粉煤氣化爐反應(yīng)室漏水及應(yīng)對(duì)措施研究

李文艷，郭小杰

(1.大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 大同 037000；2.同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

殼牌粉煤加壓氣化爐工藝具有工藝指標(biāo)先進(jìn)、煤種適應(yīng)性強(qiáng)、單臺(tái)爐投煤量大、安全系數(shù)高、冷煤氣效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[1]。2001年以后，我國(guó)先后引進(jìn)34臺(tái)投煤量為900～3 200t/d規(guī)模的殼牌粉煤氣化爐。隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累和問(wèn)題導(dǎo)向性的技改，殼牌氣化爐A級(jí)連續(xù)運(yùn)行達(dá)百天已常態(tài)化，單套爐每年平均在線率已超過(guò)300d。殼牌氣化爐用戶在商業(yè)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生燒嘴罩、燒嘴頭或者膜式水冷壁漏水的問(wèn)題。精準(zhǔn)判斷氣化爐是否漏水以及漏水部位，制定合理應(yīng)急措施，避免非計(jì)劃停車，延長(zhǎng)氣化爐在線運(yùn)行周期。

1 氣化爐調(diào)和水系統(tǒng)和水汽系統(tǒng)工藝流程

調(diào)和水系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。氣化爐的4個(gè)煤燒嘴由調(diào)和水系統(tǒng)冷卻。冷卻水先經(jīng)調(diào)和水泵升壓，再經(jīng)調(diào)和水加熱器調(diào)溫后(6.07MPa(g)，210℃)，送至4個(gè)煤燒嘴環(huán)隙冷卻燒嘴頭(厚度為1.5mm)，出煤燒嘴的調(diào)和水返回調(diào)和水泵進(jìn)口。調(diào)和水量不足時(shí)，需加入鍋爐給水補(bǔ)充(7.6MPa(g)，209℃)。為保證調(diào)和水水質(zhì)，在除鹽水補(bǔ)水管線及調(diào)和水管線上分別設(shè)置了鍋爐給水過(guò)濾器、調(diào)和水過(guò)濾器。調(diào)和水加熱器用于補(bǔ)償調(diào)和水系統(tǒng)中的熱量損失。

圖1 調(diào)和水系統(tǒng)流程

高壓氮?dú)庀到y(tǒng)保證調(diào)和水緩沖罐壓力恒定。循環(huán)水過(guò)濾器用于過(guò)濾除去燒嘴調(diào)和水通道的結(jié)垢。水汽系統(tǒng)流程見(jiàn)圖2。

圖2 水汽系統(tǒng)流程

從界區(qū)來(lái)的中壓鍋爐給水(7.9MPa(g)，209℃)補(bǔ)入中壓汽包，保證汽包正常液位。汽包內(nèi)鍋爐水經(jīng)中壓循環(huán)水泵加壓后，分別供給氣化爐反應(yīng)室水冷壁、輸氣管蒸發(fā)器、廢熱鍋爐蒸發(fā)器。中壓鍋爐水被加熱成水/汽混合物，重新循環(huán)回中壓汽包大室或小室，蒸汽與鍋爐水分離，產(chǎn)生中壓飽和蒸汽(4.5MPa(g)，271℃)。

汽包產(chǎn)生的中壓蒸汽經(jīng)廢熱鍋爐過(guò)熱段過(guò)熱(4.5MPa(g)，400℃)，然后送至全廠中壓蒸汽管網(wǎng)。

2 燒嘴頭泄漏判定方法

2.1 分析燒嘴頭泄漏過(guò)程

2015年5月5日8∶01到5月7日6∶19期間，在氣化爐用煤質(zhì)、氧氣負(fù)荷、爐溫等參數(shù)都穩(wěn)定的前提下，粗合成氣組分中H2/CO比值的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

圖3 合成氣中H2/CO比值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

從圖3中可看出，合成氣中H2/CO變化趨勢(shì)圖呈現(xiàn)突變、升高過(guò)程。5月5日8∶01分，H2/CO比為0.335，5月6日1∶20分，H2/CO比為0.34，且開(kāi)始逐漸升高，5月6日8∶59分，H2/CO比升高至0.412，并保持穩(wěn)定，經(jīng)7小時(shí)39分鐘后，比值升高了0.077。

煤炭氣化反應(yīng)是受眾多因素制約且共同作用的結(jié)果，受氣化溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間、進(jìn)料穩(wěn)定性及其理化特性的影響。因反應(yīng)室溫度高(1 400～1 500℃)，漏入的水以水蒸氣狀態(tài)存在，促進(jìn)CO+H2O=CO2+H2反應(yīng)發(fā)生，合成氣中的CO2和H2含量增加，CO含量降低[2]；合成氣中H2/CO比值升高，可斷定氣化爐反應(yīng)室有水進(jìn)入，具體漏水位置仍需分析其他數(shù)據(jù)后才可知。水汽系差值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖4 水汽系差值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)

從圖4中可以看出，從2015年5月5日8∶01到5月7日6∶19期間，氣化爐水汽系統(tǒng)上水和外供蒸汽的差值(水汽差值)雖有波動(dòng)，但未出現(xiàn)大幅度變化。模擬趨勢(shì)線較平穩(wěn)，平均值為26.2kg/s。可判定氣化爐水汽系統(tǒng)無(wú)異常變化，即氣化爐反應(yīng)室的水冷壁、燒嘴罩等水汽系統(tǒng)無(wú)泄漏。調(diào)和水罐液位隨時(shí)間變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖5 調(diào)和水罐液位隨時(shí)間變化的趨勢(shì)

從圖5中可以看出，5月5日8∶00至5月6日8∶00期間，調(diào)和水系統(tǒng)中調(diào)和水罐液位由62.1%降至58.4%，降低了3.7%。經(jīng)每天6次現(xiàn)場(chǎng)巡檢，5月1日到5月15日檢查管線、設(shè)備、機(jī)泵等設(shè)施，無(wú)水外漏，但從調(diào)和水罐液位降低的現(xiàn)象可斷定，燒嘴頭處有水泄漏至氣化爐反應(yīng)室并參與化學(xué)反應(yīng)。

2.2 燒嘴頭泄漏原因及應(yīng)對(duì)措施

2.2.1 泄漏原因

(1)氣化爐爐溫和煤種不匹配，導(dǎo)致液態(tài)渣流動(dòng)性差、渣層變厚、漫過(guò)燒嘴罩遮擋火焰，引起火焰偏離方向，折射的火焰燒壞燒嘴頭部。

(2)煤線運(yùn)行不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為燒嘴經(jīng)常跳停、粉煤密度和速度波動(dòng)等。煤粉波動(dòng)引起爐溫波動(dòng)，進(jìn)一步引起煤燒嘴周圍熱循環(huán)波動(dòng)，加速燒嘴頭部熱疲勞損傷。

(3)氣化爐溫度越高，熱通量及溫差越大，加劇燒嘴頭部熱疲勞損傷及高溫腐蝕[3]。

(4)調(diào)和水罐壓力穩(wěn)定，氣化爐壓力波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致調(diào)和水和氣化爐爐膛壓差波動(dòng)，加速裂紋擴(kuò)展速度。

2.2.2應(yīng)對(duì)措施

為了穩(wěn)定生產(chǎn)，可采取以下應(yīng)急措施：①立即停止向燒嘴添加中壓蒸汽；②緩慢提高氧煤比，提高氣化爐反應(yīng)室溫度，保持渣的流動(dòng)性，從而避免堵渣；③降低調(diào)和水罐壓力，減少調(diào)和水和氣化爐壓差對(duì)漏點(diǎn)的影響；④密切監(jiān)控漏水量。依據(jù)設(shè)計(jì)燒嘴添加的蒸汽量為11.08 t/h(最大值)，若漏水量超過(guò)該值，應(yīng)作停車處理。

3 燒嘴罩泄漏判定方法

3.1 分析燒嘴罩泄漏過(guò)程

2019年3月8日6∶30，操作人員發(fā)現(xiàn)破渣機(jī)油壓不規(guī)則波動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)渣樣存在部分大塊渣(約12cm左右)，大塊渣持續(xù)出現(xiàn)。水汽系差值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖6。

圖6 水汽系差值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)

從圖6可看出，氣化爐水汽系統(tǒng)鍋爐給水進(jìn)水和出蒸汽差值呈現(xiàn)突然升高的趨勢(shì)，均值由5.51 kg/s，上升至9.45kg/s。

儀表、現(xiàn)場(chǎng)管線確認(rèn)完好，水汽差值增大，判定氣化爐水汽系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏。水汽系統(tǒng)可能泄漏的位置為氣化爐反應(yīng)室、輸氣管段、廢熱鍋爐。

手動(dòng)分析氣化爐產(chǎn)合成氣中氫氣組分占比,3月5日～7日為22.08%，3月8日～10日為22.87%。3月8日前后，氣化爐產(chǎn)合成氣中氫氣組分占比平均值上升了0.79%。水汽系統(tǒng)泄漏的水參與了氣化反應(yīng)，使合成氣中氫氣組分占比升高。經(jīng)過(guò)分析，調(diào)和水罐液位保持穩(wěn)定。

由以上分析可判定，氣化爐水汽系統(tǒng)泄漏部位為氣化爐反應(yīng)室，依據(jù)殼牌氣化爐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知反應(yīng)室水冷壁設(shè)計(jì)渣保護(hù)，泄漏可能較小，本次泄漏部位為燒嘴罩。

3.2 燒嘴罩泄漏的原因及應(yīng)急措施

3.2.1 燒嘴罩泄漏的原因

(1)氣化爐運(yùn)行處于不合適的操作窗口(氧煤比持續(xù)偏低)，導(dǎo)致液態(tài)渣流動(dòng)性差，渣層變厚，漫過(guò)燒嘴罩，遮擋火焰，引起火焰偏離方向，折射的火焰燒壞燒嘴罩。

(2)氧煤比控制不合適，若氧煤比持續(xù)偏高，表明氣化爐爐膛溫度持續(xù)升高，會(huì)導(dǎo)致燒嘴罩熱負(fù)荷過(guò)高，最終導(dǎo)致燒嘴罩水管壁高溫過(guò)氧燒蝕[4]。

(3)燒嘴罩安裝不規(guī)范。燒嘴頭和燒嘴罩同心匹配，二者安裝間隙必須滿足5～23mm的要求。

(4)汽包水質(zhì)長(zhǎng)期不合格，形成管道內(nèi)腐蝕。殼牌氣化爐鍋爐給水控制指標(biāo)：溶解氧小于7μg/L，電導(dǎo)率小于0.2μS/cm，SiO2含量小于20μg/L，pH值為9.5～10.5[5]。

3.2.2應(yīng)急措施

(1)提高氣化爐反應(yīng)室溫度，緩慢提高氧煤比，直到無(wú)大塊渣出現(xiàn)為止，保持高爐溫操作。

(2)為了防止廢熱鍋爐入口合成氣溫度超溫，導(dǎo)致廢熱鍋爐入口積灰，在提升氧煤比的同時(shí)，降低氣化爐負(fù)荷。

(3)保證煤線穩(wěn)定，防止單條燒嘴跳停，避免出現(xiàn)短時(shí)間的低爐溫。

(4)提高氣化爐壓力，降低水汽系統(tǒng)中的汽包壓力，以減小汽包與氣化爐的壓力差對(duì)泄漏點(diǎn)處的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)合成氣中H2/CO比升高，可斷定氣化爐反應(yīng)室有水泄漏進(jìn)爐膛并參與化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)調(diào)和水罐液位降低，斷定燒嘴頭處有水泄漏至氣化爐反應(yīng)室。

(2)氣化爐進(jìn)料不穩(wěn)定，氣化爐處于不合適的操作窗口，過(guò)高、過(guò)低的爐溫或氣化爐壓力過(guò)高都會(huì)導(dǎo)致燒嘴泄漏。

(3)燒嘴罩泄漏的判定方法為排除法，首先分析水汽系統(tǒng)的水汽差值，確認(rèn)水汽系統(tǒng)漏水，結(jié)合合成氣中氫氣含量以及合成氣除灰系統(tǒng)壓差變化，排除氣化爐輸氣管段和廢熱鍋爐漏水。

(4)燒嘴頭和燒嘴罩泄漏的應(yīng)急處置方法為提高爐溫，保證排渣正常；降低氣化爐負(fù)荷，防止廢鍋積灰；降低氣化爐和水汽系統(tǒng)或調(diào)和水系統(tǒng)的壓差，控制漏水量；保證氣化爐進(jìn)料系統(tǒng)的穩(wěn)定。