干煤粉氣流床氣化爐帶水問題原因分析及應對措施

李天波，孔令法，王 赟，馬風福

(國能寧夏煤業集團煤制油分公司，銀川 750411)

近些年來，隨著我國煤化工產業的快速發展，煤氣化技術不斷被創新和開發。以國產干煤粉加壓氣流床技術為代表的神寧爐、航天爐等技術逐漸成熟。干煤粉加壓氣流床技術因具備對原料煤的適應范圍廣、有效氣組分含量高、投資少、操作簡單等優點而備受青睞[1]。

氣流床氣化爐按照功能劃分為燃燒室和激冷室2個部分，其工作原理是煤粉和氧氣在氣化爐的燃燒室內燃燒，進行氧化還原反應，產生合成氣。燃燒室的底部通過下降管與氣化爐下方的激冷室連通，高溫的合成氣、燃燒產生的灰渣及飛灰均會通過下降管進入激冷室內。激冷室內部保持一定的液面并沒過下降管，在下降管的上部還設置有激冷環，激冷水通過激冷環噴出沿著下降管流下，激冷水對高溫的合成氣、燃燒產生的灰渣及飛灰進行噴淋、洗滌、降溫。灰渣及飛灰經洗滌冷卻后在燃燒勢能和重力的作用下逐漸沉降至激冷室的底部，最終排出激冷室，合成氣沿下降管進入激冷室底部水浴，經過洗滌、降溫后溢出水面輸送至氣化爐后系統。

氣化爐帶水是指合成氣在氣化爐激冷室冷卻分離的過程中，將大量液態水帶出氣化爐。氣流床氣化爐帶水問題一直是不可回避的技術問題，是制約煤氣化裝置優質運行的瓶頸之一。氣化爐帶水的同時常伴隨著合成氣帶灰和帶渣問題。氣化爐帶水會造成洗滌塔液位上漲過快，洗滌塔水質惡化，氣化爐出口粗煤氣管線、文丘里結垢加速，氣化爐運行周期短，氣化爐檢修周期長，檢修費用增加等問題。筆者從氣化爐激冷室的內部結構、工藝流程、工藝操作等因素入手，分析氣流床氣化爐帶水的危害，找出氣化爐帶水原因，并提出相應的應對措施，與同行交流。

1 氣化爐工藝過程

氣化爐燃燒室內加壓煤粉與氧氣發生燃燒產生的高溫粗煤氣、少量未燃燒的煤粉、飛灰和部分液態熔渣一起并流通過下降管進入激冷室。下降管頂部的激冷環噴出一定流量的激冷水與高溫粗煤氣發生熱量傳遞，在熱量傳遞過程中，一部分激冷水發生相變汽化為水蒸氣后與高溫粗煤氣混合，使粗煤氣溫度降低。另一部分激冷水受重力作用沿下降管流下，在下降管內壁形成保護水膜，防止高溫粗煤氣灼燒下降管。高溫粗煤氣攜帶一定的動能沿著下降管進入激冷室水浴，經過冷卻、洗滌后溢出激冷室水面，激冷室還設置有數層破泡條，用來減少粗煤氣霧沫夾帶。

粗煤氣在溢出激冷室液面時會夾帶部分液態水，液態水在沖破激冷水液面有3種不同的運動形式:(1) 粗煤氣通過激冷室水浴后變成氣泡被破泡條鋸齒破裂，氣泡變成液態水落入激冷室；(2) 部分液態水在上升過程中不斷與激冷室內壁、氣化爐下渣口支撐板、折流板碰撞后受到重力流到激冷室液面；(3) 部分粗煤氣攜帶液態水逃逸出激冷室[2]。

2 氣化爐帶水現象

(1) 氣化爐激冷室液位快速下降，氣化爐激冷室出口工藝氣溫度下降，同時洗滌塔液位升高，塔盤壓差上漲，系統外補水添加量降低，系統水平衡失衡[3]。

(2) 氣化爐激冷室液位快速下降，閃蒸角閥開度減少，激冷室排黑水閃蒸出水量減少，閃蒸壓力降低。

(3) 氣化系統壓差呈上漲趨勢，激冷水系統結垢加快，激冷水泵清理濾網次數及頻率加大，激冷水流量出現波動。

(4) 氣化爐激冷室液位計顯示不準，系統壓差大幅波動，氣化爐運行負荷受到影響，裝置無法運行。

3 氣化爐帶水原因分析

3.1 激冷室及關鍵內件的影響

氣流床氣化爐激冷室的空間下降管的尺寸、破泡條的分布，均會影響激冷室內液相干擾、霧沫夾帶情況，氣化爐原始設計必須保證下降管和激冷室的尺寸和匹配度。國內一些專家對激冷室內件對氣化爐帶水影響進行研究，馬寶國[4]對下降管組合結構進行了模擬計算，認為合理的激冷室空間下降管尺寸對氣化爐帶水影響較大。某些國內技術先進企業對激冷室內件對氣化爐帶水影響進行了流場模擬，對內件與氣化爐的匹配度進行了技術改造，取得了寶貴的經驗。

國內某知名企業對內件與氣化爐的匹配對氣化爐帶水的影響進行了模擬。當激冷室尺寸確定后，下降管的直徑對氣化爐帶水的影響見圖1。氣化爐負荷一定時，合成氣通過激冷室水浴，不同尺寸的下降管在流場模擬時表現出帶水情況不同。模擬顯示出下降管整體擴徑和局部擴徑結構的外環腔鼓泡區域液含率較為均勻，且存在激冷室頂部能夠維持較穩定的氣-液相界面，液沫夾帶量少，氣化爐帶水量少且均勻。

當激冷室的尺寸、下降管的直徑確定后，破泡條對氣化爐帶水的模擬見圖2、圖3。由圖2、圖3可得：破泡條能起到破碎氣泡和減弱液體夾帶的作用。

3.2 氣化爐負荷的影響

氣化爐負荷會直接影響氣化爐帶水。當外界條件不變時提升氣化爐負荷，通過下降管的通氣量和氣流流速會變大，氣體通過鼓泡后穿過激冷室液面的流速顯著提升。流速超過一定數值之后，就會把液態水帶出激冷室，產生帶水問題。在激冷室中高溫粗煤氣會引發沸騰傳熱。蒸汽溫度和加熱面的溫差決定了液體的過熱程度：如果溫差較小，那么液面只會輕微沸騰，這種情況屬于對流傳熱；如果溫差較大，相應的熱流密度和傳熱系數也會提升，就會發生泡核沸騰傳熱；如果溫差擴大至臨界值，蒸汽泡的數量明顯增多，構成傳熱系數較低的蒸汽膜，這種情況屬于膜狀沸騰傳熱，會引發激冷室嚴重帶水。由此可見，如果氣化爐負荷比較大，熱負荷強度升高，激冷室中的泡核沸騰傳熱會轉變為膜狀沸騰傳熱模式，傳熱效率顯著降低，同時會帶走較多的水[5]。

圖1 不同直徑下降管的流場模擬

圖2 帶有破泡條激冷室內部夾帶情況

圖3 無破泡條激冷室內部夾帶情況

3.3 氣化爐爐溫控制的影響

氣流床氣化爐本質上是原料和氣化劑進行燃燒和氣化的場所，是整個煤氣化系統的核心，關系著最終產出合成氣的質量。在氣流床氣化爐內部，同時存在著流動、傳熱、傳質和化學反應等一系列復雜而劇烈的物理化學變化，而這些問題制約著氣化爐的爐溫控制。其中GSP干煤粉氣化爐燃燒室出口合成氣溫度達到1 350～1 500 ℃(見圖4)，Texaco氣化爐燃燒室出口合成氣溫度達到1 250～1 570 ℃(見圖5)。燃燒室中心溫度達到2 000 ℃時，如果操作不當而引起爐溫大幅波動，將會導致燃燒室出口合成氣溫度大幅度變化。氣流床氣化爐合成氣、渣、飛灰與激冷水正向換熱，在激冷水量保持穩定的情況下，爐溫大幅波動將影響換熱，直接影響到合成氣帶水[6]。因此，氣化爐在控制爐溫的過程中,操作人員必須時刻掌握煤的灰熔點，以及撈渣機電流、合成氣中CH4和CO2含量、殘炭量等主要參數來進行綜合判斷氣化爐爐溫。

圖4 GSP氣化爐燃燒室流場模擬

圖5 Texaco 氣化爐燃燒室流場模擬

3.4 煤質的影響

原料煤的灰熔點、內水、反應活性、黏溫特性也是影響氣化爐帶水的重要因素。煤灰的黏溫特性直接影響生產效果，煤灰的流動溫度和軟化溫度都需要符合要求。如果煤灰中的 Fe2O3、Al2O3、CaO含量比較高，那么會形成較多的細灰；灰渣在激冷水中的溶解性也不同，容易導致激冷室水浴的密度發生變化，引起氣化爐帶水[5]。為保證氣化爐液態排渣，氣化爐運行爐溫一般比煤的灰熔點高100～150K。但是一般大型的煤化工項目都需要幾個煤礦配煤供應原料，這樣就會導致原煤煤質發生變化，爐溫控制處于動態調整的過程。

3.5 氣化爐激冷室液位控制問題

氣化爐運行時激冷室液位控制要保證上不帶水、下不竄氣。激冷室液位控制低，激冷室液面以上氣-液分離空間加大，有利于緩解氣化爐帶水，同時激冷室液位會降低粗煤氣洗滌、降溫效果，部分飛灰會帶向后系統，加劇系統結垢。氣化爐激冷室液位控制過高會加速氣化爐帶水。實際運行中氣化爐負荷變化、系統壓力調整、爐溫控制時時刻刻發生變化，氣化爐激冷室液位控制不是定值，需要靠一些操作經驗找到一個液位控制最佳區間才能保證氣化優質運行。

4 解決措施

4.1 優化激冷室及關鍵內件

(1) 擴大氣化爐激冷室有效空間。增加激冷室液面上部的分離區域，許多夾帶水在溢出激冷室液面后上升，上升過程中動能轉換為重力勢能，激冷室有效空間越大，合成氣帶出的水越少。激冷室是氣化爐的重要部件，屬于耐高溫、高壓設備，制造材料昂貴，因此必須在良好分離效果和材料成本之間尋找到最佳點，使得投資減少。該措施必須在氣化爐處于基礎設計時確定。

(2) 增加下降管的直徑和長度。下降管的直徑決定著合成氣溢出水面處的氣流速度，在液面張力一定的情況下，氣流速度決定著液態水能在激冷室液面以上運行多遠距離，是氣化爐帶水的核心因素。下降管的長度與合成氣在下降管的降溫有關，下降管長度、合成氣通過下降管流速會引起氣化爐帶水、帶灰等問題[7]。因此，下降管的配置與氣化爐帶水關系密切，具體配置還與激冷室、下渣口尺寸等有關。

(3) 對氣化爐激冷室破泡條設計進行評價。破泡條設置的層數、形狀、數量對氣化爐帶水情況都會有影響，在氣化爐運行幾個周期后觀察破泡條、激冷室爐壁、下降管外壁、氣化爐拱頂掛渣情況，找出最優設計。

4.2 合理控制激冷室液位

氣化爐液位控制在整個氣化爐工藝運行中的作用尤為重要，液位控制過高和過低都會對氣化爐運行存在著嚴重的影響，田進虎等[8]研究了氣化爐液位控制對氣化爐運行的影響。結果表明：氣流床氣化爐激冷室內部工況復雜，氣、液、固三相流對激冷室液位計的準確運行影響較大，氣化爐液位準確監測為煤氣化技術需要攻克的難題，所以需要對其進行嚴格管理，保證激冷室液位控制有利于氣化爐優質運行。

4.3 建立氣化爐水系統平衡計算

設計氣化爐水平衡計算系統，實時對氣化爐水平衡進行監控，用水平衡指導崗位操作，保證裝置操作更加標準化。

5 結語

氣化爐合成氣帶水是氣化爐優質、長周期運行的制約條件，但是氣化爐帶水又是伴隨著氣化爐運行出現的，不能消除。某些有設計缺陷氣流床氣化爐輕微帶水反而對裝置運行是有利的，運行過程中必須全面評估，取其有利裝置運行的方面加以利用。氣化爐引發帶水問題的原因還是多元化的，可能是系統水質、氧氣壓力、原煤煤質、爐溫操作控制、氣化爐負荷方面的問題。在實際操作中需要建立有效預防措施，指定一些運行標準參數，出現異常問題時，需要及時、準確地判斷原因，進行針對性調整，以保障系統的穩定性。