大型粉煤气化装置的设备布置特点及配管设计

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管径小、弯管半径大、吹扫点多，楼面占用面积大。 点火烧嘴、 开工烧嘴的配管应避开烧嘴抽出
空间，与之连接的金属软管不能触地以免磨损。 氧气管道应与烧嘴分层布置， 装置 1 中氧气
由烧嘴上部进入，最后一道止回阀很难关闭严密， 在装置 2 中改为水平进入，止回阀较容易选型。 将 氧气管道布置在烧嘴下层楼面， 解决了止回阀密 封问题， 同时氧气预热器从装置 1 的 55 m 下降到 装置 2 的 38 m，缩短了氧气管道长度。 限流孔板后 的管道应进行氧气流速的核算， Байду номын сангаас保管道材质选 用正确。
摘要 结合 Shell 粉煤气化装置和国内两段式干煤粉气化装置的设计， 总结大型粉煤气化装置设备布置特 点与配管设计。
关键词 粉煤气化 装置布置 配管
目前， 已经得到工业应用的多喷嘴粉煤气化 技术， 国外的有 Shell 粉煤气化和 Prenflo 粉煤气 化，国内的有西安热工院的两段式干煤粉气化，这 几种技术都首先应用于 IGCC 装置，而后才应用于 其他工业装置。 因此整体工艺流程都比较接近，对 其技术特点进行比较总结， 对今后类似装置的设 计有着很好的借鉴意义，其中，装置布置和配管设 计就是非常重要的一环。 下面就以 Shell 粉煤气化 工艺和西安热工院的两段式干煤粉气化技术为 例， 对大型粉煤气化装置的设备布置和配管设计 特点进行总结和比较。
2010年 第 33 卷
图 2 装置 1 设备布置 1—气 化 炉 ；2—合 成 气 冷 却 器 ；3—中 压 循 环 泵 ；4—汽 包； 5—渣收集器；6—渣排放罐；7—水力旋流器；8— 捞 渣 机 ；9— 循 环 灰 水 冷 却 器 ；10— 热 水 缓 冲 罐 ；11— 热 水 泵 ；12—灰 渣 水 排 放 泵 ；13—灰 水 泵 ；14—循 环 泵 ； 15—事 故 冷 却 水 泵 ；16—热 水 加 热 器 ；17—循 环 过 滤 器 ；18—氧 气 预 热 器 ；19—高 温 高 压 过 滤 器 ；20—放 料 罐 过 滤 器 ；21—飞 灰 放 料 罐 ；22—气 提 罐 过 滤 器 ；23— 飞 灰 卸 料 冷 却 罐 ；24—储 罐 过 滤 器 ；25—中 间 储 罐 ； 26— 飞 灰 充 气 仓 ；27— 高 压 氮 气 缓 冲 罐 ；28— 排 污 闪 蒸 罐；29—高压氮气过滤器；30—循环气压缩机
1 大型粉煤气化技术的一般流程 粉煤气化工艺一般由粉煤给料、 煤气化、除
渣、除灰、洗涤及废水汽提及澄清等单元组成。 以 Shell 粉煤气化技术为例（见图 1）。 工艺流程简述 如下：
由磨煤送入储煤罐的煤粉靠重力经锁斗系统 下料并加压气力送入煤烧嘴，与氧气 ／ 蒸汽混合气 一并进入气化炉进行部分燃烧反应产生粗合成 气。 出气化炉的粗合成气在气化炉顶部由循环气 压缩机送来的冷合成气激冷； 激冷后的粗合成气 经废热锅炉回收高温显热后进入高温高压飞灰过 滤器干法除灰； 分离飞灰的粗合成气经洗涤脱除 飞灰及杂质后一部分作为产品气送出， 一部分则 送循环气压缩机作为激冷气循环。 气化炉内产生 的熔渣沿气化炉水冷壁流入气化炉底部的渣池， 遇水固化成玻璃状炉渣， 然后通过渣锁斗排放至 渣脱水槽，再通过捞渣机送至渣场。 从高温高压飞
2.3 设备数量多，外形尺寸大 以装置 2 为例，粉煤给料系统设置 3 个系列，
除灰系统设置 2 个系列， 框架上设备多达 170 台 左右，设备高度在 20 m 以上的有 7 台，筒径（宽度）在 4 m以上的有 10 台，如此多的大型设备给布置及框 架结构设计增加了难度。
3 主要设备布置特点 3.1 粉煤给料
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而下布置，且部分直连设备要求有较高的同心度， 粉煤给料、除灰单元各设备之间采用膨胀节连接， 除渣设备采用弹簧支撑。 2.2 主框架高，采用联合结构
日投煤 2000 t 的 Shell 粉煤气化装置（以下简 称装置 1）与西安热工院的两段式干煤粉气化装置 （以下简称装置 2）的框架主体均高约 88 m，局部结 构高约 100 m（见图 2、图 3）。
管道阀门结构尺寸大， 尤其自控阀门执行器 较长，配管设计时应予考虑，自控阀门不宜与方向 朝上的弯管直连。
捞渣机入口管应考虑连接临时排渣管线的位 置，以便捞渣机事故停车时顺利排渣。 装置 2 采用 2 台捞渣机排渣，提高运行可靠性。 4.4 除灰
从高温高压过滤器（或者旋风分离器）到飞灰 充气仓靠重力排灰， 弯管的弯曲半径不小于 5 倍 的管道公称直径，以防止管道内积灰、堵塞。 飞灰 充气仓到灰仓的管线采用气力输送， 弯管的弯曲
汽水系统的管道密集且多为对称布置， 弹簧 数量多。 受气化炉热膨胀的影响管口位移量大，烘 炉时顶部位移达到 250 mm 以上，应选用合适的弹 簧。 汽水系统配管关系到气化炉水冷壁水通道流 量的分配，配管模型应尽早提供用于计算。 4.3 除渣
除渣管道多为双相钢材质， 弯管的弯曲半径 不小于 5 倍的管道公称直径。
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他设备布置高度，造成框架楼层升高。 粉煤给料罐 布置在框架下部，无论采用何种给料方式（Shell 粉 煤气化是下出料， 西安热工院的两段式干煤粉气 化是上出料），都应当考虑底部连接临时卸煤管线 的布置空间。 该设备布置在混凝土框架内， 直径 大、设备高，在提交土建一次条件时应考虑吊装方 式和预留孔尺寸。 3.2 煤气化
下渣设备采用弹簧支撑，需要设置导向（见图 2、图 3）。 与粉煤给料和除灰单元设备采用膨胀节 连接不同，设备间的热位移通过弹簧吸收。 现有装 置中，循环灰水冷却器均布置在框架上，装置投产 后发现采用该布置方式无法满足检修和抽芯预留 空间要求， 在今后的同类型装置中应考虑将该设 备移至地面布置。 排渣通过锁斗实现，捞渣机与排 渣罐通过柔性连接。 3.4 除灰
设备结构相似，串联布置。 根据煤粉下料顺序 依次为储煤罐→放料罐→给煤罐。 系统的卸压经 由储煤罐顶部的布袋过滤器排放至大气。 给煤罐 放置在称重仪上， 根据设备支撑高度选择在适当 位置做导向，防止偏移。 放料罐的布置高度应满足 与上下游设备的连接要求，同时不宜过大，影响其
第3期
安二强 . 大型粉煤气化装置的设备布置特点及配管设计
图 3 装置 2 设备布置 1—气 化 炉 ；2—合 成 气 冷 却 器 ；3—中 压 循 环 泵 ；4—汽 包； 5—渣收集器；6—渣排放罐；7—水力旋流器；8— 捞 渣 机 ；9—循 环 灰 水 冷 却 器 ；10—热 水 缓 冲 罐 ；11— 热水泵；13—灰水泵；14—循环泵 15—事故冷却水泵； 16—热 水 加 热 器 ；17—循 环 过 滤 器 ；19—高 温 高 压 过 滤 器 ；20—放 料 罐 过 滤 器 ；21—飞 灰 放 料 罐 ；22—气 提 罐 过 滤 器 ；23—飞 灰 卸 料 冷 却 罐 ；25—中 间 储 罐 ；26— 飞灰 充 气 仓 ；27—高 压 氮 气 缓 冲 罐 ；28—排 污 闪 蒸 罐 ； 29— 高 压 氮 气 过 滤 器 ；30— 循 环 气 压 缩 机
灰过滤器分离出的飞灰经气提冷却后， 通过锁斗 系统气力送入灰仓。 气化炉内的水冷壁和各换热 器（废热锅炉）、中压循环 泵 、汽 包 构 成 了 汽 水 系 统， 系统内循环的锅炉给水取热后变成汽水混合 物，送入汽包进行汽水分离，饱和蒸汽送出界区， 由界区补充到汽包的锅炉水经中压循环泵送入水 冷壁和换热器循环取热。
卸压管线上的开关阀尽量靠近低压侧， 减少 管道振动。
粉煤循环线排放装置后的异径管和给煤罐减 压阀后异径管应采用特殊件，减少磨损。
从同一设备抽出的 2 条粉煤进料线管道尽量 短，并对称布置，弯管数量保持一致，保证 2 条粉 煤进料线的压损相当， 达到对置煤烧嘴进料操作 条件一致、火焰稳定在气化炉的中心区，不发生偏 斜的目的。
装置 1、装置 2 的设备布置结构相似，均采用 了重力流的原理串联布置。 根据飞灰排放顺序依 次为高温高压过滤器→放料罐→气提冷却罐→中 间储罐→飞灰充气仓（见图 2、图 3）。 与粉煤给料 单元排气、泄压共用一个袋式过滤器不同，除灰单 元各飞灰储罐均是通过对应的精密过滤器排气。 除灰单元内放料罐过滤器、 气提罐过滤器和储罐 过滤器布置时， 其入口尽可能靠近对应储罐的顶
设备类型多，布置分散。 装置 1（见图 2）中气 化炉布置在 35 m 楼面，根据装置运行情况，煤种切 换时操作参数有较大的波动， 容易形成大块渣堵 塞气化炉，影响气化炉的正常下渣，所以装置 2 设 计时预留破渣机的安装位置， 气化炉安装高度提 高到 38 m（见图 3）。气化炉及合成气冷却器高度范 围内外侧的结构横梁做活动梁， 满足气化炉及合 成气冷却器吊装要求。 合成气冷却器在上部 65 m 处做导向。 汽包布置在气化炉顶部，中压循环水泵 布置在合成气冷却器底部。 装置 2 汽水系统内锅 炉给水循环量比装置 1 多 60%， 单台循环泵 2034 m3 ／ h，离心泵型式为双蜗壳两端支撑型式，管道口 径大，自然补偿无法实现，为满足管道安装空间， 泵的布置高度由 23.5 m 调整至 16.5 m（见图 3）。 装 置 2 气化炉的结构与装置 1 不同， 其顶部 82 m 楼 面留空无法满足汽包（总长约 17 m）布置，增设 88 m 平台用于汽包布置（见图 3）。 3.3 除渣
图 1 Shell 粉煤气化工艺流程［1］示意
2 装置布置特点 2.1 设备竖向布置，采用柔性连接
粉煤给料、除渣、除灰系统采用重力流输送， 通过锁斗控制下料， 设备在框架上依据流程自上
收 稿 日 期 ：2010-04-18 。 作者简介：安二强，男，1975 年出生，工程师。2000 年毕业于甘 肃工业大学石油化工学院化工工艺专业， 现在中国石化集团宁波 工 程 有 限 公 司 工 艺 安 装 室 从 事 配 管 设 计 工 作 。 联 系 电 话 ：057487974881；E-mail：aneq@snec.com。
部，以保证过滤下来的飞灰能够顺利返回储罐内， 而不会在过滤器和管道内留存。 装置 1 的除灰系 统单系列设置，仅气提冷却罐设置了 2 台。 装置 2 的除灰系统设置了 2 个系列， 粗合成气经串联的 旋风分离器和高温高压飞灰过滤器除去飞灰，因 此对应旋风分离器和高温高压过滤器， 分别各设 置了 1 个飞灰处理系统， 自上而下呈重力流串联 布置。 3.5 洗涤
气化框架与磨煤框架联合布置构成一个整 体，两个框架之间的连接跨用于布置管道及通行。 为了增强框架的稳定性和有效刚度， 气化炉基础 高度以下框架采用钢筋混凝土结构， 基础高度以 上采用型钢结构。 根据现场地质条件，为了防止刚 度突变，减小梁柱断面，减少框架自重，装置 2 在 气化炉基础高度以下框架采用部分型钢混凝土结 构。
所有可能受煤粉污染的管道应进行蒸汽伴 热，防止煤粉粘结堵塞。
2 台锁斗阀之间应设置吹扫器，保证锁斗阀的 使用寿命。
装置 1 采用下出料密相气力输送， 装置 2 采 用底部流化上出料密相气力输送， 这是装置 2 粉 煤进料的一大特点，稳定性有待生产操作中验证。 4.2 煤气化
气化炉周围的配管较为复杂，有煤烧嘴、点火 烧嘴、开工烧嘴的进料管线，以及汽水系统管线。 煤烧嘴进料线围绕气化炉呈放射状分布， 煤管道
2010年 6 月 第 33 卷第 3 期
Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry
Jun.2010 Vol.33 No.3
大型粉煤气化装置的设备布置特点及配管设计
安二强
（中 国 石 化 集 团 宁 波 工 程 有 限 公 司 ，浙 江 宁 波 ，315103）
合成气洗涤塔管口多，直径大、设备高，设备 布置在混凝土框架内， 在提交土建一次条件时应 考虑吊装方式和预留孔尺寸。 3.6 废水汽提及澄清
汽提塔顶部空冷器靠近通道布置， 便于设备 吊装。
4 配管设计优化 4.1 粉煤给料
避免设备直连， 在设备之间增加直管便于阀 门检修和更换。
含煤粉的气固两相管道要求弯管的弯曲半径 不小于 5 倍的管道公称直径， 且管道与水平夹角 不小于 60°，防止煤粉在管内堆积。