构长，阀门重量大，加上烧嘴平台管线密集，活动空间较小，各种仪表元件、阀门布置紧凑，故仪表阀门执行机构的放置也是管道布置的难点之一，以下6种放置方式都为常用方式，具体布置见图4。

图4 执行机构布置型式

A通常是默认方式，也可根据实际情况选用B、C、D甚至E、F，但需注意以下几点：

(1)若采用方式非型式A，应及时反馈厂家进行调整。

(2)必要时考虑膜头支撑，并与其所在管线的应力计算同步进行。

(3)采用型式E、F时，应注意适当抬高管道标高。

5 结语

气化炉是水煤浆气化工艺的重点设备，无论从设备布置到管道设计都有其自身的特点，故应按其工艺要求，并兼顾操作性进行合理设计，为气化炉从试运行、开车、运行、停车、检修、维护的安全性及可靠性提供保证。

1 宋岢岢主编.压力管道设计及工程实例 [M] . 北京：化学工业出版社，2009.

2 SH 3012-2011，石油化工管道布置设计通则[S].

3 国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局. 全国压力管道设计审批人员培训教材(第二版)[M] .中国石化出版社，2011.

4 贺永德主编.现代煤化工技术手册[M] . 北京：化学工业出版社，2009.

2017-02-15)

*杨 柳：工程师。2005年毕业于江苏工业学院制药工程专业。从事设备布置及管道布置专业工作。联系电话：(029)88345588-8565，E-mail：yangliu1@bpdi.com.cn。