Shell气化炉的结构特点以及操作维修

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引
言



目前国内已引进十余套Shell煤气化的关键设备——气化炉，投煤量1000t／d～2000t／d。投产的有 5套，已投产气化炉最长运行周期为56天，国外同类型装置最长运行周期为一年。目前几套装置的运行都不很稳定，其原因主要是：(1)气化炉结构复杂、控制点多、操作难度大；(2)操作人员操作不熟练，需多消化吸收引进技术；(3)制粉系统及渣脱除系统故障率高，导致被迫停炉。Shell炉为单系列配置，气化炉的长周期运行是整个装置运行的关键。因此，掌握气化炉的结构及特点，是实现整个装置长周期运行的重点。


1  Shell气化工艺简述



从煤场通过皮带输送机运来的原煤在磨煤单元进行干燥、制粉，煤粉通过煤粉加压输送单元，在一定压力下，被送到气化炉煤烧嘴处。



煤粉在4MPa、1500℃左右的气化炉中，和O2、蒸汽进行燃烧，发生反应，从而分别生成合成气和灰渣、飞灰。合成气从气化段顶部流出，利用来自湿洗段的“冷态”合成气进行急冷，将温度降低到900℃左右，随后在合成气输送段、气体返回段、合成气冷却段中，进一步将温度降低到350℃左右，从合成冷却器底部流出。



大部分各种不能燃烧的组分以熔渣的形式从气化炉的底部排出，被急冷并分散成玻璃状的小颗粒，平均粒度大约为1mm，同渣水一并从渣池底部排出气化炉，进入渣处理单元的渣水处理系统中。少量熔渣以飞灰形式存在，通过急冷段、输送段、合成气冷却段后，随合成气一并排出气化炉，并且被收集在下游的飞灰脱除系统中。



气化炉内件本身是一台膜式水冷壁及水管型冷却器，安装在整个气化炉外壳中。在这种内件中，保持一种强制的冷却水循环而吸收热量，产生中压蒸汽。


2  气化炉的结构


    Shell气化炉由承压壳体、内件及辅属设备构成 (见图1)，是集动、静设备于一体，集燃烧、反应、换热、急冷等工艺于一身的复合设备。主要包括81台 (套)设备(见表1)。
气化炉主要部件使用材料列于表2。






气化炉按工艺功能可分为6部分：



气化反应段、急冷段、输气管段、气体返回段、冷却段、辅助设备。



气化炉按机械结构可分为3部分：


壳体、内件、辅助设备。


2.1  气化反应段



气化反应段主要由承压壳体、内件渣池、热裙、挡渣屏和反应段膜式壁组成。



承压壳体由Cr-Mo耐热钢制作，内壁喷涂40mm厚的耐火材料130RGM，耐火材料由焊在内壁上的“龟甲网”支承固定，防止事故状态下的高温，保护外壳金属的热损伤。内件渣池由Incoloy合金制造，热裙是由INCOLOY合金Ω管焊接而成筒体结构，以防高温及渣水和冷凝液腐蚀，挡渣屏和反应段膜式壁E1320是由Cr-Mo耐热钢管与翅片相间焊接而成，膜式壁内壁都焊接有保温钉，以固定耐火材料SiC75P，耐火材料平均厚度为14mm。


2.2  急冷段



急冷段主要由急冷段外壳体、急冷区和急冷管组成。



急冷段外壳由Cr-Mo耐热钢制造，内衬耐火材料，其作用与气化段壳体相同。



急冷区由两个功能区组成：一个是由湿洗单元经过冷却过滤后的合成气(约200℃)被送入反应段顶部流出的高温合成气中(约1500℃)，比例大约为 1∶1，混合后的合成气温度骤降到900℃左右；第二个是“急冷底部清洁区”，将高压氮气送入该区，由 192根喷管进行喷吹，以便减少或清除气化段出口区域积聚的灰渣。急冷区部件全部由INCOLOY合金制造，以承受高温与腐蚀。



急冷管E1301则是用Cr-Mo耐热钢制造，为管子－翅片－管子(膜式壁)结构，合成气通过急冷管进一步冷却。


2.3  输气管段
约为1mm，同渣水一并从渣池底部排出气化炉，进入渣处理单元的渣水处理系统中。少量熔渣以飞灰形式存在，通过急冷段、输送段、合成气冷却段后，随合成气一并排出气化炉，并且被收集在下游的飞灰脱除系统中。



气化炉内件本身是一台膜式水冷壁及水管型冷却器，安装在整个气化炉外壳中。在这种内件中，保持一种强制的冷却水循环而吸收热量，产生中压蒸汽。


2  气化炉的结构


    Shell气化炉由承压壳体、内件及辅属设备构成 (见图1)，是集动、静设备于一体，集燃烧、反应、换热、急冷等工艺于一身的复合设备。主要包括81台 (套)设备(见表1)。
气化炉主要部件使用材料列于表2。







2.4  气体返回段



气体返回段主要由气体返回段外壳和内件组成。



气体返回段也由Cr-Mo耐热钢制造，内壁喷涂耐火材料，作用和气化段相同。内件(E1303)是由Cr－Mo耐热钢管与翅片相间焊接而成的膜式壁结构。


2.5  气体冷却段



气体冷却段主要由外壳、中压蒸汽过热器(E1306)、二段蒸发器(E1303B)、一段蒸发器组成。其中一段蒸发器又分成2个管束(E1303C／D)。



气体冷却器外壳Cr-Mo耐热钢制造，内壁喷涂耐火材料，作用与气化段相同。



中压蒸汽过热器是由Incoloy合金钢管－翅片相间焊接而成的盘管筒体结构，有6个不同直径的筒体相互套在一起，这些筒体能够向下自由膨胀。



一段、二段蒸发器是由Cr-Mo耐热钢管与翅片相间焊接而成，结构与中压过热器相同。二段蒸发器有 6个不同直径的筒体相互套在一起，一段蒸发器有5个不同直径的筒体相互套在一起。



中压蒸汽过热器和一段、二段蒸发器的外围是一个外筒体，也是中压蒸发器的器壁。器壁是由Cr-Mo耐热钢管－翅片－管子相间焊接而成的膜式壁结构。


2.6  辅助设备


2.6.1
敲击器



敲击器是由专业厂家制造的成套设备，主要包括气缸和振动器，通过气化炉外壳法兰连接在一起。振动导杆和膜式壁及蒸发器、过热器的敲击点紧密相连。主要作用是防止内件集灰。气化炉共安装58套敲击装置，因反应器与输气管内壁衬有耐火材料，为防止耐火材料脱落，这两个部位未安装敲击器。


2.6.2
煤烧嘴



煤烧嘴由专业生产厂家制造，主要作用是把煤粉、蒸汽和氧气的混合物送入气化炉内。


2.6.3
开工、点火烧嘴及其插入装置




开工、点火烧嘴及其插入装置为专业厂家制造的成套设备，其作用是在气化炉投煤粉前升温升压。


2.6.4
火焰监测器



火焰监测器由专业生产厂家制造，其主要作用是从气化炉外部窥视点火及燃烧状况。 2.6.5  恒力吊



恒力吊是由专业厂家制造的成套设备，其作用是支承气化炉气体冷却器的重量，在热态气化炉膨胀时，能使其自由膨胀。


2.7  其他构件



气化炉内件膜式壁与外壳之间形成一个“环形空间”，膜式壁分4段，由3个膨胀节相连为一体，保持内件热态的自由膨胀，在热裙上部与中压蒸汽过热器上部，设计安装有2个密封隔板，以保证热的合成气不能窜入“环形空间”内，造成壳体超温。



为保证“环形空间”与合成气空间之间的压力平衡，在急冷段底部板上开有120个φ53mm的圆孔。



循环水管线、氮气管线、蒸汽管线等分布管线全部布置在“环形空间”内。



在外壳体上焊有多个导向点，保证整个膜式壁可以自由膨胀。


3  气化炉的特点


3.1  由于采用喷流床气化，能实现高温(大约1500℃)下的“结渣”气化，碳转化率较高。


3.2  由于处于高温下，能够确保粗合成气中一氧化碳的高含量。


3.3  气化炉运行时，气化反应段膜式壁固化的灰渣层，能够对气化炉内壁起保护作用，防止炉壁受到熔渣的侵蚀，达到“以渣抗渣”的效果。


3.4  由于煤烧嘴采用径向小角度(约4.5°)安装方式，从而在反应器中，能够使得气流的分布产生一种涡流运动，这种运动使得渣、灰与合成气的分离效果更好，避免大量的飞灰夹带。


3.5  气化炉运行期间，炉壁的灰渣层还能够防止气化炉操作波动时的热负荷波动。因为一旦发生操作波动，固化的灰渣层第一反应就是熔融或增厚。


3.6  因使用了煤粉气化工艺，气化较为彻底，从而对煤种的要求不是很高。


3.7  因气化炉把气化段、气体冷却器通过输气管连接为一个整体，使得设备结构复杂，重量加大，从而造成设备制造、安装周期较长，难度增加。


3.8  因提高气化温度，使得设备制造选材级别提高，较多使用了Incoloy和Inconel合金，使制造难度加大，投资提高。


3.9  因气化炉设计中使用了Ω管，在国内难于找到相应的供应商，对以后的设备材料、备品备件的国产化增加了难度。


3.10  因气化炉结构过于复杂，控制点多，对操作、维修人员的技术水平要求较高。