鲁奇加压气化炉炉型构造及工艺流程鲁奇加压气化炉炉型构造及工艺流程
4.第三代加压气化炉
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Ф3.8m，外径Ф4.128m，炉体高为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，可气化强黏结性烟煤外的大部分煤种。第三代加压气化炉如图4-3-21所示。
煤液压大齿轮上有孔4562循环水3粗煤气__--煤箱;2--上部传动装置;3--喷冷器;4--群板;5--布煤气;6--搅拌器;7--炉体;8--卢箅;9--炉箅传动装置；10--灰箱;11-刮刀;12--保护板;水蒸汽和氧气10图4-3-21第三代加压气化炉
为了气化有一定黏结性的煤种，第三代气化炉在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，约能储存0.5h气化炉用煤量，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。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，最后从空心轴内中心管，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。
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，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（采用变频电动机）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Ф5m），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。目前该炉型仅在南非sasol公司投入运行。6.鲁奇液态排渣气化炉
鲁奇液态气化炉是传统固态排渣气化炉的进一部发展，其特点是气化温度高，气化后灰渣呈溶融态排出，因而使气化炉的热效率与单炉的生产能力提高，煤气的成本降低。液态排渣鲁奇炉如图4-3-22所示。
__蒸气+氧气+煤粉71--煤箱;2--上部传动装置;3--喷冷器;4--布煤气;5--搅拌器;6--炉体;7--喷嘴;8--排渣口;9--熔渣急冷箱;10--灰箱;进口8溢流水9进口10图4-3-22大型液态排渣实验炉
该炉气化压力为2.0~3.0Mpa，气化炉上部设有布煤搅拌器，可气化加强黏结性的烟煤。气化剂（水蒸汽+氧气）由气化炉下部喷嘴喷入，气化时，灰渣在高于煤灰熔点(T2)温度下呈熔融状态排出，熔渣快速通过气化炉底部出渣口流入急冷器，在此被水急冷而成固态炉渣，然后通过灰锁排出。
液态排渣气化炉有以下特点：
(1)由于液态排渣气化剂的汽氧比远低于固态排渣，所以气化层的反应温度高，碳的转化率增大，煤气中的可燃成分增加，气化效率高，煤气中的CO含
量较高，有利于生成合成气。
(2)水蒸汽耗量大为降低，且配入的水蒸汽仅满足于气化反应，蒸汽分解率高，煤气中的剩余水蒸汽很少，故而产生的废水远小于固态排渣。
(3)气化强度大，由于液态排渣气化煤气中的水蒸汽量很少，气化单位质量的煤所生成的湿粗煤气体积远小于固态排渣，因而煤气气流速度低，带出物减少，因此在相同带出物条件下，液态排渣气化强度可以有较大的提高。
(4)液态排渣的氧气消耗较固态排渣要高，生成煤气中的甲烷含量少，不利于生成城市煤气，但有利于生成化工原料气。
(5)液态排渣气化炉体材料在高温下的耐磨、耐腐蚀性能要求高。在高温、高压下如何有效的控制熔渣的排出等问题是液态排渣的技术关键，尚需要进一步研究。
二、加压气化炉及附属设备构造
1.炉体
(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，即气化剂与煤气通过炉内料层的阻力，一般设计压力为0.25MPa(外压)，温度310℃。内、外筒体的间距一般为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，经气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4-3-23所示。
第一、第二代气化炉一般外设有汽包，第三代气化炉以后不再设有汽包，而利用夹套上部空间进行分离。
分离器汽包（a）内置汽包（b）外置汽包图4-3-23外置汽包与内置汽包
(2)搅拌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4-3-24。煤分布器的高度为300~400mm。直径为Ф2.6m，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，搅拌器与布煤器通过空心联接，设在布煤器的下部，一般设有上、下两个桨叶。桨叶的断面形状为中空的三角形，桨叶有三个倾角，其中α=25°，β=2~7°，γ=60~80°。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(相当中国16Mo)为提高其耐磨性还在搅拌桨叶的表面堆焊了一层3mm的硬质合金E20-502Ct，使其表面硬度达RC55以上。
冷圈煤分布器搅拌器
图4-3-24煤分布器、搅拌器和冷圈示意图
(3)炉篦设在气化炉的底部，它的主要作用是支撑炉内燃料层，均匀地将气化剂分布到气化炉横截面上，维持炉内各层的移动，将气化后的灰渣破碎并排出，所以炉篦是保证气化炉正常连续生产的重要装置。
早期的鲁奇加压气化炉炉篦为环形送风的平炉篦，由于平炉篦布气不均匀，灰渣中残碳含量高，并且仅能用于气化非黏结性煤，故而在后期的气化炉中已不再使用这种炉篦，现在运行的装置在设计上(或经改造)大多采用宝塔形炉篦。宝塔形炉篦一般由四层依次重叠成梯锥状的炉篦块及顶部风帽组成，共五层炉篦，它们依次用螺栓固定在布气块上，如图4-3-25所示。炉箅1#稳压室2#3#4#导流结构气化剂入口图4-3-25宝塔形炉篦图
炉篦整体由下部的支推盘支撑，支推盘由焊接在炉体内壳上的三个内通锅炉水的三角锥形筋板支撑，其内部的锅炉冷却水与夹套相通，形成水循环，以防止三角形支撑筋板过热变形。一般炉篦总高度为1.2m，为便于将炉篦从气化炉上孔吊入炉内安装，除第一、第二为整体外，其余分为：第三层2块，第四、第五层三块。炉篦是通过两个对称布置的小齿轮传动带动同一个大齿轮而转动的，两个小齿轮通过大轴与炉外的减速机连接。减速机由液压电动机(或变频电动机)带动。
炉篦的传动功率一般考虑以下几个方面的因素：①克服燃料层对灰渣错动产生的摩擦阻力；②克服灰刮刀加工内灰刮入下灰室的阻力；③克服炉篦在满料操作下与止推轴承的摩擦阻力；④炉内有结渣时破除大渣块的储备功率；⑤备用系数。
根据经验，第三代Ф3.8m气化炉宝塔形炉篦驱动液压电动机(或电动机)功率一般为45kW,最大扭距为2X450kN.m。
由于炉篦工作环境为高温灰渣，所以炉篦的材质一般选用耐磨、耐热、耐灰渣腐蚀的铬锰铸钢16Mo5，在其表面、堆焊有硬质合金E20-50-2CT，并焊有一些硬质合金耐磨条。在最下层炉篦下设有用语排灰的刮刀，可将大块灰渣破碎，并从炉内刮至灰锁。刮刀安装位置在铸造时留好的三个位置，根据所气化煤的灰分决定实际安装的数量。
支撑炉篦的止推轴承形如圆盘，为滑动摩擦。为减小摩擦系数，一般用高压润滑油泵将耐高温的润滑油经油管导入止推轴而进行润滑，以保证炉篦的安全平稳运行。
2.煤锁
煤锁是用于向气化炉内间歇加煤的压力容器，它通过泄压、充压循环将存在于常压煤仓中的原料煤加入高压的气化炉内。以保证气化炉的连续生产。煤锁包括两部分：一部分是连接煤仓与煤锁的煤溜槽，它由控制加煤的阀门――溜槽阀及煤锁上锥阀组成―将煤加入煤锁；另一部分是煤锁及煤锁下阀，它将煤锁中的煤加入气化炉内。煤锁的结构示意图如图4-3-26所示。图4-3-26所示煤锁的结构示意图
早期的气化炉煤锁溜槽多采用插板型阀来控制由煤仓加入煤锁的煤量，它的优点是结构简单，由射线料位计检测煤锁快满时上阀不能关闭严密。第三代以后的气化炉都已改为圆筒型溜槽阀，这种溜槽阀为一圆筒，两侧孔正好对准溜煤通道，煤就会通过上阀上部的圆筒流入煤锁。煤锁上阀阀杆上也固定有一个圆筒，它的直径比溜槽阀的圆筒小，两侧也开有溜煤孔。当上阀向下打开时，圆筒以外的煤锁空间流不到煤，当上阀提起关闭时，圆筒内的煤流入煤锁。这样只要溜煤槽在一个加煤循环时开一次，煤锁就不会充得过满，从而避免了仪表失误造成的煤锁过满而停炉。其工作示意图如图4-3-27所示。
煤煤煤煤(a)加煤时（b）关闭时图4-3-27圆筒阀结构图煤锁本体是一个承受交变载荷的压力容器，操作设计压力与气化炉相同，设计温度为200℃，材质为锅炉钢或普通低合金钢制作，壁厚一般在50mm以上。
煤锁设计几何容积一般按下式计算：
V=G/1000Kny
式中V―煤锁的几何容积，m3；G―气化炉每小时加煤量，kg/h；K―煤锁充满系数,通常取K=0.8；
n―每小时加煤次数(次/h)一般按2次/h考虑；y―煤的堆密度，t/m3；
煤锁上、下锥型阀的密封非常重要，一旦出现泄露将会造成气化炉的运行中。煤锁上、下阀的锥形阀头一般为铸钢件，并在与阀座的密封处堆焊硬质合金，阀头上的硬质合金宽度为30mm，阀座的密封面也采用堆焊硬质合金，宽度与阀头相同。一般要求堆焊后的密封面硬度为HRC48。
煤锁上锥阀由于操作温度较低，一般采用硬质合金和氟橡胶两道密封。即在阀座上开槽，将橡胶密封圈嵌入其中，构成了软碰硬和硬碰硬的双道密封，这样能延长上阀的使用寿命。煤锁上、下锥型阀的设计上还采用了自压锁紧形
式，即在阀门关闭后，由于受气化炉或煤锁内压力的压迫，使阀头受到向上力的作用，即便误操作阀门也不会自行打开，从而避免高温煤气外漏，保证了气化炉的安全运行。煤锁上、下阀的结构见图4-3-28。4-3-28煤锁上、下阀的结构图3.灰锁
灰锁是将气化炉炉篦排出的灰渣通过升、降压间歇操作排出炉外，而保证了气化炉的连续运转。灰锁同煤锁都是承受交变载荷的压力容器，但灰锁由于是储存气化后的高温灰渣，工作环境较为恶劣，所以一般灰锁设计温度为470℃，并且为了减少灰渣对灰锁内壁的磨损和腐蚀，一般在灰锁筒体内部都衬有一层钢板，以保护灰锁内壁，延长使用寿命。第三代炉灰锁结构如图4-3-29所示。
图4-3-29灰锁结构图
灰锁上阀的结构及材质与煤锁的下阀相同，因其所处的工作环境差，温度高，灰渣磨损严重，为延长阀门使用寿命，在阀座上设有水夹套进行冷却。第三代炉还在阀座上设置了两个蒸汽吹扫口，在阀门关闭前先用蒸汽吹扫密封面上的灰渣，从而保证了阀门的密封效果，延长了阀门的使用寿命。灰锁上阀密封结构见图4-3-30所示。堆焊硬质合金水水图4-3-30灰锁上阀结构图灰锁下阀由于工作温度较低，其结构与煤锁类似，也采用硬质合金与氟橡胶两到密封。另外，为保证阀门的密封效果，第三代炉在灰锁下阀阀座上还设置了冲洗水，在阀门关闭前先冲掉阀座密封面上的灰渣，然后再关闭阀门，其结构见图4-3-31所示。堆焊硬质合金水图4-3-31灰锁下阀结构图灰锁上、下阀在设计上也采用可自锁紧形式，即阀门关闭后受到来自气化炉或灰锁的压力作用于阀头上，压差越大关闭越紧密，下阀只有在泄完压与大气压力相近时才能打开，上阀只有在灰锁充压与气化炉压力相同时才能打开，
这样就保证了气化炉的运行安全。
4.灰锁膨胀冷凝器
灰锁膨胀冷凝器是第三代鲁奇炉所专有的附属设备。它的作用是在灰锁泄压时将含有灰尘的灰锁蒸汽大部分冷凝、洗涤下来，一方面使泄压气量大幅度减少，另一方面保护了泄压阀门不被含有的一部分，它上部与灰锁用法兰连接，利用中心管与灰锁气相连通；下部设有进水口与排灰口，上部设泄压气体出口，正常操作时其中充满水。当灰锁泄压时，灰锁的蒸汽通过中心管进入膨胀冷凝器的水中，在此大部分灰尘被水洗涤，尘降、蒸汽被冷凝，剩余的不凝气体通过上部的泄压管线排至大气。膨胀冷凝器的设计压力、温度与灰锁相同，只是中心管的材质由于长期受灰蒸汽的冲刷需要采用耐磨性能较好的合金钢。灰锁膨胀冷凝器的结构如图4-3-32所示。S1MINS1S__-__IDS3S__图4-3-32灰锁膨胀冷凝器示意图第一、第二代碎煤加压气化炉的灰锁没有设置膨胀冷凝器，它们的泄压是将灰锁的灰蒸汽直接通过泄压管线排出灰锁后，再进入一个常压的灰锁气洗涤器进行洗涤、除尘。这种结构的主要的问题是灰锁气的泄压阀门与泄压管线由于长期受灰蒸汽的冲刷，使用寿命较短，需频繁更换泄压阀门，从而影响气化炉的正常运行。
三、碎煤加压气化炉在中国的应用及工艺流程
碎煤加压气化炉在我国的应用始于20世纪50年代，由苏联转口，主要用于气化褐煤生产合成氨原料气。20世纪70年代后期到20世纪末，又相继从原联邦德国、原民主德国、原捷克引进了几套气化炉，用于生产合成氨原料气、城市煤气，主要原料煤种为长焰煤、贫瘦煤。以下介绍中国几套大型气化装置。
1.云南省解放军化肥厂气化装置
云南省解放军化肥厂气化装置于20世纪50年代建设，属典型的无废热回收第一代加压气化炉，其加压气化装置工艺流程如图4-3-33所示。
2.山西省山西天脊(集团)公司
山西省山西天脊(集团)公司（原山西化肥厂，以下简称天脊集团）气化装置于20世纪80年代初从原联邦德国鲁奇公司引进，设有四台Ф3.8m第三代鲁奇加压气化炉，用于生产合成氨原料气。
天脊集团的气化装置为带废热回收工艺流程，在气化炉后设有废热锅炉以回收煤气的废热，副产低压蒸汽。气化装置工艺流程简图见图4-3-34。
气化装置工艺流程简述如下。
经筛分后，6~50mm的碎煤由煤斗进入煤锁，煤锁在常压下加满煤后，由来自煤气冷却工号的冷粗煤气充压至2.4MPa，然后再由气化炉顶部粗煤气将煤气充压至与气化炉平衡，打开煤锁下阀，煤加入气化炉冷圈内。当煤锁中的煤全部加入气化炉后，由于气化炉内热气流的上升，使煤锁内温度升高，因此以煤锁中的温度监测煤锁空信号，然后煤锁关闭下阀泄压后再加煤，由此构成了间歇加煤循环。进入气化炉冷圈中的煤经转动的布煤器均匀分布与炉内，依次经过干燥、干馏、气化、氧化层，与气化剂反应后的灰渣经炉篦排入灰锁。当灰锁积满灰后，关闭灰锁上阀，通过膨胀冷凝器将灰锁泄压至常压，打开灰锁下阀，灰渣通过常压灰斗落入