水冷壁气化炉与耐火砖气化炉对比系列五——耐火砖气化炉改造为水冷壁废锅气化炉

发布时间:2022-04-22

现代大型煤化工中普遍应用的水煤浆进料液态排渣气流床气化炉,根据气化炉隔热衬里的不同分为水冷壁气化炉和耐火砖气化炉。水冷壁气化炉以废锅流程为主,耐火砖气化炉几乎均为水激冷流程。本系列将从不同方面对水冷壁气化炉与耐火砖气化炉进行对比。

某厂煤制甲醇装置气化工段采用GE公司6.5MPa级水煤浆加压气化技术,气化炉为水煤浆耐火砖激冷炉型,两开一备设置,单炉生产能力为87000Nm3/h(CO+H2)气化炉自开车以来一直存在耐火砖维修费用较高,煤种适用范围窄,气化系统的热效率不高的问题。将其耐火砖气化炉升级改造为水冷壁废锅气化炉,可以增加气化炉灵活性,降低能量消耗和生产成本。本文从改造方案、可行性、风险分析和控制、投资和效益等方面对一台耐火砖气化炉升级改造为水冷壁废锅气化炉进行分析。

1  改造方案

1.1  总体方案

水煤浆制备和输送、粗煤气洗涤、灰/黑水处理、锁斗排渣、粗渣和细灰处理等工段维持现状不变,仅对气化炉进行改造升级。改造涉及气化炉装置改造及相关的公用工程和配套工程改造。

新气化炉在设备制造厂完成制造,在新气化炉进入施工现场后对施工现场的旧气化炉进行保护性拆除,清空施工现场后对新气化炉进行吊装及装配,并完成管线的改造工作,现场从旧的气化炉拆除开始到施工结束大约需要90天。

1.2  气化装置改造

1)现场将φ3200 mm旧气化炉拆除,更换为一台φ3400x3800 mm水冷壁废锅气化炉,新气化炉的总长度约28650mm,比现有耐火砖气化炉高约10000mm

2)目前使用的耐火砖三通道烧嘴更换为四通道组合式工艺烧嘴;

3)增加水冷壁汽包、废锅汽包和锅炉水循环泵以及相关管线;

4)增加气化装置点火、烘炉燃料气和点火、烘炉氧气系统及针对目前的中心氧进料系统增加快速切断阀;

5)取消气化炉现有的烧嘴冷却水系统,采用水冷壁给水系统对新组合式烧嘴进行保护;

6)钢结构框架增高一层用以布置水冷壁汽包和废锅汽包;

7)取消目前气化炉配套的激冷水过滤器、开工抽引器、烧嘴冷却水分离罐。

1.3  公用工程改造

1)新增气化装置的锅炉给水系统,废锅汽包的锅炉水采用13.2MPa高压锅炉给水管线(51.5t/h),水冷壁汽包的锅炉水采用8.5MPa密封水管线(2.0t/h)。

2)新增气化装置环腔保护气,环腔保护气的来源为变换气增压后提供(300Nm3/h)。

3)新增气化炉辐射废锅副产的12.5MPa饱和蒸汽送往后系统进行过热利用(50t/h)。

4)新增气化炉水冷壁副产的7.0MPa饱和蒸汽减压送蒸汽管网(2t/h)。

5)点火烘炉用燃料气系统的改造,气化改造后对燃料气的压力要求为2.0MPa,需要对目前的燃料气系统进行改造。原始升温建议采用CNG供气,气化装置区域设置CNG接口。正常开车采用甲醇装置的驰放气升温。(燃料气热值>2500kcal/Nm3,甲醇驰放气2800Nm3/h

1.4  配套工程改造

锅炉系统的改造,气化辐射废锅副产的蒸汽送往锅炉系统进行过热。

 2  改造可行性分析

耐火砖气化炉升级改造为水冷壁废锅气化炉已经有成功的应用案例。

阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司原3#气化炉为4.0MPa、φ2800x3200mm耐火砖-激冷型气化炉,投煤量500t/d,气化炉于2010年投产。为了节约每年更换耐火砖的费用,阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司决定将原3#耐火砖气化炉改造为水冷壁废锅气化炉。具体改造内容包括:老装置现场拆除,新气化炉安装,增加废锅水汽系统,拆除激冷水过滤器等设备,更换小流量激冷水泵;气化室由耐火砖改为水冷壁;预热烧嘴+工艺烧嘴改为单个组合烧嘴;气化装置由原始激冷流程改为废锅加激冷工艺。改造项目自201510月动工,20164月一次开车成功。

3  风险分析与控制

3.1  工程载荷风险

改造后的水冷壁废锅最大操作重量约475吨,原设计气化炉的操作重量为450吨,气化框架的支撑层载荷满足要求。汽包设备总重量大约60吨左右,满足改造要求。

3.2  改造后的工艺对前后工序的影响

气化炉改造完成后,气化单元煤耗和氧耗与改造前保持一致,煤浆和氧气负荷无变化,煤浆制备和输送利用原系统,对煤浆制备及煤浆输送系统无影响。

改造完成后闪蒸系统的热负荷与改造前相比降低,目前的闪蒸系统满足要求,针对闪蒸系统负荷低后除氧器可能出现温度降低的问题,建议通过调整低闪操作压力来平衡。

气化炉改造后气化装置出口的工艺气水气比经初步核算为1.018,经与变换设计单位初步核算满足生产要求。考虑特殊工况的需求,在变换工段的煤气预热器出口管线增加临时蒸汽管线(气化自产蒸汽)。

气化炉改造完成后每小时副产蒸汽大约50/小时,副产蒸汽送往两台240t/h锅炉进行过热,对锅炉的饱和蒸汽汽包出口进行局部改造,经锅炉专业技术人员分析核算,可通过调节减温喷水量和锅炉负荷的方式来消除气化副产蒸汽加入的影响。

3.3  安全的影响
改造完成后烘炉过程为正压烘炉,氧气和燃料气通过自控调节阀比例调节,整个烘炉过程中可通过火焰监测装置进行监测,烘炉过程更加安全。

改造完成后开车投料时炉内的燃烧反应情况可以通过火焰监测器进行观察,投料过程更加安全。

改造完成后气化炉燃烧室采用水冷壁结构作为隔热保护取代现有的耐火砖隔热保护,气化炉壳体温度比现有的装置低大约100℃,不存在串气超温风险,气化炉运行更加安全。

此次改造仅对气化炉内件进行升级优化,不改变主工艺流程,不会影响原气化装置的安全评价。

3.4  环境的影响

改造完成后气化炉内无耐火砖衬里,水系统及灰渣无六价铬,对环境更加友好。

改造完成后气化炉的烘炉时间为2-3小时,比改造前的时间更短,烘炉烟气通过洗涤塔去往火炬对环境更加友好。

改造完成后灰渣的量无变化,对环境影响不变。

此次改造仅对气化炉内件进行升级优化,不改变主工艺流程,不增加三废排放,不会影响原气化装置的环境评价。

4 经济效益

(1)节省耐火砖更换费用

改造前气化炉的耐火砖具有一定的使用寿命,需要定期更换。单台气化炉向火面砖和拱顶砖每年的更换费用为150万元,渣口砖每年的更换费用为30万元,单台气化炉向火面砖及拱顶砖以及渣口砖等耐火材料的更换费用(材料费+施工费)为每年180万元左右。

改造前气化炉全面更换耐火砖约需30天,改造后无需更换耐火砖,直接节省备炉时间。

(2) 开车费用降低
改造前气化炉单次运行时间80天,按照每年保证8000小时的运转时间计算,每年需要倒炉4.16次。改造前气化装置单次倒炉需要消耗燃料气8000Nm3,单次倒炉需要消耗S4蒸汽150吨。因此改造前因倒炉每年需要消耗燃料气为33280Nm3,每年需要消耗S4蒸汽624吨。如果考虑每年需要1次原始烘炉,那么改造前,因倒炉和原始烘炉每年需要消耗燃料气(天然气)量为59280Nm3,因倒炉和原始烘炉每年需要消耗S4蒸汽为1000吨。天然气价格按照3.5