碎煤加壓氣化爐出口結焦及集水槽堵塞原因分析及對策

李榮軍,景 瑋,崔富忠

(伊犁新天煤化工有限責任公司,新疆 伊寧 835000)

伊犁新天煤化工有限責任公司(以下簡稱“新天煤化工”)加壓氣化22臺氣化爐,采用賽鼎設計的碎煤加壓氣化爐,其原理是煤與氧氣、蒸汽組成的氣化劑在爐內發生化學反應生成粗煤氣,產出的粗煤氣經過洗滌冷卻進入廢鍋,自2017年3月開車以來出現了氣化爐出口結焦堵塞導致的溫度失真、廢鍋集水槽堵塞頻繁、循環洗滌水泵入口管線及葉輪堵塞等問題,嚴重制約氣化爐滿負荷、長周期運行。

1 氣化爐出口結焦及集水槽堵塞帶來的弊端

1.1 氣化爐出口溫度顯示失真

氣化爐設計負荷為6 890 Nm3/h,設計出口溫度為386 ℃,由于出口溫度失真,實際運行時出口溫度顯示在200～300 ℃之間(實際溫度在350～500 ℃之間),部分氣化爐低于200 ℃,氣化爐的出口溫度甚至低于洗滌冷卻器的出口溫度,這種工藝參數的“假象”,不僅增加了操作難度,而且影響運行安全。

氣化爐在運行過程中出口溫度應控制在350～500 ℃之間,出口溫度顯示失真,可能會導致氣化爐出口溫度實際高,但顯示低,造成氣化爐氧穿透事故;出口溫度高,可能出現溝流、風洞,影響氣化爐運行安全。

1.2 循環洗滌水泵入口管線及葉輪堵塞

循環洗滌水泵的主要作用是將200 m3/h煤氣水輸送至洗滌冷卻器洗滌粗煤氣,在洗滌冷卻器內粗煤氣從386 ℃降至211 ℃,正常電流為35～40 A,氣化爐在5 0003/h的氧負荷下運行5～7 d就會使洗滌冷卻器出口溫度達到220 ℃以上,循環洗滌水泵電流低于35 A,通過對循環洗滌水泵隔離拆檢發現,葉輪堵塞嚴重,甚至出現入口管線堵塞的情況,只能人工清理,頻繁地降負荷、清泵,不僅影響系統負荷波動,而且增加了中控與現場人員的工作量。

1.3 廢鍋集水槽底部及出口管線堵塞嚴重

在試車初期,氣化爐負荷達到5 000 Nm3/h以上時,集水槽堵塞頻繁,液位居高不下,中控、現場配合進行反沖洗,為了維持生產運行,氣化爐負荷只能控制在72%以下,經常由于集水槽堵塞形成水封氣化爐被迫停車,頻繁開停車不僅增加了勞動量,而且不經濟、增加能耗,嚴重制約氣化爐的長周期運行。

2 氣化爐出口結焦原因分析

2.1 波斯曼套筒與氣化爐內壁間隙小

氣化爐波斯曼套筒與氣化爐內壁的間隙為404 mm,在煤氣化過程中,大量的焦油在干燥層、干餾層蒸發出來,干餾層的煤被上升煤氣加熱到300～600 ℃時煤開始軟化,焦油和少量的H2、CO2、CO、H2S、NH3從煤氣中分解出來,350～550 ℃時CH4和C2以上的烴類從煤中逸出到干餾層,酚吡啶萘等有機物也形成并分解出來,焦油隨粗煤氣流到波斯曼套筒外環隙,逐漸結焦,粗煤氣流速越快,氣化爐出口粗煤氣帶出物多,帶出物逐漸隨焦油布滿波斯曼套筒環隙,導致出氣化爐洗滌冷卻器平衡管處堵塞嚴重,氣化爐出口溫度失真,氣化系統部分設備及管線堵塞嚴重。

2.2 洗滌冷卻器無清焦裝置

新天煤化工碎煤加壓氣化爐使用的是粒度為8～100 mm的長焰煤,加熱時能產生一定量的膠質體,揮發分和焦油產率高。在氣化過程中,大量的焦油從干燥干餾層蒸發出來,焦油被氣化層的高溫粗煤氣帶出氣化爐。在氣化爐出口處,因為無自動在線清焦裝置,大量的焦油在高溫氣體的作用下結焦,造成氣化爐出口熱電偶溫度計(121TI029)表面結焦,氣化爐出口溫度計(121TI029)是氣化爐安全運行的重要監測儀表,熱電偶表面結焦使得氣化爐出口溫度失真,嚴重影響氣化爐安全穩定運行。

2.3 氣化爐氧負荷與細粉、流速的關系

氣化爐負荷在5 500 Nm3/h以下,煤粒度8～100 mm的達到95%以上,小于6 mm的控制在3%時,每日帶到后系統煤氣水分離裝置的細煤粉為0.6 t;負荷達到5 500 Nm3/h以上,煤粒度8～100 mm的達到95%以上,小于6 mm的控制在3%時,每日帶到后系統煤氣水分離裝置的細煤粉為0.8 t。氣化爐負荷在5 500 Nm3/h以下,煤粒度8～100 mm在90%以上,小于6mm的大于5%時,每日帶到后系統煤氣水分離裝置的細煤粉為1.0 t;氣化爐負荷在5 500 Nm3/h以上,小于6 mm的大于5%時,每日帶到后系統煤氣水分離裝置的細煤粉為1.2 t。因此,氣化爐氧負荷越高,氣化爐出口流速越高,煤中的細煤粉越多,則帶出物越多,氣化爐出口結焦率越大,則氣化爐出口溫度越低。

根據新天煤化工氣化爐運行數據統計,氣化爐負荷在5 500 Nm3/h時,粗煤氣產量為45 000 Nm3/h;氣化爐負荷在6 000 Nm3/h時,粗煤氣產量為50 000 Nm3/h;氣化爐負荷在6 500 Nm3/h時,粗煤氣產量為60 000 Nm3/h,根據流量的計算公式q=8Q(體積流量),流速(m/s)=[體積流量(m3/h)÷管道截面積(m3)] ÷3 600,單爐粗煤氣管道管徑為DN350,分別可以計算出粗煤氣流速為4 m/s、4.5 m/s、5.4 m/s,通過計算可以得出結論:負荷越高,粗煤氣流速越大,相應帶出物隨著負荷的增加而增加。

3 廢鍋集水槽堵塞原因分析

3.1 氣化爐帶出物多

在碎煤加壓氣化爐氣化過程中,入爐煤粒度的大小影響著氣化爐的運行負荷、粗煤氣產量。煤的粒度越小,同質量的煤表面積越大,其吸附和擴散速度越快,氣化反應速度越快;粒度小的煤傳熱速度快,煤塊內外溫差小,原料煤升溫速率快,粗煤氣入爐煤粒度過小,氣化爐床層阻力增大,帶出物增多。查閱相關資料,據顆粒流體力學關于沉降速度的相關內容,粗煤氣帶出爐外的煤粒大小計算方法為:當煤氣氣流處于滯流區時,其雷諾數(Re)小于2,帶出爐的煤塊主要是克服摩擦力,采用斯托克斯定律;當煤氣氣流處于湍流區時,其雷諾數(Re)大于500時,帶出爐的煤塊主要是克服氣流動壓阻力,采用牛頓運動定律,粗煤氣帶出爐外的煤粉最大直徑計算公式d={18μw0[(ρ固-ρ氣)g]}1/2。式中,d為被帶出煤粉的最大直徑,nm;μ為濕煤氣的黏度,kg/(m·s);w0為煤粉的沉降速度,m/s:ρ固為煤粉密度,kg/m3;ρ氣為煤氣密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2。

由上述公式可知,當煤氣氣流速度大于煤粉的沉降速度時,直徑小于d的煤粉將被帶出氣化爐。實際生產中,煤塊粒度越小或氣化爐負荷越小,則氣化爐床層阻力越大,氣化爐帶出物越多。

由于氣化爐使用的伊犁四礦長煙煤強度差,粉焦率很高,氣化燃燒過程中,在爐內空氣運行階段就出現粉化,隨著煤氣流帶到廢熱鍋爐,在廢熱鍋爐集水槽液位調節閥狹窄處黏結,逐漸堵塞管道。當氣化爐負荷增加至5 000 Nm3/h以上時,由于氣流速度快,粒徑較大煤塊隨著氣流帶至調節閥,造成堵塞。

3.2 設備結構

在集水槽堵塞后拆檢發現,集水槽底部的格柵過濾器的間隙變小,甚至由于本身強度和前后壓差原因出現不同程度變形,流通面積和間隙減小,煤粉或碎煤塊不能及時排出,逐漸造成集水槽堵塞,當集水槽內部粉煤和煤塊高度超過循環洗滌水泵入口管線接口時,就出現入口管線及葉輪堵塞,打液量降低,洗滌冷卻器出口溫度升高。

4 氣化爐出口堵塞及集水槽堵塞原因探究

4.1 波斯曼套筒堵塞原因及對策

為保證核心設備氣化爐的運行安全,探究制約產氣量、廢鍋集水槽底部及出口管線堵塞嚴重的問題,發現波斯曼套筒與氣化爐內壁間隙小為主要原因。為解決氣化爐波斯曼套筒小的問題,多次嘗試、改造,通過計算,結合項目使用原料煤種,通過優化氣化爐波斯曼套筒結構進行調整。

(1)波斯曼套筒直徑由現有的3 040 mm調整為2 940 mm,即氣化爐內筒與波斯曼套筒外壁的環隙寬度由404 mm擴大到454 mm(見圖1),當氣體流速為亞音速時,氣體出口管道的形狀宜于噴管形,進一步降低粗煤氣在環隙中的流速。

圖1 氣化爐內筒與波斯曼套筒外壁的環隙寬度擴大到454 mm

(2)現有氣化爐波斯曼套筒向下延伸 200 mm(見圖2),即長度由原來的1 840 mm增大到 2 040 mm,這樣可以固定干餾層析出的焦油,防止其隨氣流到波斯曼套筒外部;提高出口溫度100 ℃左右,可有效降低焦油凝固。

圖2 氣化爐波斯曼套筒向下延伸 200 mm

4.2 氣化爐出口處增加噴水環

為了確保氣化爐出口溫度(121TI029)的真實準確性,在氣化爐出口法蘭處增加高壓噴射煤氣水噴環(見圖3),用煤氣水裝置提供的高壓噴射煤氣水反向沖洗氣化爐出口,從而減少氣化爐出口結焦問題。為減少煤氣水處理量,利用接力泵將變換冷卻裝置洗滌器高壓噴射煤氣水引入氣化高噴水總管。從目前運行看,在氣化爐出口處增加噴水環的方式減少了出口溫度(121TI029)失真的頻次,但是未能徹底解決。目前,新天煤化工正探索在氣化爐出口處增加刮刀的方式來徹底解決這一難題。

圖3 氣化爐出口溫度計熱電偶處增加噴水環

4.3 安裝洗滌冷卻器刮刀

為徹底解決氣化爐粗煤氣出口、洗滌冷卻器內積聚的大量焦塊造成氣化爐氣相出口流通面積減小,導致對設備沖刷、損壞的問題,延長氣化爐運行周期,保障氣化爐的安全穩定運行。新天煤化工目前正在籌劃在每臺氣化爐洗滌冷卻器上安裝刮刀(見圖4),刮刀安裝在洗滌冷卻器的法蘭蓋上,通過液壓站提供動力帶動刮刀桿,刮刀桿通過推拉刮刀破碎焦塊,間歇性地將氣化爐粗煤氣出口的結焦推入爐內,保證氣相流道的通暢。

圖4 氣化爐洗滌冷卻器上安裝刮刀示意

4.4 擴大集水槽格柵過濾器

在拆檢集水槽底部時發現,由于格柵出現不同程度變形,流通面積和間隙減小,粉煤和粒徑稍大的塊煤在格柵間隙處被卡澀、堵塞集水槽。現已將集水槽格柵過濾器的間隙從8 mm擴大到18 mm,經過運行效果看,間隙擴大后降低了集水槽堵塞的頻率,也沒有引起煤氣水余熱回收器的堵塞。

5 操作管理

5.1 控制好原料煤中的粉煤含量

氣化爐入爐原料煤設計指標6 mm粒度以下原料煤占比小于5%,粉煤含量超標會造成氣化爐床層偏移、帶出物增加、出口溫度高等現象,影響氣化爐穩定運行。

5.2 氣化爐負荷防止大幅度波動

對運行氣化爐研究發現,其負荷維持在5 500～6 200 Nm3/h之間,粗煤氣出口流速在4.5 m/s,工況較好,帶出物可控,氣化爐出口溫度控制在350～480 ℃之間,產氣量也最佳,因此要控制較高負荷保持穩定,防止氣化爐出口氣流通道進一步變小,進而堵塞氣化爐出口。因末端爐粉煤量大,負荷過低,則入爐的粉煤量增加,不利于工況調整;負荷過高,則氣流大,帶出物多,集水槽容易堵塞,因此經過長期探索,末端爐負荷維持在5 000～5 500 Nm3/h為最佳。

5.3 防止集水槽的工況調整

在長期操作中發現,當氣化爐出口溫度異常上漲后,集水槽隨之發生堵塞,氣化爐出口上漲說明爐內有溝流、風洞或結渣,一旦出現這種現象,氣化爐負荷需要降至3 000 Nm3/h,減少溝流、風洞、結渣造成的空洞區域將煤塵帶至集水槽,通過正反轉交替旋轉爐篦,破壞空洞或渣塊,消除風洞、溝流、結渣后逐漸恢復正常生產。另外,在操作中要控制好最佳汽氧比,要根據灰渣樣品分析,盡量控制氣化爐低汽氧比運行,但是防止結渣,灰渣形態為微結渣狀態。

5.4 優化集水槽沖洗方法

集水槽反沖洗在設計上為自動沖洗,時間可自行設置,但在實際沖洗中,由于自動切斷閥UV038關閉不是很嚴密,后系統壓差低,沖洗時高噴水向后系統流出,反洗效果不是很理想,經過長期摸索,先利用旁路或TPD021管線將液位排至30%,然后關閉UV038及外排煤氣水的手閥,全開反洗高噴水閥,集水槽的液位上漲至70%后,關閉反沖洗閥,打開外排水閥,如此反復,將集水槽底部的煤塵、焦油排出格柵過濾器,集水槽逐漸暢通。

6 結語

通過擴大氣化爐波斯曼套筒間隙、在氣化爐出口增加噴水環、擴大集水槽過濾網格柵、優化操作等方式,氣化爐單爐負荷由之前的5 000～5 800 Nm3/h,到現階段的5 800～6 800 Nm3/h,不僅提高了生產效率,降低了因多啟爐而帶來的損耗,而且氣化爐出現結焦明顯減少,清焦頻率降低,極大改善了氣化爐廢熱鍋爐集水槽頻繁堵塞的問題,滿足18臺氣化爐長期穩定運行、1臺備用、2臺小修、1臺大修的運行目標,將來通過安裝洗滌冷卻器刮刀,將徹底解決氣化爐出口堵塞的問題,安全性和經濟型進一步提高。