德士古氣化爐帶水問題探討

樊君誼，張飛龍

（1.神華新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831400；2.北京中科創(chuàng)新科技發(fā)展中心，北京 100049）

神華新疆化工有限公司的68萬t/a煤基新材料特大型煤化工項目，是目前新疆第一個煤基新材料項目，該項目位于新疆烏魯木齊市米東區(qū)，該項目年產(chǎn)45萬t聚乙烯、27萬t聚丙烯 （其中4萬t屬于回收再利用），并副產(chǎn)工業(yè)丙烷、混合碳四及碳五、硫磺、硫酸銨等高附加值產(chǎn)品。該項目的氣化裝置采用的是德士古水煤漿氣化，裝置包括6臺棒磨機（五開一備），8臺氣化爐（五開三備），氣化設(shè)計使用壓力為6.5MPa，設(shè)計生產(chǎn)能力合成氣（CO+H2，標態(tài)）為 53×104m3/h。

自原始投料以來，氣化爐都不同程度的出現(xiàn)帶水現(xiàn)象，嚴重影響了裝置的運行，尤其隨著壓力和負荷的增加，這種帶水現(xiàn)象越趨于嚴重，常常迫使該裝置減負荷運行，甚至停車。

帶水分為氣化爐帶水和洗滌塔帶水，洗滌塔帶水主要是由于氣化爐帶水導(dǎo)致洗滌塔液位升高波動，從而引起的帶水現(xiàn)象，本文主要討論氣化爐帶水。

所謂氣化爐帶水，即激冷室內(nèi)液相的水被合成氣大量夾帶至后序的洗滌塔內(nèi)，使得氣化爐內(nèi)的激冷室液位嚴重低于工藝要求值，而洗滌塔內(nèi)液位嚴重超高，來不及排出，嚴重時洗滌塔內(nèi)的水和合成氣一并帶入下游工序的變換爐[1]，使得變換的水難以排出，甚至水淹變換催化劑，不僅導(dǎo)致后工序停車，甚至使催化劑失活。而且在帶水過程中合成氣會將細灰?guī)胱儞Q爐，難以清除。出現(xiàn)這一現(xiàn)象后，工藝上通常采用加大高壓灰水、激冷水循環(huán)供水，加大氣化爐、洗滌塔底部大小黑水的排出量等措施來緩解系統(tǒng)工況的惡化，但始終未能奏效。

1 氣化爐帶水現(xiàn)象

（1）激冷水泵入口溫度和氣化爐激冷室底部大黑水出口溫度越來越接近，甚至一樣，激冷水進入激冷室內(nèi)基本不換熱，系統(tǒng)逐漸出現(xiàn)帶水現(xiàn)象。

（2）氣化爐支撐板邊緣溫度下降，合成氣中夾帶的大量小水滴會帶走支撐板熱量[2]，隨著下降管與上升管之間環(huán)隙堵塞，有時兩側(cè)溫度會出現(xiàn)偏差。

（3）氣化爐液位急劇下降，洗滌塔液位居高不下，洗滌塔補水量逐步降為零，水系統(tǒng)失調(diào)[3]；

（4）氣化爐底部大黑水出水量劇減，這是由于去閃蒸系統(tǒng)的黑水流量和氣化爐激冷室的液位是設(shè)定的串級的，隨著激冷室液位降低時，大黑水角閥會自動關(guān)小，導(dǎo)致大黑水出水量減少[4]。

（5）出洗滌塔合成氣溫度偏高，合成氣量明顯偏高，這是由于氣化爐液位降低，高溫合成氣通過激冷水浴時間短，導(dǎo)致?lián)Q熱量少而引起的；同時當氣化爐發(fā)生帶水時，合成氣夾帶大量的水蒸氣，而水蒸氣中蘊含著大量的潛熱，也造成了出口溫度偏高[5]。

（6）文丘里壓差變大，且波動頻繁。激冷水帶水后進入合成氣管道內(nèi)，同時也將一部分細灰?guī)牒铣蓺夤艿?，由于有細灰的存在而影響了氣流的通道，因而文丘里洗滌器壓差增大且波動?/p>

2 氣化爐帶水原因分析

2.1 氣化爐負荷

氣化爐負荷的高低對激冷室?guī)泻艽笥绊?。隨著氣化爐負荷的提高，其壓力、氣量也相應(yīng)的增大，但氣流通過的間隙未曾改變，負荷的增加會使合成氣的流速不斷增加，當氣流對合成氣中液滴的夾帶能力超過其自身重力后，就會被帶出激冷室，從而造成氣化爐帶水現(xiàn)象。

高溫合成氣在激冷室的激冷過程中屬于二相流的沸騰傳熱過程。液體的過熱程度取決于加熱面的溫度和飽和蒸汽溫度之間的溫度差，當溫差較小時，液體僅出現(xiàn)輕微的沸騰現(xiàn)象，此時為對流傳熱；當溫差增大時，傳熱系數(shù)與熱流密度也隨之增大，此時為泡核沸騰傳熱；當溫差增大到某一臨界值時，蒸汽泡生成增多，眾多氣泡匯成一片，在加熱面上形成一層蒸汽膜，傳熱系數(shù)急劇下降，此時為膜狀沸騰傳熱，此時氣相中夾帶大量的水膜造成激冷室出現(xiàn)帶水問題[1]。隨著氣化爐負荷的增加，激冷室中熱負荷強度增加。當達到臨界值時，傳熱方式由泡核沸騰傳熱轉(zhuǎn)為低效的膜狀沸騰傳熱。隨著傳熱能力下降，爐內(nèi)氣體隨之帶走大量的水。

本裝置設(shè)計的85m3/h煤漿流量為滿負荷條件，由于前期燒嘴壓差達不到預(yù)期目標，拱頂溫度過高，煤漿進入氣化爐后反應(yīng)不充分，殘?zhí)己扛?，故通過增加負荷改變這一現(xiàn)象。目前實際的煤漿負荷最高可以達到98m3/h，合成氣產(chǎn)量最高達到單爐能力的130%。隨著負荷的增加，發(fā)現(xiàn)大部分氣化爐出現(xiàn)帶水的時間縮短。

2.2 氣化爐爐溫

在氣化爐操作過程中，爐溫的控制至關(guān)重要。一般來講，較高的爐溫有利于氣化反應(yīng)，提高氣化爐反應(yīng)速率、產(chǎn)氣量、碳轉(zhuǎn)化率等。但是當控制爐溫偏高時，合成氣的溫度升高，增加了激冷室熱負荷強度，同時激冷水中的飽和水蒸氣也增加，總氣量增加，氣體流速也相應(yīng)加快。

而爐溫偏低時，氣化反應(yīng)速率降低，碳轉(zhuǎn)化率降低，產(chǎn)氣量下降，粗渣殘?zhí)己扛?，浪費煤炭資源[6]，同時，較低的爐溫容易造成氣化爐錐底堵渣。

一般操作爐溫應(yīng)高于灰熔點50～150℃，φ(CH4)控制在(200～500)×10-6，正常狀態(tài)下的粗渣大小在 5～8mm的占總渣量的7%～8%。本裝置由于原煤的黏溫特性不好，為了防止渣口及鎖斗堵渣，在一段時間內(nèi)，將φ(CH4)控制在200×10-6以內(nèi)操作爐溫后，發(fā)現(xiàn)氣化爐運行出現(xiàn)帶水的周期更短，有的運行10天之內(nèi)，氣化爐就因帶水被迫停車。

2.3 原料煤的質(zhì)量

原料煤灰分的黏溫特性、反應(yīng)活性、內(nèi)水、灰熔點及主要特性，也至關(guān)重要，是造成本裝置氣化爐帶水的根本原因。煤灰的黏溫特性是造成氣化爐帶水的重要因素，合適的煤種，其煤灰的軟化溫度T2和流動溫度T4應(yīng)至少保持在30℃以上，通過對本裝置原煤和煤漿槽煤漿灰分的灰熔點分析，T2與T4基本無溫差，大多數(shù)只有2℃之差。通過對煤灰分析，發(fā)現(xiàn)其中含有的Fe2O3、Al2O3、CaO含量偏高，SiO2含量嚴重偏低。這一組分造成燃燒室燃燒后的灰渣落入激冷室后，所形成的細灰較多，有的甚至不能瞬間凝固，就被合成氣帶入下降管和上升管的環(huán)隙中，并粘結(jié)在環(huán)隙上。當前細渣含量比例偏高，粗細渣比例大概為2.5～3。圖1為因氣化爐帶水被迫停車后氣化爐上升管和下降管環(huán)隙堵塞圖。

圖1 氣化爐下降管與上升管環(huán)隙堵塞

本裝置采用的原料煤是新疆紅沙泉和黑山混煤，其配比為7∶3～8∶2，其中黑山的原料煤的灰熔點波動范圍較大，較低時為1150℃，較高時為1350℃，從而導(dǎo)致了氣化爐操作溫度的波動范圍較大。

紅沙泉煤的內(nèi)水含量較大，成漿性較差，制成的煤漿粘度較大，為了維持煤漿粘度，只能適當降低煤漿濃度。

紅沙泉煤的可磨指數(shù)低，反應(yīng)活性大，黑山煤的可磨指數(shù)高，反應(yīng)活性相對較低。紅沙泉煤的可磨指數(shù)在110左右，黑山煤的可磨指數(shù)在40左右，兩種煤在可磨指數(shù)上算是極配。為了保證黑山煤的粒度，棒磨機內(nèi)加入的鋼棒量較多，煤漿中細顆粒和粗顆粒較多，中間性顆粒太少。

2.4 氧氣的調(diào)節(jié)，氧氣壓力、流量波動

為了保證煤漿進入氣化爐內(nèi)充分霧化，通常中心氧體積分數(shù)控制在15%～25%之間，中心氧含量過高，氣化爐火焰延長，合成氣進入激冷室溫度會升高，所以在保證充分霧化的前提下應(yīng)該盡量減少中心氧量。

氧氣壓力、流量的頻繁波動也會造成氣化爐帶水，本裝置的氧流量調(diào)節(jié)閥經(jīng)常波動，氧壓力、氧量波動直接導(dǎo)致氣化爐內(nèi)溫度波動。

2.5 氣化爐設(shè)備改造

對激冷室的改造可以增加激冷室的直徑[7]，或加粗上升管的直徑[8,9]，增加了環(huán)隙，降低了合成氣流速，減少了對合成氣中水團的做功。

在氣化爐設(shè)計中，神華新疆化工有限公司采用的下降管較其他廠較長，故通過增加下降管底部的大鋸齒數(shù)目，將下降管管口在原來的基礎(chǔ)上上升200mm，在不規(guī)則的鋸齒作用下，減少激冷室水中生成的氣泡?，F(xiàn)階段已經(jīng)改造完成，目前帶水現(xiàn)象有所改善。

在激冷室還能增設(shè)破泡條，以減少激冷室水中生成的氣泡，改變膜狀傳熱。也能將上升管底部改成鐘罩形狀，可以改善原來的直通管的防堵效果。

由于系統(tǒng)水質(zhì)較差，容易在氣化爐激冷室內(nèi)壁和大黑水管線上生成垢片，隨著垢片的脫落，在高閃黑水入口角閥易被垢片堵塞，造成被迫減負荷或停車處理。可以將當前單閥配置為一開一備閥。

3 應(yīng)對措施

（1）在操作時應(yīng)以穩(wěn)定運行為主，不能盲目增加生產(chǎn)負荷。氣化爐調(diào)整負荷應(yīng)遵循“少量多次”的原則平穩(wěn)的加減負荷，這不僅能防止氣化爐帶水，而且對系統(tǒng)長周期、穩(wěn)定運行也極為有利。

（2）德士古氣化用煤雖說范圍比較廣，但要保證原料煤的成漿性要好，煤灰的黏溫特性好，低灰分，灰熔點穩(wěn)定等方面的指標。在使用配煤時，還要保證幾種混煤的可磨指數(shù)接近，灰熔點接近等一些指標。

（3）爐溫一般控制在煤灰熔點FT以上50～150℃為宜，不過也要根據(jù)煤灰的粘溫特性來調(diào)節(jié)，保證燃燒室內(nèi)壁能夠達到“以渣抗渣”的功能，又能保證爐渣能在進入激冷室后迅速結(jié)渣成塊，順利排出氣化爐。

（4）每次停車檢修中，應(yīng)聯(lián)系儀表人員重點檢查關(guān)鍵部位的調(diào)節(jié)閥和關(guān)鍵性儀表，比如氧氣流量調(diào)節(jié)閥、大黑水流量計、激冷水流量計、支撐板邊緣溫度計等。

（5）當氣化爐出現(xiàn)帶水時，應(yīng)該適當降低生產(chǎn)負荷、適當降低操作溫度，以減少因為負荷和溫度造成的帶水現(xiàn)象，同時加大高壓灰水補水量、加大激冷水量、加大氣化爐錐底排黑量、加大洗滌塔底部排黑量，破壞造成氣化爐帶水條件的形成。在進行操作過程中，要保證洗滌塔液位不能過高，以免造成洗滌塔二次帶水現(xiàn)象，同時氣化爐液位盡量穩(wěn)定且適當?shù)慕档推湟何?，但也要防止氣化爐液位過低而跳車。帶水非常嚴重時，還需要盡快停爐檢修。

（6）嚴格控制灰水的工藝指標，保證水質(zhì)穩(wěn)定。盡可能的加大系統(tǒng)水的外排量和新鮮水的補水量。當氣化爐生產(chǎn)負荷改變、氣化爐異常時，要及時調(diào)節(jié)灰水系統(tǒng)的絮凝劑、阻垢分散劑的加入量。氣化爐帶水時，更應(yīng)該保證高壓灰水泵入口阻垢分散劑的加入量。以防止激冷室環(huán)隙內(nèi)、大黑水管線結(jié)垢堵塞。

（7）保證鎖斗排渣系統(tǒng)正常運行[4]，并根據(jù)原煤灰分合理控制收渣、排渣時間，避免激冷室液相中的含固量的增加，避免合成氣將灰渣帶入環(huán)隙及洗滌塔等后系統(tǒng)，同時也避免大黑水將粗渣帶入閃蒸系統(tǒng)。

4 結(jié)論

（1）氣化爐帶水時，會有很多特征現(xiàn)象，早發(fā)現(xiàn)早糾正。

（2）造成氣化爐帶水的原因是多方面的，氣化爐負荷、操作溫度、原料煤、氧壓及氧氣流量、系統(tǒng)水質(zhì)等，在日常操作中采取相應(yīng)的防范措施，基本上杜絕了氣化爐帶水現(xiàn)象。即便是發(fā)生氣化爐帶水后，我們要根據(jù)實際情況判斷導(dǎo)致帶水的原因，進行針對性的調(diào)整，以保證整個系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

（3）當主原料煤無法改變時，盡可能的尋找適合的配煤。同時也可以通過合理的設(shè)備改造，如增大上升管直徑、調(diào)整下降管高度及下部鋸齒的數(shù)目和大小、增設(shè)氣化爐去高閃角閥的備用角閥等，這些改造在一定程度上都可以減少氣化爐帶水。