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    壳牌煤气化装置经典布置原则及分析.pdf

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    壳牌煤气化装置经典布置原则及分析.pdf

    张洪伟 壳牌煤气化装置经典布置原则及分析 l3 壳牌煤气化装置经典布置原则及分析 张洪伟 中国五环工程有限公司 武汉430223 摘要 对壳牌煤气化装置经典设备布置原则和特点进行分析与总结,为国内同类煤气化技术的发展起到 促进和借鉴作用。 关键词 壳牌煤气化关键设备与区域设备布置 从壳牌煤气化技术在国内开始应用至今,已 投产或在建的壳牌煤气化装置已经有二十余套, 从国内第一套壳牌煤气化装置设计开始,根据壳 牌煤气化工艺特点和不断探索与优化设备布置。 装置以煤为原料生产粗合成气,主要生产工序包 括磨煤及干燥、煤加压及输送、煤气化、除渣、 除灰、湿洗、初步水处理、公用工程系统等8个工 序。虽然不同煤气化装置的生产规模存在一定的 差异,但其设备布置总体类似,装置主框架的总 高度主要集中在100m一120m,且主框架均为砼结 构和钢结构的组合结构。 由于煤气化装置火灾危险性等级和装置框架 高度的特殊性,决定了在设备布置方面必然会超 出国内现行设计规范的适用范围。此类问题的出 现,并不代表设计不满足国内现行设计规范的要 求,而是凸显现行国内设计规范已不能满足当前 大型工程设计的实际需要,只有根据当前工程设 计实际,对相关设计条款进行及时更新和适当的 补充,才能为新型煤气化技术不仅仅指壳牌煤 气化,其他煤气化技术同样也会遇到相同的瓶颈 的快速发展提供更好的服务。 不同的煤气化技术在工艺方面有所不同,但 就布置而言,各气化技术之间还是有密切关联。 本文通过对壳牌煤气化装置经典布置的分析与总 结,为国内其他煤气化技术的发展提供参考。 1 煤气化装置的关键设备、区域以及布置 原则 1.1关键设备、关键区域 在壳牌煤气化装置中,关键设备主要包括碎 煤仓、磨机、袋式过滤器、气化炉、激冷气压缩 机、高压高温飞灰过滤器等。 关键区域主要包括碎煤仓顶部输煤皮带所在 区域、磨机所在区域、气化炉烧嘴所在区域、激 冷气压缩机所在区域、高温高压飞灰过滤器所在 区域、飞灰贮仓所在框架以及副跨装置内管廊 所在区域等。 1.2布置原则 在对煤气化装置进行布置时,只有将关键设 备和关键区域的布置把握好,并将国内现行设计 规范的要求融人到关键设备和关键区域的布置中, 才能实现整个煤气化装置的优化布置。在对煤气 化装置进行设备布置时,主要遵循以下设计原则 1设备布置应满足工艺流程、安全生产、 环境保护以及专利商的特殊要求。 2对真空、重力流、固体卸料等,必须按 管道仪表流程图PID的标高和角度要求布置 设备。 3将磨煤框架和气化主框架合二为一,满 足经济适用性原则。 4充分考虑设备吊装和检修要求,并满足 消防专业对消防通道的要求。 5排渣栈桥和除灰系统分别布置在框架的 两侧,其中除灰系统布置在装置管廊的一侧,并 布置在输煤栈桥转运站下方的框架内,既有空间 又可以节省费用。 6酸碱液罐和柴油罐的围堰宜紧凑布置在 一起,并与除灰系统布置在同一区域,方便相关 运输车辆集中调度,统一物流通道。 7装置管廊的上方设置一层楼面,主要用 张洪伟高级工程师,注册咨询工程师。2005年毕业于华中科技大学动力机械及工程热物理专业获硕士学位。主要承担与煤化工相 关的设计与研究工作。联系电话18971332010,EmailzhanghongweiCWCeC.tom。 14 CHENⅡCAL ENGINEERING DESIGN 于布置公用工程系统的换热器、阀组、消音器、 减温减压器等设备和阀组。此处空间的有效利用, 一方面可以实现设备和阀组的集中布置,方便操 作和检修,另一方面可以有效减小煤气化主框架 各层楼面面积,节省费用。 8副跨和主框架的放空系统应分开布置, 主框架内的放空管线应严格引到主框架的最顶层 实施放空,副跨部分的放空管线主要是氮气和 蒸汽则应引到装置管廊和外管廊交界处布置, 并与主框架保持一定的安全距离。 2煤气化主框架楼层标高的设定原则及关 键区域布置特点分析 2.1 煤气化主框架楼层标高的设定原则 壳牌煤气化框架分为上下两个部分,其中下 面部分为砼结构,上面部分为钢结构,这种设置 很好地解决了气化炉重量达1000t以上的支撑 问题,砼结构部分的高度主要由排渣系统决定。 该系统由渣池、破渣机、渣收集罐、渣排放罐以 及捞渣机组成,为垂直布置。一般情况下,砼结 构最高楼面标高即为气化炉的支撑楼面标高 设定为EL37.000左右。从EL0.000层至EL37.000 层一般分为6层含EI_B.000层,方便煤粉加压 及输送系统、排渣系统、湿洗系统、除灰系统相 关设备和管道的操作、检修。砼结构部分楼层标 高的设定相对较为简单。 砼结构以上部分为钢结构,钢结构部分的楼 层标高主要由气化炉管口决定,同时煤粉加压及 输送系统、除灰系统相关设备的布置对楼层标高 的设定也有一定影响。由于气化炉设备管口颇多, 接近三百个,如何设定楼层高度,将对以后的安 装、操作、检修带来很大的影响,具体设计原则 如下 1充分考虑管道的布置,楼层间距不宜 过小。 2充分考虑气化炉各管口的高度以及楼面 设备开孑L四周的钢梁高度,尽量避免设备管口设 置在楼面开洞范围内。 3充分考虑人孔的可操作性。 4充分考虑敲击器的安装高度,为之预留 出足够的安装、操作和检修空间。 5充分考虑气化炉正常操作时向上的位移 量最高处可达150mm左右。 6充分考虑气化炉周围其他工序,如煤加 压及输送工序和除灰工序相关设备支撑标高、人 孔、管线等操作检修等需要。 2.2煤气化装置关键区域布置的特点 2.2.1碎煤仓顶部输煤皮带 碎煤仓顶部楼层的标高需要与输煤皮带另一 端的转运站所在楼面标高统一,这就要求同时对 碎煤仓顶部以及转运站下方除灰系统的布置统一 考虑,最终选择一个适合的高度作为楼面高度。 同时,这个高度还要满足整个框架各楼层之间的 协调以及输煤栈桥对倾角的要求。 为防止风力因素引起输煤皮带所在楼层产生 扬尘,宜将皮带所在楼层四周设置维护,在楼面 满铺花纹钢板,而不要铺设钢格栅。 2.2.2磨机 此区域在考虑设备布置和楼面标高设定时, 应充分考虑到磨机的检修和操作所涉及的问题, 诸如过轨吊的设置、检修区域的预留、磨机顶部 楼层标高的设定、磨机所在区域与热风炉所在区 域之间非燃烧性实体墙的设置等。 同时,根据国标爆炸和火灾危险环境电力 装置设计规范GB 5005892的规定,应将磨机 驱动电机的支撑标高调整为EL0.600对应楼面标 高为ELO.000,以保证驱动电机布置在附加2区 范围内。 2.2.3气化炉烧嘴 气化炉共有6个烧嘴,其中包括4个煤烧嘴, 开工烧嘴和点火烧嘴各1个。一方面与这些烧嘴连 接的管线及阀组特别多,另一方面烧嘴所在楼层 还需要为烧嘴的操作和检修预留出足够的空间。 这就要求在对该区域进行布置时,一定要尽可能 地将同一操作层管线布置在同一层,保证足够的 操作、维修空间。 另外,蒸汽伴热站、仪表保温箱、保护箱、 控制柜、穿线管等应尽量远离该区域,围绕该区 域的外围进行布置即可。 2.2.4激冷气压缩机 详见本文第3节的具体论述。 2.2.5高温高压飞灰过滤器 高温高压飞灰过滤器是煤气化装置一个重要 设备,该设备一般布置在煤气化主框架靠近楼梯 间的最顶层。由于袋式过滤器和汽包没有必要与 之布置在同一楼层高度,且它们的支撑标高低于 张洪伟 壳牌煤气化装置经典布置原则及分析 l5 高温高压飞灰过滤器,因此仅需要局部增设两层 操作楼面即可,该设备的顶部需设置防雨防风 措施。 该设备的顶部楼层,是整个装置最高的操作 面,主要用于布置放空管线和消音器,保障有毒 有害介质的安全放空。设计时要求建筑专业将楼 梯间和电梯间一直引到上述两个操作层,并在楼 梯问的另一侧,设置一套逃生楼梯。 2.2.6飞灰贮仓 飞灰贮仓布置在输煤转运站的下方,有利于 借助转运站的支撑结构来有效布置相关设备和管 线,也可以保证飞灰收集罐至飞灰贮仓之间的距 离不会太远,有效保障飞灰通过氮气输送到飞灰 贮仓内。 2.2.7副跨装置内管廊 该区域不仅使酸碱液罐和柴油罐的围堰可以 紧凑地布置在一起,也使其靠近飞灰贮仓所在框 架,实现相关运输车辆集中调度,统一物流通道。 通过在装置管廊上方增设一层操作面,利于公用 工程系统的换热器、阀组、消音器、减温减压器 等设备和管道的布置。 装置全部公用工程的泵体和大部分初步水处 理工序的泵体布置在装置管廊的下方,并在装置 管廊下方预留出超过4m宽的贯通式消防通道,实 现泵体的统一布置,方便操作和检修。 3煤气化装置内激冷气压缩机布置的合规 性分析 在壳牌煤气化装置中,最特殊和最关键的一 台动设备就是激冷气压缩机。通常压缩机布置在 独立压缩厂房或联合压缩厂房内,而壳牌煤气化 装置的激冷气压缩机却与煤气化装置其他设备共 同布置在同一框架内。这种布置既考虑现实,同 时也兼顾专利商的要求。根据石油化工企业设 计防火规范GB 50160第5.3.1规定①可燃气 体压缩机宜布置在敞开或半敞开式厂房内;②单 机驱动功率等于或大于150kW的甲类气体压缩机 厂房不宜与其他甲、乙和丙类房间共用一幢建筑 物。但是,壳牌煤气化激冷气压缩机不仅其功率 均在500kW以上,而且它还是与其它甲类设备同 厂房敞开布置的。显然目前的布置方案与国内现 行的设计规范,特别是防火设计规范的要求有一 定差异。根据专利商的要求,从工艺、安装、操 作、检修等角度出发,一般将激冷气压缩机布置 在气化厂房一层靠近电梯的位置即厂房的边 缘,在压缩机周围7.5米范围内,除压缩机自用 的气液分离罐外,无其他设备。压缩机指向厂房 外的一侧,直接连通到装置四周的道路,无任何 遮挡。 通过对已投产煤气化装置产出的粗合成气分 析,不管是经工艺理论计算,还是经实验室化验 分析,煤气化装置所产出的粗合成气与空气的混 合物的爆炸下限理论计算值10%。根据 石油化工企业设计防火规范GB 50160规定,激 冷气压缩机的火灾危险性分类应定为乙类。但从 理论上来说,也存在煤气化装置所产出的粗合成 气与空气的混合物的爆炸下限≤10%的可能,此 时,激冷气压缩机的火灾危险性分类应定是甲类, 此处暂按甲类进行分析与论证。 由于壳牌煤气化激冷气压缩机火灾危险性等 级为甲类,且单机功率大于150kW,所以确定设 备布置方案须十分慎重。基于现有布置情况,激 冷压缩机全部布置在敞开式厂房内,激冷气压缩 机与煤气化厂房采用同厂房布置时,除遵循石 油化工企业设计防火规范GB 50160的有关要求 外,还应从布置角度充分考虑如下几个方面 1激冷气压缩机应布置在气化厂房的一侧 便于通风,安全施救,检修等。 2激冷气压缩机与煤粉设备要有足够的防 火距离实际距离超过2O米。 3激冷气压缩机上方及低点无可燃气体积 聚的可能或有防可燃气体积聚的措施。 4激冷气压缩机附近最好设置公用物料站 防火安全措施。 5激冷气压缩机单台布置,无备机,与煤 气化其他主要设备可做到同开同停,确保安全防 火安全措施。 6激冷气压缩机距其他设备的防火距离应 满足石油化工企业设计防火规范中的有关 规定。 敞开布置是最为有效的防火措施之一,从目 前压缩机布置的部位来看此种布置方案是可行的。 压缩机朝向厂房外侧的一面是无遮挡的,其反方 向除有一台小型吹灰器外,无其他大型设备,压 缩机顶部为混凝土楼板,通过楼板形成基本隔绝, 从而形成良好的自然通风风道,满足爆炸危险区域 下转第43页 刘伟煤化工变换炉选材分析探讨 43 造中必须解决回火脆化、氢致裂纹敏感性等问题; 制定严格的焊接工艺评定;要预防堆焊层剥离及 层下裂纹;要严格执行操作规程,做好定期检验 检测,防范各种失效形式等。 总之,介质成分、工况环境、制造检验、操 作规范、应用经验等因素都影响设备选材,设计 难度很大。本文对应用于煤化工行业的变换炉材 料选用的设计体会,供同行借鉴。 参考文献 1 周达理,陈飞鹏.高温变换炉氢腐蚀原因分析及处理 [J].大氮肥,2003,264228230. 2 SH/T 30752009石油化工钢制压力容器材料选用规范 [s].北京;中国石化出版社,2010. 3 API RP 941,Steels for Hydrogen Service at Elevated Tempera- tures and Pressures in Petroleum Refineries and Petrochemieal Plants【SJ,2008. 4李世玉,压力容器设计工程师培训教程[M].北京;新华 出版社,2005. 5王荣贵,汪渝.高温氢和硫化氢混合气体对设备的腐蚀 及防护[J].化肥设计,2005,4312226. 6 API Subcommittee on Corrosion&Materials RP 939一C. Guidelines for Avoiding SulfldationSulfidicCorrosion Failures in Oil Refineries[S],2008. 7 API RP571,Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry[S].2003. 8朱秋尔.耐硫中温变换炉的设计[J].化工设计,1994, 4374o. 9史晓红,热壁加氢反应器设计和使用的几点探讨[J].设 计与研究,2007,3492325. 1O白巨娟,李清,宋广久.预变换炉的设计与制造[J]. 压力容器,2010,2743235. 收稿13期20121011 上接第15页 的通风要求,其空气流量能使易燃物质很快稀释 到爆炸下限值25%以下见爆炸和火灾危险环 境电力装置设计规范GB 50058中第2.2.4条。 激冷气压缩机布置在气化厂房的一侧,也为压缩 机的防火、防爆、检修创造了有利条件。 在具体操作中,还需要注意以下几个方面的 问题,即应该对生产、检修过程中泄漏的煤粉, 及时采用真空吸尘或人工水力清扫,不允许煤气 化厂房内有煤粉堆积现象存在,特别是激冷气压 缩机四周,并辅以对激冷气压缩机和煤气化厂房 内有可能产生可燃气体积聚的部位设置监测、报 警、联锁等设施当混合气体浓度接近爆炸下限 值的50%时,能可靠的发出信号或切断电源见 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范GB 50058中第2.1.3条。 可见,在满足以上所述条件的情况下,当激 冷气压缩机采用敞开布置时,对激冷气压缩机和 煤气化厂房都是安全、可行的。 4结语 通过对壳牌煤气化装置内关键设备和关键区 域的布置进行深入地分析、总结与优化,结合当 前使用的防火设计规范相关条款,从理论和实践 证明当前壳牌煤气化装置的布置是合规和合理的。 当前煤化工的发展缺乏专门的防火设计规范指导, 希望相关职能部门加快煤化工防火设计规范的编 制步伐。 收稿日期20120807 本刊声明 为使科技成果更好地服务国家经济建设,扩大本刊以及作者知识信息交流渠道,化工设计期刊已加入中国核心 期刊遴选数据库万方数据一数字化期刊群、中文科技期刊数据库、中国知网CNKI系列期刊数据库以及 中国化工信息中心计算机网络、四川省期刊网络等。凡在本刊发表的文章,也将通过本刊已经加入或今后可能加入的数 据库进行网络出版或提供信息服务,稿件一经刊登,将在本刊稿酬中一次性支付著作权使用报酬。如作者不同意上述约 定,请投稿时向本刊提出书面说明,本刊将酌情处理。 为鼓励技术创新、保护知识产权、杜绝学术不端行为,本刊已同有关单位合作启用科技学术期刊文献检测系统 AMLC对在本刊发表的论文进行全面检测,凡存在抄袭、一稿多投、不当署名、伪造、篡改等各类学术不端行为的, 本刊保留在本刊或其他媒体公布其行为和索回稿酬的权利。 化工设计编辑部

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