三流道單噴嘴多元料漿氣化存在的問題及處理

趙伯平

（陜西煤化集團陜化公司化肥廠，陜西渭南 714100）

三流道單噴嘴多元料漿氣化工藝與傳統煤炭氣化工藝相比，具有氣化原料范圍寬，氣化爐結構簡單，氣化過程碳轉化率高（由于受工藝燒嘴結構及氣化原料在氣化爐內平均停留時間，微觀混合時間，宏觀混合時間，煤漿霧化程度，氣、固、液三相混合程度等因素的影響，碳轉化率一般可達到95%～99%），操作彈性大，粗煤氣質量好，可供選擇的氣化壓力范圍寬，氣化過程污染少的優點。三流道單噴嘴多元料漿氣化工藝在國內實現工業化以來，已有多套裝置在不同的煤化工企業運行。各兄弟廠家的氣化裝置運行過程中出現了許多問題。這些問題可以分為兩類，一類是氣化工藝流程設計方面存在缺陷，一類是工程材料、工藝操作方面的問題。為了更好地使用此裝置，使其在生產過程中長周期安全穩定運行，現對上述裝置在運行過程暴露出的問題作如下分析，并提出解決問題的措施。

1 氣化爐激冷室帶水問題［1，2］

1.1 氣化爐激冷室帶水的原因

使用三流道單噴嘴多元料漿氣化工藝的各兄弟廠家在試車的過程中，氣化爐激冷室均出現不同程度的帶水問題。即合成氣將激冷室的水大量帶到后序的洗滌塔，使激冷室液位逐漸下降，加大進水仍無濟于事，有時甚至快到跳車的低限，這種現象隨著壓力與負荷的升高而加劇。查閱有關文獻可知，激冷室內，在熱流強度不高時，氣液之間以自然對流的泡核沸騰方式傳熱，隨著壓力與負荷的增加，激冷室內熱流強度增加。當達到某一臨界值時，氣液之間的傳熱方式轉為低效的膜狀沸騰傳熱。粗煤氣將激冷室中的水大量帶至后系統，對變換系統造成危害。為避免氣化爐帶水，必須保證一定的換熱面積，使氣化爐的實際熱流強度遠遠小于臨界熱流強度。

1.2 氣化爐激冷室帶水問題的解決

為使氣化爐平穩運行，避免氣化爐出現嚴重帶水現象，應從以下幾個方面予以解決。

（1）在激冷室設計時，應考慮壓力、投煤量的因素，加長激冷室尺寸，保證氣液傳熱面積F，以及氣液的分離空間。

（2）保證激冷水流量。

（3）保證鎖斗的正常運行，避免激冷室液相含固量過高。

（4）使用液位流量串級控制回路，嚴格控制氣化爐激冷室液位。

（5）在氣化爐與文丘里洗滌器之間增設旋風分離器，并使用流量液位串級控制回路嚴格控制其液位，以除去粗煤氣中夾帶的液滴和固體顆粒。通過此種工藝流程的改進，可以使由洗滌塔來的氣化爐激冷水中固體顆粒含量降低，進一步降低激冷室液相固體顆粒含量。

（6）在下降管與上升管間的環隙氣流通道設置除沫部件。

2 激冷室下降管掛渣、激冷環局部堵塞、激冷室內件燒穿問題

2.1 原因分析

激冷室下降管掛渣、激冷環局部堵塞、激冷室內件燒穿的原因，一是氣化爐渣口滴渣唇沿燒壞；二是激冷環局部堵塞，水分布不均勻，下降管內側水膜被破壞而缺水；三是操作溫度過低，熔渣粘度太高。

2.2 處理措施

（1）定期檢查磨制料漿原料煤的灰熔點。

（2）在氣化爐與文丘里洗滌器之間增設旋風分離器，并使用流量液位串級控制回路嚴格控制其液位，以除去粗煤氣中夾帶的液滴和固體顆粒。通過此種工藝流程的改進，可以使由洗滌塔來的氣化爐激冷水中固體顆粒含量降低，保證有較清潔的激冷水進入激冷環，以避免激冷環堵塞，激冷室內件燒穿問題的出現。

（3）嚴格控制激冷水量及其溫度，以保證灰渣與激冷水膜之間溫差適宜，避免下降管掛渣。

（4）一旦發現渣口燒壞，立即停爐，清理激冷環，更換渣口耐火磚。

3 工藝燒嘴使用壽命短、料漿霧化效果差的問題［1，2］

工藝燒嘴是三流道單噴嘴多元料漿氣化爐的核心部件，其功能有二：一是霧化料漿，二是與爐體匹配形成適宜的流場。以期達到延長物料在氣化爐內的停留時間，延長爐內物料宏觀混合時間、微觀混合時間，提高爐內物料宏觀混合程度、微觀混合程度，從而獲得較高的碳轉換率的目的。

3.1 工藝燒嘴使用壽命不長、料漿霧化效果差的原因

（1）最初三流道單噴嘴多元料漿氣化爐工藝燒嘴為三流道部分預混式噴嘴，中心流道及外流道走氧，中心氧流量約占入爐氧氣總流量的15%，外流道氧流量約占入爐氧氣總流量的85%。第二流道走料漿。中心流道與外流道下端面相距65～70mm，中心流道氧氣與料漿形成預混，二流道出口氧氣和料漿混合物的表觀出口速率在20m／s以上，噴嘴磨損腐蝕嚴重。

（2）該工藝燒嘴采用盤管冷卻方式，外流道頭部為冷卻腔室，分別與冷卻水盤管進出口相連，如果燒嘴冷卻水供應不足、波動過大，長期工作在高溫環境中工藝燒嘴依然要遭受高溫腐蝕。

（3）三流道單噴嘴氣化爐工藝燒嘴尖端同軸度誤差超標，環隙尺寸誤差超過10%～15%，工藝燒嘴尖端龜裂、磨損、開裂，工藝燒嘴尖端回縮量超出偏差值±10%。

3.2 處理措施

（1）采用三流道外混預膜式單噴嘴工藝燒嘴。由于該工藝燒嘴三個流道的下端面基本在同一水平面上，可控料漿膜厚，料漿的霧化效果好于三流道預混式單噴嘴工藝燒嘴。

（2）噴嘴本體用高溫下具有較高耐磨性的inconel600特種不銹鋼，頭部用哈氏合金制作，提高燒嘴在高溫環境中抵抗磨損腐蝕的能力。

（3）開工前，做好工藝燒嘴尖端同軸度誤差、環隙尺寸誤差、工藝燒嘴尖端回縮量檢測、調整工作。消除工藝燒嘴尖端出現的龜裂、磨損、開裂等缺陷。

（4）在裝置試車及日常操作中，精心操作。保證工藝燒嘴冷卻水流量穩定，水壓穩定。工藝燒嘴冷卻水流量調節幅度要小。縮短工藝燒嘴插入氣化爐至投料成功的時間。

（5）在日常操作中，穩定氣化爐操作壓力，加減負荷時應緩慢進行。

4 燃燒反應室耐火磚使用壽命短的問題［3］

4.1 耐火磚使用壽命短的原因

（1）多元料漿與氧氣混合物出噴口后的噴射角（亦稱霧化角）決定了火焰的直徑和長度。為了避免氣流與火焰對氣化爐內襯的直接沖刷，要求噴出火焰的直徑必須小于氣化爐爐膛直徑，長度必須小于爐膛的有效高度。燒嘴外頭出口處燒縮后，其內表面不再平直，變成了弧面，這樣，在環隙減小、外環氧出口流速增大的同時，外環氧噴出方向亦發生了改變，出口角度大于正常的30°，引起煤漿霧化區域上移，且向四周噴射速度增大，燃燒的煤漿流直接沖蝕爐磚，出現如前所述的爐磚損壞。

（2）氣化爐燃燒室耐火磚承受高溫高壓的同時，還要承受高溫熔融煤灰的沖刷及侵蝕。

（3）用來制漿的原料煤灰熔點過高。

（4）氣化爐操作溫度過高。

（5）耐火磚質量差、耐火磚結構設計不合理、筑爐質量太差。

4.2 處理措施

（1）停爐檢查工藝燒嘴環隙偏差、同軸度、回縮量誤差，并修復。如果無法修復，可考慮更換工藝燒嘴。

（2）選用灰熔點較低的原料煤，適當降低氣化爐操作溫度。

（3）在氣化爐殼體與耐火磚之間設置水夾套鍋爐，降低向火面耐火磚表面溫度，使高溫熔融的灰渣在其表面均勻分布結渣，當渣層增厚到一定程度時，高溫熔融灰渣與向火面耐火磚、夾套鍋爐間的傳熱效率下降。熔融灰渣不會再被冷卻粘結在耐火磚上，而在耐火磚表面形成的均勻渣層就可以保護向火面耐火磚免受高溫熔融灰渣的沖刷及侵蝕。這樣做，同時還擴大了氣化原料煤的選擇范圍。

（4）使用高質量的耐火磚。

（5）改進耐火磚的結構設計，注重筑爐質量。

（6）烘爐時嚴格按照烘爐方案操作，保證烘爐質量，延長氣化爐耐火磚的使用壽命。

5 黑水處理系統問題［3］

5.1 黑水處理系統出現問題的原因

三流道單噴嘴多元料漿氣化工藝的一個特點是，工藝用水量較大，但約有三分之二的水是自身循環使用，因此，三流道單噴嘴多元料漿氣化裝置中都設計有一套黑水閃蒸冷卻、固液沉降分離與灰水阻垢回用的工序。在實際運用中，各裝置都遇到類似的問題，即管道、機泵結垢與激冷環堵塞，只是程度不同而已。這種現象的發生，輕者影響負荷，嚴重時則須停車。出現此類問題的主要原因有以下幾個。

（1）制漿用原料煤的灰熔點過高，灰分含量偏高。

（2）助熔劑添加量過大。

（3）循環黑水堿度過大，分散劑、絮凝劑含量過低，造成循環黑水固體顆粒含量嚴重超標。

（4）工藝用水水質較差。

（5）工藝流程設計有問題。

5.2 措 施

（1）選用灰熔點較低，灰分含量較低的原料煤磨制煤漿。

（2）嚴格控制助熔劑用量。

（3）適時調節循環黑水堿度，做好分散劑、絮凝劑的配制及添加工作，降低循環黑水中固體顆粒的含量。

（4）改善工藝用水水質。

6 氣化爐殼體局部過熱問題［3］

6.1 氣化爐殼體局部過熱的原因

三流道單噴嘴多元料漿氣化爐在試車初期，會出現局部過熱現象。通常在以下部位出現過熱現象：一是測溫測壓孔周圍；二是拱頂與頂部噴嘴法蘭縮口區域。分析其原因，主要是高溫氣在過熱部位出現流動所致。造成拱頂高溫氣串動的原因，主要是在拱頂背襯磚后高鋁質輕質保溫澆鑄層的施工出了問題，在該區域出現了空腔。

6.2 解決問題的措施

（1）將測溫孔與測壓孔用耐火保溫棉填實，防止高溫氣串動；

（2）嚴把筑爐質量關，特別是拱頂保溫層澆鑄施工質量；

（3）進一步改進拱頂保溫層設計；

（4）筑爐施工結束后，嚴格按照技術要求在15d內進行烘爐，以保證拱頂澆鑄層的質量；

（5）設計時，不推薦在渦流較強的拱頂設置測壓與測溫孔。

［1］于遵宏，王輔臣.煤炭氣化技術 ［M］.北京：化學工業出版社，2010，7.

［2］王旭賓.德士古煤氣化裝置運行狀況及問題的探討 ［J］.煤氣與熱力，1997，20（6）：6～9.

［3］王旭賓.德士古煤氣化工程技術問題的探討 ［J］.煤氣與熱力，2004，27（4）：197～199.