GSP气化技术工业应用分析

煤炭工程第48卷第1期COAL ENGINEERINGVol. 48, No. 1doi: 10. 11799/ ce201601026GSP气化技术工业应用分析蒋立翔1.2.3(1.中国矿业大学,江苏徐州21116; 2.神华集团有限责任公司,北京10011;3.神华宁煤煤化工公司,宁夏银川750411)摘要:介绍了GSP气化技术工艺原理、技术特点，重点对GSP气化技术在工业应用中出现的粉煤输送不稳定、点火烧嘴脱火烧穿、水冷壁烧损、合成气带灰严重等问题进行了分析，总结阐述了神华宁煤针对上述GSP气化技术问题开展的探索与改进措施。关键词:煤气化; GSP 气化炉;工业应用;给料系统;烧嘴;水冷壁;合成气带灰中图分类号: TQ546文献标识码: A文章编号: 1671-0959( 2016)01-0088-04Analysis on industrial application of GSP gasification technologyJIANG Li-xiang"'(1. Ching University of Mining and Technology , Xuzhou 21116, China; 2. Shenhua Group Corporation Limited，Beijing 10011, China;3. Shenhua Ningxia Coal Group Coal Chemistry Industry Company, Yinchuan 750411, China)Abstract: This paper introduces the technological process and technical characteristics of GSP gasification technology,and emphatically analyzes the problems in industrial application of GSP gasification technology, such as unstable pulverizedcoal conveying, igniter burner blow - off and burmning through, water wall buming loss and synthesis gas carrying ash.Finally the exploration and improvement measures to the above GSP gasifcation technology problems of Shenhua NingxiaCoal Group are summarized.Keywords: coal gasification; GSP gasification technology; indusrial aplicaion; feeding system; burmer; water wall;synthesis gas carrying ash煤气化技术是煤化工的龙头技术，是煤洁净利用技术业应用中出现的问题进行分析总结并提出改进措施。的重要环节，碳一化学的基础(2。目前，现代煤化工气化1 GSP 气化工艺技术主要有固定床、流化床和气流床工艺，以气流床工艺居多,主要炉型有Shell炉、GE(Texaco)炉、 多喷嘴水煤浆炉、航1.1 工艺简介天炉、清华炉、GSP 炉等。实践证明，CSP 气化炉经过神气流床气化以进料形态可分为干煤粉气化和水煤浆气华宁煤近5年的运行实践与非常艰苦地探索改进，目前已化5.41。神华宁煤52万Va烯烃项目采用的GSP气化技术成为最有竞争力的气化技术之一-。属干煤粉进料气流床气化技术。神华宁煤50万Va MTP项目采用CSP粉煤加压气化工GSP气化工艺主要由磨煤、煤粉输送、气化、粗合成艺, 5台气化炉，4开1备,设计单炉投煤量2000/d,产气洗涤、排渣和黑水处理等组成[5,],工艺流程如图1所气量30万Nm'/h,有效气(CO+H)13万Nm'/h。该项目于示。煤仓为气化生产线的连续供给煤粉提供仓储,煤仓过2008年开工建设，2010 年9月30日竣工，2010 年底5台滤器将进人煤仓的N2和CO2外排大气前进行清洁过滤，清气化炉全部投料试车，目前气化炉满负荷运行，A类运行洁后的气体中甲醇含量低于190mg/Nm';锁斗将煤粉从煤(不停炉检修)达14ld,达国内气化炉运行领先水平。仓规律性的输送至进料仓;气化炉将氧气、煤粉和水蒸气CSP气化炉在世界上首次大规模工业化应用，在实践转变为富含H2和CO的合成气,并使合成气在激冷室中冷中出现过很多问题，如加料系统不稳定、烧嘴不易点火、却且洗涤熔渣;渣锁斗从激冷的压力系统中将炉渣排出到特殊件磨损、水冷壁超温等，本文着重对GSP气化炉的工大气压力环境中，并在后系统中洗涤气化产生的粒状炉渣,收稿日期: 2015-08-02作者简介:蒋立翔(1975-), 男，陕西商洛人，博士研究生,高级工程师，主要从事煤化工技术研发及生产管理工作，E-mail: 0000379@ shenhua. cc。引用格式:蒋立翔. CSP 气化技术工业应用分析[J].煤炭工程, 2016, 48(1): 88-91.2016年第1期某炭工程生产技术由链式输送机排出系统;粗煤气洗涤系统由2个串联的文煤气中固体颗粒和气体中的水溶性污染物;黑水处理系统丘里洗涤器组成，粗煤气与洗涤水充分混合，以便除去粗利用蒸发作用使黑水压力降低同时达到冷却效果。+燕汽送管网+锅炉给水低压氮气+大气4i919 D2-工+合成气送下游变换煤粉→且事高压N/COz→-9- NaOH22一◆去污水处理系统1-锁斗:2-进料仓:3 -过德器:4 -NaOH系: s- 事故激冷水罐:6缓冲鳢冷却水; 7.12.15.18.23、24-泵;_气化炉: 9 _文丘里洗涤器: 10- 渣锁斗; 11- 澄清水储罐: 13--黑水闪蒸罐: 14-闪蒸气送焚烧炉:16缦冲罐;17-蒸汽锅炉: 19 -NaOH泵; 20-火炬: 21- 气液分离罐; 22-微冷水罐; 25--废水罐图1 GSP煤气化工艺流程1.2 GSP气化工艺特点(1)- (5)计算求得煤粉密相输送的压降受煤粉本身物性、GSP气化炉与目前广泛使用的Shell Texaco 气化炉相输送压力、管径、管道布置等多种因素影响，一般情况很比较，其特点如下[7-B):①合成气中有效组成高，(H2+难准确确定煤粉输送管道的压降，因此利用压降控制煤粉co)含量为92%-95%，高于Shell的90%和Texaco的80%;流量就导致流量偏差较大，造成大的波动。②比煤耗和比氧耗低于Shell以及Texaco,输送煤粉CO2用Ap.=Ap,+Ap,(1)量少,且气化可提供变换系统所需蒸汽，工艺消耗低;③Ap。=入。(2)碳转化率和总热效率低于Shell 高于Texaco,气化温度及压. 2D力和Shell接近;④原料适应性广,启动时间短，操作维护4p.=μ.A, 2D(3)便捷。λ.a = 0. 315Fr-.21(4)2工业应用中存在的主要问题. = 0.73Fr*.9(5)2.1给料系统不稳定式中，Ap,为总压降，Ap、Ap,分别为气体和固体产GSP气化技术煤粉密相输送系统出现较多的问题有料生的总压降，Pa; L为输送管长，m;入。为气体摩擦系数;位指示失真、锁斗下料不畅、煤粉锬斗阀门磨损、给料容u。 为气体表观气速，m/s; D为管径, m; A..分别器搅拌器容易损坏、煤粉减压系统堵塞等，其中最主要的为水平管和竖直管附加压降摩擦系数; Fr 为弗劳德数; μ,问题是煤粉输送不稳定。这会导致煤粉密度、速度、流量为固气质量体积比，kg/m'。偏差波动大，主烧嘴易跳车，气化炉负荷低，挂渣效果差,2.2 点火烧嘴脱火、烧穿难以实现“以渣抗渣”,水冷壁局部烧穿等问题[8]。GSP煤粉烧嘴是点火烧嘴和主烧嘴一体化的组合结构GSP原设计煤粉流量是利用给料容器与气化炉之间的形式，其结构如图2所示。2011年CSP气化装置运行以压差(压降)进行控制，实际运行过程中煤粉流量波动较大，来，煤粉组合烧嘴在应用过程中出现了以下问题:火焰检严重影响了气化炉正常运行。究其原因，一是给料容器的测系统故障不断，点火烧嘴点火不稳定，多次出现无法点进料是由四个锁斗循环不间断动作完成，锁斗下料时导致着的现象，点火成功率不到50%;点火枪尖及点火烧嘴端给料容器压力波动大，控制系统不能及时调整压力;二是面频繁烧坏，主烧嘴内夹套出现裂纹，严重影响了烧嘴使煤粉锁斗阀、输送气体控制阀、流化气体控制阀长时间使用寿命。点火烧嘴烧穿的原因，归结起来主要有:用,磨损内漏，导致给料容器压力波动;三是气化炉气化1) GSP 气化炉当时设计的点火烧嘴采用的点火燃料为反应是动态过程，很难控制气化炉压力为设计压力。混合液化石油气(氮气占70%，液化石油气占30%，设计温根据对宁东灵武矿煤粉密相输送管道压降研究结果，度为100C左右),实际运行温度在75C左右,并且液化石在稳定密相输送煤粉中，总压降可用附加压降法( Barth)式油气可能带液，造成点火电极附近温度低，有积水等异常89生产技术煤炭工程2016年第1期C, = ,(w)pU .2mdr(7)点火燃料气一苗-高压氯冷却水二→冷却水C, = J"UpU.2mrdr+fp .2mrdr(8)氧气-。-氧式中，s为旋流数; C,为角动量的轴向通量, kg.m2/干煤粉s; C,为轴动量的轴向通量, kg . m/s; U为轴向速度分量，m/s; w为切向速度分量，m/s; ρ为密度，g/m'; P为静冷却水--→冷却水压, Pa; R为气化炉水力半径，m; r为积分变量。2.4合成气带灰严重实际生产运行过程中,气化反应过程中产生的细灰含图2 GSP 气化炉烧嘴通道结构示意圉量大,且激冷室激冷水洗涤设计不合理、文丘里洗涤系统负荷太大,无法满足生产要求。根据工艺设计，合成气含现象，导致点火不成功。2)点火器设计方面，点火器点火能量较低、点火要求尘量小于lmg/m',实际合成气尘含量10mg/m'左右。合成过高，设计电弧点火能量为2~3J,而且必须保证点火枪通气含尘量带灰严重，导致变换系统粗合成气加热器、变换道内干燥，防止短路。而在实际操作过程中很难满足上述保护床堵塞,致使气化系统频繁停车,严重影响了装置长要求，在电极附近易出现污物、积水及温度低的情况影响周期运行。电极产生电火花。另外，点火电极附近的燃料气和氧气不3存在问题的改进措施易混合充分,该处电火花能量不足以点燃气体燃料;同时3.1给料系统改进措施电极拉弧所需要的距离较难控制，安装过程可能出现距离气化炉投煤流量波动问题处理措施如下:过大，或者电极接线处短路现象,会导致电流从别的地方1)对煤粉管线增加固定支撑,这样解决了给料容器运放电，在电极处没有火花产生致使点火不成功。行过程中煤粉进口管线大幅度位移的问题，避免了管线贴3)原设计火焰距离夹套端部较近，造成夹套端部温度至给料容器内壁上，导致未流化均匀的煤粉进入气化炉，过高，形成热裂纹，导致夹套烧损，冷却水泄漏;点火氧致使煤粉密度、速度、流量偏差波动的状况出现。喷射器结构不合理且密封性较差，氧气由点火氧喷射器外2)对煤粉进料管线进行改造，在3根煤粉进料管线上侧进入气化炉，夹套端部局部区域处于富氧状态,导致夹分别加装流量控制角阀,通过简单控制回路控制流量，将套烧损，出夹套烧裂现象。压差控制改为流量控制，彻底解决了煤粉输送不稳定问题。2.3水冷壁烧损3)将煤粉管线电伴热改为蒸汽伴热,煤粉温度提高到CSP气化炉采用“以渣抗渣”原理保护水冷壁，如果80~85C,高于煤粉露点温度,从而改善煤粉输送状态，使由于操作不慎或自身结构设计及制造缺陷等原因，会使气煤粉输送更加稳定。化炉发生水冷壁水压连续下降，冷却水补水量增加，使得经过此改造，有效地解决了气化炉煤粉进料的波动问水冷璧挂渣层及隔热捣打料脱落，部分水冷壁管线有过热题，投煤难、主烧嘴频繁跳车的问题均得到有效解决。改性穿孔和裂纹。造前后煤粉输送特性对比如图3所示。造成水冷壁管线有过热性穿孔和裂纹的原因有:耐火'5[r◆优化后衬里(碳化硅)强度不够、浇筑施工缺陷、酸性气腐蚀等原因,但主要还是由于烧嘴出口进入燃烧室的流体(煤粉、氧气、蒸汽等)旋转产生的径向和轴向流量偏差，导致煤粉偏流，冲刷水冷壁,致使水冷壁损坏。stn^以化研究结果表明，根据燃烧动力学推导出的GSP气化炉43。烧嘴出口进人燃烧室的流体(煤粉、氧气、蒸汽等)旋转产时间/h生的径向和轴向流量偏差与旋流数有关，流体进入燃烧室图3改造前后煤粉输送特性对比旋转射流过程中，角动量的轴向通量和轴动量的轴向通量3.2 烧嘴改进措施守恒，即可得出式(6)-(8)。根据式(6)-(8),可知进入针对点火烧嘴脱火、烧穿、火焰检测系统故障等问题，气化炉流体流量、动量及旋转喷射角度、气化炉燃烧室截神华宁煤联合国内研发机构重新优化设计点火烧嘴、火焰面积等都将影响旋流数，进而使GSP气化炉给料的流体在检测设备及主烧嘴，成功开发出处理干煤粉量2200/d大规燃烧室形成偏喷，导致水冷壁局部冲刷烧损状况出现。模组合烧嘴，新型烧嘴的主要特点有:s= C(6)1)采用高能量点火方式，克服了低温、积水、积灰结2016年第1期煤炭工程生产技术焦等不良运行环境，将高能点火器的优势使用到现有点火塔盘并将塔加高,将原料气分离罐改为“洗涤塔”，强化精烧嘴中。洗过程;对现有旁路闪蒸系统进行改造，黑水进旁路闪蒸2)火焰检测系统进行了优化设计,在气化炉烧嘴尾部系统前增加两级换热器，一级换热为黑水水与灰水间接换安装“一体化在线火焰检测系统"，既能提供火焰监测信热，热量回收,二级换热器为循环冷却水对黑水进-步降号，又能显示火焰图像视频和火焰温度，使得操作中对点温，最后在旁闪罐进行闪蒸。由于增加鼓泡塔后水量增加火过程的控制和火焰信号的判断更加直观。200/h,配套增加了1套澄清槽。3)对烧嘴冷却水夹套的改进与优化,增大了点火烧嘴经过上述优化改造后气化系统已实现四开一备长周期冷却水夹套流通面积，冷却水用量约9~ 15m’/h;点火烧嘴满负荷运行目标，合成气含尘量降到0. 5mg/m'以下。冷却水流速由原来的4~ 5m/s提高至10m/s,材质由厚壁管4结语改为薄壁管;增大了最外层冷却水夹套流通面积,冷却水量约25- 30m'/h,与原西门子烧嘴相比，冷却水量减少GSP气化技术在首次大规模工业化应用过程中出现诸14m’/h。改造后，烧嘴造价、运行可靠性、维护成本、节多问题，几年来，通过不断摸索、分析、探讨、总结、创能等方面都有很大改进。新，进行了110多项重大技术改造,从根本上解决了气化3.3水冷壁烧损的 改进措施炉原始开车以来出现的点不着火、投不了煤、挂不了渣、1)加强了对炉体保护、改进了煤粉在气化炉燃烧室内除不尽灰，提不了负荷及不能长周期运行的瓶颈问题，较的燃烧流体状态。使用了国产烧嘴,氧气旋风角度较小，好地实现了气化炉安、 稳、长、满、优运行的目标。形成的火焰较西门子烧嘴火焰不仅长而且细，避免了由于参考文献:负荷波动、烧嘴偏流对水冷壁地烧损;增加水冷壁循环水量，由原设计的167v/h提高至300/h;对氧气旋风罩角度[1] 徐振刚，官月华,蒋晓林. CSP加压气流床气化技术及其及煤粉喷入角度进行修改优化，臧小氧气和煤粉的螺旋混在中国的应用前最[J]. 洁净煤技术，1998(3); 9-11.合强度,减缓对水冷壁上部的冲刷;控制主烧嘴氧煤比，2] CSPM煤气化技术的应用[J]. 化肥工业，2006(3): 5-9.避免主烧嘴氧煤比波动。[3]Aziz M. Interated supereritical water gasification and a com-2)煤质稳定性控制。选择灰熔点小于13009C且灰渣粘bined eycle for microalgal uization [J]. ENERGY CONVER-SION AND MANAGEMENT, 2015, 91: 140-148.温特性合适的原料煤，投煤前对煤样进行分析，确定水分、4] LiG, LiS, Huang Q, et al. Fine pariculate formation and灰分、灰熔点;尽量保证原料煤供煤的稳定，制备较低水ash deposition during pulverized coal combustion of high-sodium分、粒度合适、分布均匀的煤粉。lignite in a down- fired fumnace [J]. FUEL, 2015( 143):3)臧少煤粉负荷波动。实践中探索出挂渣时控制投煤430-437.负荷并保持稳定;减少煤粉锁斗的操作频率，尽可能保持5] de Souza-Santos M L, de Lima E H s. Introductory study on锁斗持续下料;每次停车后对煤粉系统阀门进行检查检修,Fuel- -Slumy Inegrated Cesifier/CGas Turbine ( FPSIC/CT) alter-更换有漏阀门;筑炉时，必须保持水冷壁的干燥,严格按native for power generation applied to high-ash or low - grade照要求烘炉;定期对密度计进行校验和煤粉管线管壁测厚,coal [J]. FUEL, 2015, 143: 275-284.修改煤粉流量校正系数保证煤粉流量计量的准确性;出现6] 刘霞,田原字，乔英云.国内外气流床煤气化技术发展紧急情况需要降负荷时，必须缓慢降低不可过快，同时提概述[J].化工进展, 2010(S2): 120-124.高蒸汽的加入量，以尽量维持火焰的形状避免冲刷水冷壁。7] 韩启元,许世森大规模煤气化技术的开发与进展[J].通过以上措施，水冷壁挂渣效果良好,保护了水冷壁运行。热力发电，2008(1): 4-8.8] 崔意华,袁善录. CSP加压气流床气化技术工艺分析[J].3.4合成气除灰的改进措施煤炭转化，2008(1): 93-96.对于合成气含尘量高的问题，进行了很多小的优化和9]李大尚. GSP技术是煤制合成气(或H2)工艺的最佳选择技改，如对激冷室液位计、文丘里分离罐液位计实施防堵[].煤化工，2005, 33(3): 1-6.改造;对文丘里分离罐内件及出口管线进行改造，减缓罐[10] 吴跃,李刚健，井云环，等. CSP气化技术煤粉密相输底堵渣、排水不畅的问题;对激冷室粗合成气出口挡板及送系统稳定性研究[J]. 煤炭科学技术，2012(12): 11-喷头改造，尽量避免大颗粒灰渣带人文丘里洗涤系统。最主要的优化措施是对原料气分离罐进行了改造，即去除原[11] 唐宏青. CSP工艺技术[J]. 中氮肥，2005(2): 14-18.料气分离罐丝网除沫器,改为在顶部增加三块泡罩塔。改[12]王德山 GSP 煤气化技术设备概况[J].煤化工，2007造后含尘量明显降低，由改造前的10mg/m'以上减小到(3): 38-40.5mg/m'。但仍未达到设计值，于是在气化炉合成气出口增[13] 赵瑞同,李磊，张蜂,等.未来能源公司的CSP气化加鼓泡塔,实现对合成气粗洗目的，对合成气中粗颗粒和技术[J].煤化工, 2006， 33(6): 19-22.灰分进行洗涤分离;在现有原料气分离罐上部再增加3层(责任编辑杨蛟洋)9