灰熔聚粉煤气化炉存在的问题及改进

第5期中氮肥No.52007年9月M-Sized Nitrogenous Fertilizer ProgressSep. 2007灰熔聚粉煤气化炉存在的问题及改进苏利伟，杜三民(平煤集团飞行化工有限责任公司，河南平顶山467001)[摘 要]对灰熔聚粉煤气化炉运行中存在的问题进行了分析、讨论，并提出了解决方案和建议。[关键词]灰熔聚粉煤气化炉;中心管;分布板[中图分类号] TQ545 [文献标识码] B [文章编号] 10-92920070500070Problems Found in Operation of Ash-agglomerated Fluidized BedGasifier and Improving SuggestionsSU Li-wei, DU San-min( Feiring Chemical Industry Co., Ltd, Pingmei Group, Pingdingshan 467001, China)Abstract: In this paper, the author makes a discussion on the problems found in operation of ash-agglomerated fluidized bed gasifier, and puts forword some suggestions for improving.Key Words: ash-agglomerated fluidized bed gasifier; central nozzle; distributor灰熔聚粉煤气化技术是我国具有自主知识产CO 28% ~ 30%，H2 39%~41%，CH4 1.7%~权的煤气化技术，为我国氮肥行业原料本地化开1.9%，N2 3.0%左右;吨氨消耗烟煤1.9~2.3辟了一条新路子。目前国内建成或在建炉子共8t,耗氧755~863 m',耗蒸汽1.97~2.25t,高套，其中城固1套，天碱2套,山西太化1套,于设计值;炉渣残炭8% ~16%。山西丰喜1套，平煤飞行2套，山西天脊集团1套。有4家已建成，其中天碱的炉子在役，太化2问题与分析和天脊集团正在调试，还有2家在建，预计近期2.1系统稳定性投产。经过对灰熔聚粉煤气化炉与恩德炉运行情单炉运行的最长周期52 d,离工业要求还有况的实地考察，并查阅大量相关资料后，笔者对-定差距。从现象上看,导致停炉的原因有:二灰熔聚粉煤气化技术形成了一些自己的看法,现废锅漏，高温管线漏，高温阀卡，炉内耐火砖讨论如下。塌，分布板烧坏，中心管断裂，下煤不畅等。到1灰熔聚粉煤 气化炉运行情况介绍目前为止，二废锅、高温管段、高温阀、炉墙、灰熔聚粉煤气化炉工业装置采用纯氧制气,分布板烧坏的问题基本.上得到解决，但中心管断单炉产气量14 000~ 16 000 m3/h。从试运行情裂的问题、下煤不畅的问题、分布板的其他问题况看，问题还是不少，既有设计问题，也有设备等解决得仍不理想。分布板的其他问题后面作专问题、安装问题等等。经过- - 系列技改，特别是门讨论，这里重点讨论下煤不畅和中心管断裂的对二废锅、高温管道、分布板、中心管、炉底排问题。事实上，灰熔聚炉目前尚属常压操作,但采渣、排灰系统等进行技改后,单炉最长运行时间达到了52d;出炉气体成分: CO2 23% ~ 27%，用的中国煤化工果象恩德炉那样利HCNMHG把煤斗、煤锁取[收稿日期] 2007-05-22消，且妆化保乜阿r术，保公出口直接与给煤机[作者简介]苏利伟(1964-),男,平煤集团飞行化工公司副相连，这样会大大地减少煤堵现象，从而降低因总经理。此而停车的可能性。8.●中氮肥第5期中心管的断裂部位不太固定，发生断裂的部波动。根据上述概念，灰熔聚气化炉显然属聚式位往往并不在同- -位置。尽管某次断裂的具体原流化。当然，理论上可以用弗鲁德准数(用Fmt因和机理不太容易搞清，但不妨可以用模糊理论表示)来判断流化形式。Fmt= u/(dpg),来探讨。这里所说的模糊是指不考虑某一次断裂Fm:>1.3时，属聚式流化; Fmr<0.13时， 属的具体原因，而是把中心管及其工作环境联系起散式流化。来做一个整体分析。先说说中心管的作用。就其腾涌主要发生在气 -固流化床中。如果床设计的本意来说，是从中心管加入部分氧气和蒸层高度与直径的比过大或气速过高，就会发生小汽，使炉子中心部位产生一个高温气化区，从而气泡合并成大气泡的现象。当气泡直径长大到与使煤粒气化得更彻底，效率更高，效果更好。这床层直径相等时，床层被分为几段，形成相互间无疑是一个很好的设计创意，但中心管的长度、隔的气泡与颗粒层。颗粒层像活塞那样被气泡向直径、管壁厚度、材质、排气方式、通过气体的上推动，到达上部后气泡崩裂，而颗粒则分散下成分和流量是多少，如何固定气流速度等都值得落，这种现象称为腾涌。床层发生腾涌现象时,研究和探讨。就目前排气方式来说，气速太高，不仅使气固两相接触不良，而且使炉壁受颗粒磨易形成沟流;气速太低，又容易漏料或高温区达损加剧，同时引起设备振动。不到应有的温度。为了形成集中高温区，中心管沟流指气体通过床层时形成短路， 大量气内应不加蒸汽，中心区温度的调节直接靠调节氧体没有和固体颗粒很好接触即穿过沟道上升。气流量来实现。管子越粗，受到沸腾煤粒的冲击炉子振动有2个原因: - -是炉料沸腾时对炉力就越大，中心管就越易断裂,因此，在能满足壁的不均撞击导致炉子振动;二是流化床中上升最大生产负荷所需要的进氧量的前提下，中心管的气泡在稀相的破裂或由腾涌所致。由计算知越细越好，越细自重越轻，也就越好固定。umt≈0.47 m/s。大颗粒取u/um= 10，u,=2.2 安全环保4.7 m/s;小颗粒取u/um= 100，ut= 47 m/s。说到安全问题，首先说说炉子的振动和框架中心管的实际流速为60~ 80 m/s,说明气泡肯的晃动。炉子振动只是在高负荷时表现明显，低定是存在的。负荷时不明显。要搞清振动的原因需要明白4个框架的晃动或摆动还有2个方面值得注意。重要概念:散式流化、聚式流化、腾涌和沟流。一是框架结构和设备的固定方式。设备布置“头散式流化散式流 化的特点为固体颗粒均匀重脚轻”，重量较大的设备几乎都在32 m以上地分散在流化介质中，故亦称均匀流化。当流速(总高为50.5 m),如一、二旋分离器，一、二增大时，床层逐渐膨胀但没有气泡产生，颗粒彼废锅及其汽包，煤仓，中间料仓等等,最重的设此分开，颗粒间的平均距离或床层中各处的空隙备一气化炉的中心在 28 m以上。这种头重脚率均匀增大，床层高度上升，并有一稳定上界轻的结构很像一个带穗高梁杆, -经风吹便会摇面。通常两相密度差小的系统趋向散式流化，故摆不定。二是由于气化装置是在高温条件下工作大多数液-固流化属于“散式流化”。.的，设计时必须考虑热膨胀的吸收问题。这就不聚式流化对于两相密度差较大的 系统则趋可避免的出现了- -对矛盾一-吸 收热膨胀和固定向于另- -种流化形式一聚式流化。 在密度差较设备之间的矛盾。事实上，为了吸收膨胀，除了大的气-固系统的流化床中,超过流化所需最小气化炉、蒸汽过热器等少数设备外，大部分设备气量的那部分气体以气泡的形式通过颗粒层，上(如一、二旋分离器，软水加热器，渣斗，中间升至床层上界时即行破裂。在这些气泡内，可能料仓等)都用弹簧箱做设备支撑。当用管道把这夹带有少量固体颗粒。这时床层内分为两相,些设备连接起来时，很容易传递振动。相是空隙小而密度大的气固均匀混合物构成的连中国煤化工因加上“头重脚续相，称为乳化相;另一相为夹带少量固体颗粒轻”.1HCNMHG设备固定方式这以气泡形式通过的不连续相，称为气泡相。由于4寸以低水无头，的」的振动通过连接管气泡在上界面处破裂，所以上界面是以某频率上道传给了整个框架，使框架晃动，甚至摆动。下波动的不稳定界面，床层压差也随之做相应的环保问题的重点是污水治理。如果能上1套第5期苏利伟，等:灰熔聚粉煤气化炉存在的问题及改进，9.污水处理装置,问题还是能够得到解决。实际影响流化质量的因素主要有三:一是分2.3消耗布板;二是炉内构件;三是煤粒的粒度分布。2.3.1煤耗高先说分布板，分布板的作用除了支撑固体颗煤气中的二氧化碳含量高、炉渣中残炭含量粒，防止漏料以及使气化进行得均匀外，还有分高、带出物(至二旋)多造成煤耗高。二氧化碳散气流，使气流在分布板上方形成较小气泡的作含量高与蒸汽过量、不投用二次风等有关。气化用。然而，分布板对气体分布的影响是有限的，反应中蒸汽量始终是过量的，但过量多少是适当通常仅局限在分布板上方不超过0.5 m的区域。的呢?对比一-下固定床气化炉就会明白。在固定设计良好的分布板，应对通过它的气流有足床炉的操作中，蒸汽的投加量由气化层的操作温够大的阻力，以保证气流均匀分布于整个床层截度直接决定，固定床炉气化层的最佳操作温度又面上。也只有当分布板的阻力足够大时，才能克是由t1决定的。蒸汽的过量度由气化层操作温服聚式流化的不稳定性，抑制床层中出现沟流现度≤t1决定。当气化层的操作温度大于t1 时，象。实践证明，当采用低开孔率的分布板时，可必须多加蒸汽把它降到t1以下;反之，当气化使气固接触非常良好，这正是第二代分布板比第层温度降得太多时，又必须减少蒸汽的投加量，- 代分布板好的原因。但气体通过这种分布板的以提高气化层的操作温度。换言之，对固定床气阻力必然大，会大大增加鼓风机的动力消耗，因化炉来说，蒸汽不仅是气化剂，同时又是控制炉此通过分布板的压降要有个适宜值。据研究，这温的重要手段，这是固定床气化炉的特点决定，个值应该≥床层压降Op的10%，且满足绝对值的。对流化床气化炉来说，就大不相同了。虽然不低于3.5 Pa。.流化床气化炉的操作要受到t1和设计操作温度工业上使用的分布板形式很多，常见的有直的限制，但煤的投加量、氧气和蒸汽的投用量却流式、侧流式、填充式。但笔者认为采用凹形、是随时可调节的。这使在保证流化和气化正常的侧流、旋转进气流式较为适合。在现在凹形分布条件下，灰熔聚气化比固定床气化节约蒸汽成为板的基础上加上简易的侧缝锥帽喷嘴，侧缝喷嘴可能，是流化床气化的优势。但遗憾的是现有灰沿切线形成仰角，这样既可避免死床，又可保证熔聚气化炉没有发挥这一优势。为保证流化效旋转进气;既可减少蒸汽量,又可保证流化效果，不调蒸汽投加量(不是绝对不用),且使蒸果。下面谈谈为什么要强调旋转进气。汽严重过量，显然是不合适的。受设计的限制，灰熔聚气化炉不是纯粹的流化床，而是沸腾-般来讲，即使流化床的中心温度区操作温度也床加流化床这样- -个复合床(下面是沸腾床，上难以达到t1。既然如此，对中心高温区(相当面是流化床)。为了让炉子正常运转，首先要保于固定床炉子的气化区)的温度就可以通过调节证沸腾床的正常沸腾，这取决于颗粒性质(尺给煤量、给氧量来实现。寸、密度等)、进气量和进气方式。如果气流能那么过量的蒸汽在炉子内起什么作用呢?它以切线加仰角的方式进入，气流进入炉子后就会有两个作用:一是作为流化介质;二是吸收炉子旋转，而旋转的气体就会对煤粒产生- -种托起热量。前一作用是人为的，有主观性;后- -作用.力，为将来减少蒸汽的投加量做好准备。纯粹是被动的，从属的，无奈的。投加蒸汽温度炉子内部构件，如挡网、挡板、垂直管束只有300 C，而出炉的蒸汽却有1 000 C, 700等，因涉及受高温反应引起的材质性能变化、要C的温差所需热量全靠氧化反应的放热提供。氧求较高等复杂问题，这里不进行过多讨论。化反应的生成物正是二氧化碳。这就是煤气中二粒度分布上应尽量均匀,偏差太大会带来很氧化碳含量偏高的原因。恩德炉的实践也印证了多麻烦。比如:为了让大颗粒的煤料沸腾,必须这一点(恩德炉的汽氧比小)。加大I中国煤化工颗粒的煤不需高上述分析告诉我们，只要条件允许，就应该气量CNM HG时,可能小颗粒尽量减少蒸汽的投加量。现有灰熔聚炉情况怎样早就随飞机吹跑」。呢?减蒸汽就会影响流化质量。这引发了更深一下面围绕如何减蒸汽谈谈中心管的设计问层的问题一分 布板的设计和其他-些问题。题。实际上，可以把中心管看成是分布板上的一●10●中氮肥第5期个进气孔。按照前面的分析，目前采用的中心管能还原部分二氧化碳，提高气体质量和碳的利用的形式对流化效果是极其不利的，极易形成气率。如果二次风的投加方式合理，还可以截留部泡、沟流或腾涌，应对中心管的结构进行改造。分夹带物。出炉气体夹带物少，将直接减少-、通过中心管的气体流速过低，易发生漏料;二旋进出口的夹带量。由此看来，二次风的投加气速过高又易产生沟流。为避免这些问题，结合对降低消耗起着重要的作用。前面对中心管断裂原因的分析，中心管应该在现当然，二次风的投加方式也是值得探讨的。在的基础上改为:上封闭、 打孔、缩径形式。当目 前灰熔聚炉设计为4个投加口，沿切线方向,然开孔数和孔径应当通过计算得出。同样，环管有一个仰角。与恩德炉相比，缺陷明显。恩德炉也要在保证排渣能力的前提下，尽量收缩环隙，的二次风有24个进炉点，人口管径50 mm,在保证大部分气体从分布板进入。圆周上均均分布，入口管平面与炉简体相垂直,2.3.2炉渣残炭含量高这种设置方式会很好地截留由浓相段流人稀相段从炉渣的形成来看，主要有两部分。- -部分的气体中的夹带物。由于灰熔聚炉进气存在仰是团聚成球的小颗粒灰粒，另- - 部分是较大颗粒角，二次风在炉内的停留时间被缩短，不利于气的煤块、矸石等，两部分的比例几乎对半。较小化反应的进行。颗粒灰球象小米大小，较大颗粒的如玉米粒，明上面讨论的是二次风的正面作用。有人提显没有烧透，说明有漏料现象。看来，解决漏料出:投加二次风会增加系统风险，因为一旦二次问题是降低残炭含量的重要措施。残炭含量高的风投加过量，会出现煤气中氧含量超标问题。笔另一原因是炉况波动造成的。笔者认为这与目前者认为:只要精心操作，控制好二次风的投加量的进气布风不合理有关。就不会有问题，不能因噎废食。2.3.3带出物多灰熔聚炉带出物比恩德炉带出物明显要多。3解决问题的方法尽管有二旋把关，但仍然不理想。带出物多的原(1)按前述思路和方案改造中心管、分布因主要有两个方面: -是布风不好，气速过高，板， 改进二次风的投加方式。造成气体中夹带物增多;二是不投二次风，失去(2)借鉴恩德炉的经验，用富氧空气气化替了二次燃烧反应的机会。关于布风问题，前面已代纯氧气化。经详细论述，这里重点说说二次风的问题。(3)要避免“头重脚轻”的设备布置结构和二次风对灰熔聚粉煤气化炉的操作影响是不“不生根” 的设备安装模式，尽量考虑用膨胀节容忽视的。二次风的投加，给气体中夹带物以二来消除热应力。次燃烧、反应的机会,不仅能增加产气量,而且(4)简化冗余的给煤和排渣系统。《云南化工》2008年征订启事《云南化工》于1973年创刊,刊号ISSN 1004-275X/CN53-1087/TQ,广告经营许可证号500000047,是国内外公开发行的化学化工综合性科技期刊。主要栏目包括:科学研究、技术开发、探索应用、综述专论、分析测试、专家专栏、硕博论坛、设备技改、交流探讨等。该刊为双月刊，A4开本，每期订价7元，年订价42元(含邮费)，自办发行。订阅者可通过以下单位订阅:全国非邮发报刊联合征订:天津市大寺泉北里别墅17号,邮编300385,电话022-23962479, 23973378;中国化工信息中心期刊图书联合征订部:北京安外小关街53号，邮编100029，电话010-6444115, 6444113;金陵期刊文献联订中心:南京大厂新华- -村25-205，邮编210(中国煤化工人徐丙根;中国版本图书馆发行部:北京市东城区先晓胡同10号,邮编|Y片CN MH 119978;8或直接将订费通过邮局寄到本刊编辑部(请注明订刊费和寄刊地址)。编辑部地址:昆明市滇池路1417号云天化集团公司科技楼《云南化工》编辑部邮编: 650228电话: (0871) 4327010传真: (0871) 4327017E - mail: ynhgzz@ 126. com