三流道單噴嘴多元料漿氣化存在的問題及處理

趙伯平

（陜西煤化集團(tuán)陜化公司化肥廠，陜西渭南 714100）

三流道單噴嘴多元料漿氣化工藝與傳統(tǒng)煤炭氣化工藝相比，具有氣化原料范圍寬，氣化爐結(jié)構(gòu)簡單，氣化過程碳轉(zhuǎn)化率高（由于受工藝燒嘴結(jié)構(gòu)及氣化原料在氣化爐內(nèi)平均停留時間，微觀混合時間，宏觀混合時間，煤漿霧化程度，氣、固、液三相混合程度等因素的影響，碳轉(zhuǎn)化率一般可達(dá)到95%～99%），操作彈性大，粗煤氣質(zhì)量好，可供選擇的氣化壓力范圍寬，氣化過程污染少的優(yōu)點。三流道單噴嘴多元料漿氣化工藝在國內(nèi)實現(xiàn)工業(yè)化以來，已有多套裝置在不同的煤化工企業(yè)運行。各兄弟廠家的氣化裝置運行過程中出現(xiàn)了許多問題。這些問題可以分為兩類，一類是氣化工藝流程設(shè)計方面存在缺陷，一類是工程材料、工藝操作方面的問題。為了更好地使用此裝置，使其在生產(chǎn)過程中長周期安全穩(wěn)定運行，現(xiàn)對上述裝置在運行過程暴露出的問題作如下分析，并提出解決問題的措施。

1 氣化爐激冷室?guī)畣栴}［1，2］

1.1 氣化爐激冷室?guī)脑?/h3>

使用三流道單噴嘴多元料漿氣化工藝的各兄弟廠家在試車的過程中，氣化爐激冷室均出現(xiàn)不同程度的帶水問題。即合成氣將激冷室的水大量帶到后序的洗滌塔，使激冷室液位逐漸下降，加大進(jìn)水仍無濟于事，有時甚至快到跳車的低限，這種現(xiàn)象隨著壓力與負(fù)荷的升高而加劇。查閱有關(guān)文獻(xiàn)可知，激冷室內(nèi)，在熱流強度不高時，氣液之間以自然對流的泡核沸騰方式傳熱，隨著壓力與負(fù)荷的增加，激冷室內(nèi)熱流強度增加。當(dāng)達(dá)到某一臨界值時，氣液之間的傳熱方式轉(zhuǎn)為低效的膜狀沸騰傳熱。粗煤氣將激冷室中的水大量帶至后系統(tǒng)，對變換系統(tǒng)造成危害。為避免氣化爐帶水，必須保證一定的換熱面積，使氣化爐的實際熱流強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于臨界熱流強度。

1.2 氣化爐激冷室?guī)畣栴}的解決

為使氣化爐平穩(wěn)運行，避免氣化爐出現(xiàn)嚴(yán)重帶水現(xiàn)象，應(yīng)從以下幾個方面予以解決。

（1）在激冷室設(shè)計時，應(yīng)考慮壓力、投煤量的因素，加長激冷室尺寸，保證氣液傳熱面積F，以及氣液的分離空間。

（2）保證激冷水流量。

（3）保證鎖斗的正常運行，避免激冷室液相含固量過高。

（4）使用液位流量串級控制回路，嚴(yán)格控制氣化爐激冷室液位。

（5）在氣化爐與文丘里洗滌器之間增設(shè)旋風(fēng)分離器，并使用流量液位串級控制回路嚴(yán)格控制其液位，以除去粗煤氣中夾帶的液滴和固體顆粒。通過此種工藝流程的改進(jìn)，可以使由洗滌塔來的氣化爐激冷水中固體顆粒含量降低，進(jìn)一步降低激冷室液相固體顆粒含量。

（6）在下降管與上升管間的環(huán)隙氣流通道設(shè)置除沫部件。

2 激冷室下降管掛渣、激冷環(huán)局部堵塞、激冷室內(nèi)件燒穿問題

2.1 原因分析

激冷室下降管掛渣、激冷環(huán)局部堵塞、激冷室內(nèi)件燒穿的原因，一是氣化爐渣口滴渣唇沿?zé)龎模欢羌だ洵h(huán)局部堵塞，水分布不均勻，下降管內(nèi)側(cè)水膜被破壞而缺水；三是操作溫度過低，熔渣粘度太高。

2.2 處理措施

（1）定期檢查磨制料漿原料煤的灰熔點。

（2）在氣化爐與文丘里洗滌器之間增設(shè)旋風(fēng)分離器，并使用流量液位串級控制回路嚴(yán)格控制其液位，以除去粗煤氣中夾帶的液滴和固體顆粒。通過此種工藝流程的改進(jìn)，可以使由洗滌塔來的氣化爐激冷水中固體顆粒含量降低，保證有較清潔的激冷水進(jìn)入激冷環(huán)，以避免激冷環(huán)堵塞，激冷室內(nèi)件燒穿問題的出現(xiàn)。

（3）嚴(yán)格控制激冷水量及其溫度，以保證灰渣與激冷水膜之間溫差適宜，避免下降管掛渣。

（4）一旦發(fā)現(xiàn)渣口燒壞，立即停爐，清理激冷環(huán)，更換渣口耐火磚。

3 工藝燒嘴使用壽命短、料漿霧化效果差的問題［1，2］

工藝燒嘴是三流道單噴嘴多元料漿氣化爐的核心部件，其功能有二：一是霧化料漿，二是與爐體匹配形成適宜的流場。以期達(dá)到延長物料在氣化爐內(nèi)的停留時間，延長爐內(nèi)物料宏觀混合時間、微觀混合時間，提高爐內(nèi)物料宏觀混合程度、微觀混合程度，從而獲得較高的碳轉(zhuǎn)換率的目的。

3.1 工藝燒嘴使用壽命不長、料漿霧化效果差的原因

（1）最初三流道單噴嘴多元料漿氣化爐工藝燒嘴為三流道部分預(yù)混式噴嘴，中心流道及外流道走氧，中心氧流量約占入爐氧氣總流量的15%，外流道氧流量約占入爐氧氣總流量的85%。第二流道走料漿。中心流道與外流道下端面相距65～70mm，中心流道氧氣與料漿形成預(yù)混，二流道出口氧氣和料漿混合物的表觀出口速率在20m／s以上，噴嘴磨損腐蝕嚴(yán)重。

（2）該工藝燒嘴采用盤管冷卻方式，外流道頭部為冷卻腔室，分別與冷卻水盤管進(jìn)出口相連，如果燒嘴冷卻水供應(yīng)不足、波動過大，長期工作在高溫環(huán)境中工藝燒嘴依然要遭受高溫腐蝕。

（3）三流道單噴嘴氣化爐工藝燒嘴尖端同軸度誤差超標(biāo)，環(huán)隙尺寸誤差超過10%～15%，工藝燒嘴尖端龜裂、磨損、開裂，工藝燒嘴尖端回縮量超出偏差值±10%。

3.2 處理措施

（1）采用三流道外混預(yù)膜式單噴嘴工藝燒嘴。由于該工藝燒嘴三個流道的下端面基本在同一水平面上，可控料漿膜厚，料漿的霧化效果好于三流道預(yù)混式單噴嘴工藝燒嘴。

（2）噴嘴本體用高溫下具有較高耐磨性的inconel600特種不銹鋼，頭部用哈氏合金制作，提高燒嘴在高溫環(huán)境中抵抗磨損腐蝕的能力。

（3）開工前，做好工藝燒嘴尖端同軸度誤差、環(huán)隙尺寸誤差、工藝燒嘴尖端回縮量檢測、調(diào)整工作。消除工藝燒嘴尖端出現(xiàn)的龜裂、磨損、開裂等缺陷。

（4）在裝置試車及日常操作中，精心操作。保證工藝燒嘴冷卻水流量穩(wěn)定，水壓穩(wěn)定。工藝燒嘴冷卻水流量調(diào)節(jié)幅度要小。縮短工藝燒嘴插入氣化爐至投料成功的時間。

（5）在日常操作中，穩(wěn)定氣化爐操作壓力，加減負(fù)荷時應(yīng)緩慢進(jìn)行。

4 燃燒反應(yīng)室耐火磚使用壽命短的問題［3］

4.1 耐火磚使用壽命短的原因

（1）多元料漿與氧氣混合物出噴口后的噴射角（亦稱霧化角）決定了火焰的直徑和長度。為了避免氣流與火焰對氣化爐內(nèi)襯的直接沖刷，要求噴出火焰的直徑必須小于氣化爐爐膛直徑，長度必須小于爐膛的有效高度。燒嘴外頭出口處燒縮后，其內(nèi)表面不再平直，變成了弧面，這樣，在環(huán)隙減小、外環(huán)氧出口流速增大的同時，外環(huán)氧噴出方向亦發(fā)生了改變，出口角度大于正常的30°，引起煤漿霧化區(qū)域上移，且向四周噴射速度增大，燃燒的煤漿流直接沖蝕爐磚，出現(xiàn)如前所述的爐磚損壞。

（2）氣化爐燃燒室耐火磚承受高溫高壓的同時，還要承受高溫熔融煤灰的沖刷及侵蝕。

（3）用來制漿的原料煤灰熔點過高。

（4）氣化爐操作溫度過高。

（5）耐火磚質(zhì)量差、耐火磚結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、筑爐質(zhì)量太差。

4.2 處理措施

（1）停爐檢查工藝燒嘴環(huán)隙偏差、同軸度、回縮量誤差，并修復(fù)。如果無法修復(fù)，可考慮更換工藝燒嘴。

（2）選用灰熔點較低的原料煤，適當(dāng)降低氣化爐操作溫度。

（3）在氣化爐殼體與耐火磚之間設(shè)置水夾套鍋爐，降低向火面耐火磚表面溫度，使高溫熔融的灰渣在其表面均勻分布結(jié)渣，當(dāng)渣層增厚到一定程度時，高溫熔融灰渣與向火面耐火磚、夾套鍋爐間的傳熱效率下降。熔融灰渣不會再被冷卻粘結(jié)在耐火磚上，而在耐火磚表面形成的均勻渣層就可以保護(hù)向火面耐火磚免受高溫熔融灰渣的沖刷及侵蝕。這樣做，同時還擴大了氣化原料煤的選擇范圍。

（4）使用高質(zhì)量的耐火磚。

（5）改進(jìn)耐火磚的結(jié)構(gòu)設(shè)計，注重筑爐質(zhì)量。

（6）烘爐時嚴(yán)格按照烘爐方案操作，保證烘爐質(zhì)量，延長氣化爐耐火磚的使用壽命。

5 黑水處理系統(tǒng)問題［3］

5.1 黑水處理系統(tǒng)出現(xiàn)問題的原因

三流道單噴嘴多元料漿氣化工藝的一個特點是，工藝用水量較大，但約有三分之二的水是自身循環(huán)使用，因此，三流道單噴嘴多元料漿氣化裝置中都設(shè)計有一套黑水閃蒸冷卻、固液沉降分離與灰水阻垢回用的工序。在實際運用中，各裝置都遇到類似的問題，即管道、機泵結(jié)垢與激冷環(huán)堵塞，只是程度不同而已。這種現(xiàn)象的發(fā)生，輕者影響負(fù)荷，嚴(yán)重時則須停車。出現(xiàn)此類問題的主要原因有以下幾個。

（1）制漿用原料煤的灰熔點過高，灰分含量偏高。

（2）助熔劑添加量過大。

（3）循環(huán)黑水堿度過大，分散劑、絮凝劑含量過低，造成循環(huán)黑水固體顆粒含量嚴(yán)重超標(biāo)。

（4）工藝用水水質(zhì)較差。

（5）工藝流程設(shè)計有問題。

5.2 措 施

（1）選用灰熔點較低，灰分含量較低的原料煤磨制煤漿。

（2）嚴(yán)格控制助熔劑用量。

（3）適時調(diào)節(jié)循環(huán)黑水堿度，做好分散劑、絮凝劑的配制及添加工作，降低循環(huán)黑水中固體顆粒的含量。

（4）改善工藝用水水質(zhì)。

6 氣化爐殼體局部過熱問題［3］

6.1 氣化爐殼體局部過熱的原因

三流道單噴嘴多元料漿氣化爐在試車初期，會出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。通常在以下部位出現(xiàn)過熱現(xiàn)象：一是測溫測壓孔周圍；二是拱頂與頂部噴嘴法蘭縮口區(qū)域。分析其原因，主要是高溫氣在過熱部位出現(xiàn)流動所致。造成拱頂高溫氣串動的原因，主要是在拱頂背襯磚后高鋁質(zhì)輕質(zhì)保溫澆鑄層的施工出了問題，在該區(qū)域出現(xiàn)了空腔。

6.2 解決問題的措施

（1）將測溫孔與測壓孔用耐火保溫棉填實，防止高溫氣串動；

（2）嚴(yán)把筑爐質(zhì)量關(guān)，特別是拱頂保溫層澆鑄施工質(zhì)量；

（3）進(jìn)一步改進(jìn)拱頂保溫層設(shè)計；

（4）筑爐施工結(jié)束后，嚴(yán)格按照技術(shù)要求在15d內(nèi)進(jìn)行烘爐，以保證拱頂澆鑄層的質(zhì)量；

（5）設(shè)計時，不推薦在渦流較強的拱頂設(shè)置測壓與測溫孔。

［1］于遵宏，王輔臣.煤炭氣化技術(shù) ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010，7.

［2］王旭賓.德士古煤氣化裝置運行狀況及問題的探討 ［J］.煤氣與熱力，1997，20（6）：6～9.

［3］王旭賓.德士古煤氣化工程技術(shù)問題的探討 ［J］.煤氣與熱力，2004，27（4）：197～199.