煤气化是利用水和二氧化碳或氧气为气化剂同煤发生反应而生成气体的一种煤炭技术。煤气化工程，能够减少燃煤直接燃烧带来的污染和提高燃煤利用率，是我国煤洁净技术的发展方向。GE水煤浆气化技术，又称德士古水煤气化技术，是目前煤气化技术装置中较为先进的系统装置。其主要包括三个系统装置，分别是磨煤、气化和渣水三流程[1]。在水煤浆气化中，能够生成氢气和一氧化碳及其它气体的合成气。该气化技术装置具有较强的原料煤适应性，对有较高的碳转化率，生成物中的有效成分高，但其烧嘴的寿命较短，且装置生产具有一定的危险性。为此，必须对其系统装置进行定期排查。
1、GE水煤浆气化装置的隐患表现
GE水煤浆气化装置的隐患主要分为生产物中有害物质的危害和气化生产过程的安全隐患。
1.1气化生成物质的危害
GE水煤浆气化生产所产生的有害物质主要是氧气、氢气、粉尘、甲烷、一氧化碳和硫化氢等，这些物质多是易燃易爆物质。尤其是氧气，具有极强的阻燃性，很容易引发爆炸。当炉温达到1300℃时，已经超过生产合成气体的燃点，此时若炉内气体泄漏，与空气相遇后可引发爆炸事故。同时，硫化氢和一氧化碳均为毒性物质，若此类气体泄漏于通风条件不好的地方，可致人员中毒甚至死亡。
1.2GE水煤浆气化生产过程中的安全隐患
粉尘的危害主要是空气污染，GE水煤浆气化渣池或制备区易产生粉尘，污染空气。人体内吸入粉尘则会引起气短、咳嗽及胸痛等不适症状。若长期处于粉尘环境中，则易引起肺部病变，即尘肺病。另外，振动和噪声污染也具有较强的危害作用。GE水煤浆气化生产过程中，尤其是在磨煤程序中，棒磨机、煤浆泵、抽引器等机器均产生一定的噪声，进而引起心血管、听觉等方面的疾病，同时也会影响工作人员的情绪和工作效率，甚至可能会造成事故。一旦各种机泵不能很好地振动功能，可以引起设备基础、连接件、管道焊缝等发生松动、脱落或损伤，仪表也失去稳定性，此类故障隐患，不仅降低了设备性能，影响了生产，也可能会导致事故发生。
2、GE水煤浆气化装置的优化设计
GE水煤浆气化装置的生产过程中具有一定的安全隐患，要实现安全生产，避免各种危险事故的发生，必须定期对气化装置进行排查。当然，最为关键的在布置设备时能够做到科学合理的设计方案，以降低或防范各种危险因素的发生，排除各种隐患存在的可能性。
2.1布置GE水煤浆气化装置的要求
GE水煤浆气化生产主要包括磨煤、气化及处理渣水三个工序。在不同的工序，其存在的危险隐患是不同的，在布置装置设计时所要达到的要求也不同。处理渣水和气化工序是重要的生产装置。设计气化装置时，应避免在地震烈度超过8度的地区。同时，同村庄和居民区的防火间距应超过一百五十米，卫生防护应在两千米之外。在结构安排上，应使用敞开式。如果使用封闭式厂房，屋面和外墙体应用夹芯钢板进行维护，达到防火标准[2]。同时，还要安装事故防爆风机，且同室内危害气体报警设备连接起来形成联锁报警体系。倘若气体出现泄漏而发生爆炸，则会自动启动联锁，即刻将室内危害气体排空。设计制备工序装置时，应设计装置除尘器，选用带式除尘装置。分别设计在缓冲煤仓、磨煤机煤仓及破碎间等扬尘处，并对粉尘进行回收利用。设计设备时，应选择低噪音设备，建立隔音厂房，并将高噪音泵布置在隔音厂房。进行氧气放空时也应设计有消音装置。处理渣水的水角阀门应装置在室内，以利用其隔音功能。休息室和装置操作间使用材料应具有较强的吸音和隔音功能。
2.2布置GE水煤浆气化装置管道的要求
装置管道设置不仅要满足其仪表流程图和规范标准，还要达到安全可靠、经济美观、便于施工、操作和维护，不同工序对管理介质的设计要求也不相同。水煤浆管道设计应防止流动阻滞区，严禁有袋形出现。水平煤浆管道设计中，其坡度要大于千分之五，仪表应设计在管道上端[3]。高压煤浆泵管道出口压力大，振动力强，应设计好此处的支吊架。气化工序时事故多发工序，其管道装置支架应为非易燃物，并让管道稳固接地，同电气桥架等间要有足够的间距，严禁阀门置于管件弯头，尤其是急弯管件。在处理渣水的工序中，灰水或黑水管道含有较多固体物，容易形成壁垢。设计置管时禁止出现袋形，应按照“步步低”及“步步高”的原则进行，弯头处应用三通替代，可方便清洗[4]。黑水角阀后的管道应选用具有内衬的耐磨复合材料及加厚管道，以降低黑水的磨蚀和冲击。
2.3GE水煤浆气化装置中磨煤工序的优化设计
磨煤系统通常是一台磨煤系统对应一个气化炉，如果一台磨煤泵出现故障则会减少对气化炉煤浆的供应，进而影响气化生产，为此在GE水煤浆气化装置的磨煤工序设计中加设一个低压泵解决了这个问题。此低压泵可以将此煤浆槽煤浆转至彼煤浆槽，转移泵的加设，使操作更加灵活，且能够保证低压泵故障时磨机不会停产，或单台磨机故障能够向气化炉提供短期煤浆，或能够防止煤浆分层、沉淀以及方便清槽检修等。加设煤浆槽工作流程设计图如下图1。
2.4GE水煤浆气化装置中气化工序的优化设计
在气化炉开车、停车和故障发生时，超高压氮气能够对炉头水煤浆及氧气管线和气化炉等进行吹扫以及进行氮气保护。在气化工序设计中优化超高压氮气系统，在每套气化炉系统加用一台专用的氮气缓冲罐，并在其与中心氧气管间加一专用的氮气吹扫管线。具体装置比较分别见下图2、图3。优化后的超高压氮气系统中，如果气化炉发生停车，系统先将氧气管线上游切断阀关闭，而后打开氮气缓冲罐吹扫氧气管线，直至其形成“氮塞”，此后关闭氧气管与氮气缓冲罐间的氮气。此时，打开共用氮气吹扫罐阀门，使其对吹扫氧气管线，使专用缓冲氮气罐内的压力能够保证“氮塞”。优化后的超高压氮气系统中“氮塞”具有较强的可靠性，气化炉也增强了其安全性。在气化工序中，不仅要优化超高氮气系统的设计，还要对优化安全联锁系统、烧嘴冷却系统。在炉化安全联锁系统设计中加用了煤浆管线同气化室间的压差联锁、激冷室同气化室及气化室合成气同激冷水之间的压差联锁等跳车和联锁警报功能，以提高气化炉的安全性。在烧嘴冷却水装置设计中，加用了氮封，以及爆破片。这些改进措施大大增强了气化工序的安全性。
2.5GE水煤浆气化装置中处理渣水工序优化设计
长期以来，气化炉合成气中存在带灰带水问题，产生此问题的原因除了与碳洗塔的设计不合理、操作不规范和技术本身因素外，还与碳洗塔的空塔气速有关。在实际生产实践中发现，当空塔气速为0.291mm/s时，合成气中带灰带水问题严重，而塔内直径为3800mm时则无此现象发生。在渣水处理工序中，气化炉下放的锁斗用来收集炉渣[5]。通过交变容器来排放水及渣至渣池。一个渣池对应一台锁斗。在实际生产运行中，捞渣机容易发生故障，一旦捞渣机出现问题就立即禁止锁斗排放渣水，锁斗容积最大容渣量每小时不足5m3，而捞渣机的检修一般需4h，因而，改变锁斗容积设计方能满足捞渣机检修用时。因此，在优化设计时将锁斗容积设计为24m3，确保能容纳4h的渣水量[6]。为了减少渣水的少排放或零排放，在GE水煤浆气化装置优化设计中，加设了真空闪蒸设计。通常情况下，气化系统装置只使用一级真空闪蒸，闪蒸温在60℃左右，真空度在-0.08MPa(G)，使沉降槽中黑水因温度高而产生大量蒸汽，使现场弥漫着蒸汽。在优化设计中，使用两级真空闪蒸分离器。一级真空闪蒸的压力是-0.07MPa,闪蒸温是70℃，二级真空闪蒸压力较一级下降0.023MPa，闪蒸温是44℃。黑水经过二级真空闪蒸后进入沉降槽，因黑水温度的降低，使其蒸汽量大大减少，改善了环境。两级真空闪蒸分离器设计图如下图4所示。
2.6GE水煤浆气化装置中放空除氧系统优化设计
水煤浆气化装置中的除氧大多直接排放至大气中，此除氧法浪费了氧资源，因其蒸汽的弥漫也给环境带来影响。为此，在优化设计中将除氧器管线上加设了气-液分离罐和水冷器，此法可将氧冷却会进行火炬燃烧排放，冷凝的液体经灰水槽回收再用。同时，由于火炬总管压力变化，会使放空蒸汽不能正常进入火炬系统，此时则利用放空管线直接放空。另外，在放空管线上加设了消音设置。放空管线上加设消音器能够降低蒸汽放空时的噪音，减少噪音污染。GE水煤浆气化装置时当前较为先进的水煤浆气化生产技术，此技术有较强的适应性和较高的碳转化率等优点，是当前应用最为广泛的水煤浆气化技术。然而，GE水煤浆气化技术在实际生产中还存在诸多危险因素，如氧气、氢气、粉尘、甲烷、一氧化碳和硫化氢等气化生成物的危险和生产过程中气化装置设计、安装及操作等因素导致的安全隐患等。为此，对这些安全隐患进行定期排查和检修将对GE水煤浆气化生产工作具有重要意义。同时，也应在生产实践中，不断地发现各种问题并对其进行优化改进，以提高水煤浆气化生产的安全性和稳定性。
3、结论
本文从GE水煤浆气化装置的基本设计需求出发，结合实际生产，从气化生产工艺的磨煤、气化和处理渣水三个工序流程方面对该气化装置系统的优化设计进行了探讨。从优化设计的内容可以看出，基本上全是基于安全和环保两方面进行改进，这不仅是安全生产的必然要求，也是现实发展的需要。尽管有些改进还需要进一步实践验证，甚至有些改进存在较多争议，但对GE水煤浆气化装置进行不断研究和改进是生产和社会的必然趋势，在今后的生产实践中，应不断加强技术改进，为生产的安全、环保及高效提供保障。
作者：杨向阳 单位：中海石油华鹤煤化有限公司
