王浩飛,朱向偉
(中海油大同煤制氣項目籌備組,山西 大同 037100)
碎煤加壓氣化工藝能效高,技術(shù)成熟可靠,被廣泛應(yīng)用于煤制天然氣、煤制油、煤制合成氨等產(chǎn)業(yè)。我國在20 世紀(jì)80 年代引進魯奇氣化技術(shù)時[1],采用的排渣方案并非現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的水力排渣方案,而是機械排渣方案,即氣化產(chǎn)生的灰渣從灰鎖排出后,經(jīng)灰斗、螺旋輸送機和皮帶機離開界區(qū),后由于螺旋輸送機故障率高、設(shè)備磨損嚴(yán)重等原因,改造為水力排渣。
水力排渣流程簡單,設(shè)備數(shù)量少,可靠性高,現(xiàn)有碎煤加壓氣化裝置都采用這種方案。采用水力排渣,是綜合考慮當(dāng)時技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)保等因素確定的,對碎煤加壓氣化裝置連續(xù)長周期運行發(fā)揮了重要作用。但在國家對環(huán)保要求和排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的時代背景下,水力排渣的劣勢凸顯:一是水資源耗費量大,并且產(chǎn)生的污水需要處理;二是熱渣蘊含的能量得不到回收,灰水循環(huán)沖渣耗費大量電力;三是灰渣遇水后所含的氧化鈣等活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),失去活性,綜合利用價值降低;四是環(huán)保壓力大,現(xiàn)場含灰蒸汽逸散,勞動衛(wèi)生環(huán)境差。
為了解決這些問題,研究和技術(shù)開發(fā)的重點又轉(zhuǎn)向干法排渣技術(shù)[2]。本文基于干法排渣技術(shù)在煤電行業(yè)的成熟應(yīng)用經(jīng)驗,針對碎煤加壓氣化爐的排渣工藝和灰渣特點,初步提出碎煤加壓氣化裝置干法排渣系統(tǒng)工藝流程,為碎煤加壓氣化爐干法排渣方案設(shè)計提供參考。
干法排渣技術(shù)在煤電行業(yè)已廣泛應(yīng)用,在節(jié)水、節(jié)能和拓寬灰渣用途等方面產(chǎn)生了積極作用。干法排渣系統(tǒng)[3]一般由灰渣冷卻系統(tǒng)、二級輸送系統(tǒng)、貯渣系統(tǒng)、卸渣系統(tǒng)以及電氣儀表控制系統(tǒng)等組成,其中灰渣冷卻系統(tǒng)包括密封裝置、過渡渣倉、大渣預(yù)破碎裝置、干式排渣機以及中間渣倉等,其核心設(shè)備是干式排渣機,起到將高溫灰渣冷卻的作用,以便于輸送和綜合利用。
干式排渣機主要有兩種類型,一種是鋼帶式干式排渣機,另一種是履帶式干式排渣機,兩者主要區(qū)別在于結(jié)構(gòu)形式和傳動方式。鋼帶式干式排渣機輸送帶由耐熱不銹鋼帶網(wǎng)和承載鱗板組成,滾筒摩擦傳動,傳送距離和提升傾角受限;履帶式干式排渣機輸送帶采用耐熱履板,耐磨鏈條傳動,可實現(xiàn)長距離、大傾角輸送。
煤電行業(yè)已經(jīng)積累了豐富的干法排渣系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備制造、安裝調(diào)試和運行維護經(jīng)驗,但由于碎煤加壓氣化爐與鍋爐在排渣形式、灰渣特性等方面差異較大,所以不能簡單照搬這些經(jīng)驗,必須充分考慮碎煤加壓氣化爐排渣的特點,才能提出更加適宜的碎煤加壓氣化爐干法排渣技術(shù)方案。
碎煤加壓氣化爐操作壓力3.0 MPa~4.0 MPa,灰渣排放需要通過灰鎖來實現(xiàn)。氣化產(chǎn)生的灰渣位于氣化爐下部,首先經(jīng)爐篦排至灰鎖,當(dāng)灰鎖內(nèi)灰渣達到一定量時,灰鎖與氣化爐隔離,通過灰鎖膨脹冷凝器減壓到常壓,然后打開灰鎖下閥,灰渣通過豎灰管或溜槽落入渣溝。渣溝設(shè)置一定的坡度并設(shè)有激流噴嘴,激流噴嘴噴出的沖渣水將渣溝內(nèi)的渣沖入沉渣池。根據(jù)煤中灰分差異,排渣周期一般為每小時1~2 次。
碎煤加壓氣化爐的操作溫度可達1 300 ℃以上,氣化產(chǎn)生的高溫灰渣與由氧氣和蒸汽組成的氣化劑逆流接觸換熱,氣化劑溫度升高,灰渣溫度降低,離開氣化爐的灰渣一般比氣化劑溫度高30 ℃~50 ℃,即在溫度為350 ℃~400 ℃條件下排至灰鎖。正常情況下,這種灰渣是具有一定粒度分布的顆粒狀干燥固體物料,但在操作異常時,其特性也將發(fā)生變化。當(dāng)操作溫度較低時,灰渣中細顆粒占比增大;當(dāng)操作溫度較高時,有可能造成灰渣部分燒結(jié),經(jīng)爐篦破碎后,灰渣中大顆粒占比增大[1]。
碎煤加壓氣化裝置干法排渣系統(tǒng)流程見圖1(碎渣機可根據(jù)灰渣情況和去向來設(shè)置),整個系統(tǒng)可以分為熱渣輸送與冷卻系統(tǒng)、冷渣輸送與貯存系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、卸渣系統(tǒng)以及電器儀表控制系統(tǒng)等。
圖1 干法排渣系統(tǒng)流程示意圖
實現(xiàn)碎煤加壓氣化爐干法排渣的關(guān)鍵在于高溫灰渣的輸送和冷卻。一方面離開灰鎖的灰渣是高溫顆粒狀固體,具有一定的磨蝕性;另一方面由于灰鎖采用蒸汽充壓,在降壓過程中蒸汽易凝結(jié),造成灰渣黏附性增強,附著在設(shè)備壁面或堵塞管道。因此,這種灰渣具有高溫、磨蝕、易堵的特點,是干法排渣技術(shù)方案設(shè)計必須考慮的問題。
碎煤加壓氣化爐灰渣的輸送可以根據(jù)輸送距離、傾角等選用鋼帶式干式排渣機或履帶式干式排渣機,這方面有很多成功經(jīng)驗[4]可供參考,在此不再贅述。
離開灰鎖的灰渣應(yīng)盡快冷卻,以減少后續(xù)處理過程的難度。灰渣冷卻方案要和能量回收利用方案綜合設(shè)計。在火電行業(yè),灰渣冷卻和能量回收一般采用空氣或水作為介質(zhì),采用水冷時,因灰渣溫度過高,為避免結(jié)垢,通常用脫鹽水或凝結(jié)水??諝饣蛩栈以臒崃亢?,溫度升高,進入鍋爐燃燒系統(tǒng)或鍋爐水系統(tǒng),達到能量回用。碎煤加壓氣化爐灰渣與鍋爐灰渣相比,溫度低約400 ℃,顯熱大大減少;所含的殘?zhí)拷佑|空氣后,由于溫度和活性不高,發(fā)生燃燒或氧化反應(yīng)的可能性較小,這部分能量也不能回收。因此,碎煤加壓氣化爐灰渣可以回收的能量較小,干法排渣技術(shù)方案設(shè)計的重點是灰渣冷卻,是否考慮能量回收,要進行技術(shù)經(jīng)濟比選。灰渣冷卻可以考慮采用以空氣為冷卻介質(zhì)的干式排渣機方案,以減少系統(tǒng)的復(fù)雜性。
各類灰渣處理工藝都存在不同程度的磨損問題,主要通過選擇耐磨性能好的材料和優(yōu)化設(shè)計來解決該問題?;益i一般每小時排灰1~2 次,單次排出的灰體積在 4 m3~6 m3,用時 2 min~5 min。短時間內(nèi)大量的灰渣排出,需要采取措施減輕對灰渣輸送和冷卻系統(tǒng)的沖擊,可考慮設(shè)置過渡渣斗,或者采用現(xiàn)有設(shè)計中的溜槽或豎灰箱等設(shè)備接收灰鎖排出的灰渣后,再利用摩擦力或下灰空間限制等條件,將灰渣連續(xù)緩慢地轉(zhuǎn)移到灰渣輸送和冷卻設(shè)備。
現(xiàn)有碎煤加壓氣化技術(shù)中,灰鎖的充壓都采用中壓過熱蒸汽,卸壓時利用膨脹冷凝器接收灰鎖中的蒸汽。該設(shè)計方案流程簡單,不僅使卸壓蒸汽中夾帶的灰渣被膨脹冷凝器中的水洗滌,也很好地解決了卸壓閥門、管道受帶灰蒸汽沖刷磨損壽命短的問題。但是,這種充壓卸壓方案需要耗費大量的中壓過熱蒸汽和水資源,不利于節(jié)能減排,蒸汽的引入也是造成灰渣流動性降低、易黏附的重要原因。為解決這個問題,可以考慮采用CO2或N2等氣體作為充壓介質(zhì),設(shè)置過濾器或袋式除塵器去除卸壓氣體中含有的灰渣顆粒。
作為干式灰渣處理系統(tǒng),必須做好各個設(shè)備以及設(shè)備之間的密封。通過密封裝置,使灰鎖、過渡渣斗、干式排渣機以及后續(xù)冷渣輸送、貯存系統(tǒng)形成一個密封體系,避免因無組織排放而產(chǎn)生污染,阻隔外界不受控的空氣進入系統(tǒng),隔絕設(shè)備的振動,使整個系統(tǒng)能夠自由適應(yīng)熱膨脹。
考慮到灰鎖排渣是壓力交變系統(tǒng),灰鎖與過渡渣斗之間不宜采用水封,推薦采用機械密封,如選用非金屬膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)[5]。機械密封與水封式密封相比,無水量消耗,但其非金屬蒙皮和填充料易損壞,壽命在5 a 左右,且初投資較高。過渡渣斗與干式排渣機之間以及干式排渣機與后續(xù)冷渣輸送、貯存之間的密封主要用于隔絕設(shè)備的振動,一般均采用非金屬柔性密封。
降溫后的灰渣即可采用常規(guī)設(shè)備進行輸送和轉(zhuǎn)移,可供選擇的方案和設(shè)備較多,如斗式提升機、皮帶輸送機以及氣力輸送機等。碎煤加壓氣化爐爐篦具有一定的破渣作用,因此不需要設(shè)置大渣破碎裝置,是否設(shè)置二級破碎裝置,要根據(jù)輸送方案、灰渣用途等綜合考慮。
為便于外運,一般需要設(shè)置渣倉,用作灰渣暫存設(shè)施,然后采用干灰卸料器,將灰渣裝入罐車外運,可作為建材原料,用于制磚或生產(chǎn)水泥;如填埋處理,可采用濕式攪拌器,將灰渣轉(zhuǎn)移至汽車或皮帶外運到渣場。
采用干法排渣技術(shù)改造碎煤加壓氣化排渣方案,可以顯著提升排渣系統(tǒng)的節(jié)能節(jié)水環(huán)保特性。碎煤加壓氣化爐干法排渣技術(shù)方案設(shè)計的關(guān)鍵在高溫灰渣的輸送和冷卻,推薦采用以空氣為冷卻介質(zhì)的干式排渣機方案,可考慮設(shè)置緩沖渣斗、采用CO2或N2等氣體替代蒸汽為灰鎖充壓等方法,減輕灰渣對設(shè)備的磨損,降低能耗,提升排渣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。