GSP氣化技術(shù)工業(yè)應用分析

煤炭工程第48卷第1期COAL ENGINEERINGVol. 48, No. 1doi: 10. 11799/ ce201601026GSP氣化技術(shù)工業(yè)應用分析蔣立翔1.2.3(1.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇徐州21116; 2.神華集團有限責任公司,北京10011;3.神華寧煤煤化工公司,寧夏銀川750411)摘要:介紹了GSP氣化技術(shù)工藝原理、技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)對GSP氣化技術(shù)在工業(yè)應用中出現的粉煤輸送不穩定、點(diǎn)火燒嘴脫火燒穿、水冷壁燒損、合成氣帶灰嚴重等問(wèn)題進(jìn)行了分析，總結闡述了神華寧煤針對上述GSP氣化技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展的探索與改進(jìn)措施。關(guān)鍵詞:煤氣化; GSP 氣化爐;工業(yè)應用;給料系統;燒嘴;水冷壁;合成氣帶灰中圖分類(lèi)號: TQ546文獻標識碼: A文章編號: 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煤氣化技術(shù)是煤化工的龍頭技術(shù)，是煤潔凈利用技術(shù)業(yè)應用中出現的問(wèn)題進(jìn)行分析總結并提出改進(jìn)措施。的重要環(huán)節，碳一化學(xué)的基礎(2。目前，現代煤化工氣化1 GSP 氣化工藝技術(shù)主要有固定床、流化床和氣流床工藝，以氣流床工藝居多,主要爐型有Shell爐、GE(Texaco)爐、 多噴嘴水煤漿爐、航1.1 工藝簡(jiǎn)介天爐、清華爐、GSP 爐等。實(shí)踐證明，CSP 氣化爐經(jīng)過(guò)神氣流床氣化以進(jìn)料形態(tài)可分為干煤粉氣化和水煤漿氣華寧煤近5年的運行實(shí)踐與非常艱苦地探索改進(jìn)，目前已化5.41。神華寧煤52萬(wàn)Va烯烴項目采用的GSP氣化技術(shù)成為最有競爭力的氣化技術(shù)之一-。屬干煤粉進(jìn)料氣流床氣化技術(shù)。神華寧煤50萬(wàn)Va MTP項目采用CSP粉煤加壓氣化工GSP氣化工藝主要由磨煤、煤粉輸送、氣化、粗合成藝, 5臺氣化爐，4開(kāi)1備,設計單爐投煤量2000/d,產(chǎn)氣洗滌、排渣和黑水處理等組成[5,],工藝流程如圖1所氣量30萬(wàn)Nm'/h,有效氣(CO+H)13萬(wàn)Nm'/h。該項目于示。煤倉為氣化生產(chǎn)線(xiàn)的連續供給煤粉提供倉儲,煤倉過(guò)2008年開(kāi)工建設，2010 年9月30日竣工，2010 年底5臺濾器將進(jìn)人煤倉的N2和CO2外排大氣前進(jìn)行清潔過(guò)濾，清氣化爐全部投料試車(chē)，目前氣化爐滿(mǎn)負荷運行，A類(lèi)運行潔后的氣體中甲醇含量低于190mg/Nm';鎖斗將煤粉從煤(不停爐檢修)達14ld,達國內氣化爐運行領(lǐng)先水平。倉規律性的輸送至進(jìn)料倉;氣化爐將氧氣、煤粉和水蒸氣CSP氣化爐在世界上首次大規模工業(yè)化應用，在實(shí)踐轉變?yōu)楦缓琀2和CO的合成氣,并使合成氣在激冷室中冷中出現過(guò)很多問(wèn)題，如加料系統不穩定、燒嘴不易點(diǎn)火、卻且洗滌熔渣;渣鎖斗從激冷的壓力系統中將爐渣排出到特殊件磨損、水冷壁超溫等，本文著(zhù)重對GSP氣化爐的工大氣壓力環(huán)境中，并在后系統中洗滌氣化產(chǎn)生的粒狀爐渣,收稿日期: 2015-08-02作者簡(jiǎn)介:蔣立翔(1975-), 男，陜西商洛人，博士研究生,高級工程師，主要從事煤化工技術(shù)研發(fā)及生產(chǎn)管理工作，E-mail: 0000379@ shenhua. cc。引用格式:蔣立翔. CSP 氣化技術(shù)工業(yè)應用分析[J].煤炭工程, 2016, 48(1): 88-91.2016年第1期某炭工程生產(chǎn)技術(shù)由鏈式輸送機排出系統;粗煤氣洗滌系統由2個(gè)串聯(lián)的文煤氣中固體顆粒和氣體中的水溶性污染物;黑水處理系統丘里洗滌器組成，粗煤氣與洗滌水充分混合，以便除去粗利用蒸發(fā)作用使黑水壓力降低同時(shí)達到冷卻效果。+燕汽送管網(wǎng)+鍋爐給水低壓氮氣+大氣4i919 D2-工+合成氣送下游變換煤粉→且事高壓N/COz→-9- NaOH22一◆去污水處理系統1-鎖斗:2-進(jìn)料倉:3 -過(guò)德器:4 -NaOH系: s- 事故激冷水罐:6緩沖鱧冷卻水; 7.12.15.18.23、24-泵;_氣化爐: 9 _文丘里洗滌器: 10- 渣鎖斗; 11- 澄清水儲罐: 13--黑水閃蒸罐: 14-閃蒸氣送焚燒爐:16縵沖罐;17-蒸汽鍋爐: 19 -NaOH泵; 20-火炬: 21- 氣液分離罐; 22-微冷水罐; 25--廢水罐圖1 GSP煤氣化工藝流程1.2 GSP氣化工藝特點(diǎn)(1)- (5)計算求得煤粉密相輸送的壓降受煤粉本身物性、GSP氣化爐與目前廣泛使用的Shell Texaco 氣化爐相輸送壓力、管徑、管道布置等多種因素影響，一般情況很比較，其特點(diǎn)如下[7-B):①合成氣中有效組成高，(H2+難準確確定煤粉輸送管道的壓降，因此利用壓降控制煤粉co)含量為92%-95%，高于Shell的90%和Texaco的80%;流量就導致流量偏差較大，造成大的波動(dòng)。②比煤耗和比氧耗低于Shell以及Texaco,輸送煤粉CO2用Ap.=Ap,+Ap,(1)量少,且氣化可提供變換系統所需蒸汽，工藝消耗低;③Ap。=入。(2)碳轉化率和總熱效率低于Shell 高于Texaco,氣化溫度及壓. 2D力和Shell接近;④原料適應性廣,啟動(dòng)時(shí)間短，操作維護4p.=μ.A, 2D(3)便捷。λ.a = 0. 315Fr-.21(4)2工業(yè)應用中存在的主要問(wèn)題. = 0.73Fr*.9(5)2.1給料系統不穩定式中，Ap,為總壓降，Ap、Ap,分別為氣體和固體產(chǎn)GSP氣化技術(shù)煤粉密相輸送系統出現較多的問(wèn)題有料生的總壓降，Pa; L為輸送管長(cháng)，m;入。為氣體摩擦系數;位指示失真、鎖斗下料不暢、煤粉錟斗閥門(mén)磨損、給料容u。 為氣體表觀(guān)氣速，m/s; D為管徑, m; A..分別器攪拌器容易損壞、煤粉減壓系統堵塞等，其中最主要的為水平管和豎直管附加壓降摩擦系數; Fr 為弗勞德數; μ,問(wèn)題是煤粉輸送不穩定。這會(huì )導致煤粉密度、速度、流量為固氣質(zhì)量體積比，kg/m'。偏差波動(dòng)大，主燒嘴易跳車(chē)，氣化爐負荷低，掛渣效果差,2.2 點(diǎn)火燒嘴脫火、燒穿難以實(shí)現“以渣抗渣”,水冷壁局部燒穿等問(wèn)題[8]。GSP煤粉燒嘴是點(diǎn)火燒嘴和主燒嘴一體化的組合結構GSP原設計煤粉流量是利用給料容器與氣化爐之間的形式，其結構如圖2所示。2011年CSP氣化裝置運行以壓差(壓降)進(jìn)行控制，實(shí)際運行過(guò)程中煤粉流量波動(dòng)較大，來(lái)，煤粉組合燒嘴在應用過(guò)程中出現了以下問(wèn)題:火焰檢嚴重影響了氣化爐正常運行。究其原因，一是給料容器的測系統故障不斷，點(diǎn)火燒嘴點(diǎn)火不穩定，多次出現無(wú)法點(diǎn)進(jìn)料是由四個(gè)鎖斗循環(huán)不間斷動(dòng)作完成，鎖斗下料時(shí)導致著(zhù)的現象，點(diǎn)火成功率不到50%;點(diǎn)火槍尖及點(diǎn)火燒嘴端給料容器壓力波動(dòng)大，控制系統不能及時(shí)調整壓力;二是面頻繁燒壞，主燒嘴內夾套出現裂紋，嚴重影響了燒嘴使煤粉鎖斗閥、輸送氣體控制閥、流化氣體控制閥長(cháng)時(shí)間使用壽命。點(diǎn)火燒嘴燒穿的原因，歸結起來(lái)主要有:用,磨損內漏，導致給料容器壓力波動(dòng);三是氣化爐氣化1) GSP 氣化爐當時(shí)設計的點(diǎn)火燒嘴采用的點(diǎn)火燃料為反應是動(dòng)態(tài)過(guò)程，很難控制氣化爐壓力為設計壓力?；旌弦夯蜌?氮氣占70%，液化石油氣占30%，設計溫根據對寧東靈武礦煤粉密相輸送管道壓降研究結果，度為100C左右),實(shí)際運行溫度在75C左右,并且液化石在穩定密相輸送煤粉中，總壓降可用附加壓降法( Barth)式油氣可能帶液，造成點(diǎn)火電極附近溫度低，有積水等異常89生產(chǎn)技術(shù)煤炭工程2016年第1期C, = ,(w)pU .2mdr(7)點(diǎn)火燃料氣一苗-高壓氯冷卻水二→冷卻水C, = J"UpU.2mrdr+fp .2mrdr(8)氧氣-。-氧式中，s為旋流數; C,為角動(dòng)量的軸向通量, kg.m2/干煤粉s; C,為軸動(dòng)量的軸向通量, kg . m/s; U為軸向速度分量，m/s; w為切向速度分量，m/s; ρ為密度，g/m'; P為靜冷卻水--→冷卻水壓, Pa; R為氣化爐水力半徑，m; r為積分變量。2.4合成氣帶灰嚴重實(shí)際生產(chǎn)運行過(guò)程中,氣化反應過(guò)程中產(chǎn)生的細灰含圖2 GSP 氣化爐燒嘴通道結構示意圉量大,且激冷室激冷水洗滌設計不合理、文丘里洗滌系統負荷太大,無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。根據工藝設計，合成氣含現象，導致點(diǎn)火不成功。2)點(diǎn)火器設計方面，點(diǎn)火器點(diǎn)火能量較低、點(diǎn)火要求塵量小于lmg/m',實(shí)際合成氣塵含量10mg/m'左右。合成過(guò)高，設計電弧點(diǎn)火能量為2~3J,而且必須保證點(diǎn)火槍通氣含塵量帶灰嚴重，導致變換系統粗合成氣加熱器、變換道內干燥，防止短路。而在實(shí)際操作過(guò)程中很難滿(mǎn)足上述保護床堵塞,致使氣化系統頻繁停車(chē),嚴重影響了裝置長(cháng)要求，在電極附近易出現污物、積水及溫度低的情況影響周期運行。電極產(chǎn)生電火花。另外，點(diǎn)火電極附近的燃料氣和氧氣不3存在問(wèn)題的改進(jìn)措施易混合充分,該處電火花能量不足以點(diǎn)燃氣體燃料;同時(shí)3.1給料系統改進(jìn)措施電極拉弧所需要的距離較難控制，安裝過(guò)程可能出現距離氣化爐投煤流量波動(dòng)問(wèn)題處理措施如下:過(guò)大，或者電極接線(xiàn)處短路現象,會(huì )導致電流從別的地方1)對煤粉管線(xiàn)增加固定支撐,這樣解決了給料容器運放電，在電極處沒(méi)有火花產(chǎn)生致使點(diǎn)火不成功。行過(guò)程中煤粉進(jìn)口管線(xiàn)大幅度位移的問(wèn)題，避免了管線(xiàn)貼3)原設計火焰距離夾套端部較近，造成夾套端部溫度至給料容器內壁上，導致未流化均勻的煤粉進(jìn)入氣化爐，過(guò)高，形成熱裂紋，導致夾套燒損，冷卻水泄漏;點(diǎn)火氧致使煤粉密度、速度、流量偏差波動(dòng)的狀況出現。噴射器結構不合理且密封性較差，氧氣由點(diǎn)火氧噴射器外2)對煤粉進(jìn)料管線(xiàn)進(jìn)行改造，在3根煤粉進(jìn)料管線(xiàn)上側進(jìn)入氣化爐，夾套端部局部區域處于富氧狀態(tài),導致夾分別加裝流量控制角閥,通過(guò)簡(jiǎn)單控制回路控制流量，將套燒損，出夾套燒裂現象。壓差控制改為流量控制，徹底解決了煤粉輸送不穩定問(wèn)題。2.3水冷壁燒損3)將煤粉管線(xiàn)電伴熱改為蒸汽伴熱,煤粉溫度提高到CSP氣化爐采用“以渣抗渣”原理保護水冷壁，如果80~85C,高于煤粉露點(diǎn)溫度,從而改善煤粉輸送狀態(tài)，使由于操作不慎或自身結構設計及制造缺陷等原因，會(huì )使氣煤粉輸送更加穩定?；癄t發(fā)生水冷壁水壓連續下降，冷卻水補水量增加，使得經(jīng)過(guò)此改造，有效地解決了氣化爐煤粉進(jìn)料的波動(dòng)問(wèn)水冷璧掛渣層及隔熱搗打料脫落，部分水冷壁管線(xiàn)有過(guò)熱題，投煤難、主燒嘴頻繁跳車(chē)的問(wèn)題均得到有效解決。改性穿孔和裂紋。造前后煤粉輸送特性對比如圖3所示。造成水冷壁管線(xiàn)有過(guò)熱性穿孔和裂紋的原因有:耐火'5[r◆優(yōu)化后襯里(碳化硅)強度不夠、澆筑施工缺陷、酸性氣腐蝕等原因,但主要還是由于燒嘴出口進(jìn)入燃燒室的流體(煤粉、氧氣、蒸汽等)旋轉產(chǎn)生的徑向和軸向流量偏差，導致煤粉偏流，沖刷水冷壁,致使水冷壁損壞。stn^以化研究結果表明，根據燃燒動(dòng)力學(xué)推導出的GSP氣化爐43。燒嘴出口進(jìn)人燃燒室的流體(煤粉、氧氣、蒸汽等)旋轉產(chǎn)時(shí)間/h生的徑向和軸向流量偏差與旋流數有關(guān)，流體進(jìn)入燃燒室圖3改造前后煤粉輸送特性對比旋轉射流過(guò)程中，角動(dòng)量的軸向通量和軸動(dòng)量的軸向通量3.2 燒嘴改進(jìn)措施守恒，即可得出式(6)-(8)。根據式(6)-(8),可知進(jìn)入針對點(diǎn)火燒嘴脫火、燒穿、火焰檢測系統故障等問(wèn)題，氣化爐流體流量、動(dòng)量及旋轉噴射角度、氣化爐燃燒室截神華寧煤聯(lián)合國內研發(fā)機構重新優(yōu)化設計點(diǎn)火燒嘴、火焰面積等都將影響旋流數，進(jìn)而使GSP氣化爐給料的流體在檢測設備及主燒嘴，成功開(kāi)發(fā)出處理干煤粉量2200/d大規燃燒室形成偏噴，導致水冷壁局部沖刷燒損狀況出現。模組合燒嘴，新型燒嘴的主要特點(diǎn)有:s= C(6)1)采用高能量點(diǎn)火方式，克服了低溫、積水、積灰結2016年第1期煤炭工程生產(chǎn)技術(shù)焦等不良運行環(huán)境，將高能點(diǎn)火器的優(yōu)勢使用到現有點(diǎn)火塔盤(pán)并將塔加高,將原料氣分離罐改為“洗滌塔”，強化精燒嘴中。洗過(guò)程;對現有旁路閃蒸系統進(jìn)行改造，黑水進(jìn)旁路閃蒸2)火焰檢測系統進(jìn)行了優(yōu)化設計,在氣化爐燒嘴尾部系統前增加兩級換熱器，一級換熱為黑水水與灰水間接換安裝“一體化在線(xiàn)火焰檢測系統"，既能提供火焰監測信熱，熱量回收,二級換熱器為循環(huán)冷卻水對黑水進(jìn)-步降號，又能顯示火焰圖像視頻和火焰溫度，使得操作中對點(diǎn)溫，最后在旁閃罐進(jìn)行閃蒸。由于增加鼓泡塔后水量增加火過(guò)程的控制和火焰信號的判斷更加直觀(guān)。200/h,配套增加了1套澄清槽。3)對燒嘴冷卻水夾套的改進(jìn)與優(yōu)化,增大了點(diǎn)火燒嘴經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化改造后氣化系統已實(shí)現四開(kāi)一備長(cháng)周期冷卻水夾套流通面積，冷卻水用量約9~ 15m’/h;點(diǎn)火燒嘴滿(mǎn)負荷運行目標，合成氣含塵量降到0. 5mg/m'以下。冷卻水流速由原來(lái)的4~ 5m/s提高至10m/s,材質(zhì)由厚壁管4結語(yǔ)改為薄壁管;增大了最外層冷卻水夾套流通面積,冷卻水量約25- 30m'/h,與原西門(mén)子燒嘴相比，冷卻水量減少GSP氣化技術(shù)在首次大規模工業(yè)化應用過(guò)程中出現諸14m’/h。改造后，燒嘴造價(jià)、運行可靠性、維護成本、節多問(wèn)題，幾年來(lái)，通過(guò)不斷摸索、分析、探討、總結、創(chuàng )能等方面都有很大改進(jìn)。新，進(jìn)行了110多項重大技術(shù)改造,從根本上解決了氣化3.3水冷壁燒損的 改進(jìn)措施爐原始開(kāi)車(chē)以來(lái)出現的點(diǎn)不著(zhù)火、投不了煤、掛不了渣、1)加強了對爐體保護、改進(jìn)了煤粉在氣化爐燃燒室內除不盡灰，提不了負荷及不能長(cháng)周期運行的瓶頸問(wèn)題，較的燃燒流體狀態(tài)。使用了國產(chǎn)燒嘴,氧氣旋風(fēng)角度較小，好地實(shí)現了氣化爐安、 穩、長(cháng)、滿(mǎn)、優(yōu)運行的目標。形成的火焰較西門(mén)子燒嘴火焰不僅長(cháng)而且細，避免了由于參考文獻:負荷波動(dòng)、燒嘴偏流對水冷壁地燒損;增加水冷壁循環(huán)水量，由原設計的167v/h提高至300/h;對氧氣旋風(fēng)罩角度[1] 徐振剛，官月華,蔣曉林. 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Introductory study on鎖斗持續下料;每次停車(chē)后對煤粉系統閥門(mén)進(jìn)行檢查檢修,Fuel- -Slumy Inegrated Cesifier/CGas Turbine ( FPSIC/CT) alter-更換有漏閥門(mén);筑爐時(shí)，必須保持水冷壁的干燥,嚴格按native for power generation applied to high-ash or low - grade照要求烘爐;定期對密度計進(jìn)行校驗和煤粉管線(xiàn)管壁測厚,coal [J]. FUEL, 2015, 143: 275-284.修改煤粉流量校正系數保證煤粉流量計量的準確性;出現6] 劉霞,田原字，喬英云.國內外氣流床煤氣化技術(shù)發(fā)展緊急情況需要降負荷時(shí)，必須緩慢降低不可過(guò)快，同時(shí)提概述[J].化工進(jìn)展, 2010(S2): 120-124.高蒸汽的加入量，以盡量維持火焰的形狀避免沖刷水冷壁。7] 韓啟元,許世森大規模煤氣化技術(shù)的開(kāi)發(fā)與進(jìn)展[J].通過(guò)以上措施，水冷壁掛渣效果良好,保護了水冷壁運行。熱力發(fā)電，2008(1): 4-8.8] 崔意華,袁善錄. CSP加壓氣流床氣化技術(shù)工藝分析[J].3.4合成氣除灰的改進(jìn)措施煤炭轉化，2008(1): 93-96.對于合成氣含塵量高的問(wèn)題，進(jìn)行了很多小的優(yōu)化和9]李大尚. GSP技術(shù)是煤制合成氣(或H2)工藝的最佳選擇技改，如對激冷室液位計、文丘里分離罐液位計實(shí)施防堵[].煤化工，2005, 33(3): 1-6.改造;對文丘里分離罐內件及出口管線(xiàn)進(jìn)行改造，減緩罐[10] 吳躍,李剛健，井云環(huán)，等. CSP氣化技術(shù)煤粉密相輸底堵渣、排水不暢的問(wèn)題;對激冷室粗合成氣出口擋板及送系統穩定性研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2012(12): 11-噴頭改造，盡量避免大顆?；以鼛宋那鹄锵礈煜到y。最主要的優(yōu)化措施是對原料氣分離罐進(jìn)行了改造，即去除原[11] 唐宏青. 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