殼牌氣化爐13、16單元簡介

王慧，王艷波

（河南能源化工集團中原大化公司甲醇事業(yè)部氣化廠，河南457000）

殼牌氣化爐13、16單元簡介

王慧，王艷波

（河南能源化工集團中原大化公司甲醇事業(yè)部氣化廠，河南457000）

殼牌氣化爐采用比較先進的煤制氣技術(shù)。根據(jù)工藝任務(wù)的不同，分為幾個工段。本文從設(shè)備結(jié)構(gòu)，工藝流程，及熱量利用三個方面簡單介紹了13、16工段，同時提及了其他工段。結(jié)合實際生產(chǎn)中的一些問題提出了一些需要注意的參數(shù)。

殼牌；煤氣化；設(shè)備結(jié)構(gòu)；分離；熱量；節(jié)能

殼牌煤制氣技術(shù)作為一項越來越成熟的工藝，已經(jīng)為越來越多的廠家所接受。更多的了解該設(shè)計的理念，是一項重要的工作。

殼牌氣化爐研發(fā)始于1972年，是荷蘭殼牌公司的產(chǎn)品。自1994年起工業(yè)化應用，荷蘭比赫納姆的IGCC裝置消耗2000t/d的國際商品煤。中原大化公司2004年購入該項目，2008年投入生產(chǎn)［1］。殼牌裝置可分為11、12、13、14、15、16、17及公共單元。11單元的崗位任務(wù)是準備干煤粉；12單元的崗位任務(wù)是儲存并輸送煤粉至13單元；13單元包括V-1301，和V-1302兩個罐體，V-1303將兩個罐體相連。13單元是裝置的核心單元，反應室就內(nèi)置在V-1301罐體中。14單元是收渣下渣單元；15單元是收灰下灰單元；16單元是粗合成氣的濕洗單元；17是廢水的初級水處理單元；公共單元包括CO2管網(wǎng)和N2管網(wǎng)，以及工藝水罐，酸堿罐，儀表風網(wǎng)，工廠風網(wǎng)，為上述單元提供所需的吹掃氣，充壓氣，以及儀表動力?？傮w來說，11、12單元屬于原材料的制備；13是煤制氣的核心；14、15、16都屬于輔助分離單元。公共單元屬于服務(wù)單元［2］。

13，16的物料簡圖如圖1。

1　V-1301、V-1303、V-1302的結(jié)構(gòu)

1.1內(nèi)層與外層

V-1301與V-1302兩個罐體通過V-1303相連。兩個罐體及V-1303均是雙層結(jié)構(gòu)，外層與內(nèi)層之間形成環(huán)形空間。內(nèi)層是大量細管組成的膜式壁，通過細管中的冷卻水及時移走熱量，保證罐體各處的溫度穩(wěn)定。外層與內(nèi)層之間通過呼吸孔相通，呼吸孔內(nèi)外之間的壓差僅有3kPa左右，中原大化氣化爐（V-1301）的反應壓力設(shè)定在3.85～3.90MPa之間，因此高壓主要由外層承受，反應溫度即內(nèi)層設(shè)計溫度13TI9001大概在1550℃左右，經(jīng)過膜式壁的降溫，環(huán)形空間的溫度只有240℃度左右，因此高溫主要由內(nèi)層承受。這樣雙層的結(jié)構(gòu)避免了單層結(jié)構(gòu)既要承受高溫，又要承受高壓的問題，可有效的降低工藝條件對設(shè)備材質(zhì)的要求，降低設(shè)備成本。

圖1　

V-1301、V-1303、V-1302內(nèi)層膜式壁由各個獨立的換熱器組成，按照合成氣的走向順序分別是：反應室E-1320，激冷段E-1301，輸氣段E-1302，氣體返回室E-1303A，換熱器E-1306、E-1303B/C/D。其中，E-1320、E-1301內(nèi)嵌在V-1301中，E-1302內(nèi)嵌在V-1303中，其余的內(nèi)嵌在V-1302中。E-1320又可細分為頂錐，反應段膜式壁，馬弗爐，底錐，熱裙及擋渣屏（從上至下）。E-1320與E-1301之間有呼吸孔，呼吸孔連通內(nèi)層與外層。壓縮機K-1301送來的激冷氣先進入環(huán)形空間，然后由反應室上面的呼吸孔進入內(nèi)層。

1.24燒嘴分布

罐體的核心部位是反應室E-1320，干煤粉在反應室里實現(xiàn)合成氣的氣化。4個燒嘴直接插入到反應室的內(nèi)層。這里為了體現(xiàn)V-1301的4燒嘴結(jié)構(gòu)，刻意將煤粉給料倉V-1205A/B分開描述；V-1205A提供1#、2#燒嘴的供煤，V-1205B提供3#，4#燒嘴的供煤。實際上4個燒嘴位于同一水平面上，逆時針分布順序為1#、4#、2#，3#（俯視，從V-1301的上部往下看），那么，1#和2#是相對的燒嘴；3#和4#是相對的燒嘴（燒嘴連線近似與氣化爐剖面圓的直徑重合）。實際上，為了形成更好的流場，1#燒嘴所在的直線與2#燒嘴所在的直線夾角為15度；3#燒嘴所在的直線與4#燒嘴所在的直線夾角為15度；這樣，當干煤粉在V-1205與V-1301的壓力差下從燒嘴中噴出的時候，相對燒嘴的噴向并不正對，而是交錯的，形成一個旋轉(zhuǎn)的湍流。

1.3煤燒嘴結(jié)構(gòu)

4燒嘴分布的單個燒嘴結(jié)構(gòu)都是相同的：分為內(nèi)層和外層。內(nèi)層煤粉進入，純氧和水蒸氣從內(nèi)層與外層之間的夾套進入；因為材料煤粉是燒嘴的顯著特征，所以燒嘴也稱為煤燒嘴。

1.4點火燒嘴和開工燒嘴

殼牌氣化爐開車階段采用二級點火，點火燒嘴和開工燒嘴的軌道也直接插入到E-1320內(nèi)層，點火燒嘴的軌道口在下，開工燒嘴的軌道口在上。開工燒嘴的軌道與水平方向有1個向上的夾角，軌道口基本與煤燒嘴在同一個平面上。

2　工藝動態(tài)描述

此處忽略開車階段的過程，僅從穩(wěn)態(tài)正常生產(chǎn)階段進行簡要描述。

經(jīng)過11單元處理后的原煤粉經(jīng)過12單元的加壓輸送從煤燒嘴的內(nèi)層進入氣化爐反應室E-1320，與從煤燒嘴夾套中進入反應室的純氧與水蒸氣混合物接觸，由于相對燒嘴夾角15度的設(shè)計，反應物從4燒嘴同時噴出，即形成旋轉(zhuǎn)的流場。

一般認為，煤粉在反應室里主要發(fā)生了如下兩個反應：

其中負號表示生成反應熱。中原大化的O/C比值在0.89與0.95之間，而第一個反應O/C比是0.5，這說明過量的氧氣與煤粉（簡化為C）發(fā)生了第三個反應［4］

該反應也是放熱反應。實際上，殼牌氣化爐的反應熱足夠滿足繼續(xù)反應的需要。反應進行不需要提供額外的熱量，整體反應是放熱的，多余的反應熱通過換熱器E-1320及時移走，以保證反應室的溫度恒定。

反應物進入反應室后，在合適的溫度及壓力條件下，（中原大化氣化爐的壓力控制在3.85～3.9MPa，反應室的溫度13TI9001不能直接測量，經(jīng)過熱量核算的粗算，實際在1470度左右），瞬間進行反應，煤粉被氣化成粗合成氣，粗合成氣夾帶著不能反應的飛灰以及沒有來得及反應的煤粉螺旋上升，此時，由于停留時間的限制，不能反應的煤粉由于溫度的作用，處于熔融態(tài)，在離心力的作用下，稍大點的熔融態(tài)物塊被甩到E-1320內(nèi)壁上，冷卻后流動性下降，緩慢經(jīng)反應段膜式壁，部分經(jīng)馬弗爐，底錐，熱裙及擋渣屏流向渣口，去往14收渣單元。新的熔融態(tài)物塊又被持續(xù)的甩到冷卻壁上，形成流動性的渣壁。粗合成氣和小的飛灰則持續(xù)向上，行至E-1301，在這里被K-1301送來的激冷氣直接冷卻，同時被E-1301的冷卻水間接冷卻至大約900℃（13TI9002），之后繼續(xù)向下游前進，被E-1302、E-1303A冷卻，同時在E-1303A處轉(zhuǎn)向，因此E-1303A又稱氣體返回室。到達E-1306、E-1306的冷卻介質(zhì)是V-1304（汽包）的飽和蒸汽，飽和蒸汽的溫度相對于對應的飽和冷卻水溫度更低，冷卻效果更好，此處被冷卻至 650攝氏度左右（13TI9003）、13TI9001、13TI9002、13TI9003這三個溫度都不是實測溫度，都是根據(jù)熱量衡算計算出來的。殼牌氣化爐對于13TI9003的溫度有著特別的要求：13TI9003=T4*2/3-150，其中，T4是指煤粉的流化溫度（FT），因為E-1306這個換熱器位于粗合成氣的流道上，導致粗合成氣的流通橫截面積減少，且粗合成氣夾帶的飛灰容易在此聚集，若是此處溫度過高，飛灰粘性增加，更加劇了飛灰集聚的可能性。事實上，中原大化廠在開車初期，確實多次因為這個原因?qū)е麓趾铣蓺庠诖颂幍牧魍ㄋ俣仍龃?，E-1306兩端壓差過高，存在膜式壁磨穿的風險而停車。為了減少此處飛灰的聚集，除了溫度的控制外，殼牌還設(shè)計了一處反吹，通過8.7MPa的CO2反吹氣吹落停留在E-1306上的浮灰，保證合成氣的流通橫截面。以及遍布V-1301、V-1303、V-1302的59個敲擊振打裝置不間斷的逐個敲擊，以期振落各換熱器上的浮灰，保證換熱器的換熱效果。之后粗合成氣經(jīng)過E-1303B/C/D的冷卻，降溫至380℃左右離開V-1302，整個V-1302可以說是由換熱器E-1303A、E-1306、E-1303B/C/D所組成，這些換熱器的冷卻介質(zhì)是來自鍋爐的鍋爐水，經(jīng)過合成氣的換熱后返回汽包V-1304，生成副產(chǎn)品中壓蒸汽，4.95～5.10MPa，并入中壓蒸汽管網(wǎng)，給整個系統(tǒng)提供伴熱及加熱低溫介質(zhì)，因此V-1302是合成氣冷卻器（SGC）的同時，也可稱之為“鍋爐”。

粗合成氣到達S-1501（飛灰濾罐）后，利用24組濾棒，每組48根，通過過濾除去其中夾帶的飛灰。24組濾棒的反吹氣也由8.7MPa的CO2提供，通過文丘里的減壓不間斷的逐組吹落在濾棒上的浮灰，保證濾棒的再生。此處設(shè)置壓差表可以反應濾棒的積灰情況。被分離出的飛灰隨后落入V-1501，每3h一次被清理出系統(tǒng)。除灰后的合成氣一部分直接去往K-1301參與激冷，一部分送往C-1601濕洗，濕洗所用的工藝水來自于空分工段的透平冷凝液或者脫鹽水。C-1601濕洗罐的填料采用亂堆方式，合成氣自下往上，工藝水自上往下，通過填料組成的彎曲路徑密切接觸，實現(xiàn)傳質(zhì)傳熱，最終，煤中的Cl，F(xiàn)等元素燃燒后轉(zhuǎn)化成的對應的HCl，HF等及NH3和微量固體從合成氣中被分離，濕洗后的廢水送往17單元進行初級水處理，經(jīng)過濕洗后的合成氣以1：1.3的比例分為兩股，較少的一股送往甲醇工段合成甲醇，較多的一股與從S-1501出來的一部分匯合去K-1301壓縮機做激冷氣。激冷氣的溫度大約在240℃。為了提升酸性氣的溶解度，C-1601中加入了21%（質(zhì)量百分比）的NaOH。

K-1301做為激冷氣壓縮機，由電機帶動，電機的初始轉(zhuǎn)速經(jīng)過變速箱的兩次提速，高速軸帶動葉輪給合成氣提供動力，轉(zhuǎn)速可達8000～9000轉(zhuǎn)/分。在實際生產(chǎn)中，高速軸的軸向震動振值是54μm，是個必須關(guān)注的參數(shù)。

3　氣包（V-1304）即水氣系統(tǒng)

氣化爐水汽系統(tǒng)的流程簡圖如圖2。

圖2　

V-1304通過3臺循環(huán)水泵P-1301A/B/C（圖中未標出）將鍋爐水送往各換熱器進行冷卻，冷卻水得到熱量，變成飽和蒸汽，回到V-1304，在V-1304實現(xiàn)氣液分離，之后的飽和蒸汽一部分送往15單元給其提供伴熱，防止15單元的飛灰溫度過低，其中的水蒸氣以水珠的形式出現(xiàn)，增加飛灰的黏性，導致下灰不暢，一部分送往E-1306跟粗合成氣換熱，變成過熱蒸汽，并入中壓蒸汽管網(wǎng)。氣液分離后的V-1304罐中，下部是飽和水溶液，上部是飽和蒸汽。罐上部用隔板把罐分為大小兩室，下部連通，因為鍋爐水管道與大室底部連通，導致低溫鍋爐水直接進入了大室，根據(jù)“密相輸送”原理，大室液位略低于小室液位。鍋爐水溫度是140攝氏度左右，汽包水溫度是265攝氏度左右，汽包壓力控制在4.95～5.10MPa。正是根據(jù)鍋爐水獲得的熱量等于合成氣失去的熱量，算得13TI9001，13TI9002，13TI9003。上圖主要是為了說明氣化爐的熱量衡算，因此兩處V-1304的排放未標出，一路是間斷排污，主要是排出V-1304中累計的SiO2，F(xiàn)e等雜質(zhì)；一路是連續(xù)排污，主要是排出V-1304中的鹽分。此外，還有一路汽包水去跟氧氣進行了預熱；開車階段，有一路開工蒸汽進入汽包，隨著循環(huán)水泵，給整個氣化爐升溫。

附：中原大化中化室給汽包水做的分析項目及分析結(jié)果為：pH9.51、電導14.03μs/cm、SiO243.2μg/L送往甲醇工段的合成氣組分（體積百分比/%）為CO67.39、H220.03、CO210.18、N21.50、O2+A0.186+ H2S0.11×10-4。

4　結(jié)語

殼牌氣化爐采用了先進的煤制氣技術(shù)，且實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)連續(xù)生產(chǎn)，對不同煤種也有一定的適應性。反應所需熱量由反應自身的熱量提供，沒有額外熱源，且提供出副產(chǎn)品中壓蒸汽。物料，熱量都得到了有效利用。中原大化公司在2014年的時候?qū)崿F(xiàn)了長周期263dA級運行。

［1］柴誠敬，張國亮.化工流體流動與傳熱［M］化學工業(yè)出版社，2007.

［2］賈紹義，柴誠敬.化工傳質(zhì)與分離過程，化學工業(yè)出版社，2007.

［3］陳之川，工業(yè)化學與化工計算［M］.化學工業(yè)出版社，1992.

［4］馬沛生，化工熱力學［M］，化學工業(yè)出版社，2005.

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.05.016

TQ545

C

1008-1267（2015）05-0047-04

2015-06-03

王慧（1982～），女，本科，助理工程師。

王艷波（1981～），男，本科，助理工程師。