鲁奇炉介绍及附属设备简介

鲁奇炉介绍及附属设备简介劣质煤项目部王建国主要内容概述三种先进的煤气化技术简介鲁奇炉介绍鲁奇第三代炉附属设备简介一、概述1、煤气化的定义煤的气化过程是一个热化学过程，在特定的设备（气化炉）内它以煤为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸汽或氢气为气化剂（又称气化介质），在高温的条件下，通过部分氧化反应将原料煤从固体燃料转化为气体燃料（即气化煤气，或简称煤气）的过程。2、煤气化制原料气方法分类煤气化制原料气方法多种多样，按操作压力煤气化可分为常压气化和加压气化。在煤加压气化工艺中已经成熟并工业化的便是壳牌气化炉、德士古煤浆制气和鲁奇加压气化。按固体和气体接触方式分为固定床、流化床、气化床和熔融床。固定床：固定床气化炉是最早开发出的气化炉，炉子下部为炉排，用以支撑上面的煤层。通常，煤从气化炉的顶部加入，而气化剂（氧或空气和水蒸气）则从炉子的下部供入，因而气固间是逆向流动的。主要有鲁奇气化炉和BGL气化炉两种；熔融床：又叫熔浴床气化，它是将粉煤和气化剂以切线方向高速喷入一温度较高且高度稳定的熔池内，把一部分动能传给熔渣，使池内熔融物做螺旋状的旋转运动并气化，可实现无焦油气化且煤种适应性广。流化床：在分散板上供给粉煤，在分散板下送入气化剂（氧、水蒸气），使煤在悬浮状下进行气化。流化床气化炉不能用灰分融点低的煤，其特点是副产焦油少，碳利用率低。气流床：粉煤与气化剂（O2、水蒸气）一起从喷嘴高速吹入炉内，快速气化。特点是不副产焦油，生成气中甲烷含量少。主要以德士古气化炉和壳牌气化炉为代表；固定床、流化床、气化床和熔融床简介我国引进并被广泛采用的三种先进煤气化工艺分别是：壳牌气化炉、德士古气化炉、鲁奇气化炉。壳牌气化炉（结构见图2）属于气流床气化炉的一种，这种炉型不仅可用于不同类型的煤，包括劣质的次烟煤和褐煤，还可用于生物燃料和废弃物等的气化。壳牌气化工艺于1972年开始研究，1978年在德国汉堡建成中试装置，1987年在美国建成投煤量250～400吨/日的示范装置，我国从2006年开始先后有岳阳洞氮、湖北双环和广西柳州等10余家企业引进了该类型气化炉。二、3种先进的煤气化工艺德士古气化炉（结构见图3）属于湿法进料气流床的一种，最早引进该技术的是山东鲁南化肥厂，1993年投产。目前，我国已有山东鲁南、上海焦化、陕西渭化、安徽淮化、金陵石化、南化公司等近30台（套）装置投运，有些已具有10多年运行经验，到目前为止运行基本良好，显示了水煤浆气化技术的先进性。但是，德士古气化炉对煤质限制比较严格，成浆性差和灰分较高，还存在耐火砖成本高、寿命短和煤浆泵磨损大、维修成本高等问题。鲁奇气化炉（结构见左图）属于固定床气化炉的一种。鲁奇气化炉是1939年由德国鲁奇公司设计，经不断的研究改进已推出了第五代炉型，目前在各种气化炉中实绩最好。我国在20世纪60年代就引进了捷克制造的早期鲁奇炉并在云南投产。1987年建成投产的天脊煤化工集团公司从德国引进的4台直径3800mm的Ⅳ型鲁奇炉，先后采用阳泉煤、晋城煤和西山官地煤等煤种进行试验，经过10多年的探索，基本掌握了鲁奇炉气化贫瘦煤生产合成氨的技术，国内鲁奇炉在用厂家有云南解放军化肥厂、哈尔滨煤机厂和河南义马煤气厂等。优点：干粉煤进料，煤种适应广，碳转化率高，甲烷含量少，氧耗低，单炉生产能力大，运转周期长，气化热率高，气化过程无废气排除。壳牌式气化炉三种先进煤气化工艺优缺点比较优点：水煤浆进料，对煤种应用较宽，单炉生产能力大，运转周期长，气化热效率高，气化过程无废气排放。德士古气化炉缺点：投资高，设备造价高，建设周期长，配套的干燥、磨煤、高压氮气及用合成气加压所需的功耗较大。缺点：耗氧量大，投资大，技术费用高。优点：鲁奇炉生产能力大，以块煤为原料尤其适应褐煤，碳转化率高，调节负荷方便。缺点：生产的合成气中甲烷含量高，焦油和苯酚等液状物较多，生产流程长，投资大，结构复杂，加工难度高。鲁奇气化炉涡轮蜗杆减速器鲁奇第一代气化炉内径为2.52m，外径为3m，高达6m的圆筒体，为防止高温对炉体的损坏，在炉内壁衬有耐火砖，砌筑在内壁的支撑圈上如图6所示，可避免炉体受热损坏，减少气化炉的热损失。炉筒体由双层钢板制成，在内外壳体之间形成夹套，生产时锅炉水保持夹套充满水，并产生蒸汽。蒸汽汇集在炉体上面的集汽包内，并与压力气化系统相连通。集汽包与夹套的连通由两根上升管和两根下降管来实现的，在夹套中产生的蒸汽，由两根上升管导引至集汽包内，夹套水则由集汽包的水经两根下降管从夹套底部引入。1.鲁奇炉第一代加压气化炉三、鲁奇炉介绍在炉膛的上部设有一圆筒形裙板，中间吊有正椎体布煤器，以便使煤下流时能在炉体内均匀分布。在炉体的顶部设置有2-3个φ100mm的点火孔，其点火操作时在炉内堆好的木材等可燃物，由上点火孔投入火把明火引燃开车。排灰炉篦的传动是由电动机通过齿轮减速机和涡轮蜗杆减速传动机构带动的。煤经气化后产生的灰渣，由安装在炉篦上的三把刮灰刀将灰从炉篦的下部的间隙排至灰箱，在经灰箱泄压后排出。在该炉型的结构中，由于气化剂是从主动轴的中心孔进入炉内，而转动的主轴与固定的炉体、气化剂连接管之间的密封尺寸越大越难于解决，则就从结构上限制了该炉型的气化剂入炉量，从而限制了气化炉的生产负荷。另外，炉内壁衬砖不但减小了炉内径，降低了生产能力，而且在较高温度下内衬易形成挂壁，造成气化炉炉床层下移困难。第一代鲁奇气化炉的结构改进第一代鲁奇加压气化炉由于以上几个方面的影响，单炉生产量一般为4500-5000m3/h。许多厂家对第一代鲁奇炉进行了改进，主要有：⑴取消炉内的耐火衬，扩大炉内空间，增加了气化炉横截面积，从而使单炉产气量增加；⑵将平盘型风帽炉篦改为宝塔型炉篦（如图7所示），改善炉篦的布气效果，使炉内反应层较为均匀，使气化强度提高。通过改进，第一代气化炉的生产能力较改进前提高了50﹪以上。在综合了第一代气化炉的运行情况后，鲁奇公司于20世纪50年代推出了φ2.6m，中间除灰的第二代气化炉，如图8所示。①在炉内部设置了传动的搅拌装置和布煤器，搅拌装置有两个搅拌桨叶，其高度在炉内的干馏层，随着叶片的转动，在干馏层的煤焦受到了搅动，破坏了煤的黏结，这使得气化炉能够气化弱黏结煤，扩大了气化煤种；②炉篦由单层平型改为多层塔节型结构，气化剂通过三层炉篦的环形缝隙进入炉内，这种布气形式不但增大了气化剂的入炉量，而且使炉内布气均匀，弥补了第一代气化炉布气不均、灰中残碳较高的缺点；2.鲁奇第二代加压气化炉③入炉气化剂管与传动轴分开，单独固定在炉底侧壁上；④取消了衬砖，提高了气化炉的生产能力，也避免了由于在内衬上挂渣给生产操作带来的不利影响；⑤灰锁设置在炉底正中位置，气化后产生的灰渣从炉篦的周边环隙落下落到炉下部的下灰室里，然后再进入灰锁。“索菲尔”炉型是在第二代炉型上的改进型，在南非索菲尔第一期工程中投建的加压气化炉，其内径为φ3.7m，其结构如图9所示。3.“索菲尔”炉型“索菲尔”炉型的最大特点是将底部的炉篦与上部的布煤器用一根轴连接起来，该轴上下贯穿整个气化燃料层。其传动装置设在温度较低的气化炉上部，从而避免了传动装置在底部受灰渣的磨损。由于炉内温度较高，为避免传动轴等超温损坏，在中心轴内通入锅炉水冷却，此锅炉水和炉体的夹套连通形成一个水系统，用泵来进行水的强制循环。水的流动方向是从夹套底部由泵抽出经加压后送至中心传动轴，流至炉篦冷却水槽，然后返回经传动轴孔外层环状空隙，进入布煤器，最后进入水夹套上部。该炉型存在以下缺点：由于中心传动轴长达4m以上，材质和加工精度要求高，在运行中受高温影响故障较多；另一方面，炉篦和布煤器、搅拌器为同一转速，不能按生产需要进行调整，故而该炉型已经不再使用。桨叶和搅拌器、布煤器都为壳体结构，外供锅炉给水通过搅拌器、布煤器的空心轴内中心管，首先进入搅拌器最下底的桨叶进行冷却，然后再依次通过冷却上桨叶、布煤器，最后从空心轴与中心管间的空间返回夹套形成水循环。该锅炉水的冷却循环对布煤搅拌器的正常运行非常重要。因为搅拌桨叶处于高温区工作，水的冷却循环不正常将会使搅拌器及桨叶超温烧坏造成漏水，从而造成气化炉运行中断。第三代加压气化炉是在第二代炉型上的改进，其型号为Mark-III，是目前世界上使用最为广泛的一种炉型。其内径为φ3.8m，外径φ4.128m，炉体高12.5m，气化炉操作压力为3.05MPa。该炉生产能力高，炉内设有搅拌装置，可气化除强黏结性烟煤外的大部分分煤种。第三代加压气化炉如图10所示。4.第三代加压气化炉型为了气化有一定黏结性的煤种，第三代气化炉内上部设置了布煤器与搅拌器，它们安装在同一空心转轴上，其转速根据气化用煤的黏结性及气化炉生产负荷来调整，一般为10~20r/h，从煤锁加入的煤通过布煤器上的两个布煤孔进入炉膛内，平均每转布煤15~20mm厚，从煤锁下料口到煤锁之间的空间，可以缓冲煤锁在间歇充、泄压加煤过程中的气化炉连续供煤。在炉内，搅拌器安装在布煤器的下面，其搅拌桨叶一般设有上、下两片桨叶。桨叶深入到煤层里的位置与煤的结焦性能有关，其位置深入到气化炉的干馏层，以破除干馏层形成的焦块。桨叶的材质采用耐热钢，其表面堆焊硬质合金，以提高桨叶的耐磨性能。该炉型也可用于气化不黏结性煤种。此时，不安装布煤搅拌器，整个气化炉上部传动机构取消，只保留煤锁下料口到炉膛的储煤空间，结构简单。炉篦分为五层如图11所示，从下到上逐层叠合固定在底座上，顶盖呈锥形，炉篦材质选用耐热、耐磨的铬锰合金钢铸造。最底层炉炉篦的下面设有三个灰刮刀安装口，灰刮刀的安装数量由气化原料煤的灰分含量来决定，灰分含量较少时安装1~2把刮刀，灰分含量较高时安装3把刮刀。支承炉篦的止推轴承（如图10′所示）体上开有注油孔，由外部高压注油泵通过油管注入止推轴承面进行润滑。该润滑油为耐高温的过热缸油。炉篦的传动采用液压电动机传动。液压传动具有调速方便，结构简单，工作平稳等优点。但为液压传动提供动力的液压泵系统设备较多，故障点增多，由于气化炉直径较大。为使炉篦受力均匀，采用两台电动机对称布置。第四代加压气化炉是在第三代的基础上加大了气化炉的直径（达φ5m），使单炉生产能力大为提高，其单炉产粗煤气量可达7500m3（标）/h（干气）以上。5.第四代加压气化炉型小结四、鲁奇第三代炉附属设备介绍(1)筒体：加压气化炉的炉体不论何种炉型均是一个双层筒体结构的反应器。其外筒体承受高压，一般设计压力3.6MPa；温度260℃；内筒体承受低压，一般设计压力为0.25MPa，温度310℃。内、外筒体的间距为40-100mm，其中充满锅炉水，以吸收气化反应传给内筒的热量产生蒸汽，经汽液分离后并入气化剂中。这种内、外筒结构的目的在于尽管炉内各层的温度不一，但内筒体由于有锅炉水的冷却，基本保持在锅炉水在该操作压力下的蒸发温度，不会因过热而损坏。由于内外筒体受热后的膨胀量不尽相同，一般内筒设有补偿装置。夹套蒸汽的分离也分为内分离或外置汽包分离，如图12所示。1.炉体：主要由筒体、搅拌器、布煤器、炉篦、传动装置等组成。气化炉内外壳生产期间温度不同，热膨胀量不同，为降低温度差应力，在内套下部设计制造了波形膨胀节如图13所示，用于吸收热膨胀量。正常生产期间，波形膨胀节不但可吸收大约25-35mm的内壳热膨胀量，而且在此还可以起到支撑灰渣的作用，这样可使灰渣在刮刀的作用下均匀地排到灰锁中去。(2)搅拌器与布煤器根据气化煤种的不同，在气化不黏结煤时炉内不设搅拌器，在气化自由膨胀指数大于1的煤种时要设搅拌器，以破除干馏层的焦块。一般在设置搅拌器的同时也设置转动的布煤器，它们连接为一体。由设在炉外的传动电动机带动。煤分布器与搅拌器的结构示意图见图14所示。布煤器由三块组成，以燕尾槽形式搭接，在圆盘上对称开有两个扇形孔，煤在刮刀作用下经两个扇形孔均匀地分布在炉内，搅拌器设在布煤器的下部，一般设有上、下两个桨叶。由于搅拌桨在高温条件下工作，为延长使用寿命，桨叶及空心轴除了采用锅炉水冷却外，搅拌器选材为15Mo3(合金)并在桨叶的表面上堆焊了一层3mm的硬质合金以提高其耐磨性。由于炉篦工作环境为高温