一種煤粉氣化爐運行問題的探討與分析

張輝 景壽堂（國能集團寧夏煤業公司煤制油分公司氣化廠 銀川750411）

1 裝置流程

現有工藝流程及裝備如圖1所示。

煤粉制備單元制備的煤粉通過煤粉加壓輸送單元的設備，以高壓氮氣或高壓二氧化碳作為載氣輸送至氣化爐與輸送主燒嘴，與送至主燒嘴的氧氣在主燒嘴端部進行混合，在點火燒嘴已點燃火焰的作用下，在氣化爐燃燒室內發生不完全燃燒，產生主要成分為CO+H2的煤氣[1]，也稱為合成氣，同時生成少量熔渣。合成氣與熔渣通過下降管離開燃燒室進入氣化爐激冷室液面以下。合成氣離開下降管后，通過激冷室激冷水的水浴洗滌及降溫，之后沿下降管外壁與氣化爐爐壁所形成的環隙鼓泡上升，離開環隙后，通過與激冷室頂部連接的合成氣管線輸送至文丘里洗滌系統，經文丘里系統洗滌降溫后去合成氣洗滌塔，進一步除塵降溫后送至變換工序；被合成氣及熔渣污染及升溫的激冷水變成黑水，被送至閃蒸系統進行閃蒸處理；熔渣通過氣化爐激冷室激冷水的冷卻形成固態渣，沉降在激冷室底部，經破渣機破碎后通過渣鎖斗排出。

合成氣進入文丘里洗滌系統后，在加入一級文丘里洗滌器的高壓循環水洗滌后一同進入一級文丘里分離罐進行氣液分離，氣液分離后的液相通過管線進入合成氣洗滌塔；氣液分離后合成氣進入二級文丘里洗滌器[2]，在加入二級文丘里洗滌器高壓循環水的洗滌后一同進入合成氣洗滌塔。合成氣洗滌塔進水有高壓循環水、高溫凝液、汽提凝液、脫鹽水、一級文丘里分離罐洗滌水、二級文丘里洗滌水。合成氣洗滌塔腰部出水通過激冷水泵送至氣化爐激冷室做激冷水用，合成氣洗滌塔底部出水送往閃蒸系統進行閃蒸處理。

圖1 現有工藝流程及裝備圖

2 氣化爐帶水帶渣的現象及危害

2.1 氣化爐帶水的異常現象

在設備運行過程中，氣化爐出現帶水現象時，將產生以下異常現象：

（1）氣化爐激冷室的液位降低，黑水去閃蒸系統的調節閥開度自動減小，其中該調節閥起著調節激冷室液位的作用[3]；

（2）合成氣溫度上漲偏高；

（3）系統壓差上漲且波動較大，一級文丘里分離罐液位上漲嚴重，一級文丘里分離罐底部液位調節閥開大；

（4）合成氣洗滌塔液位上漲，合成氣洗滌塔液位調節閥開度減小；

（5）閃蒸系統中閃罐液位調節閥開度關小，中閃罐壓力調節閥開度自動減小；

（6）向黑水管線竄氣導致黑水管線溫度上漲；

（7）合成氣洗滌塔壓差容易上漲及容易出現合成氣向變換系統帶水。

2.2 氣化爐帶水的危害

（1）合成氣溫度容易出現上漲而導致跳車；

（2）易向黑水管線竄合成氣而導致管線變形爆裂；

（3）合成氣洗滌塔內部水質臟，易導致合成氣洗滌塔塔盤堵塞；

（4）系統水質變差，系統管線及設備容易結垢；

（5）氣化爐爐壁易接觸高溫合成氣，導致氣化爐爐壁高溫變形爆裂。

2.3 氣化爐向后系統帶渣的現象及危害

圖2 優化工藝流程及設備圖

（1）一級文丘里洗滌器前后壓差上漲；

（2）激冷水流量調節閥開大，激冷水流量減小；

（3）激冷水過濾器及激冷環前后壓差上漲；

（4）合成氣洗滌塔底部開路排放管線磨損嚴重；

（5）沉降槽向過濾機輸送泥漿量波動嚴重，過濾機濾餅經常性帶有粗渣。

2.4 氣化爐向后系統帶渣的危害

（1）一級文丘里分離罐底部堵渣嚴重；

（2）出氣化爐至閃蒸系統黑水管線磨損嚴重，導致黑水管線爆裂；

（3）閃蒸系統管線及附屬閥門經常性磨穿泄漏；

（4）系統儀表根部管線及溫度表套筒易結垢，造成儀表顯示不準；

（5）激冷水泵、閃蒸泵、泥漿泵葉輪磨損嚴重；

（6）中、低、真閃緩沖件及角閥短接經常性磨穿；

（7）激冷水泵頻繁出現清濾網；

（8）開路排放管線及附屬流量計磨損嚴重，導致磨穿泄漏；

（9）沉降槽底部和泥漿管線經常性堵。

3 氣化爐向后系統帶水帶渣分析

3.1 氣化爐合成氣向文丘里洗滌系統帶水帶渣過程分析

燃燒室發生煤和氧氣的不完全燃燒后，所生成的合成氣與進入下降管的激冷水發生了熱傳質，合成氣被冷卻，激冷水被加熱，部分激冷水與被加熱后生成了飽和蒸汽進入合成氣中[4-5]。合成氣離開下降管后，在下降管外壁和氣化爐壁所形成的環隙間通過激冷水所形成的液層鼓泡上升，在此上升過程中由于氣體流速快而夾帶了一部分激冷水離開液面，這部分水中的一部分由于在上升過程中由于撞擊環隙壁而失去動能或被降溫而回到激冷水液面，一部分而懸浮于環隙中，一部分最終被合成氣帶入文丘里洗滌系統，最終進入合成氣洗滌塔中作為激冷水送至氣化爐，合成氣洗滌塔底部沉淀后的渣水通過開路排放管線進入閃蒸系統。在這一過程中帶水伴隨著帶渣。

3.2 氣化爐合成氣向后系統帶水帶渣理論分析

由于合成氣在激冷水液層中穿行過程是一種氣、液、渣的分散系，并伴隨著熱傳質的過程，特別復雜，現僅從兩方面進行分析。

（1）借鑒氣流輸送理論，從氣體流速方面考慮。合成氣所夾帶的水滴及渣粒，與合成氣的密度相差較遠，這一點接近了氣流床的特點，從而合成氣中所夾帶的小水滴和渣粒會以流化狀態被帶出氣化爐，這其中合成氣氣流速度起到了很關鍵的作用。

（2）從熱傳質角度考慮，根據流體沸騰傳熱理論，在高溫合成氣以一定流速流動過程中會將部分水滴加熱到沸騰狀態從而產生泡核，當熱量達到一定值時，會將高效的泡核沸騰轉化成低效的膜狀沸騰，這將會在氣相中夾帶大量水沫。水沫密度遠低于液體，所以氣體所帶走水沫的能量會大大降低，從而發生以夜沫夾帶方式帶走大量的水。這種夜沫夾帶的帶水方式也經常出現在合成氣洗滌塔帶水方式中。

3.3 氣化爐黑水向黑水閃蒸系統帶渣過程分析

氣化爐燃燒室所生成的合成氣以較快流速進入激冷室液面以下，此時由于合成氣的流速慣性沖擊到激冷室的渣沉降層，對激冷室液面以下所沉淀的渣有所擾動，使得本該沉降的渣粒混合在激冷水中，使得激冷室水質渾濁伴隨渣粒，這部分渣顆粒一部分被合成氣帶至文丘里系統，一部分通過黑水管線帶入閃蒸系統。還有一部分渣粒進入激冷室液面時，由于被合成氣的擾動直接進入黑水管線。從而這兩部分進入黑水管線的渣粒被送入沉降槽，最終被過濾機過濾后混合在渣餅中。

4 合成氣帶水帶渣問題及黑水帶渣問題的處理措施

根據上述分析，對工藝及設備整改措施如圖2所示。

（1）增大下降管直徑減小合成氣的流速，減小對激冷室液位的沖擊，從而對激冷室液位升高及穩定有很好的效果。這一措施已得到實踐驗證。

（2）增大氣化爐激冷室直徑，以擴大下降管外壁與激冷室內壁所形成的環隙，從而以此種方式降低合成上升流速，減小合成氣所帶水的動能，從源頭上抑制合成氣帶水的問題。擴大激冷室直徑也可以增大氣液分離空間，從而使更多的小水滴形成大水滴沉降到激冷室液面。

（3）將一級文丘里分離罐水通過加壓方式送至激冷室中，從而減小合成氣洗滌塔的渣粒來源。

（4）加長氣化爐激冷室長度，以增大下降管與激冷室底部的距離，從而減小合成氣對激冷室渣沉淀層的干擾。

（5）加大激冷水用量，同時加大去黑水閃蒸系統的閃蒸量，對激冷室水質置換起到幫助。這當然對合成氣洗滌塔的供水量有了新要求。

5 結語

氣化爐激冷室向后系統帶水帶渣問題對氣化爐安、穩、長、滿、優運行影響很大，同時對現場低標準影響很大，對系統水質影響極為嚴重，水質不是趨于中性，而是經常性的呈現酸性。氣化爐帶水帶渣的主要原因在于系統的熱負荷過高，而激冷室的設計處理量偏小所造成的。因此通過增大下降管和氣化爐直徑、加長氣化爐激冷室長度可以有效解決氣化爐的帶水帶渣問題，從而降低管線及設備的堵塞及磨損、有效改變系統水質、降低系統管線及設備的結垢，達到系統安、穩、長、滿、優的運行目的。