氣化爐激冷水系統(tǒng)的優(yōu)化

劉 霄，張 龍

（陜煤集團(tuán) 榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

0 引 言

在粉煤氣化的流程中，激冷水系統(tǒng)對(duì)于降低粗合成氣的溫度，維持一定的氣液比均起著非常重要的作用。

激冷室里充有一定液位的冷卻水，來自粉煤加料罐內(nèi)的粉煤與經(jīng)氧氣預(yù)熱器預(yù)熱后的氧氣在氣化爐高溫、高壓條件下迅速反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的高溫粗合成氣經(jīng)渣口進(jìn)入氣化爐激冷室內(nèi)，先經(jīng)激冷環(huán)，由激冷環(huán)小孔斜向噴出的水幕激冷，然后，沿下降管進(jìn)入激冷室內(nèi)進(jìn)行水浴。

在下降過程中，高溫合成氣與下降管內(nèi)壁的水膜并流接觸，進(jìn)行傳熱與傳質(zhì)，高溫合成氣將熱量傳遞給水膜，使水部分汽化進(jìn)入合成氣主流，將合成氣的溫度急劇降低并增濕。

激冷室液位到合成氣出口的空間為汽水分離空間，若汽水分離不充分，產(chǎn)生合成氣帶水現(xiàn)象，大量灰分隨著合成氣夾帶的水進(jìn)入到洗滌塔內(nèi)，影響了洗滌塔的水質(zhì)，以及合成氣的清潔度。洗滌塔水質(zhì)的惡化影響了氣化爐激冷環(huán)上的激冷水水質(zhì)，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)加劇氣化爐激冷水管線結(jié)垢。

合成氣在激冷室內(nèi)初步洗滌除灰，降溫后通過導(dǎo)氣管、分離擋板進(jìn)入下游的洗滌系統(tǒng)。熔渣在激冷室中與水直接接觸冷卻，迅速固化為不規(guī)則的固體小渣粒，并沉降在激冷室下部的渣池中，隨后進(jìn)入粗渣收集排放系統(tǒng)。

激冷室中的飛灰和細(xì)渣懸浮在激冷水中，隨黑水排放進(jìn)入灰水處理系統(tǒng)。由于粗合成氣的溫度較高，容易將激冷室的下降管燒穿。

為了避免下降管被燒穿，同時(shí)，對(duì)維持一定氣液比的粗合成氣進(jìn)行除灰、降溫，保證氣化爐和后續(xù)凈化工段安全、平穩(wěn)的運(yùn)行，激冷水的添加就變得極其重要。

1 激冷水系統(tǒng)

激冷水系統(tǒng)的流程如圖1 所示。

由圖1 可以看出，來自洗滌塔的洗滌水經(jīng)激冷水泵加壓后分為兩路：

（1） 一路進(jìn)入文丘里洗滌器中，進(jìn)一步增濕、增重粗合成氣中的固體小顆粒，從而促進(jìn)粗合成氣中顆粒的分離。

（2） 另一路經(jīng)激冷水過濾器、激冷環(huán)進(jìn)入氣化爐激冷室。

激冷水量的大小對(duì)粗合成氣的溫度、含固量以及激冷室的下降管有著直接的影響。

當(dāng)激冷水量過低時(shí)，無法對(duì)粗合成氣進(jìn)行充分的降溫，將會(huì)造成氣化系統(tǒng)溫度升高，甚至有燒壞下降管的可能；當(dāng)激冷水量過高時(shí)，會(huì)造成激冷室的液位增高，從而影響激冷室上部氣液分離的空間，容易造成合成氣嚴(yán)重帶水。

激冷水流量不僅取決于激冷水泵的效率，還與激冷水過濾器、激冷環(huán)、激冷室的結(jié)構(gòu)有著重要的相關(guān)性。

激冷水水質(zhì)差，會(huì)影響激冷水過濾器的使用壽命，激冷水中大于濾網(wǎng)孔徑的固體渣塊，會(huì)堵塞激冷水過濾器的濾網(wǎng)；激冷水中含有大量的Ca2+、Mg2+離子會(huì)造成激冷環(huán)噴淋孔部分結(jié)垢，堵塞激冷環(huán)，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

本文主要對(duì)激冷水系統(tǒng)中的激冷水過濾器、渣口、激冷環(huán)、下降管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及優(yōu)化，為激冷水系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行提供一點(diǎn)思考。

2 不同氣化爐激冷水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行的優(yōu)化

2.1 激冷水過濾器運(yùn)行優(yōu)化

激冷水過濾器的作用是過濾激冷水，防止垢片進(jìn)入激冷環(huán)后引起激冷水分布不均勻。但由于盲區(qū)的存在，激冷水過濾器的切換，極易使盲區(qū)形成的垢片進(jìn)入激冷環(huán)中。

從航天爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，每次開車時(shí)，當(dāng)?shù)? 臺(tái)投用的激冷水過濾器壓差＞50 KPa 時(shí)，應(yīng)注意觀察激冷水泵電流的變化。

一旦出現(xiàn)有影響激冷水流量和氣化爐液位的跡象，在保持第1 臺(tái)激冷水過濾器使用狀態(tài)不變的情況下，再平穩(wěn)地投入備用的過濾器，一般2 臺(tái)激冷水過濾器可使用超過6 個(gè)月。

激冷水過濾器一開一備投用時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行只能維持1 個(gè)月就應(yīng)切換備用的激冷水過濾器，且頻繁切換激冷水過濾器，可能會(huì)導(dǎo)致因激冷水流量的不穩(wěn)定，而發(fā)生氣化爐停車的事故。

所以，在投用激冷水過濾器時(shí)，最好的選擇是2 臺(tái)激冷水過濾器都同時(shí)投用，這樣對(duì)于系統(tǒng)長(zhǎng)周期的運(yùn)行更有效。

2.2 優(yōu)化渣口結(jié)構(gòu)

粉煤在高溫的氣化爐內(nèi)迅速發(fā)生氣化反應(yīng)，生成以CO+H2為主的粗合成氣和熔融狀態(tài)的渣。由于粉煤燒嘴氧氣流道與氣化爐垂直方向成一定的角度，產(chǎn)生的合成氣會(huì)在爐內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)的氣流，而熔渣會(huì)在旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生的離心力的作用下被甩到與水冷壁直接接觸，碰到溫度較低的水冷壁發(fā)生沉淀并固化。

隨著渣層厚度的增加，固態(tài)渣層熱阻增大，最終固態(tài)渣層表面與水冷壁冷卻水溫差加大，使渣層表面的固態(tài)渣和液態(tài)渣形成動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，液態(tài)渣的粘性會(huì)隨著溫度的降低而增大，在重力的作用下通過渣口進(jìn)入激冷室內(nèi)。

氣化爐渣口呈錐形過渡結(jié)構(gòu)，燃燒室內(nèi)的氣液固三相會(huì)以噴射形式通過渣口，由于噴射氣流的流速快，易發(fā)生合成氣偏流，氣流會(huì)直接沖向下降管壁，破壞其表面的水膜，進(jìn)而發(fā)生下降管燒損現(xiàn)象。

本段主要從設(shè)備結(jié)構(gòu)分析，期望通過優(yōu)化渣口結(jié)構(gòu)，減緩由于氣流偏噴造成激冷內(nèi)件燒損的后果。

氣化爐渣口的錐形過渡結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

某爐型通過改變?cè)诒P管結(jié)構(gòu)形式，為了區(qū)別于傳統(tǒng)水冷壁盤管和渣口盤管的對(duì)接形式，渣口盤管設(shè)置渣壩，可有效保護(hù)下渣過程中對(duì)渣口盤管的沖刷，同時(shí)，在煤質(zhì)波動(dòng)時(shí)可起到一定的保護(hù)和緩沖作用。

某爐型渣口盤管結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。

圖3 某爐型渣口結(jié)構(gòu)Fig.3 Slag mouth structure of a certain furnace

渣口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，不僅對(duì)改變?cè)诹鲌?chǎng)和改善高溫介質(zhì)的溫度場(chǎng)的分布有著重要的意義，而且可以進(jìn)一步降低粗合成氣對(duì)渣口底部耐火材料的沖刷，延長(zhǎng)渣口盤管的使用壽命。

某公司技術(shù)改造前后的渣口溫度場(chǎng)分布如圖4所示。

圖4 某公司技術(shù)改造前后的渣口溫度場(chǎng)分布Fig.4 Temperature field distribution of slag mouth before and after technical transformation of a certain company

左邊為某公司渣口優(yōu)化前喇叭口倒錐面盤管渣口結(jié)構(gòu)的其溫度場(chǎng)分布，右邊為某公司渣口結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的階梯式渣口結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布。

從圖4 可以看出，優(yōu)化的渣口結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布更為均勻，無明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象，這樣可以有效降低粗合成氣流的偏噴次數(shù)。

2.3 優(yōu)化激冷環(huán)結(jié)構(gòu)

在氣化爐燃燒室內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生的粗合成氣（溫度為1 400 ℃），經(jīng)渣口進(jìn)入激冷室內(nèi)進(jìn)行水浴降溫、除灰。

激冷室內(nèi)的激冷水經(jīng)激冷環(huán)分配，一路經(jīng)其流道側(cè)壁開孔進(jìn)入內(nèi)側(cè)，起到保護(hù)激冷環(huán)的作用；另一路沿環(huán)與下降管之間縫隙均勻地向下流出，在下降管壁上形成一層水膜，保護(hù)下降管的作用。

由于激冷水具有含固量高、硬度和堿度偏大等特點(diǎn)，容易引起水中雜質(zhì)的沉積，造成結(jié)團(tuán)，從而堵塞激冷環(huán)，使得粗合成氣不能得到有效冷卻，導(dǎo)致下降管被燒穿。因此，對(duì)激冷水的質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格控制。

激冷環(huán)三維結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 激冷環(huán)三維結(jié)構(gòu)Fig.5 Three-dimensional structure of chilling ring

在一些化工廠實(shí)踐探索分析中，采取的方法是擴(kuò)大激冷環(huán)的半徑和增加開孔的數(shù)量。這樣，一方面明顯的降低了激冷水對(duì)激冷環(huán)的沖刷，并且使得激冷水在激冷環(huán)的環(huán)形圈內(nèi)更加均勻旋轉(zhuǎn)流動(dòng)；另一方面，有效降低了由于灰水中粒徑較小的細(xì)灰造成激冷環(huán)射流孔部位的結(jié)垢，從而增加了激冷環(huán)的運(yùn)行周期。

2.4 優(yōu)化分離擋板

上升管的頂部，當(dāng)合成氣和渣經(jīng)過激冷室水浴后，渣溶解在水里，而合成氣經(jīng)過上升管和下降管環(huán)部空隙、折流板和出口擋板后，通過管道進(jìn)入洗滌塔。

擋板有如下的作用：

（1） 進(jìn)一步防止合成氣帶水、帶灰。

（2） 分離合成氣中的不飽和水分。

（3） 防止結(jié)在下降管或支撐板上的灰渣脫落被合成氣帶出。

航天爐在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，水浴后的合成氣經(jīng)分離擋板折流后，很容易造成附近管線的堵塞。從運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，減少1~2 塊折流擋板個(gè)數(shù)，改變水浴后的合成氣折流角度，能有效的降低合成氣出口管線堵塞的現(xiàn)象。

某爐型的設(shè)計(jì)有專門的折流通道，合成氣出口擋板呈120°的角度，充分考慮到了合成氣帶水、帶灰量嚴(yán)重對(duì)出口管線的堵塞現(xiàn)象。

2.5 優(yōu)化下降管

在氣化爐激冷水系統(tǒng)內(nèi)，下降管一般焊接在激冷環(huán)基座上。粉煤氣化產(chǎn)生的高溫粗合成氣、殘?zhí)?、激冷水?jīng)下降管進(jìn)行初步的冷卻、除灰后，沿下降管進(jìn)入激冷室內(nèi)，進(jìn)行水浴降溫、除灰。

下降管的損壞一般有以下幾種類型：

（1） 由于激冷水量不足，造成下降管水膜分布不均勻，尤其是在下降管溫度下降較快的上部和中部，一旦金屬長(zhǎng)期暴露在外，就會(huì)出現(xiàn)下降管鼓包的現(xiàn)象。

（2） 由于氣化爐內(nèi)出現(xiàn)富氧現(xiàn)象，粉煤氣化產(chǎn)生的粗合成氣與氧氣進(jìn)行二次反應(yīng)，形成爆炸性氣體，在氣化爐內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈震動(dòng)，使得下降管隨著大幅度的震動(dòng)，從而產(chǎn)生下降管褶皺現(xiàn)象。

（3） 下降管出現(xiàn)空洞的現(xiàn)象，由于煤灰的粘度隨著溫度的降低而增大，經(jīng)過渣口盤管冷卻后的煤灰的粘度增大，造成渣口出現(xiàn)大量積聚的煤灰，使得渣口直徑變小。燃燒室與激冷室之間連接的部位相當(dāng)于一個(gè)縮頸管，當(dāng)渣口變小時(shí)，產(chǎn)生的粗合成氣的氣速就會(huì)變大，形成的高速的粗合成氣夾帶著煤中的殘余物沖刷著下降管，造成了下降管的生洞破損。

此外，由于下降管焊接在激冷環(huán)的基座上，若激冷環(huán)發(fā)生被堵的現(xiàn)象，也會(huì)導(dǎo)致下降管水膜分布不均勻，最終，高溫粗合成氣會(huì)與局部沒水膜的下降管進(jìn)行直接接觸，從而造成了下降管的生洞破損。

某爐型下降管設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 某爐型下降管設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.6 Design structure of downcomer of a certain furnace

由圖6 可以看出，某爐型在下降管的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方面：

（1） 在激冷環(huán)下方50 mm 處的下降管上，增加一路高壓灰水來補(bǔ)充激冷水。

（2） 通過擴(kuò)大直徑（D=1 420 mm） 來降低對(duì)下降管的沖刷。

某爐型的下降管位于渣口外側(cè)（渣口直徑為800 mm），渣口處的熔渣會(huì)隨著氣流沿下降管進(jìn)入激冷室內(nèi)，減少了熔渣沖刷下降管，延長(zhǎng)了下降管的使用壽命。

3 結(jié) 語

氣化爐的激冷系統(tǒng)對(duì)氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，影響激冷系統(tǒng)的因素是多方面的。從激冷水的過濾器、渣口、激冷環(huán)、分離擋板、下降管5 個(gè)方面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開討論，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1） 2 臺(tái)激冷水過濾器同時(shí)投用時(shí)，可有效降低因頻繁切換激冷水過濾器而可能導(dǎo)致激冷水流量不穩(wěn)定，從而引起氣化爐事故的停車現(xiàn)象，這樣對(duì)于系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行更有效。

（2） 渣口結(jié)構(gòu)優(yōu)化成階梯式，并在渣口結(jié)構(gòu)處設(shè)置渣壩，可有效降低粗合成氣流偏噴次數(shù)。

（3） 增大激冷環(huán)的半徑和增加其開孔數(shù)，可減少激冷水對(duì)激冷環(huán)的沖刷。

（4） 改變?cè)蛛x擋板的角度，能有效的降低合成氣出口管線堵塞的現(xiàn)象。

（5） 增大下降管的直徑，可降低粗合成氣對(duì)下降管的沖刷。