馬 釗

（寧夏神耀科技有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750200）

引言

“神寧爐”干煤粉加壓氣化技術(shù)采用干煤粉為原料，在高溫高壓下，粉煤和氧氣以及次高壓蒸汽通過(guò)氣化爐頂部的主燒嘴進(jìn)入燃燒室完成煤的氣化反應(yīng)，通過(guò)控制氧氣流量與煤粉流量的比值來(lái)調(diào)節(jié)氣化爐的操作溫度，進(jìn)入氣化爐的氧氣流量遠(yuǎn)低于使煤粉完全燃燒的氧氣流量，使氣化爐內(nèi)發(fā)生部分氧化反應(yīng)，生成以CO 和H2為主的粗合成氣[1-2]。高溫粗合成氣和液態(tài)渣經(jīng)下降管進(jìn)入激冷室水浴，液態(tài)熔渣被激冷水淬冷變成固體，高溫合成氣降溫、粗洗后進(jìn)入洗滌系統(tǒng)，進(jìn)一步精洗、達(dá)標(biāo)后送入變換工序和未變換工序。

裝置因下游產(chǎn)品不同，將變換裝置設(shè)置為變換系列和未變換系列以滿(mǎn)足不同產(chǎn)品對(duì)氫碳比的需求，氣化洗滌塔送出的合成氣分兩路進(jìn)入下游變換系列和未變換系列，變換系列采用兩級(jí)變換后變換氣幾乎完全變換，變換氣中φ（CO）＜6%，送入下游凈化裝置，而未變換系列采用脫毒槽及冷卻設(shè)施對(duì)合成氣脫除有毒物質(zhì)和降溫除水后也送入下游凈化裝置，依據(jù)下游產(chǎn)品對(duì)氫碳比需求，通過(guò)控制變換氣支路流量和未變換氣支路流量，滿(mǎn)足下游產(chǎn)品需求，同時(shí)通過(guò)控制出未變換系列未變換氣量與出變換系列變換氣量的比列（比值控制器）來(lái)實(shí)現(xiàn)變換系列和未變換系列負(fù)荷控制。

裝置實(shí)際運(yùn)行中，因下游變換系統(tǒng)和未變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)裕量不同，變換系統(tǒng)裕量過(guò)小，而未變換系統(tǒng)裕量相對(duì)過(guò)剩，同時(shí)全裝置除變換工序外，其他工序均能達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷110%運(yùn)行工況，目前全裝置滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行期間，變換系列操作彈性非常小，時(shí)而出現(xiàn)火炬放空閥有開(kāi)度現(xiàn)象，嚴(yán)重制約全裝置高負(fù)荷、安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。為徹底解決全裝置高負(fù)荷運(yùn)行受變換系列制約因素，對(duì)氣化爐內(nèi)件進(jìn)行優(yōu)化改造，將下渣口由喇叭式結(jié)構(gòu)改為階梯兩段式結(jié)構(gòu)[3]，并延長(zhǎng)擴(kuò)大段長(zhǎng)度，同時(shí)加大激冷環(huán)直徑及激冷環(huán)出水口間隙，降低激冷環(huán)出水速度，為合成氣二次變換反應(yīng)提供適宜的反應(yīng)溫度、反應(yīng)濃度和反應(yīng)空間（即停留時(shí)間），促使合成氣在氣化爐內(nèi)變換反應(yīng)深度[4]，加大有效氣中氫氣比例，提高進(jìn)入下游裝置未變換氣與變換氣的比例（即降低變換系列負(fù)荷），從而確保全裝置高負(fù)荷、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

通過(guò)氣化爐內(nèi)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造，裝置運(yùn)行中，合成氣干基氫氣體積分?jǐn)?shù)提高5%左右（即有效氣中氫氣含量提高8%左右）[5]，滿(mǎn)足生產(chǎn)改造需求，徹底解決了因變換裝置操作負(fù)荷彈性小，使全裝置高負(fù)荷運(yùn)行受限的因素，從而確保裝置運(yùn)行的安全性、可靠穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

1 理論分析及改造思路

通過(guò)氣化爐停車(chē)檢修時(shí)，觀察、測(cè)量下渣口下端掛渣厚度及硬度，判斷氣化變換反應(yīng)區(qū)域，結(jié)合仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有下渣口內(nèi)發(fā)生變換反應(yīng)深度很小，同時(shí)結(jié)合下渣口熱量損失綜合分析，初步確定，合成氣在氣化爐內(nèi)，在無(wú)催化劑條件下，反應(yīng)最佳溫度為800 ℃～1 250 ℃，故，改造目的使合成氣離開(kāi)下渣口期間溫度控制在800 ℃～1 250 ℃，在此溫度下合成氣盡可能停留時(shí)間長(zhǎng)，且有一定濃度的反應(yīng)水蒸氣，同時(shí)確保下渣口改造后使氣化爐碳轉(zhuǎn)化率和有效氣組分含量不受影響，系統(tǒng)整體阻力降不加大，下渣口運(yùn)行中不易堵塞，不產(chǎn)生擴(kuò)散角，損壞激冷環(huán)和下降管等。

2 氣化爐內(nèi)件優(yōu)化改造目標(biāo)及改造實(shí)施

2.1 優(yōu)化改造目標(biāo)

新優(yōu)化改造下渣口第一段直徑與原下渣口喇叭口的上端（小口）直徑保持一致，從而確保煤粉在氣化爐內(nèi)的返混及停留時(shí)間，確保氣化爐有效氣組成含量及碳轉(zhuǎn)化率[6]；新優(yōu)化改造下渣口擴(kuò)大段的直徑遠(yuǎn)大于喇叭口末端（大口）直徑，所相配套的激冷環(huán)和下降管也隨之?dāng)U大，直徑擴(kuò)大約1.15 倍，使激冷水噴出激冷環(huán)后汽化，并使水蒸氣向上旋起150 mm 以上，依據(jù)試驗(yàn)階段下渣口掛渣厚度及硬度，確定在激冷環(huán)向上約150 mm～200 mm 范圍內(nèi)為蒸汽含量最大區(qū)域，同時(shí)，依據(jù)合成氣熱量損失推算及仿真計(jì)綜合確定新下渣口擴(kuò)大段長(zhǎng)度，使新下渣口下端向上約150 mm～200 mm 內(nèi)合成氣的溫度經(jīng)水冷壁盤(pán)管換熱及旋氣激冷水蒸汽混合降溫至800 ℃～1 250 ℃內(nèi)，再者，新下渣口第二段直徑較原下渣口直徑加大，且長(zhǎng)度也增加，增加了合成氣在下渣口內(nèi)停留的時(shí)間，此改造為變換反應(yīng)提供了適宜的反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)濃度（水蒸氣含量）及提供了最佳反應(yīng)溫度，在該反應(yīng)溫度下無(wú)需催化劑即可發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)變換反應(yīng)的進(jìn)行，加劇變換反應(yīng)的深度，達(dá)到改造目的。

2.2 優(yōu)化改造實(shí)施

2.2.1 下渣口

1）將原喇叭口結(jié)構(gòu)的下渣口改為階梯兩段式結(jié)構(gòu)。

2）新結(jié)構(gòu)階梯兩段式下渣口的第一段直徑與原結(jié)構(gòu)喇叭口式下渣口的上端口（小口）的直徑保持一致。

3）新結(jié)構(gòu)階梯兩段式下渣口的第二段直徑為原結(jié)構(gòu)喇叭口式下渣口的下端口（大口）直徑的1.15 倍。

2.2.2 激冷環(huán)

1）新結(jié)構(gòu)階梯兩段式下渣口配套的激冷環(huán)直徑為原結(jié)構(gòu)喇叭口式下渣口配套激冷環(huán)直徑的1.15 倍。

2）激冷環(huán)出水口間隙擴(kuò)大至原激冷環(huán)出水口間隙的1.2 倍。

2.2.3 下降管

新結(jié)構(gòu)階梯兩段式下渣口配套的下降管直徑為原結(jié)構(gòu)喇叭口式下渣口配套下降管直徑的1.15 倍。

2.2.4 氣化爐內(nèi)件優(yōu)化改造前后簡(jiǎn)圖（見(jiàn)圖1）

圖1 氣化爐內(nèi)件優(yōu)化改造前、后簡(jiǎn)圖

3 結(jié)論

氣化爐內(nèi)件優(yōu)化改造后，合成氣中氫氣含量（干基）大約由23.5%提高至29%，改造優(yōu)化前、后合成氣干基組成分析見(jiàn)表1。

表1 改造優(yōu)化前、后合成氣手動(dòng)分析

續(xù)表

改造優(yōu)化前有效氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)在25%左右，改造優(yōu)化后有效氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)在33%左右，改造優(yōu)化后有效氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)提高8%左右。

通過(guò)對(duì)氣化爐內(nèi)件進(jìn)行優(yōu)化改造，提高了合成氣在氣化爐內(nèi)變換反應(yīng)深度，提高了有效氣中氫氣比例，降低進(jìn)變換系列氣體總量，變換系列操作彈性大大提高，裝置運(yùn)行期間，下游變換系統(tǒng)和未變換系統(tǒng)剩余負(fù)荷裕量相當(dāng)，全裝置高負(fù)荷運(yùn)行不受變換裝置負(fù)荷裕量限制，裝置達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷110%運(yùn)行工況，徹底解決全裝置高負(fù)荷運(yùn)行受變換系列制約因素，從而保證裝置安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高負(fù)荷、長(zhǎng)周期運(yùn)行。