干煤粉气化炉下渣口结构的设计及应用对比分析

第54卷第3期化肥设计June 20162016年6月Chemical Fertilizer Design.●23.干煤粉气化炉下渣口结构的设计及应用对比分析李晓东,张镓铄(神华宁夏煤业集团煤制油项目建设指挥部,宁夏银川750411)摘要:对干煤粉气化技术发展方向进行了综述,并重点研究了气化炉下渣口结构。通过对比不同下渣口结构的制造、安装运行检修的难易程度,以及对不同下渣口结构在运行中可能出现的风险进行识别(水冷壁的磨损、下降管的烧损等),具体对比了两种已应用的气化炉渣口水冷壁与下降管组合结构的优缺点,并给出推荐理由。关键词:干煤粉;气化炉;渣口水冷壁;下降管;结构;应用doi:10. 3969/j. issn. 1004 - 8901.2016. 03.007中图分类号: TQ545文献标识码: B文章编号: 1004 - 8901 (2016)03 -0023 -04Comparative Analysis on the Membrane Wall Structure Design andApplication of Pulverized Coal Gasifier Slag TapLI Xiao-dong, ZHANG Jia-shuo( Shenhua Ningxia Coal Industry Group CTL Project Construction Headquarters, Yinchuan Ningxia 750411 China)Abstract: This paper summarizes the development tendency of pulverized coal gasification technologies and studies the slag tap structures of gasifier.Through comparison of the complexity of manufacture, insallation, operation and maintenance of diferent slag taps and identification of operation risks ofsix kinds of combination of membrane wall of slag tap and dip-leg quench ( such as: membrane wall wom-out, dip-leg quench burmt out)，the advantagesand disadvanlages of two kinds of combined structures of membrane wall and dip-leg quench used in gasifer and recommended reasons have been given indetail.Keywords: pulverized coal; gasifier; membrane wall of slag tap; structure; applicationdoi:10. 3969/j. issn. 1004 - 8901.2016. 03. 007目前,干煤粉加压气流床气化炉内件大多采用进行分析和探讨。膜式水冷壁结构,其最大优点为“以渣抗渣”。国际1GSP气化炉设计下降管的原因.领先煤粉加压气化技术为壳牌、GSP及航天炉。壳牌投资过大,吹灰过滤器损坏频繁;GSP气化炉合目前GSP气化炉为高温的粗煤气和液态的灰成气带灰问题严重,合成气洗涤流程过长，系统压渣一起离开气化炉的反应室,并自上而下进入激冷降较大;航天炉为解决此问题采取气化炉内增加下室。粗煤气和熔融的灰渣被激冷室侧壁周围设置降管和激冷环的方式,虽然解决了合成气带灰问的多组水喷头喷淋后,冷却形成的颗粒物落人渣题,但由于气化炉下渣口结构不合理,导致碳转化池。激冷后的粗煤气夹杂的飞灰进入合成气洗涤率低、有效气含量低的问题。所以下渣口的结构直单元。经煤气化装置运行验证后发现,合成气只经接影响合成气在气化炉内的洗涤效果及碳转化率,过中国煤化工洗涤会造成大量飞灰下渣口过大造成碳转化率低,下渣口过小则会造成及1fYHCN MH G成气洗涤单元，导致合渣口与下降管的管径比过大,高温合成气与熔渣在成气洗涤单元负荷增大,设备、阀门、管道磨损严重。下渣口处发生散射,下渣口结渣。所以下渣口处水作者简介:李晓东(1976年-),男,宁夏银川人,1994年毕业于辽宁冷壁的结构不合理可导致渣口和下降管的堵塞或石油化工大学化工机械专业,工程师,现担任神华宁煤400万吨煤失效。本文将对渣口水冷壁及下降管的结构应用炭间接液化项目副总指挥。化肥设计2016年第54卷针对此问题,对新设计的干煤粉气化炉增加下降温度分布见图1,气化炉下渣口至下降管底部速度管,使含灰合成气经过水浴直接接触冷却洗涤。场分布见图2。激冷室结构中,激冷环出口水速度由于熔融态渣和合成气流出下渣口时，会因为空.变化见图3,激冷室下渣口至下降管底部冷却水分间的突然放大，将发生散射及回流,如果结构不合布见图4。理会造成以下几种情况:①合成气及熔渣破坏水膜,烧损下降管;②高温灰渣冲刷激冷环，激冷环被磨蚀;③熔渣散射,磨损下降管;④下渣口结渣;温度/K1 650⑤高温气流偏流导致水膜厚度不均匀，下降管温1 5451440 .度分布不均匀,最终引起下降管烧塌。所以下渣13352口的结构成为直接影响气化炉安全、稳定运行的1230昌1125瓶颈问题。1020.3F|)158102设计下渣口需考虑的因素705600004F设计下渣口时应充分考虑以下问题。495(1)如何避免高温熔融态渣及合成气对下渣口的冲刷问题。X/m(2)解决下降管与下渣口的结构匹配问题，避图1气化炉下渣口至下降管底部温度分布免高温熔渣及合成气的流场紊乱。注:X为下降管内径,Z为下降管高度.(3)激冷环的稳定运行,激冷水膜的有效形成。(4)解决下渣口结构设计不合理造成的碳转化率低问题。速度变化(m.s")(5)解决因下渣口下部盘管结构设计不合理,| 171:造成渣口散射,导致下降管烧损的问题。4 14t 12?F(6)避免因下渣口内径过小，造成燃烧室下渣1口堵渣的现象发生。;F(7)保证干煤粉激冷气化炉长周期稳定运行。下渣口结构理论计算十新型气化炉，激冷水温度为210 C,压力为4.5 MPa ,激冷水流量为450 V/h。激冷水通过两种0形式流人下降管:一是100个直径为10 mm环隙沿下降管壁面向下流动在下降管壁面上形成一层液图2气化炉下渣口至下降管底部速度场分布膜;另--种为10mm的环隙,该层液膜既能与高温注:X为下降管内径,z为下降管高度合成气进行换热(属于传热与传质的过程),同时又图1中,高温合成气人口温度为1350 K,出口能保护下降管不被高温合成气烧损。温度降为300K。气化炉下渣口及激冷室的设计是煤气化产生图2人口处,高温合成气的人口速度高达17 m/s,高温合成气冷却的重要环节,直接影响到气化炉的由于合成气温度逐渐降低,合成气密度增大,气体处理能力、冷却高温合成气的能力,下降管尺寸相流速气V哨"T中国煤化工1后的合成气出口速度对来说较为狭小，流动和换热极为复杂,内部换热降)HCNMHG,是有相变的气液两项流，易受到外部干扰,工况不图4中,在冷却水的秧热过程中,由于高温合容易达到稳定状态。成气和熔渣传递过来的热量使部分水蒸发产生--下渣口处高温合成气的温度为1350K,合成气.定量的水蒸气,所以沿着下降管液态冷却水的量明进口流速为17m/s。气化炉下渣口至下降管底部显减少。第3期李晓东等干煤 粉气化炉下渣口结构的设计及应用对比分析0.30.35速度变化/(m.s")3.00激冷环.上部下渣口0.42.45激冷环组件水冷壁&. 水冷壁2.18上部组件10.451.641.36| 1.09| 0.820.50.550.27死区10.00死区2气渣保护屏水冷壁0.0.6.7X/m图3激冷环出 口水速度变化注:X为下降管内径,Z为下降管高度.图5新型的下渣装置方案10冷却水分布1.0000090920.8184激冷环上部0.7275上部组件组件水冷壁-水0.63670.54593t0.27350.18260.09180.0010-0.5多0.50.5 0m不图4激冷 室下渣口至下降管底部冷却水分布图6新型的下渣装置方案 2注:Y为下降管内径,2为下降管高度(4)激冷环上部组件主要起到保护固定气渣保4下渣口结构设计及应用对比分析护屏及激冷环的作用，同时该组件在下渣口水冷壁及气渣保护屏间隙处设计为水冷夹套型式,防止高4.1结构图温气反窜损坏该组件。新型的下渣装置方案1见图5,方案2见图6。(5)在死区1、2设置温度检测点,并设计为温4.2下渣 口设计相关要求度联锁,防止耐火纤维脱落造成高温合成气反串烧(1)下渣口水冷壁及气渣保护屏采用冷却盘管的损激冷环上部连接件，损坏下降管。结构,水冷璧内通人冷却水,降低水冷壁表面的磨损。(6)下渣口水冷壁表面设置为锚固钉表面涂捣(2)在安装时,方案1的气渣保护屏及方案2打料的形式,可有效保证下渣口实现以渣抗渣。气的下渣口底部略低于激冷环中心面,在正常运行过渣保护网沿计斗中卫馆末而进行堆焊,有效保证该中国煤化工程中，激冷环上部受热将向下伸长,激冷环与气渣处的保护屏紧密贴合,减缓了对激冷环的冲刷。IYHCNMHG(3)方案1下渣口水冷壁、气渣保护屏与激冷5方案优缺点对比环之间,及方案2下渣口水冷壁与下渣口之间留有5.1 死区热膨胀空间,尽量将膨胀空间设计得尽可能小，防5.1.1 通入惰性气体止高温膨胀及高温气烧损激冷环上部组件。对于方案1,其优点包括:死区空间小,生产过●26●化肥设计2016年第54卷程中惰性气体受系统压力波动影响较小;其缺点包梯度逐级递减的方式进入下降管内,极大地减缓高括有:两个死区,惰性气体监控点较多,生产过程中温气体因空间放大而发生的散射和涡流,有效规避增加了监盘点。负荷、压力波动带来的流场变化;②采用水冷璧冷对于方案2 ,其优点包括:一路惰性气体只有一却盘管 ,进行耐磨处理,可延长使用寿命。因下渣个控制点,生产过程中容易监盘;其缺点包括:死区口属于易损坏部件，故下渣口与气渣保护屏为两个空间大,在运行过程中系统压力波动,惰性气体不独立部件,便于检修更换。能及时补给,容易造成高温合成气窜入死区,烧损其缺点有:①气渣保护屏为过渡段,此处高温下降管上部支撑。合成气流场相对紊乱难挂渣,故气渣保护屏不能设二者的共同缺点有:①死区该部分气体沿激冷计为锚固钉表面涂捣打料的形式;②需优化气渣保环流至下降管,干扰下降管水膜分布;②惰性气体会护屏底部角度,防止角度过大造成高温合成气及熔造成下游合成工段排放大量弛放气,致使合成气浪渣散射,从而磨损和烧伤下降管表面,影响下降管费;③系统压力波动,惰性气不能及时补充,易造成高表面激冷水膜分布,最终致使下降管被烧伤。温合成气反窜至死区内,烧损激冷环上部组件。5.2.2下渣 口水冷壁5.1.2 死区通入冷却水方案1的优点有:①长度较小,不易出现堵渣及烧其共同的优点有:利用后工段回收的冷凝水或损的现象;②无扩径,下渣口无磨损现象，易挂渣。处理后的灰水作为激冷水在死区内喷淋,减少惰性方案2的优点有:①将2个死区合并为一个大.气体的通人量,进而减少后工段尾气的排放,同时的死区,减少风险点;②无气渣保护屏冷却水的控受到系统压力波动影响较小,有效保证死区温度。制,减少操作监盘点;③设计一个斜角保证渣气不其共同的缺点有:①开停车期间,由于系统压会立即因为空间的放大而形成扰流,同时降低了高力、负荷波动较大,激冷水水质不能得到保证,易受温熔渣对水冷壁斜角的磨损。到含固量的影响,当含固量过高时,造成激冷水喷其缺点包括:①当气化炉负荷或压力变化过大头磨损,导致雾化效果差,下降管上部不能受喷淋时,火焰直接烧到下渣口,因管线过长而造成水被保护,可能被烧损;同时由于系统负荷不断波动,造气化无法带走更多的热量,下渣口极有可能被烧成死区与激冷环环隙出现熔渣结块;②当水量过小损;②因下渣口水冷壁冷却水与燃烧室水冷壁为同时,激冷水被高温熔渣及合成气的热辐射蒸发为水一水源,下渣口水冷壁进水量增大,阻力降增加,需蒸气,激冷环和下降管上部可能被高温烧损。当通要设置节流孔板,调节各水冷壁段的冷却水量分人激冷水过大,激冷环.上部会形成低温区,高温合布,否则出现抢水现象,下渣口的稳定不能得到保成气在此区域形成回流,打乱激冷环水膜区域流障;③需优化下渣口水冷壁斜角的角度,确保含灰场,影响水膜的形成，导致下降管被烧损。渣的合成气不会冲刷下部水冷壁及下降管表面激5.1.3 死区填充耐火纤维冷水水膜;④此结构只适用于下渣口内径与下降管对于方案1,其缺点有:①死区2空间较小，安.管径相差较小的气化炉，当两者内径相差较大时,要装难度较大,由于下降管无法设置手孔，所以先安充分考虑下渣口下部斜体的角度及导向管扩径角度。装水冷壁后填充是不可能的,为了保证填充质量,从气化炉燃烧室进人下降管的高温熔渣和合成气容检修时只能拆卸下渣口及气渣保护屏填充耐火纤易受气化炉压力、负荷变化的影响而发生散射,造成维,然后再进行安装;②下渣口水冷壁、气渣保护屏激冷环水膜的破坏,或下渣口水冷壁无法挂渣。及下降管之间需留有热膨胀空间，当空隙过大时高6结语温气会热辐射至激冷环上部组件,同时耐火纤维有脱落风险,空隙过小不能保证热膨胀。综上所述,两个方案各有优缺点,从方案对比对于方案2,其优点为耐火材料填充较方便。及实际应用得出,两个方案的死区无法通人惰性气两个方案共同的缺点是均需考虑气渣保护屏、体或冷加水昌件方安的涉择是填充耐火纤维并安下渣口底部角度,防止角度过大造成高温合成气及装温中国煤化工。案2的主要区别在于下熔渣散射,影响下降管表面激冷水膜分布,最终致渣[MYHCN.MHG结构，从工业化验证及下降管被烧伤。两个方案的对比可以总结出,方案1适用于下渣口5.2冷却水系统内径与下降管管径之比相差较大的气化炉,而方案5.2.1 气渣保护屏2适用于两者相差较小的气化炉。方案1的优点有:①保证高温合成气及熔渣以收稿日期: 2016-02-19 .