煤化工企業德士古氣化爐帶水原因分析及對策

高佳興 (國能包頭煤化工有限責任公司，內蒙古 包頭 014010)

0 引言

近年來，在技術不斷發展的今天，我國的煤化工技術日漸成熟，陸續出現了許多新工藝與新技術，如氣流床氣化技術有諸多優勢，能為企業創造更大的經濟與社會效益。煤化工企業內的德士古氣化爐在生產中有著重要作用，但實際運行中帶水問題屢見不鮮，長期出現帶水現象必將使德士古氣化爐激冷室液位低于正常限值、洗滌塔液位高于限值，增大跳車風險甚至引起相關設備的損壞。

1 德士古水煤漿氣化的工藝及關鍵設備

1.1 磨煤機

水煤漿的氣化過程十分復雜，工藝要求高且涉及的設備較多，磨煤機為其中的重要設備，在其功能支持下可將煤在磨煤機內與水充分混合，形成以一定粒度分布的水煤漿。當前的煤化工企業中一般配置的是濕式棒磨機，磨機系統內有磨筒、主軸承、轉動裝置、主電機、氣動離合器等。

1.2 煤漿泵

德士古氣化爐生產系統中煤漿泵起著加壓作用，整個生產過程中，通過使用煤漿泵提高煤漿壓力，使其壓力符合相關標準。煤漿為高黏度、易沉降、含固體顆粒的流體物質，為在生產中使煤漿符合實際需求，企業需配備高性能煤漿泵，如可選擇三缸往復式隔膜軟管泵。

1.3 德士古燒嘴

德士古氣化爐中的德士古燒嘴可實現水煤漿、氧氣的充分混合與霧化，但為提高燒嘴在生產系統中的作用，設計人員需根據高效、安全生產的要求采用外混三流道設計，中心管與外環縫均為氧氣通道，內環隙為煤漿通道，燒嘴頭部布設有冷卻水套與盤管，以避免其他因素損壞燒嘴。

1.4 氣化爐

氣化爐可細分為燃燒室和激冷室兩個區域，分別位于上部與下部，氣化反應發生于燃燒室內，激冷室中有激冷環、下降管、風道、分水擋板等配件。隨著燃燒作用的持續進行，氣化爐內產生大量爐渣，這些爐渣在水浴中冷卻凝固。

1.5 洗滌塔

洗滌塔具有除氣作用，煤漿氣化過程中產生的合成氣可經由洗滌塔排出，內部的降液管、風道、雙層濕式沖擊塔板、除霧器等相關部件在相互配合下可保障合成氣及時排出。

2 德士古煤氣爐的優點

2.1 有著較強煤炭種類適應性

煤化工企業中的德士古氣化爐運行中的能源可選擇性較多，如：煙煤、石油焦、次煙煤。灰熔點對能源選擇的干擾較小，但如果在實際的生產中灰熔點較大，相關人員要在其中添加一定的助溶劑。如：在煤化工企業的德士古煤氣爐中以煤為能源，必須選用高質量、低灰熔點煤。

2.2 有著連續生產性

煤漿氣化過程中，氧氣與煤漿生產為連續過程，因此，德士古氣化爐的生產具有連續性。氧氣、煤漿等原料可源源不斷地投入到爐內，維持高效的生產作業。由于設備的特殊性，生產人員只需要設計固定的排渣程序即可，不需要專門將設備停止進行排渣，更能保障生產效率。

2.3 有著較高的氣化壓力

德士古氣化爐的氣化壓力較大，當設備處于高壓狀態時對應著較低的比容積，單爐產量偏高，考慮到氣化爐的這一生產特性，煤氣壓縮環節的能源消耗少、資金投入低。

2.4 氣化溫度高

德士古氣化爐的氣體溫度相對較高，在1 200～1 350 ℃范圍內，在該溫度條件下煤炭資源的轉化率較高。德士古氣化爐的運行溫度區間特殊性決定了相關人員可依據渣樣情況精準控制操作溫度，使碳轉化率符合標準[1]。

2.5 更能保障生產安全

氣化爐在磨煤過程中采用濕法，就是需要在磨煤機中使用一定的添加劑、水和煤，這一方式的安全系數更高，較之傳統干磨法更不易出現安全事故。

2.6 生產具有環保性

德士古氣化爐為煤化工企業內的新型設備，由于該設備結構、生產流程等的特殊性，具有清潔環保性特征，主要體現在：氣化爐溫度異常高，無酚或焦油等高污染物產生；生產中排出的廢水可在處理技術下得到凈化，排放的污染物少，廢水處理簡單且成本低，能循環利用水資源。

3 煤化工企業德士古氣化爐帶水原因

3.1 氣化爐負荷

德士古氣化爐工作中，氣化爐負荷是需要關注的一項指標，負荷大小直接影響激冷室帶水情況。如：在生產過程中氣化爐負荷較大，將意味著更高的壓力、更大的氣量，但即使如此，氣流間隙也長期固定，為此，高負荷增大了合成氣流速，一旦氣流對合成氣中液滴的夾帶能力超過自身重力，將會被帶出激冷室，引起較為嚴重的氣化爐帶水現象。

激冷室激冷過程中，高溫合成氣本質上是二相流沸騰傳熱的過程。根據實際的生產經驗，液體的過熱程度取決于多種因素，其中，加熱面溫度與蒸汽溫度的差值為關鍵因素，當二者的溫差偏小時，液體雖有沸騰現象但其沸騰不明顯，此為對流傳熱過程；當溫差過大時，傳熱系數與熱流密度同時增大，此過程為泡核沸騰傳熱過程；當溫差為增大趨勢且達到某一限值的情況下，將生成大量蒸汽泡，各個氣泡在相互作用下逐步匯聚到一起，在加熱面表面形成蒸汽膜，因為蒸汽膜的存在，傳熱系數在短時間內大大降低，這一過程就是膜狀沸騰傳熱，氣相中夾帶的水膜導致激冷室的帶水現象較為嚴重[2]。氣化爐負荷處于持續增大的趨勢時，意味著激冷室熱負荷強度相對較高，一旦達到某一臨界狀態，傳熱方式發生變化，從泡核沸騰傳熱轉向膜狀沸騰傳熱。傳熱能力持續降低的過程中，氣化爐中的氣體可將水帶走。

3.2 氣化爐爐溫

德士古氣化爐運行中，爐溫也是影響生產作業的一大關鍵指標，相關人員在操作氣化爐時必須將爐溫控制在合理的范圍內。根據大量的生產經驗，如氣化爐保持在高爐溫狀態下，可以為氣化反應創造條件，增大反應速率，并同步保障產氣量與碳轉化率。但是，高爐溫也會帶來其他的問題，一旦爐溫過高，也將對應著較高的合成氣溫度，激冷室的熱負荷強度、飽和水蒸氣、總氣量等都同步增大[3]。如果氣化爐的爐溫偏低，雖可滿足氣化反應的溫度要求，但反應速率較慢，碳轉化率、產氣量都相對偏低，產生的粗渣殘碳較多，能源浪費嚴重，不符合低碳環保的生產要求，如未及時增大爐溫，持續保持低爐溫條件，后續可能會出現錐底堵渣現象。

德士古氣化爐運行中最佳的爐溫為超過灰熔點50～150℃，但由于每個煤化工企業都有各自的生產特點，在控制爐溫時還需嚴格參考其他參數。以某煤化工企業的德士古氣化爐來說，該氣化爐的原煤質量不佳，黏溫特性不足，隨著運行時間的延長，渣口與鎖斗的堵渣現象無法避免，為解決此問題，操作人員將爐溫控制在較低的控制指標，但即使如此，氣化爐依舊存在帶水現象，且出現此現象的周期大大縮短，甚至在10天之內發生了帶水現象，說明爐溫過低也不利于預防氣化爐帶水現象。

3.3 原料煤質量

德士古氣化爐的帶水現象也可能由原料煤質量不達標所導致，氣化爐運行時對能源有極高的性能要求，只有保障原料煤質量與性能符合標準，才能避免能源質量問題引發的帶水現象。但實際上，許多煤化工企業的德士古氣化爐都因為原料煤質量不佳而出現了帶水現象。結合大量的氣化爐生產與工作經驗，所選用的原料煤灰分黏溫特性、反應活性、內水、灰熔點等均應符合要求。氣化爐帶水原因的分析中，煤灰的黏溫特性為一大主因，合適煤種的煤灰軟化溫度與流動溫度應有超過30 ℃的溫差。某煤化工企業的德士古氣化爐中，有關人員在分析原煤與煤漿槽煤漿灰縫的灰熔點后，發現軟化溫度與流動溫度之間的偏差非常小，幾乎可忽略不計。相關人員在分析煤灰后，發現其中的Fe2O3、Al2O3、CaO等物質的含量較高，SiO2的含量偏低，原煤的這一構成特點決定了煤炭燃燒產生的灰渣進入激冷室后，產生的細灰較多，部分細灰無法在短時間內凝固，最終被合成氣帶入到下降管、上升管的環隙，并牢固黏結于環隙中，影響氣化爐的正常運行[4]。

3.4 氧氣調節、氧氣壓力與流量波動

煤漿氣化過程中，氧氣調節、氧氣壓力與流量波動也可能是引起氣化爐帶水的重要原因。為使煤漿進入氣化爐后可被充分霧化，中心氧體積分數應在15%～25%之間，如中心氧含量超出正常標準，氣化爐火焰延長，合成氣進入激冷室以后溫度驟然增大，為此，需在確保霧化充分的情況下控制中心氧含量。氣化爐帶水現象也可由氧氣壓力、流量頻繁波動引起，許多煤化工企業在生產中未實時監測氧氣壓力、流量，導致氣化爐帶水問題嚴重，給生產帶來了較大的干擾。

4 煤化工企業德士古氣化爐帶水問題的控制對策

4.1 增加上升管的直徑，增加下降管和上升管之間的環形通道空間

由于德士古氣化爐帶水問題由多種因素所導致，為科學控制這一方面的問題，可從出現的原因著手采取有效的控制措施。由于合成氣對液相的影響較大，在企業內需根據氣化爐的構成特點，適當增加上升管直徑，以擴大下降管與上升管之間的環形空間，減小合成氣對液相的干擾，從根本上控制氣體流速，減弱氣體夾帶水的能力。通常氣化爐激冷室的上升管利用螺栓來緊固，在實際的工作中相關人員需根據需求調整上升管的直徑。與其他方式相比較，增加上升管的直徑的操作方法簡單且投入較低。

4.2 擴大氣化爐激冷室空間

在原有基礎上適當擴大氣化爐激冷室的空間，對控制帶水現象也相對有效，因為當氣化爐激冷室空間變大后，激冷室液位上部的分離區域相對充足，部分夾帶水將會回流于激冷室空間。一旦氣體流速相同，氣體夾帶水的動能也一樣，液滴帶出速度遠遠小于分離空間的流速，也就會產生更多的合成氣帶水。如設備處于滿負荷運行狀態下，洗滌塔與氣化爐之間可保持水平衡狀態，此時，夾帶水可正常回流，但如果氣化爐帶水問題較為嚴重，相關人員應通過控制液位的方式來增大激冷室液面上部空間，以減緩帶水問題。

4.3 合成氣出口管線部位設置氣水分離器

德士古氣化爐工作中，在合成氣出口管線部位設置氣水分離器對預防帶水問題也相對有效，因為在布置了這一設備后，可及時分離水，使這些水回流到氣化爐激冷室內，不僅可解決帶水問題，還能使氣化爐降低對激冷水的需求，保障激冷水、洗滌塔的水質，最大程度上降低動力消耗，進一步簡化洗滌塔、氣化爐的操作流程[5]。比如煤化工企業中相關人員可調整激冷室直徑，也可增大上升管直徑，為合成氣的流動創造良好的條件，并保障較大的流動空間。對于激冷室，在條件允許的情況下相關人員需在恰當的位置設置破泡條，消除氣泡，抑制膜狀傳熱，并借助鐘罩形狀的上升管實現防堵目標，否則，一旦在氣化爐中的水質不達標，隨著生產的持續進行，大黑水管線內將產生較多水垢，易引起氣化爐激冷室的堵塞。

4.4 降低生產負荷和操作溫度

煤化工企業的德士古氣化爐工作中出現了帶水問題，相關人員需根據實際情況及時減小生產負荷與操作溫度，通過控制這兩個參數來避免帶水問題。當然，操作人員也需要在原有基礎上增加高壓灰水補水量、激冷水量、氣化爐錐底排黑量、洗滌塔底部排黑量，避免形成帶水條件。具體操作中有關人員必須要將洗滌塔液位控制在合理范圍內，預防洗滌塔的二次帶水，與此同時，氣化爐液位應盡可能保持在穩定狀態下，或者在一些特殊的情況下小幅度降低氣化爐液位。

4.5 嚴格控制灰水的工藝指標

德士古氣化爐帶水現象的處理中，操作人員也要嚴格控制灰水的各項工藝指標，保持水質的穩定性，適當增大系統水的外排量、新鮮水的補水量。如：氣化爐生產負荷有所波動且存在其他異常情況時，必須及時改變灰水系統中絮凝劑、阻垢分散劑的添加量。

5 結語

德士古氣化爐帶水是煤化工企業中普遍存在的問題，很多因素都會引發這一問題。為避免這一現象，提高企業的生產效率與效益，企業需立足自身情況，強化設備改造與技術引進，采取有效措施預防氣化爐帶水。