Shell煤气化装置的设备及管道布置设计

Feb.2009化肥设计ChemicalFertilizerDesign第47卷 第1期2009年2月

Shell煤气化装置的设备及管道布置设计彭爱军(中国五环工程有限公司,湖北武汉 430223)摘 要:Shell煤气化装置具有工艺流程复杂、自动控制要求高、气化温度和压力高、介质和管线种类繁多等特点,工程设计中设备及管道布置难度较大。笔者结合几套典型的Shell煤气化装置的工程设计实践,阐述了磨煤及干燥、煤加压及输送、煤气化、除渣湿洗、除灰、初步水处理等工序的关键设备及关键工艺管道的布置设计要点;提出了优化设备管道布置设计的建议。关键词:Shell煤气化装置;工程设计;设备;管道;布置中图分类号:TQ545 文献标识码:A 文章编号:1004-8901(2009)01-0030-03DesignforEquipment/PipingLayoutofShellCoalGasificationPlantPENGAi2jun(ChinaWuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei 430223 China)Abstract:Shellcoalgasificationplanthasaseriesoffeatureswithcomplexprocessflow,highrequirementofautomaticcontro,lhightemperature/pressureforgasification,variouskindsofmediaandpipelinesandsoon,thelayoutofequipment/pipingismoredifficultinthedesignofproject,incom2binationwiththeengineeringpracticeofafewoftypicalShellcoalgasificationPlants,authorhasdescribedthelayoutdesigngistforthekeyequipmentandthekeyprocesspipingforthesectionofcoalmillinganddrying,coalpressurizingandconveying,coalgasification,slagremoval/wetscrubbing,dustremova,lpreliminarywatertreatmentetc.;haspresentedtheproposalforoptimizingtheequipment/pipinglayoutdesign.Keywords:Shellcoalgasificationplant;projectdesign;equipment;piping;layout 中国五环工程有限公司从2003年成功设计国内第1套Shell煤气化装置(湖北双环Shell煤气化装置)以来,现已成功完成了8套Shell煤气化装置的详细工程设计,其中投煤量1000t/d的3套,2000t/d的5套。湖北双环煤气化装置成功投产已有1年之多,各项工艺指标均达到了设计要求。这几套煤气化装置有的配套生产合成氨,有的配套生产甲醇和氢气,其装置地域亦分布在北方和南方。因其工艺和地域的差别,对各套装置工程设计的要求也不尽相同,体现出不同特点。笔者以下集中归纳各煤气化装置在工程设计中所遇到的以及特别需要引起注意的问题,提出优化设计的体会和建议。1 设备及管道布置概况Shell煤气化装置的工艺流程、仪表自控技术极其复杂,气化系统温度和压力较高,介质和管道种类繁多,设备体积庞大且吊装困难,主框架高,楼层多,且混凝土和钢结构楼层之间均在不同位置设计了倒V型支撑,因此,设备及管道布置设计的难度较大。2 关键设备的布置2.1 磨煤及干燥工序该工序的设备布置应注意以下几点。(1)首先要确定磨煤机和碎煤仓的定位尺寸,以称重给煤机进出口不小于2000mm为准,碎煤仓的出口标高则以称重给煤机的高度为基准。(2)碎煤仓体积较大,再加上操作荷载,当长达10m的锥体被煤充满时,由于装载偏心,整个锥体会产生较大的水平拉力,因此设计时应与设备专业协商,在锥体的适当高度增设滑动支座以解决拉力问题,避免锥体承受过大的水平拉力而将锥体与筒体的环焊缝拉裂。(3)磨煤机上方的楼面标高要综合考虑磨煤机起重吊车、磨煤机进口的标高及梁高,并留出一定的净空。(4)循环风机布置要依据最大单件起重质量作者简介:彭爱军(1974年-),男,湖南祁阳人,1996年6月毕业于郑州大学化工工艺专业,高级工程师,从事化工装置设备及管道设计工作。#30#确定单轨吊吨位,以风机壳清灰口高出地面500mm以上确定支撑点标高。(5)由于热风炉出口与磨煤机进口相距较近,且介质温度在250e以上,应尽量以两者管口中心线同高来确定热风炉的支撑点标高。2.2 煤加压及输送工序该工序设备布置的要点如下。(1)因该工序的设备布置基本上是按照葫芦串的方式,因此,需吊装设备的布置应严格按吊装方案进行,并提出结构条件。(2)整个工序基本上是重力流和气粉管线,上下层的有关联的设备应尽量缩短水平跨距和增加高差,以便更好地满足管道斜度的要求。尤其是煤粉给料仓的标高要以其粉煤出管口标高为准,保证充气锥、管道充气器、开关阀、流量调节角阀以及去烧嘴管线的安装要求。(3)小型袋式过滤器的平面定位要为众多的支管连接到汇集总管留足空间。(4)由于混凝土和钢结构楼层之间均在不同位置设计了倒V型撑,配管时要注意避开这些钢结构件。2.3 煤气化工序该工序设备布置设计的注意事项如下。(1)气化炉和合成气冷却器的布置设计要严格按吊装方案预留梁和吊装孔。(2)较高的小型设备上方楼面要设计吊装孔,这是特别易忽视的问题。同时可将带有现场液位计的设备支座由支耳改为裙座。(3)对于布置在同一楼层的泵与液体贮槽,要以泵的吸入口高度确定相应贮槽(如调和水缓冲罐)的支撑高度。(4)循环水泵除了在其上方梁底设计吊车外,还要适当延长轨道,以方便将电机吊回地面。(5)使用循环冷却水的水冷器和取样器不宜布置在高于24m的楼面上,以防水压不够而影响冷却效果。2.4 除渣湿洗工序因破渣机、渣收集器和排渣槽基本上是管口与管口直连,只要考虑渣收集器的恒力吊、各自的吊装方案和破渣机检修吊车等条件即可。另外由于渣池水冷却器抽芯清洗频率较高,而且基本上是互为备用,介质较脏,应布置在地面。洗涤塔因设备较高,因此要根据吊装方案来设计后浇梁和吊装孔,同时要在各个人孔正上方梁底设计装卸填料用的吊车。2.5 除灰工序因工艺介质及布置要求与煤加压及输送工序相似,所以在做设备布置设计时,应以重力流管线的角度和各个设备吊装方案来确定支撑点标高和后浇梁板的条件;对于飞灰贮仓的支撑高度要依据下灰方式确定其出口高度后再定;同时在高温高压飞灰过滤器顶部设计合适吨位的吊车,随整个煤气化框架共用,并在约46m高的楼层设计接力吊车。2.6 初步水处理及公用工程工序由于各个取样点和泵等众多排放点的污水大部分经过自流汇集于排污水收集槽,因此布置排污水收集槽时要保证其与所有排污点有足够的高差。加热高压氮气用户均在高楼层,因此应将高压氮气贮罐和加热器布置在较高楼层,这样可以节省大量的蒸汽伴管。对于蒸汽闪蒸槽的各个水冷器,若配有泵,不仅要保证泵的吸入高度,同时要考虑北方地区防冻。3 关键工艺管道和公用管道的布置3.1 磨煤、加压及输送工序该工序管道布置设计的若干要点如下。(1)因循环风机和热风炉布置在同一个区域,为了预留风机的检修和吊装空间,应将热风炉前复杂的管线集中布置在热风炉的中轴线两边,并且为这些管线设计1个高约2.5m的钢平台。这样不仅方便集中操作控制,更为地面让出了通道。(2)磨机出口斜45b的方管要避开其上方吊车轨道,同时设计2对可拆卸法兰,以方便检修磨机。(3)出循环风机入热风炉的<1600mm的倒U型管道必须要在其上方楼板设计吊点。(4)因整个磨煤工序大口径的管线均贴近2个框架边缘向上布置,因此需要预先为这些管线设计大型钢结构联合支架,以便结构框架同时设计。(5)重力流和气粉管线在保证斜度的同时,应尽量将其上的压力调节阀和开关阀放置于最高层,并且集中布置于高出楼面一定的高度。这样,介质减压后经过较短管线就进入低压回收系统,不仅可以防堵,还可以方便操作检修。(6)垂直管线上的开关阀应尽量布置在高出楼面1m左右,其支管上的止回阀或切断阀应靠近主管,同样可防堵。(7)根据煤气化装置的开车经验,从各个煤烧嘴返回的煤粉管线在经过减压管后,为防磨损,不能用普通的异径管,必需采用特殊管件过渡。3.2 煤气化工序该工序的管线较为复杂,且要求严格,空间分层多。在管道布置时先要考虑操作通道,尤其要为(下转第34页)#31#第1期彭爱军 Shell煤气化装置的设备及管道布置设计其中,W为管道自重(包括管重、保温重、介质重和刚性元件重),P为压力,T为温度,F为集中力/力矩、冷紧、弹簧初始荷载。上述工况中,某些可能不存在,具体视工艺要求而定。管道应力分析时,建议设备管口使用CAESARÒ中心WRC297柔性管嘴来模拟,这样可以更加真实地反映受力情况。3.2 工程实例分析某项目甲醇装置中,塔设备的参数为<5052mm@26mm,操作壁温99e,材质为20R,再沸器的参数为<1424mm@12mm,操作温度162e,材质为16Mn,塔中心与再沸器中心距离为5000mm,两主要接管规格分别为DN700mm和DN350mm,再沸器支撑在结构平台上。

图2 应力分析模型根据工艺条件,需要考虑的工况有本文3.1节所述的(1)、(2)、(5)、(6)、(7)和(10),应力计算的评判标准主要是:¹一次应力通过;º二次应力通过;»满足正常操作工况和空重工况设备管口受力。通过CAESARÒ软件分析,若再沸器采用刚性支撑,塔与再沸器的管口受力将严重超标,故考虑在4个支耳处设置弹簧支承,其应力分析模型见图2。由于该软件选取弹簧所遵守的是/热态吊零0原则,程序自动选出来的弹簧能满足操作工况,但不一定满足安装或停车时的空重工况,故在应力计算过程中需对弹簧的载荷值进行适当的调整,最终使所选弹簧满足相应工况下应力要求和管口受力要求。同时,根据热态下4个支耳处的位移,给出了支耳需要开长圆形螺栓孔的方向和尺寸。4 结语(1)塔与再沸器是化工装置中的关键设备,工况比较复杂,并且模型建立的准确程度对于计算结果影响较大,这就要求应力分析人员尽可能准确真实地建立模型。建议模拟柔性管嘴,必要时应将与再沸器所有管口相连的管线进行整体应力计算。(2)实际工程中,再沸器采用何种支撑方式,主要根据再沸器的大小和塔的承载能力来确定,支撑在塔上可以节省空间,降低施工成本,在条件许可的时候,应尽量采用这种方式。参考文献:[1]唐永进.压力管道应力分析[M].北京:中国石化出版社,2003.收稿日期:2008-10-28(上接第31页)开工烧嘴和点火烧嘴留有抽送空间;汽水管线要保证同一总管去同一组管口的阻力相同,并且在其盲端最好设计可拆卸法兰盲板或导淋阀;氧气管线要为调节阀或孔板下游留足直管段;中压汽包上方应设计1个大平台,集中布置安全阀、消声器及蒸汽调节阀组等。3.3 除渣工序该工序的管道布置的难点主要集中在渣池水系统和陶瓷衬里管线。若装置建设在北方,一定要仔细考虑冬季的防冻措施,尽量在管道布置上避免介质冻结,如所有阀门尽量靠近三通、立管阀门上方和水平管底加导淋,充分考虑互为备用水冷器的配管,让死管线最短。陶瓷衬里管线必需要全部出详图,定出准确尺寸和过渡管件法兰接口要求,作为特殊件向材控专业提出条件。3.4 初步水处理工序大部分工艺管线的介质黏度大,污垢多,易堵,流动性差,排放点多。管线布置时要考虑防堵、防冻,避免出现液袋,多设置可拆卸法兰盲板或导淋阀,并严格按要求用大曲率半径弯头。在合适的位置设计冲洗点,在北方还要注意冲洗管线自身的防冻措施。3.5 其他管道布置根据各个工序的公用系统所有用户情况(如高低压吹扫氮气、仪表空气、工厂空气、冲洗水、中低压蒸汽及冷凝液、伴管站、地漏等),要优先考虑其布置位置,最好在装置内部或装置边缘的2个柱子附近集中布置,上引到最高用户点。对于整个煤气化装置的消声器,除了空气介质就近引至装置边缘放空外,其他介质均应引至装置顶层后放空。4 结语Shell煤气化装置是国内最近几年才引进的先进粉煤气化技术,当时国内没有这种类似工程设计经验可以借鉴,设备和管道布置更是如此。中国五环工程有限公司走在这个领域的前列,通过多套不同规模和用途生产装置的工程实践,积累了大量的实践经验。通过交流,可以更好地吸收消化,真正实现装置的安全、稳定、长周期和低成本运行。修改稿日期:2008-07-12#34#化肥设计2009年第47卷