殼牌煤氣化爐渣屏結渣原因分析及優化措施

李建營，沈小炎

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司(以下簡稱龍宇煤化工)是河南能源化工集團有限公司下屬企業，現已形成年產50萬t甲醇、20萬t二甲醚、40萬t醋酸及2×20萬t乙二醇產能規模。龍宇煤化工現配置1臺殼牌粉煤氣化爐和2臺具有自主知識產權的五環粉煤氣化爐為裝置提供粗煤氣，當前原料煤主要是以永城本地煤為主原料，摻配部分陜西煤(如彬縣煤、高家堡煤、文家坡煤、亭南煤等)。煤氣化用煤以無煙煤居多，原料煤煤質穩定是殼牌氣化裝置穩定運行的基礎。由于本地無煙煤(新橋煤)煤質波動較大、灰分含量較高、外地配煤原料供應量有限、品種繁多等原因，最終導致入爐原料煤煤質波動較大，造成殼牌煤氣化爐運行過程中出現渣屏結渣(渣池堵渣)的現象。本文結合企業針對殼牌氣化爐下渣口設備設計構造和正常運行期間渣屏結渣的現象，初步分析造成渣屏結渣的原因以及渣池堵渣的預防、處理措施，共同探討預防渣屏結渣的方法。

1 殼牌粉煤氣化工藝

殼牌粉煤氣化爐采用氣流床加壓氣化、液態排渣工藝替代固體排渣工藝，粉煤氣化爐的氣化溫度高達1 400～1 700℃，氣化爐反應室采用水冷壁結構，4個煤燒嘴分區插入到氣化爐環形爐壁突出的燒嘴罩中，水平對稱，徑向4.5°小角度安裝的煤燒嘴將煤粉氣流噴出，在氣化爐內進行不完全氧化反應，產生大量粗煤氣，在氣化爐反應器內形成了一股旋轉上升的氣流，煤粉反應后產生的高溫將微米級的灰分熔化形成毫米渣顆粒。在高速旋流粗煤氣產生的離心力作用下，粗煤氣中微小熔渣顆粒在氣化爐爐膛水冷壁內表面冷卻形成渣層，液態熔渣的固化可以起到“以渣抗渣”的作用，對氣化爐的長期穩定運行和簡化操作起著極其重要的作用。由于殼牌氣化爐下渣口原始結構設計原因，導致高負荷運行時氣化爐渣屏易結渣，進而導致下渣口易堵渣，這是殼牌粉煤氣化爐存在的共性問題。目前，殼牌氣化爐應用企業對于渣屏結渣普遍缺乏有效的監控手段和在線處理措施，一旦渣屏處形成的大渣塊垮渣掉入渣池，導致U-1400渣水系統液位及渣池循環水泵流量出現大幅度波動，如果處理不及時，則只能被迫停車，或者直接觸發氣化爐大聯鎖而跳車。

2 氣化爐渣屏的結構和功能

殼牌氣化爐錐型渣屏是氣化爐水汽系統的一部分，其位置在渣口與渣池之間，主要功能是支撐渣口，為高溫渣口和渣池液位提供熔渣落入渣池過程中一個合適的溫度梯度分布。

氣化爐渣屏是一個具有高度氣密性的、由多個水通道組成的“管-翅-管”結構，來自強制循環鍋爐水泵P-1301的飽和鍋爐水經過分配管進入組成渣屏的多個水通道。由于渣屏工作在高溫區、熔渣沖蝕區，渣屏水冷壁上設置了金屬銷釘，銷釘外表面澆注一層14mm厚碳化硅耐火材料[1]，以抵擋氣化爐爐膛內高溫熔渣的沖蝕作用。因此，綜合熔渣流體速度較低的強旋流流場特點和渣屏所在的具體位置，必須確保渣屏運行的正常工況，以避免因溫度梯度不合適而導致渣口堵塞。

3 渣屏結渣的具體現象及原因分析

氣化爐正常運行期間，由于高溫熔融渣在下渣口處的流動性好，液態熔融渣的液滴在下落過程當中，被氣化爐產生的合成氣旋流連續帶到錐形渣屏環縫處附著，并不斷地在渣屏處堆積凝固，這個過程叫渣屏掛渣(正常渣的形態是由2～5mm的渣顆粒和1mm球顆粒及少量煤泥組成，見圖1)。

圖1 正常的渣樣

3.1 渣屏結渣的現象

3.1.1 渣池環形空間溫度上漲

由于氣化爐爐膛內部環境溫度過高(1 400～1 600℃)，因此，原始設計并未設置渣屏所處位置的溫度探頭，無法實時監測氣化爐環形空間的內部溫度。但從目前殼牌氣化爐裝置渣屏結渣后的運行情況分析，渣池環形空間外殼溫度測點13TI0036/37/38/54均呈不同程度的上漲趨勢，特別是13TI0038溫度點上漲趨勢較為明顯，最高達到375℃，可由此間接判斷出渣屏出現結渣。

3.1.2 渣池液位及破渣機油壓出現波動

由于氣化裝置渣池環形空間外殼溫度出現不同程度的波動，使得爐溫和爐壓控制不穩定，伴隨著爐壓的波動，渣池液位會出現一定程度的波動，此時會導致渣池下部排放罐出現排渣不暢的現象。此時，除渣崗位操作人員會采取“上頂下壓”的排堵模式進行排堵，由于排堵過程中渣鎖斗V-1403內部充壓排堵“上頂”的氮氣進入渣屏空間區域，冷氮氣攜帶少量濕氣上升與懸掛不牢靠的渣錐接觸，會導致渣塊脫落，破渣機油壓也會隨之出現不同程度的波動。

3.1.3 初步水處理系統濾餅產量下降

氣化裝置初步水處理系統中臥螺機濾餅產量、渣中殘碳含量、渣水固含量會大幅度減少，特別是臥螺機的濾餅產量會成倍下降。

3.2 渣屏結渣原因

3.2.1 熔融的渣受到黏結力的作用

由于受熔渣與渣屏水冷壁間黏結力的限制，熔渣在渣屏壁面上生長緩慢，并形成鐘罩樣渣層、鐘乳石樣渣[2]，到一定厚度時便會脫落掉入渣池，造成排渣系統的落渣管、破渣機處形成架橋堵塞，渣池堵渣。

3.2.2 未反應的煤粉在渣屏區域產生二次反應

氣化爐內部燃燒反應過程中，少量體積密度較輕的、未參與反應的煤粉，與大量下降的熔渣混合，伴隨著高速旋流合成氣經過渣口進入渣屏空間。在渣屏與渣口相連接的環系空間區，由于頂部錐段存在回流區及氣化爐內部平衡孔隙，尺寸較小、密度較輕的煤粉顆粒向上回流，黏附在渣屏上部錐段的耐火材料表面，發生二次反應(即碳反應)。碳反應完畢之后，微米級的灰分高溫緩慢熔化，匯集的熔渣液滴向下流動，當渣屏與渣口相連接的環系空間區被渣屏黏附粉煤受熱熔化液滴渣填滿后，液滴渣可通過渣屏與渣口相連接的環系空間區沿渣屏流動，由于殼牌氣化爐下渣口流場的旋轉特性和渣屏梯度降溫速率對黏溫特性的影響，下落的液滴渣具有旋流特性，在運行過程中必然會部分黏附到渣裙及渣屏壁面上，渣屏下部錐段與渣池上部空間溫度低于煤粉的流動溫度，液滴熔渣流動到渣屏下部錐段時，緩慢凝固形成渣塊。

3.2.3 煤灰黏度高

目前，氣化爐所用煤種較為復雜，根據氣化原料煤分析具體數據(見表1)，本地新橋煤煤種M1灰分波動較大(最高可達到27%以上)，灰熔點較高，外地煤M2、M3灰分偏低(最低可達到12%以下)，灰熔點也偏低，兩者配煤煤種灰分相差15%左右。

表1 氣化原料煤分析數據

本地高灰分的煤和外地低灰熔點的煤在配置不均勻的情況下，煤灰成分中 SiO2大幅增加，造成煤灰黏度偏高，導致熔渣結渣性增強。同時，兩種配煤的灰熔點(FT)偏差不宜過大，在爐溫控制窗口擴大的情況之下，容易導致灰熔點(FT)較低的煤種形成的渣流動性較強，易引發渣屏區域結渣。

4 渣屏結渣問題的優化和預防措施

(1)嚴格監控好渣池環形空間外殼溫度變化，間接通過13TI0036/37/38/54表溫指示體現渣池環形空間溫度，所有溫度測點不得超過260℃。

(2)在發現氣化爐渣屏出現有結渣現象的初期，可以選擇將去渣池環形空間吹掃氣閥門13XV0033閥門打開，在渣屏與渣口相連接的環系空間平衡區補入少量的高溫、高壓二氧化碳氣體，氣體會通過氣化爐內部平衡孔隙干擾渣屏空間回流區流場。

(3)控制好入爐配煤的煤灰成分及灰熔點(FT)，配煤的兩種煤的灰分差保證在10%以內，以防止因配煤不均使灰組分波動，出現工況波動。相關實驗數據及工業生產數據表明[4]，當灰渣的黏度在25～3Pa·s時，灰渣熔融流動性較好，渣口處下渣順暢。同時也要控制好所配煤種之間的灰熔點(FT)之差，要求兩種配煤的灰熔點(FT)相差必須小于200℃，避免因煤種之間灰熔點跨度較大，導致熔渣流場發生湍流變化。

(4)控制入爐灰中鋁比在1.8～2.6，控制入爐煤灰分在17%～21%。操作過程中，適當提高氣化爐內反應區反應溫度，穩定煤線，減少粉煤給料罐壓力波動和煤燒嘴跳車次數，穩定氣化爐爐溫，防止爐溫大幅波動造成氣化爐底錐掛渣不穩定對渣屏結渣的影響，根據煤種變化及灰熔點，監控爐膛蒸汽產量13FY0047在5.3～5.5kg/s，固含量控制在2%以下，CO2在線分析表變化在12%～15%(煤線控制載氣為CO2工況)。

(5)適當提高氧煤比，增加氣化爐反應區溫度，或適當提高助熔劑的添加量，增加渣的流動性，降低渣的黏度，使渣逐漸熔融掉進渣池內部。

5 采取優化和預防措施后的效果

自2016年完成全部操作優化和預防措施之后，龍宇煤化工殼牌煤氣化裝置運行穩定，即便在入爐煤品質出現短期較大波動時，技術人員可以針對上述現象采取最合適的優化操作手段，有效解決氣化爐渣屏結渣問題，避免由此造成氣化爐工況劇烈波動乃至跳車、停車帶來的較大損失，保證了殼牌氣化爐的穩定運行。

6 結語

針對殼牌煤氣化裝置在操作過程中出現的渣屏結渣的共性問題，龍宇煤化工經過深入分析和科學探討，制定了一系列行之有效的優化方案，一方面控制好原料煤煤質，另一方面要準確收集和掌握相應的運行數據，以預判可能出現的渣屏問題，并及時進行分析解決，保證氣化爐的穩定運行，進而實現裝置長周期運行，對國內其他企業實現殼牌煤氣化裝置的穩定運行具有良好的借鑒價值。