循環流化床物料循環系統故障探究及預防措施

張啟科，胡小斌，李生鵬，毛吉會

（陜西延長石油（集團）有限責任公司碳氫高效利用技術研究中心，陜西 西安 710075）

循環流化床的物料循環系統問題最為常見，直接制約裝置的安全、穩定和長周期運行。因此要對試驗中循環流化床物料循環系統常見的氣化爐結焦、旋風效率低、立管錐部壓差頻繁波動不穩定的流化狀態、返料系統堵塞等問題進行探究，總結分析問題的根源，提出預防措施［1］。

KSY 中試裝置循環流化床由燃燒室（混合區）、氣固分離裝置和固體顆粒返回裝置組成，循環流化床具有傳熱傳質強烈、溫度分布均勻、單位設備的生產能力大、固體顆粒混合均勻、固體顆粒在床內的停留時間調節范圍廣、容易大型化等優點。物料循環系統是循環流化床氣化爐燃燒系統中極其重要的部件，由混合區、旋風分離器、返料系統（J型料腿）和立管組成［2］。

旋風分離器的壓力低于混合區的壓力，作用是將煙氣攜帶的大量物料經旋風分離器分離下來并通過返料系統從低壓區送回至高壓混合區循環反應，同時保證立管有足夠高的料位形成靜壓能提供循環動力，既起到氣體密封又將固體送回混合區，其中返料系統是循環流化床氣化爐燃燒效率和運行調節重要部件，其工作的可靠性對循環流化床氣化爐的安全經濟運行具有重要影響［3~7］。

文中針對循環流化床物料循環系統常見運行問題進行探究，提出預防措施。經優化改進后，確保了中試裝置試驗的順利開展，未出現上述任何運行問題，實現了循環流化床長周期穩定運行。

1 氣化爐混合區結焦

1.1 結焦原因

（1）粉煤和氣化劑未按照一定的配比進入循環流化床氣化爐，分配不均勻，在一定壓力、溫度下反應生成高溫合成氣。氧氣噴嘴射流速度低，氧氣管線和混合區局部氧濃度過高，反應劇烈，產生的熱量，無法及時上移，高溫聚集形成高溫點。

（2）氣化爐內耐火襯里大量脫落，可能造成返料系統通道出現架橋或堵塞，循環灰中的碳含量過高、灰含量太少［1，3］和立管料位低，返料循環固體量減少、循環物料推動力不足和物料循環速率下降，容易形成氣化爐下部混合區缺少半焦或可燃物塊，局部瞬間反應后出現高溫易結焦。結焦部位易發生在氣化爐混合區、返料系統和立管內。

（3）氣化爐錐部是1 個盲腸區，流化氣只能在氣化劑底部口進去，無法讓錐部物料處于流化狀態，錐部氣速相對比較低，密相區濃度高，物料在錐部處于固定床狀態出現堆積易結焦。

（4）可能是粉煤輸送的破黏氧氣流量不足，導致煤粉粘結在富氧區或加煤口附近，當粘結物形成足夠大塊時，流化瞬間從加煤口掉落，在氣化爐混合區與氧氣充分反應釋放大量熱量，形成局部高溫，導致煤與砂子燃燒成塊狀物。煤種選擇性偏差，煤種中鐵含量過高會增加結渣的風險。

1.2 預防措施

（1）投煤前，控制系統氧含量≤0.5%。提負荷在較低溫度下完成，負荷調整緩慢，遵循先加煤后加氧原則，若提升管上下溫差增大，應降低進煤負荷或通過提高立管料位來增大循環速率，待溫度均勻后緩慢提高進煤負荷。嚴格按照氧煤比、汽氧比控制參數，蒸汽量稍微過量，嘗試將汽氧比從正常比例（0.93~1.4）/1（質量/體積）提高至（2.5~3.5）/1，蒸汽流量明顯增加1倍多，稀釋氧濃度進行氣化反應。保證氣化劑在爐內均勻分布，按照混合區上、中、下部=3：6：1 分配調節，在蒸氧比比例合適情況下，適當提高氣化劑管線的氮氣來保證氧氣進入各噴嘴的射流氣速大于25 m/s，最低不低于15 m/s，底部混合區氧氣噴嘴氣速不低于2 m/s。

（2）保證流化穩定，循環灰量適中，混合區溫度控制適宜，讓氣化反應充分，來降低循環灰中碳含量，定時少量排粗灰，減少粗灰長時間的堆積，停車后及時清理爐子內的塊狀物。

（3）氣化爐錐部物料濃度大，密相床固態流化，提高錐部流化預熱氮氣流量，建議盲腸區底部增加1路流化氣，保證錐部床層氣速＞0.5 m/s。

（4）為了減少煤粉的粘結性和出現掛壁現象，以提高輸煤的破黏氧氣，從粉煤輸送氣流量的3%提高到10%~12%，或者氧氣：煤=0.05 kg：1 kg 比例計算，根據負荷調節變化進行選擇性控制，避免氣化爐超溫情況發生。選擇合適的煤種，適應循環流化床氣化反應的煤種，保證煤的焦渣特征＜3，減少煤種的結焦元素。

2 旋風分離器效率低

2.1 產生因素

高溫旋風分離器是循環流化床應用最廣泛的氣固分離裝置［3］。影響高溫分離器分離效果的因素很多，如設備的形狀、結構、入口角度、入口氣速、竄氣率、操作壓力、入口固/氣質量比、顆粒濃度與粒徑［3，4］、吹掃氣量等。由于旋風分離器設計簡單，依靠氣源進入設備切線方向的離心力進行氣固2 相分離，氣體通過排氣管上移，同時夾雜小顆粒固體，大顆粒固體則下落至立管形成料封［4，7］。在此期間立管氣量和旋風分離器處的吹掃氣量過大、旋風分離器內壁嚴重磨損、流化顆粒粒徑過細、旋風入口設備設計夾角、立管物料反竄等因素易造成旋風效率下降，失去大量固體，造成立管的固體物料料位減少。

2.2 預防措施

（1）減少旋風分離器和立管的松動氣流量，避免過多的氣源進入旋風，影響旋風效果，循環灰量捕捉效果不佳，維持立管床層料位在90~120 kPa為宜，流化穩定運行。

（2）旋風分離器入口氣速與設計角度適宜，一般按照設計要求氣速進行旋風操作，旋風入口連接設備管道的設計夾角度在30°或60°為宜，避免45°設計，比較平緩易出現堆積情況，或者加入吹掃輸送氣［4］。

（3）檢查旋風分離器內壁磨損情況，發現內壁磨損嚴重及時處理。制粉系統制出符合范圍（300~400 μm）循環固體物料。

3 氣化爐立管錐部不穩定的流化

3.1 立管錐部壓差頻繁波動的原因

（1）J型料腿至立管錐部壓差區間段循環物料堆積，固體顆粒未充分流動，流化速率變慢，物料呈現間歇性返料情況，單股立管的松動氣量過小未能充分松動立管物料。

（2）1級旋風分離器錐部至循環密封罐區間段循環物料堆積，固體顆粒未充分流動，流化速率變慢，物料呈現間歇性返料的情況。

（3）氣化爐提升管在J型腿以下區間段流化氣量偏小，氣速偏低，有阻塞返料系統的大顆粒物塊，導致該段物料密度大，J 型腿返料壓頭大，返料緩慢，造成立管錐部壓差頻繁波動。

（4）氣化爐提升管、立管出現脫落的耐火襯里和結焦物塊，大量耐火襯里脫落可能造成循環物料流化平衡狀態破壞，掉落至提升管和立管錐部，會影響返料和排灰困難，出現壓差頻繁波動，容易引起氣化爐結焦，裝置被迫停車處理。

（5）由于升溫時柴油燃燒不充分、投煤過程中石英砂中含有較高的結焦元素容易板結，造成流化紊亂并導致出現立管壓差波動。

（6）返料系統返料速率低，立管料位低不足以形成推動力，形成立管物料反竄，造成流化波動。

（7）立管松動氣流量過大，使立管物料處于過度流動狀態，床層出現大氣泡阻礙了立管頂部物料的下落，處于失流化狀態。

3.2 預防措施

（1）給立管錐部改造增加多股松動氣，適當提高立管錐部松動氣流量，降低顆粒濃度，立管輸送能力隨之增大。原因是松動氣緩解了氣體壓縮，使顆粒間隙擴大，減弱顆粒間及顆粒與管壁間作用力，降低了能量損耗，提高輸送物料的推動力［5］。

（2）適當調節密封腿的松動氣流量，增強氣固2 相的相互作用而減弱顆粒間及顆粒與管壁間的作用力，從而有效預防顆粒失流化現象發生［5］。

（3）氣化爐錐部流化氣速提高將增大錐部預熱氮氣流量，氣速在0.5 m/s 以上，利用J 型料腿和松動氣閥來平穩操作，利用返料腿的松動氣流量及分布來調節返回混合區的返料量，維持返料系統的正負壓差。

（4）緩慢升溫以避免耐火襯里脫落，停車后清理死區的大顆粒物塊和耐火襯里。投煤后立管壓差持續降低至聯鎖值會觸發跳車，為防止混合區結焦和反竄，將混合區底部氧氣流量切斷，上部氧量切至閥門開度的2%或切斷，根據工況手動增加蒸汽與氮氣流量，控制爐溫度恒定逐漸恢復正常。

（5）升溫過程保證柴油與空氣配比合適，充分燃燒，減少石英砂與柴油的粘結燃燒成塊狀物影響流化，同時選擇優質的石英砂，減少結焦元素來預防氣化反應燃燒成板結物情況的發生，嚴重時會出現結焦。

（6）提高物料的循環倍率，單股松動氣作用范圍有限，采用多股通氣的方式可發揮協同作用，提高立管和返料系統輸送氣的有效壓頭，采用加煤或加砂來維持一定的立管料位高度來增大循環推動力，進而提高物料的循環倍率。

（7）當立管壓差不規律、大幅度波動時，適當減少立管多股松動氣流量，消除內部氣泡與阻力，增加立管的下料量，使其消除過度流動狀態。

4 結束語

預防氣化爐混合區結焦要選擇適宜煤種（焦渣特征＜3）、混合區錐部氣速大于0.5 m/s、循環固體顆粒粒徑范圍（300~400 μm）、提高輸煤的破黏氧氣量、提高汽氧比至（2.5~3.5）/1、穩定的高倍率循環流化等措施。 中試裝置對立管松動氣改造后，探究立管錐部壓差頻繁波動的不穩定流化狀態，采用多股松動氣小氣量嘗試調節立管的不穩定流化狀態，實現了循環流化床氣化爐有效控制。