粉煤气化设备布置及管道设计浅谈

赖德海

摘要：介绍了粉煤气化相关设备布置和管道设计，包括粉煤给料及气化框架设备布置、重要管线的设计。

关键词：粉煤气化；粉煤气化设备布置；管线配管

随着社会经济的发展，对能源的需求日益增加。我国煤炭资源相对丰富，通过发展煤化工，可替代石油化工产品的生产，在一定程度上缓解了石油资源日益减少的局面。煤气化在煤化工中占有重要地位，其生成的合成气是合成液体燃料、化工原料等多种产品的原料，气化单元运行的好坏直接影响到下游单元。煤气化技术分为粉煤气化与水煤浆气化，既有相同之处，又有所区别，本文主要针对粉煤气化进行介绍。

一、粉煤气化工艺简介

粉煤在气体压力下被送到气化炉烧嘴，进入气化炉的反应室。粉煤的气化过程是粉煤在高温下的多相热化学反应过程，反应过程非常复杂，可能进行的化学反应主要有以下几种：

（1）粉煤的干燥、裂解及挥发物的燃烧气化

CmHn+（m+n）O2=mCO2+（n/2）H2O

CmHn+（m/2）O2=mCO+（n/2）H2

2CO+O2=2CO2

2H2+O2=2H20

CH4+2O2=2H20+CO2

（2）固体颗粒与气化剂（氧气、水蒸气）间的反应。

（3）生成的气体与固体颗粒间的反应。

（4）反应生成的气体彼此间的反应。

碳燃烧是一个放热反应，它为气化炉中的吸热反应提供了热源。生成的粗合成气经过初步洗涤被送到变换单元。

二、粉煤给料及气化框架设备布置

粉煤及给料气化框架的特点是层数多、框架高，采用框架布置方式，通常框架下部为混凝土结构，上部为钢结构，视建设现场气候条件框架采用敞开式或进行部分围护。为满足安全及日常巡检要求，设置相应的楼梯通道及电梯。

（1）粉煤给料设备为垂直串行布置，自上而下依次为粉煤贮罐过滤器、粉煤贮罐、粉煤锁斗、粉煤给料罐。在进行设备布置时，从最下部的粉煤给料罐开始，粉煤给料罐有上出料和下出料两种方式，对于下出料的情况粉煤给料管线从粉煤给料罐的出料口先向下再折向上去气化炉烧嘴，要充分考虑粉煤给料管线的布置，粉煤给料管线的的弯曲半径一般不小于30D（D为粉煤给料管线公称直径）。在布置粉煤锁斗、粉煤贮罐的时候，要着重考虑重力流管线布置要求，重力流管线与水平面之间的夹角不小于70°，在两个锁斗对应一个给料罐配置的情况下，更要充分考虑重力流管线的布置，同时要考虑管线上的阀门及其他管件的空间要求。粉煤给料设备所处框架高度一般近100米左右，在綜合考虑各种因素的前提下，降低设备的布置高度，降低框架高度，节省建造成本，加快建设进度。降低框架高度可以采取优化设备参数的方法，在满足工艺要求及设备设计的前提下，改变长径比，尽量缩短设备的高度。

（2）气化设备布置主要是气化炉、渣锁斗以及捞渣机等的布置，从上至下依次为气化炉、渣锁斗、捞渣机。核心设备气化炉布置在混凝土框架最顶层，气化炉支撑标高的确定，除了考虑为下面的渣锁斗和捞渣机预留足够安装空间外，还要结合闪蒸框架的布置，满足工艺上气化炉黑水出口与高压闪蒸罐之间的高差要求。气化炉顶部设置吊装系统，用于烧嘴及气化炉的维修。在布置破渣机拖车轨道时，鉴于拖车的升降范围有限，在确定轨道所在框架层标高时尽量准确。渣锁斗支耳下方设有座簧，高度1米左右。上封头上设有吊簧，生根在渣锁斗顶部框架平台下方，起稳定锁斗的作用，同时考虑渣锁斗进出口锁渣阀的布置，这些因素均影响渣锁斗的布置。捞渣机渣池部分有地上和地下两种设计形式，目前一般采用地上形式。捞渣机渣池顶与其顶部框架平台下方要留够维修空间。

三、粉煤气化主要管道设计

在粉煤给料及气化单元的配管中，存在气固管线、液固管线、重力流管线、烧嘴管线以及附气化炉管线等诸多工况及场合，在进行这部分管线的配管时，针对每类管线的特点进行配管，使其满足工艺要求及安全的需要。

（一）粉煤给料管线设计

粉煤给料管线是利用气体压力将煤粉从粉煤给料罐输送到气化炉烧嘴，在进行这部分管线配管时，为了保证输送平稳、减少对管道内壁的磨蚀，在拐弯处需要采用大半径弯管（一般要求不小于30D），同一粉煤给料罐上的几路粉煤给料管线尽量做到对称、走向相近，靠近烧嘴部分，考虑烧嘴维修需要拆卸，设置可拆卸管段。

（二）黑水管线设计

气化炉下部的黑水管线，属于液固管线。由于存在大量的灰渣，在流动过程中会对管道内壁产生磨蚀，另外，在分支处容易发生堵塞。在进行这部分管线配管时，尽量使管线简洁、少拐弯，在拐弯处采用大半径弯头（一般要求5D），分支上的阀门靠近主管根部布置，放净管管径不宜过小（一般最小DN25）。为了解决堵塞问题，可以将弯头结构改为三通加盲板，在管段上隔一定距离加装冲洗水接头。

（三）渣锁斗冲洗水管线设计

渣锁斗冲洗水管线连接渣锁斗与渣锁斗冲洗水缓冲罐，属于重力流管线，在配这跟管线时尽量少用弯头（最多应用1～2个），由于在冲洗时产生较大的振动，做管架时考虑必要的防振及加固措施。

（四）连接气化炉体管线设计

气化炉内的反应温度一般在1300℃以上，在投产之前要进行烘炉，随着烘炉温度的升高，气化炉体不断热膨胀，支耳以上部分管口向上位移，与之相连管线也发生相应位移，比如烧嘴管线、水冷壁管线以及烧嘴冷却水管线等，在配这部分管线时，要充分考虑炉体热膨胀的影响，采取合理措施比如自然补偿、设置弹簧支架等来克服位移的影响。

四、结论

在粉煤给料及气化设备布置与配管设计过程中，要针对工艺系统特点，综合考虑各种因素，在保证安全、满足工艺要求的前提下，做到系统经济、高效。

参考文献：

[1]张德姜，王怀义，刘绍叶.工艺管道安装设计手册[S].中国石化出版社，1997.

[2]张德姜，修长征.全国压力管道设计审批人员考核培训教材[S].中国石化出版社，2005.

[3]《石油化工工艺装置布置设计通则》（SH 30112011）.

[4]《石油化工金属管道布置设计规范》（SH 30122011）.