多噴嘴水煤漿氣化技術

為了推進我國化學工業的發展，擴展氣化用原料煤種，自20世紀80年代以來，我國花費巨額外匯先後引進了10餘套德士古水煤漿氣化裝置，用於生產合成氨與甲醇。隨著德士古煤氣化裝置技術優勢的顯現，由於購買昂貴的專利使用權和過高價格的進口設備、材料，也使一些企業背上了沉重的還貸負擔。
經過10多年的實踐，國內在水煤漿氣化技術方面積累了一定的設計、安裝和運行等工程經驗，通過在實踐中不斷進行技術的最佳化、完善與創新，推動了水煤漿氣化技術在中國的套用和發展。“九五”期間，水煤漿氣化與煤化工國家工程中心、華東理工大學和中國天辰化學工程公司承擔的國家重點科技攻關項目“新型（多噴嘴對置）水煤漿氣化爐開發”，通過了專家鑑定與驗收。
國產化1000t/d合成氨大型氮肥裝置中，採用了6.5MPa、投煤750t/d的四噴嘴對置式水煤漿氣流床氣化爐（以下簡稱四噴嘴氣化爐），這也是新型(多噴嘴對置)水煤漿氣化爐技術中試裝置通過考核後的首次工業化裝置。四噴嘴氣化爐是在中試裝置的基礎上，由華東理工大學、水煤漿氣化與煤化工國家工程中心出具工藝軟體包，中國華陸工程公司根據工藝軟體包進行了工程設計，哈爾濱鍋爐廠有限公司製造了氣化爐設備主體，新鄉耐火材料廠提供了氣化爐燃燒室耐火襯裡。
四噴嘴氣化爐自2004年12月1日開始試車、投入運行，本文擬對其套用情況進行介紹。
1四噴嘴氣化爐結構原理
來自棒磨機的水煤漿經兩個隔膜泵加壓，與來自空分裝置的高純度氧氣一起通過4個對稱布置在氣化爐中上部同一水平面上的工藝噴嘴，對噴進入氣化爐燃燒室，每個隔膜泵分別給軸線上相對的兩個噴嘴供料。在高溫高壓下，噴入氣化爐燃燒室的水煤漿與氧氣進行部分氧化反應，生成CO、H2為有效成分的粗煤氣。氣化爐激冷室內有下降管，下降管上端連線激冷環，下降管下部浸入激冷水中，下端有四個切向排氣口；下降管與激冷室內壁之間有四層鋸齒型的破泡分隔板。工藝噴嘴為預膜式噴嘴。工藝氣PG出氣化爐後經文丘里洗滌器、分離器和水洗塔後送變換工段。分離器內有破泡板和導氣管，水洗塔上部有固閥塔盤、旋流塔盤和高效除沫器。氣化爐激冷室下部沒有設定破渣機。氣化爐結構見圖1，氣化爐局部工藝流程見圖2。
氣化爐燃燒室內的流場結構由射流區Ⅰ、撞擊區Ⅱ、撞擊流股Ⅲ、回流區Ⅳ、折返流區Ⅴ和管流區Ⅵ組成，見圖3。四噴嘴在同一水平面上向氣化爐中心對噴撞擊後，霧化後的水煤漿與氧氣的混合更充分，形成梅花瓣狀火焰。氣流撞擊後，方向發生變化，部分氣流上升，遇拱頂後，形成回流區和折返流區；部分氣流下行，形成管流區。
2工藝性能與技術優勢
2.1工藝性能
相對於德士古氣化爐，四噴嘴氣化爐火焰在爐內上部燃燒，氣體在爐內停留時間延長，二次反應充分，有效氣體含量明顯提高；尤其因折返流區域存在，延長了氣體在爐內停留時間，更加促進了氣化爐內介質的接觸與混和，促進了化學反應。由於二次反應主要是吸熱反應，二次反應的增加，其結果使得氣化爐燃燒室下部溫度下降，為保證氣化爐順利排渣，需將氧煤比進一步提高，此時，撞擊區溫度較德士古氣化爐燃燒室內溫度要高，所以燃燒也更充分，殘碳相比較而言，也更低。表1為2006年3月份系統測試部分數據。
2.2技術優勢
我們認為，四噴嘴氣化爐有以下技術優勢：
(1)四噴嘴氣化爐，採用預膜式噴嘴，其霧化夾角大，又因採用對撞方式，其混合更充分。當某一個噴嘴因自身或其他外在原因霧化不好時，由於形成了撞擊流，其影響也非常小。
(2)在四個噴嘴中，當一個噴嘴因煤漿泵或管線堵塞等原因造成煤漿流量低而過氧時，其它噴嘴可及時緩解這種危險，贏得處理時機。在一定條件下，當一對噴嘴或管線出現故障時，另一對噴嘴可在短時間內繼續運行，維持生產；待故障噴嘴或管線問題解決後，可繼續投入運行。
(3)由於附著在工藝氣出口管線內壁上的灰垢在停車檢修時不容易清洗乾淨，德士古水煤漿氣化爐投料初期，這些垢片受熱後脫落，經常造成水洗塔出口管線堵塞。四噴嘴氣化爐由於在水洗塔前設定了分離器，脫落下來的垢片被預先擋在了分離器內，這樣，即使分離器排水管線被堵，水洗塔排水可仍舊暢通，不會造成水洗塔底部排水管線堵塞。
(4)通過累計4100h的生產運行看，這種技術不但有效氣體成份高，而且反應完全，單位煤漿產氣量也較德士古氣化爐高，灰渣殘碳含量低，碳轉化率高。
3有關問題探討
除了具有上述技術優勢外，從原始投資看，還能節約大量購買外國專利需要的外匯，可見，四噴嘴氣化爐是一種值得推廣的國產化技術。但由於是第一套工業化裝置，我們發現，在局部結構上有些問題還值得探討。
3.1局部爐磚與頂部堵頭損蝕過快
四噴嘴氣化爐燃燒室高度方向爐溫的梯度變化很大，高溫區在噴嘴位置以下500mm及噴嘴位置以上一直到拱頂，停爐降溫後，我們進燃燒室檢查時有深刻的體會：人站在錐底磚以上，當體感溫度跟爐外一樣時，越接近噴嘴部位溫度越來越高，儘管有四個噴嘴室洞口的徑向通風，但到達拱頂部位時人仍然待不住。這些高溫區也是四噴嘴氣化爐耐火襯裡損蝕最嚴重的部位，例如：噴嘴周圍及以下500mm和以上筒體熱面磚在累計使用3425h的時間內因損蝕過快就已經進行過更換；在累計使用3425h的時間後拱頂磚則已損蝕130mm。
噴嘴周圍及以下500mm和以上筒體熱面磚燒蝕過快除了處於高溫區的原因外，我們分析還有如下幾個原因：
(1)單個噴嘴出口流速在110m/s，如某個噴嘴出現故障，噴嘴火焰形不成理想中的撞擊流，梅花狀火焰區向一側偏移，造成耐火磚的沖刷腐蝕加劇。
(2)由於製造或維修誤差，造成噴嘴煤漿環隙和外氧環隙不均勻；四噴嘴氣化爐在生產中經常出現噴嘴小噴頭外錐面、中噴頭內錐面不均勻磨蝕，從而造成煤漿環隙嚴重不均勻而偏噴，導致噴嘴周圍耐火磚某部位嚴重沖刷。
(3)由於預膜式噴嘴煤漿環隙較相同生產能力的德士古氣化爐噴嘴小，幾個大的煤漿顆粒擠在煤漿環隙里很容易造成堵塞，這種堵塞是隨機的，說不定什麼時候又被沖開，噴在對面噴嘴周圍就造成不均勻沖刷。
文獻提出的構想可能有助於解決此問題。
燃燒室拱頂與頂部堵頭因對撞形成的火焰直接燒蝕、沖刷、熱剝離，壽命較短。尤其是頂部堵頭，每次停車都要重做新的，並且必須待降下溫來檢查拱頂蝕損情況後才能確定堵頭的長度再進行製作，影響備用。頂部堵頭是影響氣化爐高負荷長周期運行的隱患。開始使用的頂部堵頭結構為澆鑄料外包耐熱鋼殼體，僅僅運行86h就燒蝕近50％，後來我們將下部澆鑄料改為耐熱鋼筋掛耐火磚外包耐熱鋼殼體結構後運行時間有所延長，但仍舊是安全生產的隱患。頂部堵頭損毀的情況分析如下：
(1)噴嘴對撞流往上，直衝拱頂中心部位及頂部堵頭；
(2)原設計的直接打澆築料的堵頭，澆築料高溫強度太弱，很容易被燒毀；
(3)堵頭與拱頂爐磚之間的縫隙，使得火焰竄入，先逐步燒毀頂部堵頭的金屬殼體，燒斷掛耐火磚的鋼筋，然後耐火磚掉落下來；
(4)負荷越大，因撞擊而產生的火焰越強，越容易把堵頭燒毀。
有一次我們把頂部堵頭做得與耐火磚洞口呈“緊配合”，火焰難於竄入，在連續投用26d後，頂部堵頭損蝕較輕。我們計畫將靠中心的幾圈拱頂磚加厚50mm(已委託耐火材料廠家進行過相關計算)，將最上面一圈放置頂部堵頭的拱頂磚做成台階狀，避免火焰直衝頂部堵頭的金屬殼體。
3.2噴嘴室與噴嘴安裝
3.2.1噴嘴室結構
噴嘴室起初的結構是：噴嘴就位後藏在前面的擴口磚後面，擴口磚洞口比噴嘴外徑小。運行中發現這樣很容易造成“窩火”，嚴重時會燒毀擴口磚後面的耐火磚甚至噴嘴本身。我們將擴口磚洞口改大後，沒再出現窩火現象。
3.2.2噴嘴位置
將擴口磚洞口改大後，就噴嘴端面的徑向位置，我們仍保留了噴嘴端面在噴嘴室內相對於擴口磚的位置，沒有將噴嘴加長，這主要有兩個考慮：一是避免噴嘴加長後對撞流更劇烈，更易燒蝕對面噴嘴周圍耐火磚、拱頂磚及頂部堵頭；二是由於噴嘴室內為低壓區，噴嘴加長後更容易掛渣，拔出噴嘴時很容易將噴嘴上的盤管拉壞。
現在的四個噴嘴在高度方向上的位置有點偏上，這應該是拱頂磚和頂部堵頭損毀過快的主要內因。建議以後新上的四噴嘴氣化爐，在形成合理的回流和折返流、保證足夠長的管流區的前提下，儘量加大噴嘴中心線至拱頂的距離。
3.2.3噴嘴安裝
理想的情況是四個噴嘴安裝後，四個噴嘴的中心線在一個平面上，兩兩相對的噴嘴中心線應能夠重合，這樣才有可能實現真正的對撞流。由於實際中氣化爐製造、爐磚砌築、噴嘴安裝誤差以及橫置的噴嘴本身作為懸臂樑使得頭部下垂等原因，不可能完全達到這些要求。
德士古水煤漿氣化爐換一次工藝噴嘴所用時間，最短不到0.5h；而四噴嘴氣化爐一是因為噴嘴多達四個，更重要的是因為其橫置，噴嘴安裝時不易就位，安裝一次工藝噴嘴則需要4～5h。
3.3激冷室
激冷室內，四噴嘴氣化爐用破泡板代替了傳統水煤漿氣化爐的上升管，由於破泡板與相應支架為焊接成形，激冷室缺少上部人孔，停車時若不破壞局部破泡板，檢修人員從下部人孔無法上到激冷環進水管處檢修、沖洗。
每次停車後進爐檢查時發現，破泡板之間縫隙內嚴重集灰，從下往上看不出破泡板之間的縫隙。集灰結得比較結實，能夠承受人體的重量。在氣化爐每次運行的後期，從氣化爐壓差上也能反映出這一點。
就激冷室結構，對新建四噴嘴氣化爐的建議是：上、下部各設一個人孔；破泡板之間的距離適當加大；每層破泡板加入孔方便檢修沖洗。破泡板強度要足夠，以免運行中發生衝散事件。
4結語
(1)經過4100h的生產實踐，已逐步掌握了四噴嘴水煤漿氣化爐的技術要點。目前，一次檢修後，四噴嘴氣化爐在32～34m3／h煤漿流量下運行已超過35d(期間因斷電跳車連投一次)，基本實現了穩產低耗的目的。
(2)四噴嘴氣化爐存在的問題是局部的、暫時的，對此，我們將在生產中不斷探索和完善。
(3)四噴嘴氣化爐技術作為我國具有自主智慧財產權的技術，有著其本身獨有的技術優勢，加之專利費用低，值得推廣。