OMBOMB介紹

我國是一個(gè)缺油少氣富煤的國家，資源特點(diǎn)決定了我國的能源化工原料來源必須以煤為主。煤氣化技術(shù)是煤基化工的核心技術(shù)和龍頭技術(shù)，開發(fā)具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的大型煤氣化技術(shù)對于我國煤化工事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

在山東華魯恒升化工股份有限公司國產(chǎn)化1000t/d合成氨大型氮肥裝置中，建設(shè)了1臺 6.5MPa、處理煤750t/d的OMB水煤漿氣化爐(以下簡稱多噴嘴氣化爐)，這也是OMB技術(shù)在中試裝置通過考核后的第一臺工業(yè)化裝置。山東華魯恒升化工股份有限公司多噴嘴氣化爐是在中試裝置的基礎(chǔ)上，由華東理工大學(xué)、水煤漿氣化與煤化工國家工程研究中心提供工藝軟件包，中國華陸工程公司進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，哈爾濱鍋爐廠有限公司制造了氣化爐設(shè)備主體，新鄉(xiāng)耐火材料廠提供了氣化爐燃燒室耐火襯里。

山東華魯恒升化工股份有限公司四噴嘴氣化爐自2004年12月1日開始試車、投入運(yùn)行。

來自棒磨機(jī)的水煤漿經(jīng)2個(gè)高壓煤漿泵加壓輸送，與來自空分裝置的高純度氧氣一起通過4個(gè)對稱布置在氣化爐上部同一水平面上的噴嘴進(jìn)入氣化爐燃燒室。每個(gè)高壓煤漿泵分別給軸線上相對的2個(gè)噴嘴供料。在高溫高壓下，噴入氣化爐燃燒室的水煤漿與氧氣進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，生成以CO、H2為主要成分的粗煤氣。生成的粗煤氣和熔融態(tài)的渣通過下降管進(jìn)入下部的噴淋床與鼓泡床復(fù)合的激冷室，下降管上端連接激冷環(huán)，激冷環(huán)以交叉射流的方式對粗煤氣和熔渣進(jìn)行噴淋冷卻，下降管下部浸入激冷水中，下端有4個(gè)切向排氣口。下降管與激冷室內(nèi)壁之間有4層鋸齒型的破泡分隔板，形成鼓泡床。工藝氣出氣化爐后經(jīng)文丘里洗滌器、分離器和水洗塔后送變換工段。分離器內(nèi)有破泡板和導(dǎo)氣管，水洗塔上部有固閥塔盤、旋流塔盤和高效除沫器。

氣化爐局部工藝流程見圖1，燃燒室內(nèi)流場結(jié)構(gòu)由射流區(qū)I、撞擊區(qū)Ⅱ、撞擊流股Ⅲ、回流區(qū)Ⅳ、折返流區(qū)V和管流區(qū)Ⅵ組成。

OMB采用四噴嘴在同一水平面上向中間對噴，形成撞擊流場，使得混合更充分，燃燒更完全。氣流撞擊后，形成梅花瓣?duì)罨鹧?，迅速燃燒，此區(qū)為撞擊區(qū)、氣流撞擊后，方向發(fā)生變化，部分氣流上升，遇拱頂后，沿爐壁下行，形成撞擊流區(qū)和折反流區(qū)；部分氣流下行，形成射流區(qū)和管流區(qū)。由此爐內(nèi)流場看出，相對于德士古氣化，火焰在爐內(nèi)上部燃燒，氣體在爐內(nèi)停留時(shí)間延長，二次反應(yīng)充分，有效氣體含量明顯提高，尤其因折反流區(qū)域存在，更延長了氣體在爐內(nèi)停留時(shí)間。

撞擊流將燃燒區(qū)域約束在爐膛中央，在撞擊區(qū)域內(nèi)，氧氣濃度相對較高，所以燃燒較德士古爐而言更為充分，所以殘?zhí)己肯鄬Ω?。在靠近爐壁的部分以二次反應(yīng)為主，二次反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，二次反應(yīng)的增加，就使得爐壁附近溫度降低，保護(hù)了向火面的耐火磚。

與引進(jìn)德士古水煤漿加壓氣化技術(shù)相比，多噴嘴氣化爐由于其特殊的爐內(nèi)流場，使得氣化反應(yīng)更為完全，同時(shí)，因二次反應(yīng)區(qū)明顯增大，故產(chǎn)出的粗煤氣中有效成分平均高2%～4%，碳轉(zhuǎn)化率也高。粗渣含碳量僅為1%左右(干基)，最低不到0.1%。

OMB氣化爐的4個(gè)工藝燒嘴均采用預(yù)膜式燒嘴，其霧化夾角大，霧化效果好，又因采用對撞方式，其混合更加充分。當(dāng)某一個(gè)燒嘴因制造或其他原因霧化不好時(shí)，因?qū)ψ苍颍溆绊懸卜浅Ｐ?。由?000h的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，這種技術(shù)不但有效氣體成分高(最高達(dá)到85%)，而且反應(yīng)完全，單位煤漿產(chǎn)氣量也較德士古氣化技術(shù)高，灰渣殘?zhí)己康?；碳轉(zhuǎn)化率高。其主要運(yùn)行指標(biāo)見表l。

多噴嘴氣化技術(shù)采用多個(gè)噴嘴同時(shí)進(jìn)料，雖然安裝噴嘴時(shí)間相對延長，但是由于可以在烘爐階段就可以將工藝噴嘴安裝好，當(dāng)爐溫達(dá)到投料條件時(shí)，將預(yù)熱噴嘴從頂部取出，裝上封堵，就可以進(jìn)行投料，因而從烘爐到投料的過渡期較短，同時(shí)，也把停爐及過氧的風(fēng)險(xiǎn)化解。在有條件的企業(yè)，當(dāng)一對噴嘴停車時(shí)，另一對噴嘴可繼續(xù)運(yùn)行，維持生產(chǎn)，當(dāng)缺陷消除后，可繼續(xù)投入運(yùn)行，這種方式已經(jīng)成功用于企業(yè)生產(chǎn)。在這種運(yùn)行方式下，因單噴嘴信號故障造成停車的幾率大幅降低。在4個(gè)噴嘴中，當(dāng)1個(gè)噴嘴因煤漿泵或其他因素造成煤漿流量低過氧時(shí)，其他噴嘴可及時(shí)緩解這種危險(xiǎn)，贏得處理時(shí)機(jī)。安全系數(shù)提高，對生產(chǎn)極為有利。

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)的合成氣初步凈化系統(tǒng)采用了分級凈化的方法，即先對合成氣中容易分離的固體進(jìn)行分離，然后用水洗的方式進(jìn)行進(jìn)一步凈化，這種凈化流程具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。德士古水煤漿氣化爐投料初期，由于附著在工藝氣出口管線內(nèi)壁上的垢片受熱及高速氣流沖刷后脫落，易造成水洗塔出口管線堵塞。多噴嘴氣化技術(shù)由于設(shè)置了分離器，灰垢被預(yù)先擋在了分離器內(nèi)，這樣，即使分離器排水管線被堵，碳洗塔排水照樣可完成排灰作用。

OMB技術(shù)在華魯恒升化工有限公司已經(jīng)運(yùn)行了一年多，到2006年6月為止，累計(jì)運(yùn)行超過6000h，最長連續(xù)運(yùn)行時(shí)間近2個(gè)月(包括連投一次)，工業(yè)運(yùn)行證明了該技術(shù)的優(yōu)勢。但由于是第一套工業(yè)化裝置，存在一定的問題還是難免的，以下列出了在運(yùn)行過程中暴露的一些問題，并對產(chǎn)生問題的原因進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)意見。

4.1 存在的問題

4.1.1 上部空間耐火磚壽命偏短，封堵頭更換頻繁

多噴嘴氣化爐爐內(nèi)高溫區(qū)在噴嘴位置以下500mm及噴嘴位置以上一直到拱頂。這些高溫區(qū)也是四噴嘴氣化爐耐火襯里損蝕最嚴(yán)重的部位，例如：噴嘴周圍及以下500mm和以上簡體熱面磚在累計(jì)使用3425h的時(shí)間內(nèi)，因損蝕過快已經(jīng)進(jìn)行過更換；在累計(jì)使用3425h的時(shí)間后拱頂磚則已損蝕130mm。

頂部堵頭壽命也較短。每次停車都要重做新的，并且必須待降下溫來檢查拱頂蝕損情況后，才能確定堵頭長度再進(jìn)行制作，影響備用。頂部堵頭是影響氣化爐高負(fù)荷長周期運(yùn)行的隱患。開始使用的頂部堵頭結(jié)構(gòu)為澆鑄料外包耐熱鋼殼體，僅運(yùn)行86h就燒蝕近50%，后來將下部澆鑄料改為耐熱鋼筋掛耐火磚外包耐熱鋼殼體結(jié)構(gòu)后，運(yùn)行時(shí)間有所延長，但仍舊是安全生產(chǎn)的隱患。

4.1.2 噴嘴室口徑過小，容易造成“窩火”

噴嘴室起初采用了帽檐結(jié)構(gòu)，以防止噴嘴掛渣，即：噴嘴就位后藏在前面的擴(kuò)口磚后面，擴(kuò)口磚洞口比噴嘴外徑小。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)這樣很容易造成“窩火”，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀擴(kuò)口磚后面的背撐磚甚至噴嘴本身。將擴(kuò)口磚洞口改大后，沒再出現(xiàn)窩火現(xiàn)象。

4.1.3 激冷室檢修不便，容易積灰

激冷室內(nèi)，多噴嘴氣化爐用破泡板代替了傳統(tǒng)水煤漿氣化爐的上升管，由于破泡板與相應(yīng)支架為焊接成形，激冷室缺少上部人孔，停車時(shí)若不破壞局部破泡板，檢修人員從下部人孔無法上到激冷環(huán)進(jìn)水管處檢修、沖洗。

在早期操作過程中，由于未掌握多噴嘴氣化爐的運(yùn)行規(guī)律，長期在較低溫度下操作，導(dǎo)致出燃燒室的粗合成氣中細(xì)灰含量較高，每次停車后進(jìn)爐檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，破泡板之間縫隙內(nèi)嚴(yán)重集灰，從下往上看不出破泡板之間的縫隙，且集灰結(jié)得比較結(jié)實(shí)。在氣化爐每次運(yùn)行的后期，從氣化爐壓差上也能反映出這一點(diǎn)。

就激冷室結(jié)構(gòu)，對新建四噴嘴氣化爐的建議是：上、下部各設(shè)一個(gè)人孔；破泡板之間的距離適當(dāng)加大；每層破泡板加人孔方便檢修沖洗。破泡板強(qiáng)度要足夠，以免運(yùn)行中發(fā)生沖散事件。

4.2 對問題的原因分析及改進(jìn)建議

4.2.1 噴嘴以上空間偏小

在中試成功的基礎(chǔ)上，華東理工大學(xué)在設(shè)計(jì)第一臺工業(yè)裝置時(shí)，改變了噴嘴以上到氣化爐頂空間的高徑比，當(dāng)時(shí)的目的是提高氣化爐單位空間的產(chǎn)氣量。但是，實(shí)際運(yùn)行表明，改變后的高徑比偏小。由于撞擊后的物料部分向上運(yùn)動(dòng)，上部空間偏小，則會(huì)導(dǎo)致耐火磚離撞擊火焰過近，溫度偏高，導(dǎo)致頂部耐火磚和預(yù)熱口封堵處于高溫環(huán)境，耐火磚壽命較短。

4.2.2 工藝噴嘴通道偏小

華魯恒升化工股份有限公司建設(shè)的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐日處理煤750t，運(yùn)行結(jié)果表明，對多噴嘴氣化技術(shù)而言，這樣的規(guī)模偏小了。由于采用4個(gè)噴嘴同時(shí)進(jìn)料，工藝噴嘴的通道要比德士古噴嘴小得多，過小的噴嘴通道會(huì)帶來如下問題：

a)由于制造或維修誤差，造成噴嘴煤漿環(huán)隙和外氧環(huán)隙不均勻；四噴嘴氣化爐在生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)噴嘴小噴頭外錐面、中噴頭內(nèi)錐面不均勻磨蝕，從而造成煤漿環(huán)隙嚴(yán)重不均勻，從而偏噴，導(dǎo)致噴嘴周圍耐火磚某部位嚴(yán)重沖刷。

b)由于預(yù)膜式噴嘴煤漿環(huán)隙較相同生產(chǎn)能力的德士古氣化爐噴嘴小，幾個(gè)大的煤漿顆粒擠在煤漿環(huán)隙里很容易造成堵塞，這種堵塞是隨機(jī)的，也有可能在運(yùn)行過程中被沖開，因而也會(huì)導(dǎo)致噴嘴偏噴，影響周圍的耐火磚。所以，多噴嘴技術(shù)更適用于大型氣化爐，其被堵塞幾率會(huì)明顯降低。

4.2.3 頂部堵頭的結(jié)構(gòu)方式和加工工藝不合理

頂部堵頭損毀的原因除了4.2.1的分析外，還有其本身在制造工藝等方面的原因：

a)原設(shè)計(jì)的直接打澆筑料的堵頭，澆筑料高溫強(qiáng)度太弱，很容易被燒毀。

b)堵頭與拱頂爐磚之間的縫隙，使得火焰竄入，先逐步燒毀頂部堵頭的金屬殼體，燒斷掛耐火磚的鋼筋，然后耐火磚掉落下來。

c)堵頭在開車投料前直接放入高溫爐內(nèi)，巨大的溫差也是造成澆注料或耐火磚強(qiáng)度降低的因素之一。

d)工藝操作條件的變化，如爐溫的高低、渣口壓差等也會(huì)加劇堵頭及拱頂?shù)臎_刷。

計(jì)劃將靠中心的幾圈拱頂磚加厚50mm(已委托耐火材料廠家進(jìn)行過相關(guān)計(jì)算)，將最上面一圈放置頂部堵頭的拱頂磚做成臺階狀，避免火焰直沖頂部堵頭的金屬殼體。

工藝燒嘴是氣化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，過去認(rèn)為4個(gè)燒嘴同時(shí)運(yùn)行必然會(huì)增加因燒嘴故障造成氣化爐停車的幾率，由于采用合理的預(yù)膜式結(jié)構(gòu)及高壓氮?dú)獗Ｗo(hù)流程，可使燒嘴的正常磨損、侵蝕情況降到最小，加之操作水平及檢修水平的不斷提高，目前工藝燒嘴的壽命也不斷延長，多家企業(yè)工藝燒嘴平均壽命超過60天，部分情況更好的單位工藝燒嘴使用壽命平均達(dá)到100天左右，兗礦國泰、兗礦魯化工藝燒嘴多次超過了120天，兗礦國泰最長周期達(dá)到152天。

耐火磚、工藝燒嘴等關(guān)鍵部件的穩(wěn)定運(yùn)行也保證了氣化裝置運(yùn)行的穩(wěn)定，目前多家裝置運(yùn)行負(fù)荷達(dá)到或超過設(shè)計(jì)值，兗礦國泰、新能鳳凰、神華寧煤等裝置在投入運(yùn)行后半年左右便通過了裝置性能考核驗(yàn)收，各裝置考核指標(biāo)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，特別是煤耗、氧耗、合成氣有效成分、碳轉(zhuǎn)化率等主要指標(biāo)均明顯優(yōu)于設(shè)計(jì)值，其他的裝置投入運(yùn)行后，由于運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或超過計(jì)劃值，已決定不再進(jìn)行性能考核。江蘇靈谷化工氣化裝置在雙爐一開一備(氣化爐冷備)的狀況下，保持了裝置連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，從2010年10月至2011年6月30日，整個(gè)合成氨、尿素裝置連續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行240多天。目前，該技術(shù)良好的工業(yè)應(yīng)用效果已得到業(yè)內(nèi)的一致認(rèn)可，在國內(nèi)外得到廣泛推廣，建設(shè)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，截止到2011年8月，該技術(shù)已在國內(nèi)外推廣應(yīng)用24家，75臺（套）氣化爐。

隨著OMB技術(shù)的日益成熟，工業(yè)運(yùn)行業(yè)績的不斷積累，國外煤氣化技術(shù)對中國的長期壟斷逐漸被打破。該技術(shù)正被國際氣化工業(yè)領(lǐng)域所認(rèn)識和接受，并正成為大型氣化項(xiàng)目的主流選擇之一。2006年在美國華盛頓召開的國際氣化年會(huì)，主辦方安排在大會(huì)上介紹該技術(shù)，獲得了巨大反響，隨后每年的國際氣化年會(huì)都有該技術(shù)連續(xù)報(bào)道，介紹該技術(shù)的進(jìn)展情況。國際著名氣化專家、《Gasification》一書作者Christopher Higman對該技術(shù)評價(jià)較高，并將該技術(shù)寫入其著作《Gasification》第二版中。國際期刊《Chemical Engineering》的高級編輯Frankfurt在其為“Newsfront”欄目撰寫的主題論文中，著重介紹了多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)及其應(yīng)用狀況。

多家國際公司就采用該技術(shù)的相關(guān)事宜與專利商進(jìn)行了洽談。經(jīng)過長時(shí)間深入的技術(shù)交流和實(shí)地考察，2008年7月，美國Valero能源公司（北美最大的煉油公司，2007年全球500強(qiáng)排名第43位）簽訂了采用多噴嘴氣化技術(shù)的商務(wù)合同，將運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行石油焦氣化制氫項(xiàng)目，所建設(shè)的石油焦氣化項(xiàng)目為目前全世界最大的氣化裝置，總投資達(dá)到30億美元。該項(xiàng)目也是中國大型化工成套技術(shù)首次向美國等發(fā)達(dá)國家輸出。2100433B