五環干粉煤氣化爐激冷罐運行問題分析及技改優化

楊國帥，宋 強

（河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600）

1 五環爐煤氣化工藝概述

河南龍宇煤化工有限公司二期年產40萬t醋酸和20萬t乙二醇項目煤氣化裝置采用國內首創的兩臺五環干粉煤氣化爐。工藝流程為：來自煤場的煤與石灰經石研磨、干燥后，粒徑5 μm～90 μm的煤粉經加壓和進料（鎖斗）系統，在N2/CO2的推力下被連續送入氣化爐煤燒嘴。干煤粉和純氧在氣化爐內急劇反應生成粗煤氣和灰、渣，反應溫度1 400℃～1 600℃，反應壓力3.9 MPa。煤中大部分的灰分以熔融渣的形式經氣化爐底部排出，在渣池中激冷分散成小顆粒，再通過渣鎖斗排出，運往渣場。上行的粗煤氣被來自激冷氣壓縮機的激冷合成氣冷卻至約650℃后，依次通過激冷段、氣體返回室和輸氣管，在激冷罐內冷卻到190℃～200℃。出激冷罐的粗煤氣在濕洗塔進一步降溫至170℃～190℃，含塵質量濃度降至小于1 mg/m3。激冷罐、濕洗塔排放的氣化廢水送至黑水處理裝置，經三級閃蒸濃縮、加絮凝劑澄清后的溢流灰水循環使用，經除氧器、減濕器回收閃蒸氣的熱量后，被高壓灰水泵送回濕洗塔循環利用。沉淀后高濃度的黑水送至板框壓濾機壓出煤泥，濾液循環至澄清槽。出濕洗塔的合成氣進一氧化碳變換系統調整氫碳比后，送下游凈化裝置。

2 激冷罐系統流程

出輸氣管約650℃的高溫粗煤氣進入水浴式激冷器——激冷罐內，在激冷罐內中心內筒和激冷水直接接觸進行降膜蒸發冷卻、水浴洗滌除塵，再經上升管上行混合后出激冷罐，粗煤氣溫度降至190℃～200℃，粗煤氣中夾帶的大量細飛灰被初步洗滌脫除，而富含大量水汽的粗煤氣進入濕洗塔進行二次除灰降溫。激冷水由濕洗塔底部的激冷水泵提供，正常流量控制在350 m3/h～400 m3/h。濕洗塔的補水來源有變換冷凝液、中壓鍋爐水、來自高壓灰水泵的除氧灰水。水浴洗滌后產生的黑水分兩股去閃蒸系統：一股是激冷罐底錐的黑水，流過DN150的管道，約占排水總流量的35%，其固含量相對較高；一股是激冷罐中下部的灰水，流過DN300的管道，約占總流量的65%，其固含量相對較低，生產中可以根據需要進行流量分配調整，使灰水在激冷罐底錐位置形成自流狀態。

3 故障現象及原因分析

3.1 激冷罐入口結垢

粗煤氣攜帶大量的飛灰進入激冷罐下降管，在此和激冷水直接接觸，存在一段干濕兩相過渡區域，從而給積灰創造了條件。五環爐在滿負荷運行30 d左右時，在所用煤質灰分低（≤23%），操作平穩的情況下，高溫干燥的飛灰與水汽結合而黏性增大，在干濕過渡區域緩慢積灰、堵塞通道（見圖1），造成氣化爐壓力和總壓差上漲、激冷氣量下降，嚴重影響負荷提升和安全運行。結垢最嚴重時，下降管入口通道僅為原通道設計值的15%。

圖1 激冷罐入口堵塞圖

3.2 水冷壁泄漏

下降管及其上方的水冷壁所處工作環境惡劣，進行著氣、液、固三相間的傳熱傳質，并且流動過程復雜迅速。粗煤氣在短時間、短距離內從650℃降到220℃左右，高低溫的變化、濕度的變化、粗煤氣中的酸性氣體長期腐蝕[1]，這些綜合因素導致此處水冷壁發生泄漏（見圖2）。五環爐自試車運行以來，出現過5次激冷罐上方水冷壁泄漏現象，影響氣化水汽系統的安全運行，嚴重時汽包補水量和產汽量偏差大，導致壓力和液位不易控制而被迫停車。停車后，必須進入激冷罐內部對該處的水冷壁減薄部位進行焊接處理或局部更換。

圖2 水冷壁彎頭泄漏圖

3.3 激冷水量不足

激冷水量的大小可通過流量計和激冷水泵的電流直觀判斷。造成激冷水量不足的主要原因和現象有：激冷水泵過濾器堵塞，電流下降；激冷水過濾器積泥，壓差緩慢上漲；激冷水進水管、分布環及噴頭結垢等（見圖3）。一旦激冷水量不足，將造成濕洗塔液位上漲，不得不降低濕洗塔的鍋爐水和來自除氧器的灰水量，進而加速了水質惡化和激冷水系統的結垢，也造成合成氣洗滌不干凈，將飛灰帶至下游變換系統，給催化劑的安全運行帶來很大隱患。停車后，需用高壓水清洗噴頭和激冷環內部，檢修難度較大。針對激冷水量不足的問題，曾采取臨時措施：從高壓灰水泵出口配管引除氧灰水至激冷罐；間斷地投入事故激冷水（鍋爐水），對激冷水管線進行沖洗和補充激冷罐液位，但此舉大大地增加了運行成本。

圖3 激冷水管線堵塞結垢圖

3.4 液位波動

激冷罐液位的影響因素有激冷水量、氣化爐負荷、氣化爐壓力、灰水排出量、底錐積泥、帶液等[2-3]。激冷罐總共設置三個雙法蘭壓差式遠傳液位計，采用低低三取二參與氣化爐跳車聯鎖。氣化爐投用煤燒嘴和負荷提升時期，隨著壓力和負荷上漲，需要及時增加激冷水量以提高激冷罐液位至正常控制液位的45%～50%。開車初期，煤線不穩定造成的煤線的跳車、投運，通過氣化爐壓力和帶液量引起液位忽高忽低的波動；隨著溫度的提高，下降管和上升管垢片脫落，會在閃蒸系統角閥處造成阻塞，使底部流量波動進而導致液位的波動。運行中隨著底錐和激冷罐內壁積泥現象的加劇，一方面造成黑水排水量出現波動，水平衡被打破，導致粗煤氣間斷帶液，并伴隨著激冷罐液位的突然性降低；另一方面造成液位計下部取壓管路及測量膜盒積存泥垢，導致三個液位計偏差較大甚至全部失真，使得工藝操作失去參考，液位過低將造成高溫粗煤氣不經過水浴而穿透，存在很大的安全運行風險。另外，粗煤氣中H2的滲透性、烘爐熱備的高溫環境、開工抽引置換的真空環境等都可能導致膜盒氫化、膨脹變形、破裂[4]，使液位測量不準確。

3.5 黑水管線堵塞

氣化爐負荷和溫度的變化、煤種的改變、粗煤氣的沖刷等綜合作用會引起下降管、上升管垢片的脫落，容易在黑水管線富集，引起角閥卡澀或者管線堵塞，尤其在底部管線表現明顯。隨著長周期運行，激冷罐底錐內壁不可避免地進行著積泥、沉淀，如果兩股水量調整不合理，會加劇積泥和結垢速率，具體表現是底錐測量壁溫逐漸下降。嚴重時，粗煤氣將黑水大量帶液至濕洗塔，激冷水泵又將黑水送至激冷罐，這種惡性循環將導致濕洗塔液位持續升高、激冷罐液位持續降低而無法控制，最后激冷罐底錐完全堵塞，氣化爐被迫降低負荷以緩解帶液或者停車處理。單臺五環爐曾出現底部DN150管線完全堵塞的情況，只能通過側部DN300管線排放黑水維持水平衡，在此情況下氣化爐堅持運行了60余天。

4 改進和優化措施

4.1 激冷罐入口結垢問題的解決

針對激冷罐入口結垢問題，采取以下優化措施：通過與原設計單位溝通和測算，在輸氣管水冷壁下方焊接縮口（選用耐高溫、耐煤氣腐蝕的鎳基合金N08825材質），使得原來Φ999 mm的通道縮徑至Φ500 mm，在煤氣流量不變的情況下，流速與直徑的平方成反比，減少直徑大大地增大了粗煤氣流速；同時對錐筒內表面進行拋光處理，避免因粗糙度大造成掛灰結垢，有效地解決了下降管入口結垢問題，避免了裝置因該處結垢堵塞而停車。

4.2 水冷壁泄漏的改造

針對水冷壁泄漏問題，采取以下優化措施：（1）將激冷罐上方水冷壁管材質進行升級改造，管道升級為15CrMoG并堆焊625材質，180 °回轉彎頭升級為825材質。材質升級后能有效控制管道腐蝕量，為五環爐長周期運行提供保障。（2）將容易受濕氣侵擾腐蝕的盲區塞保溫棉，減少水汽接觸，延緩水冷壁管的腐蝕。

4.3 激冷水量不足的改進

針對激冷水量不足問題，采取以下優化措施：（1）激冷水泵一開一備，若出現機泵打量不好的情況，在線進行隔離清理過濾器。若是激冷水管線出現積泥或者堵塞，在短時間內運行兩臺激冷水泵，觀察激冷水量的變化。（2）在激冷水泵去激冷水過濾器的DN300管線上增加DN200副線至激冷水流量計前，副線設置一個手閥，從而可根據需要實現過濾器的短路。運行中若出現過濾器壓差高，可逐步開大副線手閥開度，從而保證激冷水流量。（3）為避免激冷噴頭堵塞引起的流量降低的問題，在激冷罐內部的8根DN100進水管上引出16個DN50的（每根上面2個）管線，通過上升管與下降管之間的環隙開孔進入下降管內部，再加上DN50、彎曲半徑為1.5D的彎頭貼著內壁向下噴水，有效地緩解了激冷水量不足的問題。（4）為解決激冷環絲堵頭過短，灰渣結垢黏附在上面，檢修時不易拆卸的問題，將絲堵堵頭的長度增加[5]，方便拆卸后清理疏通激冷環進水孔，保證了激冷水的分布效果。（5）做好水質日常監測和管控，澄清沉降后回收的灰水濁度控制在小于60 NTU，濕洗塔黑水濁度控制在小于600 NTU。

4.4 液位波動問題的優化

針對液位波動問題，采取以下優化措施：（1）開車初期，在氣化爐氧含量置換合格后，點火前將液位提高至35%左右，避免負荷提升過程中激冷水量增加不及時或機泵汽蝕等故障使液位過低，導致高溫粗煤氣穿透造成下降管、上升管變形燒壞。（2）熱備和開工抽引階段，關閉遠傳液位計根部手閥，以現場液位計作為主要參考，待點火后再投用遠傳液位計，減少真空環境對膜盒的影響。（3）在膜盒與法蘭連接處上管路引入一股干凈的沖洗水（采用5.5 MPa的除鹽水），以沖洗管路和保證膜盒整潔，同時避免壓力過高對膜盒造成沖蝕。儀表人員每周至少沖洗一次，沖洗時間不低于10 min；現場液位計每周沖洗兩次，同時巡檢人員做好現場和遠傳液位計的核對。

4.5 黑水管線堵塞的處理

針對黑水管線堵塞問題，采取以下優化措施：（1）開車期間，兩股黑水排水管線的角閥均保持全開閥位，隨著負荷、壓力的提升，優先收小側部管線的閥位，避免垢片脫落堵塞底部管線。現場安排專人在出現管線不暢時，及時地敲擊彎頭部位，同時調整角閥閥位以疏通管線。（2）生產運行中，保持一定的黑水循環、置換排放量，激冷罐底部黑水管線閥位維持在80%以上、側部黑水管線閥位維持在25%以上、濕洗塔底部黑水管線閥位維持在60%以上，以保證充分的黑水置換，減緩管線的結垢。（3）在黑水管線水平段增加可拆卸短節，每次停車檢查結垢情況，并將管線徹底清理干凈。（4）在激冷罐至中壓閃蒸罐黑水管線上增加DN25的沖洗水管線，減緩煤泥在管線中間堆積，管線排堵時也可投用沖洗水。沖洗水來自閃蒸高壓灰水泵提供的循環灰水，避免增加污水排放量。

4.6 煤質及爐溫的控制

煤質尤其是灰分的控制，對減緩濕洗塔塔盤、激冷罐等處的結垢速率非常重要。因此要加強原料煤質量管控，做到兩種煤種的精準摻配，控制入爐煤粉的灰分小于21%；尋求合適的單一煤種，減小灰分的波動；在煤質較穩定時，溫和地調整氧煤比，避免爐溫的大幅度波動導致粗煤氣帶液量變化，影響水平衡；根據氣化爐負荷，在保證激冷段出口粗煤氣溫度的情況下，激冷比（激冷氣量與粗煤氣產量比值）控制在不高于1.5，避免系統高溫循環氣量過大造成與其負荷不匹配的激冷罐帶液，不利于黑水的排出置換。

4.7 水質的控制

五環爐的灰水大循環是煤氣化系統運行的基礎，肩負著粗煤氣的洗滌、降溫，提供飽和水汽等任務，經過前期的實踐，總結如下：（1）閃蒸灰水系統分散劑添加質量濃度為150 g/m3，能較有效地緩解管道及設備結垢。（2）停車檢修期間對垢樣的高溫灼燒分析表明，濕洗塔塔盤、除氧器、激冷罐等處垢樣的成分以氧化鈣、氧化鐵居多，因此濕洗塔pH值宜控制在6.0～6.5，偏酸性環境可以減緩鈣鎂離子的結垢。濕洗塔接收變換冷凝液的氨氮質量濃度要求小于50 mg/L。（3）通過調整絮凝劑的添加量，保證沉降后循環灰水的濁度小于60 NTU，在此基礎上，堅持“低氣化爐負荷、適當大的循環灰水量”的原則，確保粗煤氣的充分洗滌，也可減緩細灰在系統內富集和結垢。（4）適時控制原煤中石灰石添加量，使濕洗塔處黑水總硬度控制在150 mg/L以下，避免硬度過高加速濕洗塔塔盤的結垢。

5 結 語

激冷罐是五環干粉煤氣化爐的核心組成部分之一，其操作工況壓力大、溫度高，內件較多且復雜，生產中其液位控制、減緩積泥和結垢是工藝操作的難點。激冷罐在德士古水煤漿氣化、航天爐干粉煤氣化等裝置均有應用，長期的生產實踐為其操作提供了寶貴的經驗。河南龍宇煤化工有限公司通過對兩臺五環爐激冷罐自試車以來運行中出現的相關問題進行研究、討論、技術改造，目前單臺五環爐最長運行周期已達到A級288 d，希望本文所總結的激冷罐在運行期間存在的問題及應對措施可為其他相關裝置提供借鑒。