1前言
近年來(lái)，隨著原料路線改造升級(jí)、產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)張，我國(guó)的煤化工、化肥、甲醇產(chǎn)業(yè)布局以及市場(chǎng)走勢(shì)已經(jīng)發(fā)生了重大變化。特別是國(guó)家“關(guān)于降低燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)和工業(yè)用電價(jià)格的通知”文件下達(dá)后，取消了多年懸而未決的優(yōu)惠政策，形勢(shì)倒逼我國(guó)化肥行業(yè)務(wù)必創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型發(fā)展。我國(guó)化肥行業(yè)已經(jīng)到了轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，只有通過(guò)轉(zhuǎn)型升級(jí)才能推動(dòng)行業(yè)化解過(guò)剩產(chǎn)能、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，特別是提升節(jié)能環(huán)保水平、降低消耗，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力，充分運(yùn)用節(jié)能新技術(shù)，加快實(shí)施能量系統(tǒng)化，余熱回收等節(jié)能技改工作，挖潛增效，才能增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。作為煤化工行業(yè)龍頭的造氣工序，挖潛、革新?lián)?fù)著重任。
分析我國(guó)煤化工行業(yè)現(xiàn)狀，造氣工藝及設(shè)備選型，還有很多采用延續(xù)了幾十年的近似于成熟的固定床制氣設(shè)計(jì)方案，其節(jié)能降耗任重而道遠(yuǎn)。
2現(xiàn)狀分析
1)首先，分析煤氣爐的型式多為移動(dòng)床UGI等爐型的衍生爐型(操作形式有富氧、增氧及間歇制氣等)，為了防止掛爐、結(jié)疤，煤氣爐爐體冷卻系統(tǒng)的冷卻形式，絕大多數(shù)還一直采用環(huán)形水槽式常壓水夾套，這種水夾套在使用中存在以下不足：一是耐壓能力較差，所產(chǎn)飽和蒸汽的壓力(≤0.2MPa)和溫度都較低，難以過(guò)熱，使造氣入爐蒸汽分解率較低，蒸汽消耗高;二是熱量損失嚴(yán)重，由于水夾套的冷壁效應(yīng)消耗了爐內(nèi)大量有效制氣熱能。半水煤氣中未分解的蒸汽還會(huì)帶走爐內(nèi)大量的熱量，直接降低了造氣爐的制氣強(qiáng)度。且由于壓力過(guò)低，不利于熱電聯(lián)產(chǎn)及熱能的延伸利用，綜合考慮是浪費(fèi)了能源;三是壽命短，夾套底部水槽由于長(zhǎng)期工作在露點(diǎn)溫度以下，腐蝕嚴(yán)重，低溫露點(diǎn)腐蝕加重了磨損，使造氣爐的水夾套工作壽命縮短。
2)第二，造氣系統(tǒng)半水煤氣、水煤氣的顯熱回收(廢熱鍋爐)多采用火管、水管及熱管等形式的換熱器。由于設(shè)計(jì)的局限性，相應(yīng)也存在著一些使用問(wèn)題，如火管換熱形式，管板熱應(yīng)力的消除及運(yùn)行的長(zhǎng)效安全性等問(wèn)題;水管形式換熱效率較低;熱管設(shè)計(jì)使用壓力較低，且露點(diǎn)積灰、腐蝕，造成灰堵，存在著換熱管失效等問(wèn)題。
3)第三、由于煤氣爐水夾套、廢鍋設(shè)計(jì)操作壓力較低，與之配套使用的汽包外形較大，管理困難。
4)三位一體技術(shù)的緊迫性。煤氣爐水夾套、廢鍋實(shí)際設(shè)計(jì)、操作壓力都小于0.1MPa，使入爐蒸汽溫度較低，有效熱量損失較多，直接影響了制氣強(qiáng)度。且沒(méi)有充分合理、延伸的運(yùn)用這些熱能，例如低壓發(fā)電及過(guò)熱蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)拖動(dòng)傳動(dòng)設(shè)備等綜合利用。由此凸顯了煤氣爐水夾套、廢熱鍋爐、汽包提壓三位一體操作的緊迫性及必要性。
3三位一體技術(shù)的誕生
我公司歷經(jīng)多年的研發(fā)與探索，在傳統(tǒng)固定床造氣系統(tǒng)成功開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)適用于造氣系統(tǒng)節(jié)能減排的自有技術(shù)，如耐壓水夾套、套管式廢熱鍋爐及與之相配套的汽包，使造氣爐水夾套及廢熱鍋爐、汽包提壓、等壓設(shè)計(jì)、操作三位一體得以實(shí)現(xiàn)。
4煤氣爐水夾套
4.1冷管式耐壓水夾套
為了克服水槽式水夾套的缺點(diǎn)和不足，我公司研制并開(kāi)發(fā)了冷管式耐壓水夾套，在結(jié)構(gòu)上將原外筒去掉，改為在內(nèi)筒外環(huán)形布置一圈冷管的方式來(lái)取代原水槽式夾套，使其具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1)由于冷管式結(jié)構(gòu)縮小了壓力單元，能耐較高的壓力，所產(chǎn)蒸汽壓力在0.20～2.5MPa，其蒸汽溫度可在225℃左右。入爐氣化蒸汽溫度提高后，對(duì)提高蒸汽分解率有很大益處。
2)由于工作圧力提高后，使夾套內(nèi)壁工作溫度也必然提高，對(duì)解決冷壁效應(yīng)有明顯益處。隨之夾套底部的露點(diǎn)腐蝕也有了很大的下降，必然就延長(zhǎng)了夾套使用壽命。
3)該技術(shù)還有一個(gè)特點(diǎn)，是采用在內(nèi)筒外環(huán)形布置一圈冷管，如果在操作中出現(xiàn)夾套超壓等意外故障時(shí)，只能是某支管損外，內(nèi)筒不會(huì)被破壞，不會(huì)影響正常運(yùn)行。
4)采用本技術(shù)后，因提高了工作壓力，使夾套內(nèi)水溫升高，降低了爐內(nèi)炭層與夾套內(nèi)壁的傳熱溫差，可減少爐內(nèi)熱量損失，進(jìn)而提高了氣化強(qiáng)度。
5廢熱鍋爐(顯熱回收)
5.1.套管式廢熱鍋爐
5.1.1性能優(yōu)勢(shì)
套管式廢熱鍋爐以能充分合理分配氣液流動(dòng)空間入手，以雙套管為傳熱元件，取代了原火管、水管等單管傳熱元件，取消了上下管板，改殼程受壓為殼程常壓，產(chǎn)品具有制造成本低、熱氣阻力小、沒(méi)有熱應(yīng)力損壞、換熱面不積灰、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)有余熱回收設(shè)備的理想替代品。
5.1.2結(jié)構(gòu)及工作原理
1)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，主要由汽包、外筒、套管排和升降液管組成。
2)工作原理：熱煤氣由a進(jìn)入筒內(nèi)沿內(nèi)管內(nèi)和外管外自上而下流動(dòng)，被內(nèi)外管間的水及汽水混合物冷卻后由b流出。汽包內(nèi)熱水沿降液管下降，進(jìn)入下聯(lián)箱后經(jīng)給液分配管流進(jìn)各套管由內(nèi)外管所形成的環(huán)隙，與管外的熱氣體進(jìn)行逆流換熱，水被加熱逐漸汽化并沿內(nèi)外管間的環(huán)隙向上流動(dòng)，經(jīng)汽液分配管進(jìn)入上聯(lián)箱，最后汽液混合物經(jīng)升汽管進(jìn)入汽包進(jìn)行汽水分離，水再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。
5.1.3顯著的優(yōu)點(diǎn)
該技術(shù)是在充分研究適用領(lǐng)域內(nèi)氣液換熱，熱煤氣流量大冷液流量小的突出特點(diǎn)，以雙套管傳熱取代了單管傳熱，不僅具有水管、火管廢鍋的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其各自的不足，主要優(yōu)點(diǎn)如下：
1)極為合理地安排了氣液流動(dòng)空間，使氣體流動(dòng)橫截面積增大，流速減小、流動(dòng)阻力降低，因?yàn)閾Q熱元件的縱向排列方式，含塵氣體對(duì)管子的沖刷動(dòng)能也隨之大大降低，從而延長(zhǎng)了換熱器的使用壽命。
2)該換熱器以雙套管傳熱取代了單管傳熱，取消了上、下管板，采用自由懸掛式，管排在受熱及冷卻后能自由伸縮，克服了原火管廢鍋無(wú)法解決的熱應(yīng)力問(wèn)題。
3)換熱面不積灰。該技術(shù)是在對(duì)現(xiàn)有形式廢鍋換熱面積灰的原因進(jìn)行認(rèn)真分析后，找出了防止積灰的辦法，并應(yīng)用于設(shè)計(jì)中，使該技術(shù)的廢鍋換熱面在運(yùn)行中做到了不積灰，使傳熱穩(wěn)定，用戶使用效益明顯。
4)設(shè)計(jì)靈活更適用于對(duì)其它形式的廢鍋進(jìn)行改造。由于該技術(shù)設(shè)計(jì)較靈活，可對(duì)其它任何形式的廢鍋進(jìn)行改造。特別是火管廢鍋，改造后因取消了管板等受壓元件，將壓力容器外殼改為常壓，降低了設(shè)備造價(jià)及管理等級(jí)。
6與之配套的汽包
真正發(fā)揮配套的作用，優(yōu)化了氣液分離裝置的設(shè)計(jì)，使其功能性更切合實(shí)際。
7三位一體技術(shù)統(tǒng)一運(yùn)用的理念
由于上述技術(shù)的成功使用，使用戶在工藝設(shè)計(jì)及設(shè)備選型上，可科學(xué)合理的將煤氣爐水夾套與廢熱鍋爐、汽包的蒸汽操作壓力選擇在同一壓力下(0.35～2.5MPa)，并將飽和蒸汽共同過(guò)熱至一定范圍，可以實(shí)現(xiàn)造氣系統(tǒng)過(guò)熱蒸汽制氣，或用于低中壓發(fā)電及直接用于汽輪機(jī)拖動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)。
8結(jié)語(yǔ)
煤氣爐水夾套及廢熱鍋爐、汽包高壓操作三位一體技術(shù)是可行的，也是很有必要的。我公司的產(chǎn)品已被全國(guó)眾多煤化工企業(yè)所接受，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果明顯，并得到了業(yè)內(nèi)的良好贊譽(yù)，取得了良好的企業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
