多喷嘴对置式水煤浆气化技术在工程应用中的优化及改造

赵矿生

(山东兖矿国拓科技工程有限公司，山东滕州 277527)

多喷嘴对置式水煤浆气化技术是由兖矿集团和华东理工大学共同开发的，技术人员通过理论研究、实验室试验、工业中试、工业示范、工业放大等技术开发过程，掌握了多喷嘴对置式水煤浆气化技术的工程放大规律，并证明了其研究与放大方法是科学的、正确的、严谨的，奠定了其向更大规模跨越的理论与工程化基础。多喷嘴气化技术先后被应用到“九五”、“十五”、“十一五”、“十二五”国家863科技研发项目中，已形成了日处理煤1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，4 000 t和 4.0 MPa、6.5 MPa不同压力等级的系列炉型[1-3]。

目前，多喷嘴对置式水煤浆气化技术已被国内外47家用户应用，共计建设143台气化炉，至今已经有22家企业60台气化炉投入运行。已投产运行的生产装置可证明多喷嘴水煤浆气化技术是先进的、成熟的、可靠的，不同炉型和压力等级的工业运行数据表明，多喷嘴气化技术碳转化率可达99%，有效气成分高，比氧耗和比煤耗低，合成气中尘含量低，工艺烧嘴及耐火砖寿命长[4-5]。

从2005年第1套千吨级工业示范装置投产以来，技术人员不断总结经验，并持续从以下几个方面对多喷嘴气化技术工艺流程及关键设备结构进行升级和改善，使得工艺流程更趋合理，关键设备运行周期更长，工况更稳定。

1 气化炉拱顶高径比优化

1.1 存在的问题

多喷嘴对置式水煤浆气化炉第1套工业示范装置曾出现过因拱顶高径比偏低导致拱顶砖寿命短且易超温等现象。在设计第1套工业示范装置时，气化炉拱顶部位的高径比取值比中试炉型的略低，投产后造成高温区域靠近拱顶，煤浆与氧气对撞后形成的向上撞击流股速度过高，气化炉拱顶砖受到高温和冲刷的双重作用，难以在拱顶部位的耐火砖表面形成有效的渣膜保护，造成拱顶耐火砖蚀损速率偏高(拱顶砖寿命短)，导致拱顶砖发生超温现象。

1.2 处理措施

2016年之前，在现有条件下采取了以下措施：①将烧嘴的外环氧通道间隙适当加大，使氧气的喷口速度由设计的140 m/s降低至100～110 m/s，在保证雾化效果的前提下，降低上升气流的速度，以减小对拱顶耐火砖的冲刷。②适当降低气化炉的负荷的同时，可提高气化炉的操作压力，以保证烧嘴外环氧气的喷口速度始终维持在100～110 m/s，气化炉生产负荷提高后，系统操作压力相应提高；并在此基础上，制定了合理的压力负荷对应关系，要求操作人员按照压力负荷对应关系调整气化炉负荷。③严格控制原料煤的质量和煤浆的制备质量，保证原料煤灰熔点和煤浆浓度的稳定。

通过上述优化调整，气化炉装置拱顶耐火砖寿命均能达到8 000 h以上。2016年，先后对第1套工业示范装置的2台气化炉进行升级改造，通过增加气化炉拱顶高度、增大高径比值、降低上升流股流速，使物料的停留时间分布更为合理，提高了炉内单位容积内颗粒浓度，强化了颗粒之间的碰撞，提高了气化效率。目前气化炉生产负荷达130%，系统各项指标优良，气化运行稳定。结合工业示范的工程经验，后续所有项目中，在设计阶段进一步优化气化炉拱顶高径比取值，气化炉拱顶耐火砖寿命已超过12 000 h。

2 耐火砖结构优化

气化炉燃烧室为进行气化与燃烧反应的气流床反应器，气化炉金属壳体设计温度约425 ℃。为防止高温火焰使金属壳体受热变形，多喷嘴对置式水煤浆气化炉燃烧室采用耐火砖结构，耐火砖分为3层，从里到外依次为向火面砖(Cr-Al-Zr砖)、背衬砖(Cr-Al砖)、隔热砖(纯Al2O3)。炉体耐火砖从上到下依次为拱顶、筒体、锥底，为了便于局部更换，在烧嘴的上、下部分别设置托砖架。

2.1 存在的问题

气化炉燃烧室砌筑耐火砖后，燃烧室内径比气化炉壳体内径缩减1 000 mm左右，造成气化炉燃烧室内有效反应容积减小，从而制约了装置提产的要求。

2.2 处理措施

对气化炉隔热衬里进行减薄优化，主要对背衬砖厚度进行了削减，同时增加隔热砖厚度。在相同钢壳体内径下，减薄优化后的气化炉炉膛有效容积显著增大，有利于在不增加设备投资的情况下提高气化炉处理能力。

通过理论计算，比较减薄优化前、后的耐火衬里结构。减薄优化前，由于背衬砖厚度引起的热阻增加，耐火砖层、托砖架和炉壳内的整体温度分布均比减薄优化后的低，托砖架和筋板的最高温度比减薄优化后低约60 ℃，最低温度比减薄优化后低约30 ℃；炉壳和鳍片中的最高温度比减薄优化后低约30 ℃，最低温度比减薄优化后低约20 ℃。因此，减薄优化后的耐火衬里结构虽然会增加炉壳和托砖架超温的风险，但由于温度升高并不明显，这一风险应当在可控范围内。

3 蒸发热水塔结构升级

多喷嘴气化工艺中渣水处理系统的关键设备是蒸发热水塔，气化炉及煤气化初步净化系统来的渣水分别减压后导入蒸发热水塔蒸发室，渣水大量汽化，溶解在水中的酸性气体解吸；蒸发室产生的蒸汽进入热水室与循环灰水直接接触换热，使灰水得到最大程度的升温。

3.1 存在的问题

在早期设计中，蒸发热水塔热水室采用填料结构形式，由于填料塔的特殊结构形式，个别厂家曾出现过填料段积灰和带水现象，致使热回收效率降低，同时存在停车检修时填料清理困难、需回装等问题。

3.2 处理措施

对后期设计装置中的蒸发热水塔结构进行了优化调整，通过对气、液、固三相介质的混合传递过程的深入研究，设计出传质强化、抗堵渣能力强的塔盘结构形式，采用新一代的塔盘式闪蒸-换热一体化技术。该塔盘形式具有自清洁功能，大大提高了工业运行的稳定性和可靠性。

该技术基于蒸发与冷凝分离原理，将旋流流动、闪蒸相变与直接换热3个过程耦合在一个塔器内，含渣黑水处理系统流程简单、投资少、易放大且操作弹性宽，能更高效地完成含渣黑水的热量回收、灰水的利用和除渣这3个工艺任务，系统的热量可进一步得到综合利用。

将塔盘式闪蒸-换热一体化的蒸发热水塔应用于水煤浆气化过程后，借助旋流闪蒸，粗合成气初步洗涤后的黑水中液态水闪蒸为蒸汽，黑水中所溶解的酸性气体、不凝性气体也一并得以闪蒸脱除，进一步提高了灰水水质。由于气化灰水的水质优良，焓值高，完全能满足粗合成煤气除尘洗涤的要求，且出界区合成气水气比高，减少了后续工段的蒸汽需求。

4 水洗塔塔盘形式改造

4.1 存在的问题

气流床煤气化生成的粗合成气中细灰含量较高，若不能有效分离，将给合成气净化系统带来较大的影响。在早期设计的装置中，合成气洗涤核心设备水洗塔采用全泡罩塔盘式结构，部分装置运行到后期时，出现了下部与灰水接触的塔盘结垢，造成水洗塔带水，进而影响合成气洗涤效果，致使系统波动。

4.2 处理措施

在水洗塔中部设置2～4层筛孔塔盘，利用渣水处理系统返回的灰水对合成气进行洗涤；在洗塔上部设置 2～4 层泡罩塔盘，用变换单元返回的清洁冷凝液对合成气进行最终洗涤。通过对水洗塔的结构改造并结合合成气分级净化除灰工艺，实现了气化装置出气化界区合成气中含尘质量浓度低于1 mg/m3(标态)的技术目标，为气化装置稳定运行创造了良好的条件，保证了合成气的净化质量，并降低了能量消耗。

5 结语

从2005年第1套采用多喷嘴对置式水煤浆气化技术的工业示范装置投产至今，技术人员通过理论结合装置的实际运行情况，已对多套装置进行优化升级，通过优化气化炉高径比，延长了气化炉拱顶砖使用寿命；对水洗塔塔盘结构进行改造，既保证了合成气的洗涤效果，又避免了水洗塔带水的问题；蒸发热水塔换热室填料塔升级为塔盘结构，更好地保证了闪蒸汽与低温灰水的热接触，可保障设备运行周期内满负荷稳定运行；优化气化炉耐火砖的方案，可满足有提产要求的用户。

参考文献

[1] 孙铭绪.多喷嘴对置式水煤浆气化技术工程设计[J].化工设计，2007，17(5)：3- 7.

[2] 张大晶.多喷嘴对置式水煤浆气化技术设备概况[J].化肥工业，2009，36(2)：41- 43.

[3] 刘进波.多喷嘴对置式水煤浆气化技术工业应用总结[J].化肥设计，2012，50(2)：50- 51.

[4] 李福文，孙化祥，丰中田.多喷嘴对置式水煤浆气化技术应用总结[J].化肥工业，2012，39(6)：35- 37.

[5] 路文学.新型多喷嘴对置式水煤浆气化技术工业化应用[J].现代化工，2006，26(8)：52- 54.