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水煤浆气化高负荷长周期运行探讨

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  摘 要:本文简要介绍了水煤浆加压气化的现状、工艺流程、长周期运行中存在问题及其解决方案。
  关键词:气化;德士古;水煤浆;多原料浆;四喷嘴;长周期运行
  水煤浆加压气化技术最早是由美国德士古公司在重油气化的基础上开发成功的第二代煤气化技术,是一种以水煤浆为进料、氧气为气化剂的加压气流床并流气化工艺,属于气流床湿法加料、液态排渣的加压气化技术,20世纪90年代引入我国。21世纪初,我国西北化工研究院开发的多原料浆气化技术得到广泛应用,同一时间华东理工大学洁净煤技术研究所开发的对置四喷嘴气化技术也进入大规模商业推广阶段。水煤浆气化过程包括煤浆制备、煤浆气化、灰水处理等工序。各水煤浆气化技术经过近二十年的大规模的工业化生产装置验证,已发展为成熟的煤气化技术,我厂采用的是西北化工研究院多原料浆气化技术。
  1 水煤浆制气的典型工艺流程图
  2 水煤浆气化长周期运行探讨
  水煤浆气化在大规模工业化生产阶段,存在破渣机架桥,炉膛热电偶寿命短,激冷环堵塞,阀门管道易磨损,筒体向火面砖寿命短等问题,严重影响水煤浆气化长周期稳定运行,经过近二十年生产经验的不断积累,以上问题已经得到了很好的解决,气化炉已经能稳定运行60天以上。近年来,在追求生产效益最大化目标下,在建项目的气化炉规格不断增大;项目投产后,追求长周期运行,减少开停车倒炉损失,减少检修频次达到缩减维修费用的目的,各厂在对标后纷纷确定高负荷,长周期运行目标。但气化炉在设计操作负荷110%以上连续稳定运行90天,依然存在一些问题,现逐条进行探讨。
  2.1 气化黑水进高闪角阀下缓冲罐易磨穿
  气化黑水含有大量的细灰,经过角阀减压后,高温黑水会闪蒸出大量气体,产生三相流,对角阀后缓冲罐及缓冲罐后管线磨损严重。为了降低缓冲罐及管线的磨损速率,其一在操作上应逐级减压,利用气化界区角阀将黑水从6MPa降压至4.2MPa,在利用进高闪角阀进一步减压至0.9MPa;其二在运行中根据角阀开度,黑水流量判断角阀阀芯磨损情况,若角阀阀芯磨损偏喷会冲蚀喇叭口,喇叭口冲蚀失效后,会失去其对流体整形作用,从而会加快角阀下缓冲罐的磨蚀速率。因此应定期检查角阀阀芯及角阀内喇叭口完好情况,若发现磨损及时对其修复或更换;其三将缓冲罐及其后进入高闪的管线内衬耐磨材料碳化钨,降低二者的磨损速率,气化炉每个运行周期后对罐壁等易磨损处进行壁厚检测,发现壁厚变薄,及时更换内衬。采取以上措施后,角阀下缓冲罐及其后管线的寿命可达到1~1.5年。
  2.2 渣口砖寿命短
  根据建厂的位置和原料煤的运输成本,各厂可能经常就近采购一些低灰熔点原料煤,为了保证原料煤中C元素的利用率及降低炉渣内的C含量,气化炉氧煤比及炉温会控制的相对较高,气化炉渣口砖上无挂渣;另外气化炉长期在高负荷运行,粗煤气及熔渣的流速增大,渣口砖磨蚀严重时会发生部分耐火砖脱落,一般气化炉渣口砖在累计运行3000h左右时即失效,渣口砖失效后,气化炉托砖板易发生烧蚀。耐火砖的主要成分Cr2O3、ZrO2,Al2O3,更换耐火砖型号,增加渣口砖内Cr2O3含量,有助于耐火砖抗高温腐蚀性能,增加ZrO2含量有助于增加耐火砖的抗冲刷性能。同时更换椎体砖形状,由“阶梯形”改为“双曲线形”,进一步增加渣口砖抗冲蚀性能,改造后渣口砖的使用寿命在4500h左右,完全满足气化炉高负荷,长周期运行两个周期。
  2.3 激冷环结垢易磨穿
  根据运行经验,气化炉在运行60天后,激冷环易磨穿。
  从图2和图3表观可以看出:孔洞边缘圆滑、锋利,无腐蚀的点坑现象,无烧蚀的变色现象,且激冷环内分水孔延伸段沟槽明显,因此激冷环损坏的原因应为冲蚀。停车检查激冷环的部分布水孔发生结垢,甚至完全堵塞布水孔,导致其他布水孔水流速增大,激冷环易发生冲蚀失效。为降低激冷环的冲蚀,其一是按设计严格控制激冷水量,在气化炉液位能保住的情况下,用尽量低的激冷水量;其二是控制激冷水水质,减少激冷水中细灰的含量,可加大洗涤塔的排黑量;其三联系专利商对激冷环进行改造,扩大布水孔直径,即降低了该处激冷水的流速,又使布水孔结垢后不至于完全堵塞。经过采取以上3点措施,我厂的激冷环寿命已经能达到12000h。
  2.4 烧嘴寿命短
  我厂烧嘴尺寸经过专利商的多次优化,已经适应高负荷运行,影响烧嘴寿命的主要是原料煤中硫含量,煤中的硫在气化炉中反应后会生产硫化氢,与烧嘴中的金属元素生成Ni3S2,此化合物又与金属内部的镍元素形成低熔点共晶,呈薄膜状分布与晶界,使金属产生脆性,烧嘴的端面及盘管腐蚀糟酥,会影响烧嘴的使用寿命。
  我厂使用硫含量高于2~2.5%的高硫原料煤,通常烧嘴寿命在65~75天,我厂也试烧了高硫(4.0%wt)煤及低硫(0.8%wt)煤的混煤,试烧期间,两台气化炉烧嘴分别高负荷连续运行91天及90天后,按计划停车检修,工艺烧嘴经供应商拆解发现烧嘴外氧头水室端面并没有以往高硫煤运行六七十天的烧嘴腐蚀的严重;测得煤浆喷头比标准尺寸大10mm,且煤浆喷头内表面被冲刷呈波浪纹状;冷却水盘管表面存在大量的腐蚀点群,冷却水盘管表面有大面积的硫堆积现象。
  从混煤期间原煤硫含量的分析數据可以看出,混煤的硫含量均值并不高,但煤中硫含量波动大。混煤硫含量均值偏低,因此烧嘴外氧头水室端面并没有以往运行六七十天的烧嘴腐蚀的严重;煤中硫含量波动,当煤中硫含量高时,容易附着在冷却水盘管上,冷却水盘管处易积灰,附着的硫不易被工艺气带走,因此冷却水盘管表面存在大量的腐蚀点群,冷却水盘管腐蚀严重。
  测得煤浆喷头比标准尺寸大10mm,且煤浆喷头内表面被冲刷呈波浪纹状,符合烧嘴长周期运行的状态,为了解决该问题,联系了烧嘴供应商确定可以在烧嘴煤浆头增加了耐磨衬套,防止煤浆头内表面被冲刷呈波浪纹砖后,烧嘴发生偏喷,损坏耐火砖。
  3 结论及建议
  水煤浆气化炉在设计操作负荷110%连续稳定运行90天以上,烧嘴寿命依然是需要我们亟待解决的问题,通过掺烧低硫煤或原料煤全部采用低硫煤是延长烧嘴寿命的有效措施。另外开发耐高温、耐硫材质烧嘴是未来水煤浆气化烧嘴发展的方向。
  参考文献:
  [1]陈永献.德士古水煤浆加压气化技术存在问题探讨[J].河南化工,2005(11):46-47.
  [2]王旭宾.德士古煤气化工程技术问题探讨[J].化肥工业,2004(2):38-41.
  [3]王文伟.德士古煤气化与华理四喷嘴煤气化技术比较[J].内蒙古石油化工,2013(17):118-120.
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