煤氣化方面德士古氣化爐帶水問題研究進展

姚宇鵬

（內蒙古東華能源有限責任公司，內蒙古準格爾 010300）

我國是煤炭資源消耗大國，在多種生產中需要使用煤炭為原料。當前的煤氣化工藝有著廣泛的應用，許多企業具備成熟的氣流床氣化技術。煤氣化技術有著環境污染小、粗煤氣質量好、原料選擇范圍廣、碳轉化率高、氣化強度大的特點。這種技術有著較長的持續性，而且操作比較方便靈活。但是，在實際生產中，容易出現帶水問題，難以維持德士古氣化爐的液位，不利于保障設備的穩定性，會影響到工業生產。

1 德士古煤氣爐的優點概述

德士古氣化爐有多方面優勢，在環保、節能和能源綜合利用方面發揮了關鍵作用。在運行過程中，可能出現激冷室帶水問題，但是通過引入科學的管理措施，能保障德士古氣化爐長周期、安全、穩定運行。和普通的流化床、固定床相比較，德士古水煤漿加壓氣化工藝有著以下幾方面優點。

1.1 有著較強煤炭種類適應性

德士古氣化爐能使用石油焦、煙煤、次煙煤等，并不會受到灰熔點的影響，在灰熔點比較高的情況下，加入適量的助溶劑。在使用過程中，盡可能選擇質量好、灰熔點低的煤。原料煤都需要進行磨制，所以選擇粒徑10mm 左右的即可。

1.2 有著連續生產性

氧氣和煤漿的生產是連續的，這些原料能持續不斷進入氣化爐。可以設定固定程序排渣，有著較強的可操作性，不需要停車再排渣。

1.3 有著較高的氣化壓力

在高壓情況下，可以顯著降低比容積，實際的單爐產量比較大。所以在生產過程中，節約了煤氣壓縮需要花費的資金和能源。

1.4 合成氣有著較高的質量

使用德士古氣化爐能保障煤氣的質量，有效成分的比例高于80%，可用于生產甲醇。

1.5 有著較高的氣化溫度

氣化溫度介于1 200 ～1 350℃之間，煤的實際轉化率比較高。德士古氣化爐的運行溫度在1 250℃左右，同時能根據渣樣的狀況調整實際操作溫度，能保證96%的碳轉化率。高溫生產過程中，會產生一定的蒸汽，這些蒸汽能在其他生產中使用。

1.6 有著較強的安全性

德士古氣化爐使用濕法磨煤，把添加劑、水和煤加入磨煤機，這種濕磨的方式能避免爆炸危險，沒有傳統干磨法中可能出現的巨大安全隱患。

1.7 德士古氣化爐生產有著一定的環保型

在生產中，氣化爐的溫度比較高，不會產生酚或者焦油等污染環境的副產物。生產過程中排出的廢水包含氨氮合物，這種產物相比廢水更容易處理，處理成本比較低。同時，氣化系統能重復使用水資源，排出的廢水量比較小，處理難度顯著降低。在配制水煤漿的過程中，可以使用工廠產生的難以生化處理、包含大量有機物的廢水，使用這些廢水配制水煤漿，實現了循環利用。

2 氣化爐帶水的現象

1）激冷水進入激冷室之后沒有有效換熱，這樣會引發帶水問題。

2）氣化爐支撐板邊緣溫度降低，由于合成氣中存在較多的水滴，可能會和支撐板發生熱量交換，進而讓支撐板熱量流失。如果上升管和下降管存在環隙阻塞，可能導致兩側出現溫度差別。

3）如果氣化爐液位快速降低，同時洗滌塔液位比較高，可能導致水系統循環失衡。

4）氣化爐底部打黑水出水量減少，氣化爐激冷室液位和閃蒸系統的黑水流量是串級的，所以如果激冷室液位比較低，那么打黑水的出水量也會顯著降低。

5）洗滌塔合成氣溫度比較高，可能會導致氣化爐液位比較低，激冷水作用于合成氣的時間比較短，所以換熱量達不到要求。如果出現帶水問題，那么合成器中的水蒸氣也會有較多熱量，提升了出口溫度。

6）文丘里壓差提升，頻繁波動。合成氣管道中加入激冷水后，也會把細灰帶進管道中，從而影響到管道的通暢性，進而影響到設備的運行。

激冷室帶水問題會引發嚴重后果，會影響到氣化系統的穩定性，不利于工業生產的正常進行。激冷室帶水會提升洗滌塔液位，所以不利于后工段的變換系統運作。帶水會導致操作系統出現大幅度波動，所以難以穩定操作氣化爐，影響到有效氣的成分，所以只能減負荷運行設備，生產量降低。如果帶水問題相對嚴重，氣化爐液位下降程度大，就必須停車處理，會帶來經濟損失。如果洗滌塔水質固含量提升，那么會惡化激冷水水質，激冷環壽命顯著降低。在系統水循環失衡之后，灰水系統的處理負荷提升，在沒有有效處理的情況下，返回系統的灰水水質不符合要求，形成帶水惡性循環。這種問題還會加快設備及管道堵塞、磨損和結垢的速度。

3 氣化爐帶水的原因分析

3.1 氣化爐負荷方面的原因

氣化爐負荷會直接影響激冷室帶水。如果提升氣化爐負荷，那么通氣量和實際壓力變大，但是管道的直徑不會變化，所以在壓力增加的時候，氣體流速顯著提升。流速超過一定數值之后，就會把液體帶出激冷室，就會產生帶水問題。在激冷室中，高溫合成氣的激冷引發了沸騰傳熱。蒸汽溫度和加熱面問題的溫度差決定了液體的過熱程度，如果溫差比較小，那么液體只會輕微沸騰，這種情況屬于對流傳熱。

在溫差較大的情況下，相應的熱流密度和傳熱系數也會提升，這種情況屬于泡核沸騰傳熱。如果溫差繼續提升，數值到了臨界值之后，蒸汽泡的數量顯著提升，進而構成傳熱系數較低的蒸汽膜，這種情況屬于膜狀沸騰傳熱，同時會出現激冷室帶水問題。

由此可見，如果氣化爐負荷比較大，那么會提升熱負荷強度，激冷室中的泡核沸騰傳熱會轉變為膜狀沸騰傳熱模式，傳熱效率顯著降低，同時會帶走較多的水。

3.2 氣化爐爐溫方面的原因

在氣化爐的運行中，必須加強對溫度的控制。一般來說，提升爐溫能保障氣化反應的效率，保障碳轉化率、產氣量、反應速率。但是溫度超過一定界限，氣體流速會提升、總氣量提升，激冷水中包含的飽和水蒸氣量提升，激冷室熱負荷變大。如果氣化爐溫度比較低，那么粗渣含碳量提升、產氣量下降、碳轉化率難以達到要求，可能導致堵塞問題。

3.3 原料煤的質量問題

原料煤的灰熔點、內水、反應活性、黏溫特性也是影響帶水問題的重要因素，屬于解決帶水問題的重要突破口。煤灰的黏溫特性直接影響生產效果，煤灰的流動溫度和軟化溫度都需要符合要求。如果煤灰中的Fe2O3、Al2O3、CaO 含量比較高，那么會形成較多的細灰，難以快速凝固，所以隨著合成氣進入上升管和下降管的空隙中，可能引發阻塞問題。

例如，在某裝置中使用了黑山煤炭和紅沙泉煤炭，黑山煤炭的灰熔點有著較大的波動，所以可能提升氣化爐溫度的波動范圍。另一種煤炭的成漿性比較差，其中的內水含量高，所以形成的煤漿有著較大的黏度。這種煤炭反應活性大，但是可磨指數低，黑山煤炭則有著較低的反應活性和較高的可磨指數。為了讓黑山煤炭的粒度符合要求，加入了較多的鋼棒進行棒磨。

4 德士古氣化爐帶水問題解決措施

1）增加上升管的直徑，增加下降管和上升管之間的環形通道空間。緩和合成氣對液相的影響，降低氣體流通速度，這樣能限制夾帶水的動能，屬于從根源上消除合成氣帶水問題。氣化爐激冷室的上升管都是采用螺栓緊固的，所以能快速更換，維護需要投入的資金不多，這種方式能用于改造設備方面。

2）擴大氣化爐激冷室空間。利用這種方式，能增加激冷室液面上部的分離區域，許多夾帶水會回流到氣化爐激冷室空間中。如果氣體流速相同，那么氣體夾帶水有著相同的動能，液滴帶出速度遠低于分離空間流速，因此會產生較多的合成氣帶水。如果設備滿負荷運行，洗滌塔和氣化爐能實現水平衡。這種情況下，夾帶水能順利回流。如果氣化爐嚴重帶水，那么采用控制氣化爐液位的方式，能擴大氣化爐激冷室液面上的空間，這樣能緩解帶水問題。為了保障氣化爐的液位符合生產要求，可以提升激冷室的尺寸，這種方案適合在設計新裝置的時候應用。

3）在氣化爐合成氣出口管線部位設置氣水分離器，這樣能把水分離出來，而后使其回到氣化爐激冷室中。采用這種措施，不僅能解決帶水問題，還能降低對激冷水的需求，改善激冷水水質、洗滌塔水質，降低動力消耗，有利于簡化洗滌塔和氣化爐的操作，這種改造方案比較理想。

例如，可以改造激冷室的直徑，也可以提升上升管的直徑，這樣能促進合成氣流的流動，提升了流動空間，避免對合成氣中的水顆粒做功。在設計氣化爐的過程中，可以提升下降管底部大鋸齒的數量，利用不規則鋸齒的作用，消除激冷室產生的氣泡。針對激冷室，設置破泡條，可以消除氣泡，避免出現膜狀傳熱的問題。利用鐘罩形狀的上升管，能提升防堵的效果。如果系統中的水質比較差，可能在大黑水管線內部形成水垢，也會在氣化爐激冷室中引發堵塞問題，所以采用一開一備用閥門的形式，避免出現被迫減負荷停車的問題。氣化爐屬于氣化設備的核心裝置，包括激冷室和燃燒室模塊，激冷室主要部件則包括激冷環、下降管和上升管，針對這些構件都可以進行改造。

4）提升氣化爐激冷水的排出量和供應量。減少水沫的產生、降低激冷水和合成氣之間的熱流強度、改善激冷室水質并且降低激冷水溫度。想要達到這個目的，需要提升閃蒸系統的負荷并且提升洗滌塔循環泵的功率，改變整體系統水平衡。

5 結束語

為了保障氣化系統的穩定性，必須解決氣化爐合成氣帶水問題。引發帶水問題的原因是多元化的，可能是系統水質、氧氣流量、原料煤、操作溫度、氣化爐負荷方面的問題。在實際操作中需要引入有效預防措施，如果出現了帶水問題，需要及時判斷帶水的具體原因，而后進行針對性調整，保障系統的穩定性。