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(yīng)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(zé)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，重點對GSP氣化技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)的粉煤輸送不穩(wěn)定、點火燒嘴脫火燒穿、水冷壁燒損、合成氣帶灰嚴(yán)重等問題進行了分析，總結(jié)闡述了神華寧煤針對上述GSP氣化技術(shù)問題開展的探索與改進措施。關(guān)鍵詞:煤氣化; GSP 氣化爐;工業(yè)應(yīng)用;給料系統(tǒng);燒嘴;水冷壁;合成氣帶灰中圖分類號: TQ546文獻標(biāo)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(yīng)用中出現(xiàn)的問題進行分析總結(jié)并提出改進措施。的重要環(huán)節(jié)，碳一化學(xué)的基礎(chǔ)(2。目前，現(xiàn)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 工藝簡介天爐、清華爐、GSP 爐等。實踐證明，CSP 氣化爐經(jīng)過神氣流床氣化以進料形態(tài)可分為干煤粉氣化和水煤漿氣華寧煤近5年的運行實踐與非常艱苦地探索改進，目前已化5.41。神華寧煤52萬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-。屬干煤粉進料氣流床氣化技術(shù)。神華寧煤50萬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1備,設(shè)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Nm'/h,有效氣(CO+H)13萬Nm'/h。該項目于示。煤倉為氣化生產(chǎn)線的連續(xù)供給煤粉提供倉儲,煤倉過2008年開工建設(shè)，2010 年9月30日竣工，2010 年底5臺濾器將進人煤倉的N2和CO2外排大氣前進行清潔過濾，清氣化爐全部投料試車，目前氣化爐滿負(fù)荷運行，A類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(nèi)氣化爐運行領(lǐng)先水平。倉規(guī)律性的輸送至進料倉;氣化爐將氧氣、煤粉和水蒸氣CSP氣化爐在世界上首次大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，在實踐轉(zhuǎn)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(xiàn)過很多問題，如加料系統(tǒng)不穩(wěn)定、燒嘴不易點火、卻且洗滌熔渣;渣鎖斗從激冷的壓力系統(tǒng)中將爐渣排出到特殊件磨損、水冷壁超溫等，本文著重對GSP氣化爐的工大氣壓力環(huán)境中，并在后系統(tǒng)中洗滌氣化產(chǎn)生的粒狀爐渣,收稿日期: 2015-08-02作者簡介: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(yīng)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?zhǔn)捷斔蜋C排出系統(tǒng);粗煤氣洗滌系統(tǒng)由2個串聯(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(tǒng)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(tǒng)1-鎖斗:2-進料倉:3 -過德器: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(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，其特點如下[7-B):①合成氣中有效組成高，(H2+難準(zhǔn)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(dǎo)致流量偏差較大，造成大的波動。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(tǒng)所需蒸汽，工藝消耗低;③Ap。=入。(2)碳轉(zhuǎn)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(yīng)性廣,啟動時間短，操作維護4p.=μ.A, 2D(3)便捷。λ.a = 0. 315Fr-.21(4)2工業(yè)應(yīng)用中存在的主要問題. = 0.73Fr*.9(5)2.1給料系統(tǒng)不穩(wěn)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(tǒng)出現(xiàn)較多的問題有料生的總壓降，Pa; L為輸送管長，m;入。為氣體摩擦系數(shù);位指示失真、鎖斗下料不暢、煤粉錟斗閥門磨損、給料容u。 為氣體表觀氣速，m/s; D為管徑, m; A..分別器攪拌器容易損壞、煤粉減壓系統(tǒng)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(shù); Fr 為弗勞德數(shù); μ,問題是煤粉輸送不穩(wěn)定。這會導(dǎo)致煤粉密度、速度、流量為固氣質(zhì)量體積比，kg/m'。偏差波動大，主燒嘴易跳車，氣化爐負(fù)荷低，掛渣效果差,2.2 點火燒嘴脫火、燒穿難以實現(xiàn)“以渣抗渣”,水冷壁局部燒穿等問題[8]。GSP煤粉燒嘴是點火燒嘴和主燒嘴一體化的組合結(jié)構(gòu)GSP原設(shè)計煤粉流量是利用給料容器與氣化爐之間的形式，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。2011年CSP氣化裝置運行以壓差(壓降)進行控制，實際運行過程中煤粉流量波動較大，來，煤粉組合燒嘴在應(yīng)用過程中出現(xiàn)了以下問題:火焰檢嚴(yán)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(tǒng)故障不斷，點火燒嘴點火不穩(wěn)定，多次出現(xiàn)無法點進料是由四個鎖斗循環(huán)不間斷動作完成，鎖斗下料時導(dǎo)致著的現(xiàn)象，點火成功率不到50%;點火槍尖及點火燒嘴端給料容器壓力波動大，控制系統(tǒng)不能及時調(diào)整壓力;二是面頻繁燒壞，主燒嘴內(nèi)夾套出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重影響了燒嘴使煤粉鎖斗閥、輸送氣體控制閥、流化氣體控制閥長時間使用壽命。點火燒嘴燒穿的原因，歸結(jié)起來主要有:用,磨損內(nèi)漏，導(dǎo)致給料容器壓力波動;三是氣化爐氣化1) GSP 氣化爐當(dāng)時設(shè)計的點火燒嘴采用的點火燃料為反應(yīng)是動態(tài)過程，很難控制氣化爐壓力為設(shè)計壓力?；旌弦夯蜌?氮氣占70%，液化石油氣占30%，設(shè)計溫根據(jù)對寧東靈武礦煤粉密相輸送管道壓降研究結(jié)果，度為100C左右),實際運行溫度在75C左右,并且液化石在穩(wěn)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(shù); C,為角動量的軸向通量, kg.m2/干煤粉s; C,為軸動量的軸向通量, 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(yán)重實際生產(chǎn)運行過程中,氣化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的細(xì)灰含圖2 GSP 氣化爐燒嘴通道結(jié)構(gòu)示意圉量大,且激冷室激冷水洗滌設(shè)計不合理、文丘里洗滌系統(tǒng)負(fù)荷太大,無法滿足生產(chǎn)要求。根據(jù)工藝設(shè)計，合成氣含現(xiàn)象，導(dǎo)致點火不成功。2)點火器設(shè)計方面，點火器點火能量較低、點火要求塵量小于lmg/m',實際合成氣塵含量10mg/m'左右。合成過高，設(shè)計電弧點火能量為2~3J,而且必須保證點火槍通氣含塵量帶灰嚴(yán)重，導(dǎo)致變換系統(tǒng)粗合成氣加熱器、變換道內(nèi)干燥，防止短路。而在實際操作過程中很難滿足上述保護床堵塞,致使氣化系統(tǒng)頻繁停車,嚴(yán)重影響了裝置長要求，在電極附近易出現(xiàn)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，點火電極附近的燃料氣和氧氣不3存在問題的改進措施易混合充分,該處電火花能量不足以點燃?xì)怏w燃料;同時3.1給料系統(tǒng)改進措施電極拉弧所需要的距離較難控制，安裝過程可能出現(xiàn)距離氣化爐投煤流量波動問題處理措施如下:過大，或者電極接線處短路現(xiàn)象,會導(dǎo)致電流從別的地方1)對煤粉管線增加固定支撐,這樣解決了給料容器運放電，在電極處沒有火花產(chǎn)生致使點火不成功。行過程中煤粉進口管線大幅度位移的問題，避免了管線貼3)原設(shè)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(nèi)壁上，導(dǎo)致未流化均勻的煤粉進入氣化爐，過高，形成熱裂紋，導(dǎo)致夾套燒損，冷卻水泄漏;點火氧致使煤粉密度、速度、流量偏差波動的狀況出現(xiàn)。噴射器結(jié)構(gòu)不合理且密封性較差，氧氣由點火氧噴射器外2)對煤粉進料管線進行改造，在3根煤粉進料管線上側(cè)進入氣化爐，夾套端部局部區(qū)域處于富氧狀態(tài),導(dǎo)致夾分別加裝流量控制角閥,通過簡單控制回路控制流量，將套燒損，出夾套燒裂現(xiàn)象。壓差控制改為流量控制，徹底解決了煤粉輸送不穩(wěn)定問題。2.3水冷壁燒損3)將煤粉管線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,高于煤粉露點溫度,從而改善煤粉輸送狀態(tài)，使由于操作不慎或自身結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造缺陷等原因，會使氣煤粉輸送更加穩(wěn)定?；癄t發(fā)生水冷壁水壓連續(xù)下降，冷卻水補水量增加，使得經(jīng)過此改造，有效地解決了氣化爐煤粉進料的波動問水冷璧掛渣層及隔熱搗打料脫落，部分水冷壁管線有過熱題，投煤難、主燒嘴頻繁跳車的問題均得到有效解決。改性穿孔和裂紋。造前后煤粉輸送特性對比如圖3所示。造成水冷壁管線有過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入燃燒室的流體(煤粉、氧氣、蒸汽等)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的徑向和軸向流量偏差，導(dǎo)致煤粉偏流，沖刷水冷壁,致使水冷壁損壞。stn^以化研究結(jié)果表明，根據(jù)燃燒動力學(xué)推導(dǎo)出的GSP氣化爐43。燒嘴出口進人燃燒室的流體(煤粉、氧氣、蒸汽等)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)時間/h生的徑向和軸向流量偏差與旋流數(shù)有關(guān)，流體進入燃燒室圖3改造前后煤粉輸送特性對比旋轉(zhuǎn)射流過程中，角動量的軸向通量和軸動量的軸向通量3.2 燒嘴改進措施守恒，即可得出式(6)-(8)。根據(jù)式(6)-(8),可知進入針對點火燒嘴脫火、燒穿、火焰檢測系統(tǒng)故障等問題，氣化爐流體流量、動量及旋轉(zhuǎn)噴射角度、氣化爐燃燒室截神華寧煤聯(lián)合國內(nèi)研發(fā)機構(gòu)重新優(yōu)化設(shè)計點火燒嘴、火焰面積等都將影響旋流數(shù)，進而使GSP氣化爐給料的流體在檢測設(shè)備及主燒嘴，成功開發(fā)出處理干煤粉量2200/d大規(guī)燃燒室形成偏噴，導(dǎo)致水冷壁局部沖刷燒損狀況出現(xiàn)。模組合燒嘴，新型燒嘴的主要特點有:s= C(6)1)采用高能量點火方式，克服了低溫、積水、積灰結(jié)2016年第1期煤炭工程生產(chǎn)技術(shù)焦等不良運行環(huán)境，將高能點火器的優(yōu)勢使用到現(xiàn)有點火塔盤并將塔加高,將原料氣分離罐改為“洗滌塔”，強化精燒嘴中。洗過程;對現(xiàn)有旁路閃蒸系統(tǒng)進行改造，黑水進旁路閃蒸2)火焰檢測系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計,在氣化爐燒嘴尾部系統(tǒng)前增加兩級換熱器，一級換熱為黑水水與灰水間接換安裝“一體化在線火焰檢測系統(tǒng)"，既能提供火焰監(jiān)測信熱，熱量回收,二級換熱器為循環(huán)冷卻水對黑水進-步降號，又能顯示火焰圖像視頻和火焰溫度，使得操作中對點溫，最后在旁閃罐進行閃蒸。由于增加鼓泡塔后水量增加火過程的控制和火焰信號的判斷更加直觀。200/h,配套增加了1套澄清槽。3)對燒嘴冷卻水夾套的改進與優(yōu)化,增大了點火燒嘴經(jīng)過上述優(yōu)化改造后氣化系統(tǒng)已實現(xiàn)四開一備長周期冷卻水夾套流通面積，冷卻水用量約9~ 15m’/h;點火燒嘴滿負(fù)荷運行目標(biāo)，合成氣含塵量降到0. 5mg/m'以下。冷卻水流速由原來的4~ 5m/s提高至10m/s,材質(zhì)由厚壁管4結(jié)語改為薄壁管;增大了最外層冷卻水夾套流通面積,冷卻水量約25- 30m'/h,與原西門子燒嘴相比，冷卻水量減少GSP氣化技術(shù)在首次大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用過程中出現(xiàn)諸14m’/h。改造后，燒嘴造價、運行可靠性、維護成本、節(jié)多問題，幾年來，通過不斷摸索、分析、探討、總結(jié)、創(chuàng)能等方面都有很大改進。新，進行了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 改進措施爐原始開車以來出現(xiàn)的點不著火、投不了煤、掛不了渣、1)加強了對爐體保護、改進了煤粉在氣化爐燃燒室內(nèi)除不盡灰，提不了負(fù)荷及不能長周期運行的瓶頸問題，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，好地實現(xiàn)了氣化爐安、 穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行的目標(biāo)。形成的火焰較西門子燒嘴火焰不僅長而且細(xì)，避免了由于參考文獻:負(fù)荷波動、燒嘴偏流對水冷壁地?zé)龘p;增加水冷壁循環(huán)水量，由原設(shè)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. CSP加壓氣流床氣化技術(shù)及其及煤粉噴入角度進行修改優(yōu)化，臧小氧氣和煤粉的螺旋混在中國的應(yīng)用前最[J]. 潔凈煤技術(shù)，1998(3); 9-11.合強度,減緩對水冷壁上部的沖刷;控制主燒嘴氧煤比，2] CSPM煤氣化技術(shù)的應(yīng)用[J]. 化肥工業(yè)，2006(3): 5-9.避免主燒嘴氧煤比波動。[3]Aziz M. Interated supereritical water gasification and a com-2)煤質(zhì)穩(wěn)定性控制。選擇灰熔點小于13009C且灰渣粘bined eycle for microalgal uization [J]. ENERGY CONVER-SION AND MANAGEMENT, 2015, 91: 140-148.溫特性合適的原料煤，投煤前對煤樣進行分析，確定水分、4] LiG, LiS, Huang Q, et al. Fine pariculate formation and灰分、灰熔點;盡量保證原料煤供煤的穩(wěn)定，制備較低水a(chǎn)sh deposition during pulverized coal combustion of high-sodium分、粒度合適、分布均勻的煤粉。lignite in a down- fired fumnace [J]. FUEL, 2015( 143):3)臧少煤粉負(fù)荷波動。實踐中探索出掛渣時控制投煤430-437.負(fù)荷并保持穩(wěn)定;減少煤粉鎖斗的操作頻率，盡可能保持5] de Souza-Santos M L, de Lima E H s. Introductory study on鎖斗持續(xù)下料;每次停車后對煤粉系統(tǒng)閥門進行檢查檢修,Fuel- -Slumy Inegrated Cesifier/CGas Turbine ( FPSIC/CT) alter-更換有漏閥門;筑爐時，必須保持水冷壁的干燥,嚴(yán)格按native for power generation applied to high-ash or low - grade照要求烘爐;定期對密度計進行校驗和煤粉管線管壁測厚,coal [J]. 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