浅谈多喷嘴对置式水煤浆气化技术在工程应用中的优化及改造

摘 要：多喷嘴对置式水煤气气化技术工业应用十余年来，工艺流程及关键设备结构不断升级和完善。主要介绍了气化炉拱顶及耐火砖结构的优化和水洗塔、蒸发热水塔内件结构的改造和完善，装置的可操作性和运行周期不断提高。

关键词：多喷嘴对置式气化炉；耐火砖；水洗塔；蒸发热水塔

多喷嘴对置式水煤浆气化技术是兖矿集团和华东理工大学共同开发的，多喷嘴对置式水煤浆气化技术经历了技术理论、实验室试验、工业中试、工业示范、工业放大等技术开发过程，掌握了该技术的工程放大规律，研究與放大方法是科学、正确、严谨，奠定了向更大规模跨越的理论与工程化基础

从2005年第一套千吨级工业示范装置投产以来，结合十余年工业化经验多喷嘴气化技术工艺流程及关键设备结构不断升级和完善，使得工艺流程更趋合理，关键设备运行周期更长，工况更稳定。

1 耐火砖结构优化

气化炉燃烧室为一进行气化与燃烧反应的气流床反应器，气化炉金属壳体设计温度约425℃，为防止高温火焰使金属壳体受热变形，多喷嘴对置式水煤浆气化炉燃烧室采用耐火砖结构，耐火砖分为三层，从里到外依次为向火面砖（Cr-Al-Zr砖）、背衬砖（Cr-Al砖）、隔热砖（纯Al2O3）。炉体耐火砖从上到下依次为拱顶、筒体、锥底三部分，为了便于局部更换，在烧嘴上部下部分别设置托砖架。

1.1 存在问题

气化炉燃烧室砌筑耐火砖后，燃烧室内径相较于气化炉壳体内径缩减约1000mm，这就造成气化炉燃烧室内有效反应容积减小，从而制约装置提产的要求。

1.2 处理措施

对气化炉隔热衬里进行减薄优化，主要对背衬砖厚度进行了削减，同时增加隔热砖厚度。在相同钢壳体内径下，减薄优化后的气化炉炉膛有效容积显著增大，有利于在不增加设备投资的情况下提高气化炉处理能力。

通过理论计算，相对于减薄优化后的耐火衬里结构，减薄优化前由于背衬砖厚度引起的热阻增加，耐火砖层、托砖架和炉壳内的整体温度分布相比减薄优化后均有不同程度的降低：托砖架和筋板的最高温度比减薄优化后低约60℃，最低最高温度比减薄优化后低约30℃；炉壳和鳍片中的最高温度比减薄优化后低约30℃，最低最高温度比减薄优化后低约20℃。因此，减薄优化后的耐火衬里结构虽然会增加炉壳和托砖架超温的风险，但由于温度升高并不明显，这一风险应当在可控范围内。

2 蒸发热水塔结构升级

多喷嘴气化工艺中渣水处理系统的关键设备是蒸发热水塔，气化炉及煤气化初步净化系统来的渣水分别减压后导入蒸发热水塔蒸发室，渣水大量汽化，溶解在水中的酸性气体解吸。蒸发室产生的蒸汽进入热水室与循环灰水直接接触换热，使灰水得到最大程度的升温。

2.1 存在问题

在早期设计中，蒸发热水塔热水室采用填料结构形式，由于填料塔的特殊结构形式，个别厂家曾出现过填料段积灰和带水现象，致使热回收效率降低，同时存在停车检修时填料清理困难回装等问题。

2.2 处理措施

在后期设计的装置，对蒸发热水塔结构形式进行了优化调整，通过对气、液、固三相介质的混合传递过程行为的深入研究，设计出传质强化、抗堵渣能力强的塔盘结构形式，采用新一代的塔盘式闪蒸-换热一体化技术，该塔盘形式具有自清洁功能，大大提高工业运行稳定性和可靠性。该技术基于蒸发与冷凝分离原理，将旋流流动、闪蒸相变与直接换热三个过程耦合在一个塔器内，含渣黑水处理系统流程简单，投资省，易放大，操作弹性宽，且能更高效地完成了含渣黑水的热量回收、灰水的利用和除渣这三个工艺任务，系统的热量得以进一步的综合利用。将塔盘式闪蒸-换热一体化的蒸发热水塔应用于水煤浆气化过程后，借助旋流闪蒸，粗合成气初步洗涤后的黑水中液态水闪蒸为蒸汽，黑水中所溶解的酸性气、不凝性气体也一并得以闪蒸脱除，进一步提高灰水水质。

3 水洗塔塔盘形式改造

3.1 存在问题

气流床煤气化生成的粗合成气中细灰含量较高，若不能有效分离将对合成气净化系统带来较大影响。在早期设计的项目中，合成气洗涤核心设备水洗塔采用全泡罩塔盘式结构，部分装置在运行到后期曾出现下部与灰水接触的塔盘结垢，造成水洗塔带水，影响了合成气洗涤效果，造成系统波动。

3.2 处理措施

目前对水洗塔结构进行了设计优化，其中，在水洗塔中部设置2～4层筛孔塔盘，利用渣水处理系统返回的灰水对合成气进行洗涤。在洗塔上部设置2～4层泡罩塔盘，运用下游变换单元返回的清洁冷凝液对合成气进行最终洗涤。通过对水洗塔的结构改造并结合合成气分级净化除灰工艺，实现了多喷嘴对置式水煤浆气化装置出气化界区合成气中含尘量低于1mg/Nm3的技术目标，为气化装置稳定运行创造了良好条件，保证了合成气的净化质量，并降低了能量消耗。多喷嘴对置式水煤浆气化技术2005年第一套工业示范装置投产至今，理论结合装置运行经验对多套装置进行优化升级，对水洗塔塔盘结构改造既保证了合成气的洗涤效果，同时避免水洗塔带水的问题；蒸发热水塔换热室填料塔升级为塔盘结构更好的保证闪蒸汽与低温灰水的热接触，保证设备运行周期内满负荷稳定运行，对于有提產要求的用户可采用优化气化炉耐火砖的解决方案。

参考文献：

[1]蔡可庆.蒸发热水塔结垢原因分析及解决措施[J].化肥工业，2015，42（1）：53-55.

作者简介：

赵矿生（1983- ），男，山东滕州人，本科学历，助理工程师，研究方向：化工工艺。