多噴嘴對(duì)置式半廢鍋氣化爐的探討

＊齊高華 張瑞波 路明

（兗州煤業(yè)榆林能化有限公司 陜西 719000）

1.項(xiàng)目實(shí)施背景

多噴嘴對(duì)置式半廢鍋氣化爐是兗礦集團(tuán)與華東理工大學(xué)共同研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型煤氣化技術(shù)，是在原激冷式氣化爐的燃燒室和激冷室中間增加輻射廢鍋[1]。廢鍋段外殼與爐體一體焊接，內(nèi)側(cè)水冷壁管通過上下水冷器分別與燃燒室和激冷室相連，此兩處連接為管道嵌入式連接，接觸面縫隙處填塞盤根、巖棉等材料，此種結(jié)構(gòu)可消除高溫給水冷壁帶來的熱膨脹，同時(shí)能有效將水冷壁管內(nèi)外進(jìn)行隔離，防止高溫合成氣的竄入。

水冷壁鍋爐水通過下部集合管供給，汽水混合物通過上部集合管收集，輻射屏用鍋爐水和汽水混合物分別通過管道供給和回收，最后和集合管收集的汽水混合物共同返回至汽包，在汽包內(nèi)分離出過飽和水分后送至后續(xù)工段進(jìn)行過熱，過熱后蒸汽并入管網(wǎng)。徑向管屏水冷壁有利于增強(qiáng)輻射傳熱與湍流，為提高換熱效率，在水冷壁管內(nèi)側(cè)布置多組輻射屏，以進(jìn)一步提高合成氣降溫速率和熱回收率。由于廢鍋段結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氣體流速小、換熱面積大、換熱面導(dǎo)熱系數(shù)大，能夠最大限度的回收合成氣中的顯熱，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽。

出廢鍋段的合成氣通過下水冷器進(jìn)入激冷室，在激冷室繼續(xù)冷卻、洗滌和增濕后送至渣水工段進(jìn)行處理。

多噴嘴對(duì)置式半廢鍋氣化爐是我國(guó)自主創(chuàng)新、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤氣化技術(shù)，于2020年12月10日在兗州煤業(yè)榆林能化有限公司一次性投料成功。自投料以來，通過工藝優(yōu)化及技術(shù)改造，先后解決了上下水冷器竄氣、下渣口堵渣、托轉(zhuǎn)盤溫度高、水冷壁大面積掛渣、蒸汽衰減速度快等10余項(xiàng)問題，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行73天。

半廢鍋氣化爐的高效運(yùn)行，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)半廢鍋氣化爐領(lǐng)域的空白，同時(shí)性能超過了國(guó)外類似裝置，標(biāo)志著我國(guó)在半廢鍋氣化技術(shù)方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。半廢鍋氣化爐的高效運(yùn)行，可降低公用工程鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷，尤其是對(duì)新建項(xiàng)目，可減少項(xiàng)目建設(shè)能耗指標(biāo)的占用，同時(shí)減少公用工程鍋爐的投資，降低產(chǎn)品的能耗指標(biāo)，增強(qiáng)企業(yè)的盈利能力，迎合了國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，對(duì)煤化工行業(yè)的發(fā)展具有較大的積極作用[2]。

生產(chǎn)中由于負(fù)荷的調(diào)整、煤質(zhì)的變化、爐溫的高低、投料方式的不同，都會(huì)對(duì)半廢鍋氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行帶來不同的影響。

圖1 多噴嘴對(duì)置式半廢鍋氣化爐簡(jiǎn)圖

2.運(yùn)行過程分析

(1)負(fù)荷的影響

①水冷壁壁管的磨損量與速度的三次方成正比，廢鍋段氣體流速增加1倍，磨損量增加7倍。因此半廢鍋氣化爐在投料前需保證水冷壁管外側(cè)耐磨層的完好性，因?yàn)槟湍蛹瓤梢越档透邷睾铣蓺鈱?duì)壁管的高溫侵蝕，還能減少灰渣的固體沖蝕，延長(zhǎng)水冷壁的使用壽命。檢修中，嚴(yán)禁用清水進(jìn)行沖洗，防止壁管的氧化生銹，同時(shí)破損的耐磨層應(yīng)進(jìn)行修復(fù)，若無法修復(fù)，在運(yùn)行初期不宜維持過高負(fù)荷，尤其是不要超過設(shè)計(jì)值，以減小飛灰和熔渣對(duì)輻射屏和水冷壁的侵蝕和沖蝕。

②灰和熔渣對(duì)水冷壁的磨損，以沖擊角度30°～50°部位磨損最為嚴(yán)重。實(shí)際檢查中發(fā)現(xiàn)，水冷壁上部約1/3的部分，外側(cè)僅有約5mm厚積灰，無硬渣附著在積灰外側(cè)。根據(jù)上水冷器至廢鍋段流通面積急劇增大的情況，同時(shí)結(jié)合爐內(nèi)檢查情況，雖然水冷壁受沖擊最嚴(yán)重的部位為水冷壁上部，但運(yùn)行初期該部位也會(huì)附著一薄層積灰，即使頻繁調(diào)整氣化爐負(fù)荷，也不會(huì)對(duì)水冷壁造成沖擊，從而保證了水冷壁的使用壽命。

③由于上水冷器的尺寸較小，出水冷器進(jìn)入廢鍋的合成氣快速擴(kuò)散，在此處形成負(fù)壓區(qū)，易形成渦流產(chǎn)生卷吸。尤其在高負(fù)荷下，被合成氣撕裂的細(xì)小熔渣和飛灰極易被卷吸到頂部水冷壁，經(jīng)過換熱后發(fā)生粘附，但由于頂部換熱量占整體換熱量比例較小，此處發(fā)生掛灰對(duì)附產(chǎn)蒸汽量基本無影響。

④正常負(fù)荷時(shí)，經(jīng)過上水冷器的高溫合成氣流速可達(dá)15～20m/s，熔融態(tài)的渣在氣流和重力作用下極易發(fā)生斷裂，分裂成粒徑較小的熔渣，而熔渣的粒徑大小與溫降速率成反比，直徑小于5mm細(xì)小的熔渣能夠快速冷卻并完全凝固，形成固態(tài)渣后順利進(jìn)入激冷室。當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，氣量較少、流速降低，出水冷器的氣流對(duì)熔融態(tài)渣的影響較弱，進(jìn)入廢鍋段的熔渣粒徑變大。隨著粒徑的增加，熔渣表面和中心溫度升高，當(dāng)表面溫度達(dá)到或接近熔渣的臨界溫度TCV時(shí)，熔渣無法凝固，極易堵塞下渣口，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大隱患。

(2)爐溫的影響

①爐溫過高時(shí)，進(jìn)入廢鍋段熔渣溫度升高，經(jīng)過換熱后熔渣溫度也隨之升高，上渣口處熔渣黏度雖然降低，但經(jīng)過換熱后到達(dá)水冷壁中下部高于臨界溫度的熔渣比例上升，在廢鍋段撞擊水冷壁和輻射屏后粘附的比例和概率均有所增加，水冷壁掛渣的速度加快。熔渣溫度的升高，對(duì)壁管的侵蝕作用也增大，縮短爐管的使用壽命，影響廢鍋段的安全運(yùn)行，因此運(yùn)行時(shí)應(yīng)控制爐溫在合理范圍內(nèi)。

②爐溫較高時(shí)，進(jìn)入廢鍋段和落至下渣口熔渣溫度也隨之升高，當(dāng)落至下渣口處熔渣無法完全冷卻時(shí)，首先在下渣口粘附堆積，造成下渣口的堵塞；同時(shí)較多高溫熔渣的粘附，加大了對(duì)耐火材料的侵蝕速率，縮短耐火材料的使用壽命；其次，下渣口的堵塞，導(dǎo)致氣流速度增加，爐內(nèi)壓力升高，當(dāng)渣口熔渣快速掉落時(shí)，易引起壓差大幅度波動(dòng)，影響燃燒室穩(wěn)定運(yùn)行；再次，當(dāng)下渣口處耐火材料侵蝕嚴(yán)重，同時(shí)下渣口堵塞，爐內(nèi)壓力升高、渣口壓差波動(dòng)大時(shí)，極易造成下渣口水冷器密封材料的損壞。一旦水冷器密封材料損壞并出現(xiàn)漏點(diǎn)，夾層保護(hù)氣將失去密封性能，高溫合成氣竄入爐體與水冷壁夾層，托轉(zhuǎn)盤與爐體溫度快速上升，威脅爐體安全，同時(shí)竄入的合成氣攜帶大量飛灰和細(xì)小熔渣，增大下一步檢修的清理工作量。

③經(jīng)過廢鍋段換熱后的合成氣溫度遠(yuǎn)低于煤的灰熔點(diǎn)和熔渣的臨界溫度，粘附并凝固在下渣口上的積渣無法通過爐溫調(diào)整進(jìn)行消融，因此運(yùn)行時(shí)應(yīng)維持操作條件的穩(wěn)定，保持廢鍋段的換熱效率，維持高產(chǎn)汽量，以有效降低合成氣和熔渣溫度，進(jìn)而減少熔渣在渣口處的堆積。

(3)灰分的影響

攜帶大量飛灰和熔渣的合成氣進(jìn)入輻射廢鍋后，粒徑較小的飛灰和細(xì)渣由于跟隨性較好更容易沉積在廢鍋壁面，形成內(nèi)側(cè)飛灰層，待灰層累積到一定厚度后，表面附著力增強(qiáng)，液態(tài)熔渣開始粘附在灰塵外側(cè)，與低溫的水冷壁管換熱后冷卻凝固。

灰分高的煤種出燃燒室的合成氣中飛灰含量高，在廢鍋段飛灰粘附速率應(yīng)當(dāng)比低灰分煤塊，但我司半廢鍋氣化爐在12%和8%兩種灰分工況下，廢鍋段副產(chǎn)蒸汽衰減速度和水冷壁上飛灰及積渣厚度基本無變化，由此可知，灰分在小于12%情況下，灰分高低對(duì)廢鍋段副產(chǎn)蒸汽無影響，這也增大了半廢鍋氣化爐對(duì)煤種的選擇性，同時(shí)減小運(yùn)輸?shù)纫蛩貛淼挠绊憽?/p>

(4)熱膨脹影響

廢鍋段支撐設(shè)置在氣化爐本體上，而在運(yùn)行中爐體與廢鍋段溫度差在400℃以上，外加廢鍋段25m的長(zhǎng)度，造成運(yùn)行中爐體與廢鍋段產(chǎn)生相對(duì)位移較大，極易造成水冷器處密封材料的損壞，因此在檢修密封時(shí)應(yīng)預(yù)留出膨脹空間，同時(shí)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，兩對(duì)燒嘴投料應(yīng)留出足夠時(shí)間，使密封材料緩慢受熱膨脹，減少急速溫升對(duì)密封處耐火材料帶來的損害。

(5)夾層氣的影響

氣化爐爐體與水冷壁之間的夾層，通入比爐膛壓力稍高的低溫新鮮氣，進(jìn)入夾層的新鮮氣通過上下水冷器密封處縫隙由背火側(cè)進(jìn)入向火側(cè)。此保護(hù)氣一是防止水冷壁向火側(cè)熱合成氣竄進(jìn)夾層，造成爐體超溫，二是隨著氣體的流動(dòng)帶走鰭片和托磚盤上的熱量，防止鰭片和托磚盤超溫，保證其機(jī)械性能。

保護(hù)氣壓力較大時(shí)，氣體流速加快，帶走較多的熱量，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行起到較好的保護(hù)作用。但在運(yùn)行中夾層氣壓力與爐內(nèi)壓力壓差過大時(shí)（超過1.0MPa），保護(hù)氣會(huì)對(duì)水冷器密封材料過度沖刷，造成泄露增大，嚴(yán)重時(shí)無法維持水冷壁內(nèi)外壓差，進(jìn)而系統(tǒng)被迫停車。

(6)耐磨層的影響

為減小合成氣中熔渣對(duì)廢鍋段的沖刷，鍋爐水管表面噴涂一層耐磨材料。由于耐磨層導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于鍋爐水管的導(dǎo)熱系數(shù)，故耐磨層的厚度直接影響廢鍋的整體換熱效率，同時(shí)耐磨層與金屬的結(jié)合力較弱、膨脹系數(shù)差別較大，噴涂時(shí)厚度不宜過后，防止運(yùn)行中或開停車期間出現(xiàn)大面積脫落，進(jìn)而堵塞渣口，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

耐磨層的表面光滑度也對(duì)換熱效率有著較大的影響，光滑度越好，飛灰越難附著，廢鍋換熱效率越高，蒸汽衰減速度也越慢。

3.半廢鍋氣化爐的優(yōu)點(diǎn)

（1）多噴嘴對(duì)置式半廢鍋氣化爐是兗礦集團(tuán)與華東理工大學(xué)共同研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型煤氣化技術(shù)，本技術(shù)與引進(jìn)氣化技術(shù)相比，節(jié)約專利實(shí)施許可費(fèi)約2000萬元，同時(shí)所有相關(guān)設(shè)備及板材均為國(guó)產(chǎn)化制作，制作及運(yùn)輸周期短、整體費(fèi)用低。

（2）經(jīng)濟(jì)效益好。廢鍋氣化爐和激冷氣化爐一樣，具有有效氣成分高、碳轉(zhuǎn)化率高、耐火磚壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，同等煤耗的情況下，有效氣量大、產(chǎn)品產(chǎn)量大、經(jīng)濟(jì)效益更好。我司運(yùn)行的2000t/d半廢鍋氣化爐，在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，按平均副產(chǎn)9.0MPa蒸汽75t/h計(jì)，在經(jīng)過背壓和抽凝兩套機(jī)組，每小時(shí)可額外發(fā)電9464kWh，實(shí)現(xiàn)效益3785.6萬元/年（年運(yùn)行時(shí)間8000h計(jì)）。

（3）廢鍋段對(duì)煤灰的黏溫特性無要求。半廢鍋氣化爐燃燒室與廢鍋段串聯(lián)連接，出燃燒室高溫合成氣在廢鍋段僅進(jìn)行換熱，不參與化學(xué)反應(yīng)，故廢鍋段對(duì)煤灰黏溫特性無具體要求，和激冷氣化爐一樣，只需滿足燃燒室內(nèi)熔渣黏度小于25Pa·s即可。

（4）廢鍋段溫度低，廢鍋運(yùn)行穩(wěn)定。與全廢鍋流程相比，經(jīng)過上水冷器的初步換熱，進(jìn)入廢鍋段合成氣溫度下降約100℃，尤其是出廢鍋段合成氣溫度，最低可降至800℃以下，消除了廢鍋氣化爐結(jié)垢、爆管、連接管斷裂等問題，延長(zhǎng)了管材的使用壽命。

（5）夾層運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)超溫的情況。水冷壁主要通過上下水冷器將熱合成氣有效隔離，由于水冷器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封材料填壓充實(shí)，另有抓釘和壓板壓固，實(shí)現(xiàn)了密封處的穩(wěn)固耐用，既解決了水冷壁的熱膨脹問題，又能有效阻止合成氣的竄入，實(shí)現(xiàn)了環(huán)隙的穩(wěn)定運(yùn)行。

我司半廢鍋氣化爐在運(yùn)行初期多次出現(xiàn)水冷器密封泄露的情況，后經(jīng)過技術(shù)改造，通過改變密封型式和材料，大大增加了密封的性能。從改造完到現(xiàn)在已實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行190天未泄露，從根本上解決了該問題。

（6）一次性投資及運(yùn)行成本降低。經(jīng)過廢鍋段的換熱，進(jìn)入激冷室的合成氣溫度較低，在激冷室對(duì)合成氣冷卻、洗滌和增濕的激冷水量要小，這也導(dǎo)致氣化爐激冷室、黑水循環(huán)泵以及渣水處理工段的旋風(fēng)分離器、水洗塔、高溫?zé)崴靡?guī)格相比激冷流程都有所降低，一方面減少了設(shè)備的一次性投資，同時(shí)降低了運(yùn)行成本。

（7）改變輻射屏結(jié)構(gòu)，減小廢鍋初期衰減速率。水冷壁管由10mm寬鰭片連接，組成環(huán)形結(jié)構(gòu)圍繞在外側(cè)，此處合成氣流速較慢，且流向與水冷壁平行，同時(shí)管與管之間間隙較大，故水冷壁結(jié)渣相比輻射屏較少。輻射屏每組管道之間相互緊貼，無鰭片連接，導(dǎo)致兩管之間間隙過小，尤其是在廢鍋內(nèi)流場(chǎng)偏流時(shí)，輻射屏管道間的較小間隙極易粘附飛灰和熔渣，且粘附的速率較快，同時(shí)輻射屏換熱量占整個(gè)廢鍋段換熱量的50%，這也是廢鍋運(yùn)行初期蒸汽衰減較快的原因。后期輻射屏與水冷壁掛渣達(dá)到一定厚度時(shí)，熔渣厚度的小幅增加對(duì)換熱效率影響較小，副產(chǎn)蒸汽量會(huì)趨于平穩(wěn)。

上述問題，可參照水冷壁鍋爐水管，在輻射屏管道之間增加鰭片，或加大管道間間隙，減小此處對(duì)飛灰的粘附力，或加大管道間間隙，讓輻射屏兩側(cè)合成氣形成對(duì)流，減少飛灰的附著，進(jìn)而延遲蒸汽衰減速率。

（8）系統(tǒng)的長(zhǎng)周期、高效運(yùn)行。我司半廢鍋氣化爐，經(jīng)過對(duì)水冷器密封的改造，實(shí)現(xiàn)了夾層的穩(wěn)定運(yùn)行；廢鍋段的低溫運(yùn)行，杜絕了鍋爐水管爆管、連接管斷裂等問題；上水冷器處合成氣溫度高、氣體流速大，下水冷器處熔渣溫度低，解決了渣口堵渣的問題；廢鍋段的結(jié)渣，副產(chǎn)蒸汽雖有衰減，但后期會(huì)維持一定量不在變化，且不影響燃燒室和氣化爐的整體正常運(yùn)行。通過技術(shù)改造和工藝調(diào)整，我司半廢鍋氣化爐運(yùn)行情況得到極大改善，在230天的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行73天的成績(jī)，尤其是2022年3月18日投料至28日10日間，副產(chǎn)蒸汽連續(xù)穩(wěn)定在115t/h以上，且未出現(xiàn)衰減情況，在第10天由于其它原因系統(tǒng)停車再次投料后，副產(chǎn)蒸汽雖開始出現(xiàn)衰減，但第16天仍達(dá)100t/h，達(dá)到設(shè)計(jì)值的105%，真正實(shí)現(xiàn)了半廢鍋氣化爐的高效、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行（蒸汽量均為每小時(shí)平均值）。

圖2 2022年3月投料后運(yùn)行圖

4.結(jié)語

綜上所述，作為全世界第一臺(tái)多噴嘴對(duì)置式半廢鍋氣化爐，通過一年多的高效、長(zhǎng)周期、低故障率的穩(wěn)定運(yùn)行，已達(dá)到預(yù)期科研效果，標(biāo)志著該爐型的成功，為半廢鍋氣化爐的發(fā)展提供了寶貴可借鑒的經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)能源行業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。