Texaco氣化爐上升管與下降管間環(huán)隙堵塞的探討

陳世亮，王民亭

（1.中國神華煤制油化工有限公司，北京 100011；2.陜西咸陽化學(xué)工業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000）

Texaco水煤漿加壓氣化是潔凈煤氣化技術(shù)之一，具有碳轉(zhuǎn)化率高、環(huán)境污染小、易自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)備已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，核心設(shè)備氣化爐是整個(gè)裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其燃燒室與激冷室合為一體，二者之間通過激冷環(huán)和托磚板連接，激冷室主要由激冷環(huán)、下降管和上升管等組成[1-2]。氣化爐激冷室托磚板超溫、下降管與上升管結(jié)垢及其環(huán)隙堵塞等問題嚴(yán)重縮短了氣化爐運(yùn)行壽命，增大了檢修頻次，增加了運(yùn)行成本，制約著企業(yè)降本增效的步伐。因此，探討氣化爐激冷室下降管與上升管結(jié)垢及其環(huán)隙堵塞的問題具有重要意義。

本文以氣化裝置氣化爐托磚板超溫、下降管與上升管結(jié)垢及其環(huán)隙堵塞的實(shí)際問題，對激冷水流量、激冷水含固量、水煤漿灰分、環(huán)隙寬度、激冷室液位、氣化爐熱負(fù)荷、燒嘴霧化效果對其影響進(jìn)行了探討，其結(jié)果為在實(shí)踐應(yīng)用中對此類異常問題的優(yōu)化處理等提供參考依據(jù)。

1 德士古水煤漿加壓氣化工藝流程

德士古煤氣化工藝流程圖見圖1，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.5%的水煤漿和體積分?jǐn)?shù)高于99.6%的氧氣通過三流道燒嘴進(jìn)行混合、霧化進(jìn)入氣化爐，在溫度為1300～1450℃、壓力為6.5MPa下，進(jìn)行不完全氧化還原反應(yīng)生成工藝氣，工藝氣及夾帶的熔融態(tài)的渣經(jīng)渣口、激冷環(huán)、下降管進(jìn)入氣化爐激冷室水浴，激冷水從下降管頂部的激冷環(huán)槽隙沿下降管內(nèi)壁膜狀向下流，與工藝氣一起并流至激冷室水浴，傳質(zhì)傳熱后，工藝氣被冷卻到該壓力下的飽和蒸汽溫度后從水浴內(nèi)沿下降管和上升管的環(huán)隙空間均勻鼓泡上升，對托磚板進(jìn)行冷卻后經(jīng)折流板反向向下流動(dòng)，出折流板后再次反向向上流出激冷室，通過文丘里管進(jìn)入洗滌塔進(jìn)一步增濕、除塵，最后離開氣化裝置；水煤氣中夾帶的熔渣冷卻固化后沉積到激冷室底部，經(jīng)破渣機(jī)破碎后通過鎖斗系統(tǒng)收集排出系統(tǒng)。氣化爐激冷室中黑水和碳洗塔中洗滌黑水去閃蒸系統(tǒng)進(jìn)行處理，回收熱量及灰水。

圖1 德士古煤氣化工藝流程圖Fig.1 Schematic process flow diagram of Texaco coal gasification technology

2 氣化爐運(yùn)行概況

某600kt/a煤制甲醇項(xiàng)目采用3套氣化爐 （直徑3.2m，高19.8m）以兩開一備運(yùn)行模式，激冷水過濾器一開一備，B氣化爐在檢修完投料運(yùn)行后，B洗滌塔排黑堵塞，在生產(chǎn)負(fù)荷（水煤漿流量為80m3/h）、氧煤比（氧氣標(biāo)準(zhǔn)體積流量與煤漿標(biāo)準(zhǔn)體積流量之比）、煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)（平均為62.5%）等參數(shù)不變的情況下，滿負(fù)荷運(yùn)行5天左右，B氣化爐托磚板T4熱偶溫度從248℃開始緩慢上漲 （托磚板溫度采用4個(gè)同平面、均勻分布的熱偶檢測，從燃燒室向激冷室看，逆時(shí)針方向依次為 T1、T2、T3、T4），激冷水流量從375m3/h緩慢下降 （見圖2），氣化爐排黑從177m3/h緩慢下降。運(yùn)行至15天時(shí)，為緩解托磚板溫度上漲速率，疏通了B洗滌塔排黑，并投用備用激冷水過濾器，激冷水流量從330m3/h上漲到445m3/h，氣化爐排黑從117m3/h上漲到225m3/h，但托磚板溫度上漲速率增大，運(yùn)行至第18天時(shí)，托磚板溫度上漲至275℃，在之后的10h內(nèi)上漲至317℃（10h內(nèi)的熱偶溫度及氣化爐液位變化見圖3），被迫停爐檢修；而同時(shí)運(yùn)行的A氣化爐負(fù)荷相同，洗滌塔排黑等正常，激冷水流量無明顯下降（見圖2），托磚板溫度穩(wěn)定在250℃，運(yùn)行至第140天時(shí)，托磚板溫度緩慢上升至261℃，并趨于穩(wěn)定。

圖2 溫度及流量隨時(shí)間的變化Fig.2 Temperature and flow rates vs time

B氣化爐檢修中發(fā)現(xiàn)（見表1），上升管與下降管之間的環(huán)隙出現(xiàn)不同程度的堵塞，托磚板、上升管及下降管均出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)垢現(xiàn)象，垢樣呈灰黑色、層次清晰、硬度較大，密度為2598kg/m3；氣化爐工藝氣出口結(jié)垢更為嚴(yán)重，垢樣呈灰黑色、層次不明顯、松軟；洗滌塔也出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)垢現(xiàn)象。

表1 氣化爐激冷室環(huán)隙距離及結(jié)垢狀態(tài)Table 1 Gap distance and scaling situation of quench chamber in gasifier

3 結(jié)果與討論

氣化爐正常運(yùn)行過程中，1450℃高溫工藝氣及熔融態(tài)的灰渣源源不斷地將熱量經(jīng)爐磚傳遞給氣化爐托磚板，托磚板的熱量由下降管與上升管間環(huán)隙來的240℃的工藝氣帶出，從而達(dá)到冷卻降溫的效果，并維持托磚板溫度恒定。

3.1 激冷水含固量的影響

由激冷水泵從洗滌塔底部將含固量較低的水抽出，送入激冷環(huán)（激冷環(huán)下接下降管，下降管下端浸入液池中）作為激冷水，經(jīng)過激冷環(huán)分配孔進(jìn)入激冷環(huán)室，迅速降低激冷環(huán)表面溫度，再經(jīng)8mm寬的環(huán)形槽縫流出，沿下降管內(nèi)壁呈膜狀向下流動(dòng)，同時(shí)與氣化爐燃燒室來的1450℃的高溫工藝氣（成分主要有CO、CO2、H2、H2O和一定含量的灰分）并流接觸，進(jìn)行激烈的傳質(zhì)、傳熱過程，高溫工藝氣將熱量傳遞給水膜，使水部分汽化，并進(jìn)入工藝氣主流，工藝氣的溫度急劇降低并增濕、除灰，這一降溫過程主要在下降管的上半段完成，以輻射傳熱為主，進(jìn)入激冷室底部液池前，工藝氣溫度降低到300℃左右[3]。進(jìn)入黑水后，工藝氣進(jìn)一步被降溫至240℃，再通過下降管下端的鋸齒形成平穩(wěn)氣流，進(jìn)入下降管與上升管間的環(huán)隙，與液池的黑水分離，再經(jīng)折流板分離出部分液滴后流出氣化爐，液滴落回液池。工藝氣進(jìn)入洗滌塔后再次進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱，增濕、除灰，工藝氣中含灰量被洗滌至1mg/m3以下后出洗滌塔。

由圖2可知，對于進(jìn)料量相同的A、B氣化爐，B氣化爐激冷水流量比A氣化爐激冷水流量高30～50m3/h，B氣化爐排黑流量比A氣化爐激冷水流量低35m3/h左右，B氣化爐激冷水流量及排黑流量緩慢下降，托磚板溫度緩慢上漲，而A氣化爐托磚板溫度穩(wěn)定，這是由于B氣化爐運(yùn)行前15天，洗滌塔排黑堵塞，使洗滌塔中積聚的細(xì)灰無法排出，大量細(xì)灰隨激冷水進(jìn)入氣化爐，導(dǎo)致激冷水過濾器逐漸結(jié)垢堵塞，激冷水流量緩慢降低，使氣化爐液位不穩(wěn)定，為維持氣化爐液位，氣化爐排黑流量逐漸減小，熱平衡失衡，激冷室出現(xiàn)熱量積累（B氣化爐排黑溫度較A氣化爐高5～10℃，也能說明這一點(diǎn)），工藝氣溫度升高，液池中的黑水蒸發(fā)量增大，帶水量增大，工藝氣逐漸出現(xiàn)帶灰現(xiàn)象，帶入洗滌塔中使激冷水含固量進(jìn)一步增大，如此惡性循環(huán)，工藝氣帶水帶灰嚴(yán)重，導(dǎo)致工藝氣流量增大，在下降管及上升管間環(huán)隙流通面積一定時(shí)，工藝氣流速增大，工藝氣中的液滴被甩向下降管外壁及上升管內(nèi)壁，并逐漸形成連續(xù)液相，中心氣體和周邊液體并流流動(dòng)而形成環(huán)隙流，流出下降管及上升管間環(huán)隙后，通過折流擋液板改變流動(dòng)方向，液相在慣性作用下向下流回激冷室液池中，而工藝氣再次改變流動(dòng)方向經(jīng)工藝氣出口流出激冷室；氣速更高時(shí)，周邊的液體進(jìn)入氣相中成小液滴，被帶出激冷室。

帶水、 帶灰使含有 H3SiO4-、H4SiO4、HCO3-、Ca2+、Mg2+、Al3+等易成垢物質(zhì)及顆粒物的連續(xù)液相按單分子硅酸→多聚硅酸→硅酸凝膠→硅質(zhì)垢、析晶沉積的原理形成污垢[4-5]，且極易附著在下降管、上升管、激冷環(huán)、工藝氣出口等管壁上。流速的升高使離子擴(kuò)散系數(shù)增大，析晶污垢沉積的速率增大，垢層厚度增大，熱阻較大的垢層使傳熱作用降低；流速對沉積的硬度較小的污垢的脫除作用能降低結(jié)垢速率，而對硬度較大的污垢的脫除作用較小；表面溫度升高使得析晶化學(xué)反應(yīng)常數(shù)增大，析晶垢的結(jié)垢速率增加。同時(shí)，表面溫度增加，間接增加了液滴的溫度，使得液滴中的微結(jié)晶增多，從而顆粒垢結(jié)垢速率增大。另外，污垢的附著強(qiáng)度隨表面溫度的上升而增大，使得污垢的脫除效果隨表面溫度的增加而減小[6]。所以，換熱表面溫度的增加，污垢熱阻的增大，導(dǎo)致托磚板溫度升高。

表1中，洗滌塔結(jié)垢較嚴(yán)重，塔板上堆積的大量垢片是由工藝氣主體中大量的固體顆粒物被帶到洗滌塔中結(jié)垢沉積所致。

3.2 激冷水流量的影響

高溫工藝氣的降溫、增濕過程主要在下降管內(nèi)完成，要避免下降管因高溫所致的變形、燒穿，要求激冷水流量要保持足夠，下降管燒穿會(huì)導(dǎo)致托磚板溫度快速上漲。帶水量隨著激冷水流量的增大先減小后增大[7]。激冷水流量的大小決定了下降管內(nèi)壁水膜的厚度，激冷水流量也決定了激冷室底部排黑流量的大小，激冷水流量偏小時(shí)，排黑流量隨之減小，220℃的激冷水與工藝氣換熱后溫度升高，部分激冷水蒸發(fā)后進(jìn)入氣相，排黑流量減小使熱平衡失衡，激冷室出現(xiàn)熱量積累現(xiàn)象，導(dǎo)致工藝氣水浴降溫效果變差，溫度升高，引起工藝氣對托磚板的降溫效果降低，導(dǎo)致托磚板溫度上漲。激冷水流量較大時(shí)，氣相與液相相互擾動(dòng)作用增強(qiáng)，氣相對液膜的剪切力增大，液膜流動(dòng)加快，激冷水霧化程度增大，液滴尺寸變小，利于其分散于氣相，從而致使液滴夾帶量增大[8]。

工藝氣進(jìn)入洗滌塔后再次進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱過程，引起激冷水溫度升高，進(jìn)而氣化爐激冷室熱量積累加劇，激冷室液池黑水與工藝氣的傳熱方式由自然對流傳熱變?yōu)榕莺朔序v傳熱，黑水蒸發(fā)量增大，導(dǎo)致氣化爐排黑再次減小，黑水含固量增大，如此惡性循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致傳熱效率急劇下降，傳熱方式轉(zhuǎn)為膜狀沸騰傳熱，這時(shí)氣相中夾帶大量的水膜造成激冷室出現(xiàn)帶水現(xiàn)象；在逐漸增大激冷水流量后，熱量積累現(xiàn)象消失，水汽比降低，帶水量降低。

當(dāng)氣化爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，激冷水流量可以保持低流量運(yùn)行（220m3/h以上）；氣化爐在高負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)或者高爐溫操作時(shí)，需要增大激冷水流量才能保證液膜的厚度，維持熱平衡，否則高溫將會(huì)造成下降管變形或穿孔，實(shí)踐證明，保持激冷水流量在 350m3/h～400m3/h，對減少帶水量、降低結(jié)垢速率有較好的效果。

3.3 水煤漿灰分的影響

氣化爐運(yùn)行至第3天時(shí)，水煤漿灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由正常的(14±0.5)%開始升高，持續(xù)到第12天，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15.6%～18.7%范圍，同時(shí)提高爐溫熔渣，導(dǎo)致熱負(fù)荷增大，工藝氣中含灰量升高，帶水量增大，在工藝氣増濕效果一定的情況下，激冷室含固量進(jìn)一步增大，導(dǎo)致帶灰現(xiàn)象加劇，甚至出現(xiàn)帶渣現(xiàn)象，灰渣附著在上升管、下降管、激冷環(huán)及合成氣出口處，使其結(jié)垢加劇。含灰量較大的工藝氣進(jìn)入洗滌塔，導(dǎo)致激冷水含固量增大，最終使得激冷水水質(zhì)進(jìn)一步惡化。

3.4 環(huán)隙寬度的影響

工藝氣的帶液量隨著下降管與上升管間環(huán)隙的增加而減少，隨著氣流速度的增大而增大[7]。結(jié)合表1和圖3可知，托磚板各點(diǎn)熱偶溫度的變化與清理前環(huán)隙寬度一致，在托磚板4個(gè)熱偶下方，下降管下端至上升管集氣罩水平距離相差較大，下降管與上升管同心度偏低，導(dǎo)致T4熱偶下方環(huán)隙最窄（清理前251mm，清理后286mm），對應(yīng)的托磚板溫度最高；T2熱偶下方環(huán)隙最寬 （清理前331mm，清理后331mm），對應(yīng)的托磚板溫度最低。這是由于最窄的位置氣體流速快，氣體在環(huán)隙內(nèi)停留時(shí)間短，降溫效果降低，離開液面的工藝氣動(dòng)量較大，帶液量較多，使下降管外壁及上升管內(nèi)壁形成連續(xù)水膜，有利于垢層生成，結(jié)垢后環(huán)隙寬度進(jìn)一步變小，定位塊處凝液較多（環(huán)隙間同平面上均勻分布8塊定位塊），結(jié)垢更容易，舊垢成為新垢的晶核中心，使結(jié)垢速度增大，在激冷室水質(zhì)較差的情況下，帶灰量增大使定位塊處垢層厚度進(jìn)一步增大，如此循環(huán)，環(huán)隙寬度越來越小，工藝氣流動(dòng)阻力越來越大，部分工藝氣從環(huán)隙外側(cè)流出，對托磚板降溫效果降低，對應(yīng)的T4熱偶溫度升高，煤氣從環(huán)隙外側(cè)流出對渣水?dāng)_動(dòng)作用加劇，導(dǎo)致細(xì)渣進(jìn)入環(huán)隙，從而使環(huán)隙積渣堵塞。

圖3中，在第4h前，托磚板4個(gè)熱偶溫度及工藝氣溫度均有小幅上漲，T2熱偶溫度上漲最明顯，這些溫度隨洗滌塔液位升高而升高，隨氣化爐液位升高而降低，這是由于洗滌塔液位升高，激冷水溫度升高，使氣化爐熱負(fù)荷增大，爐內(nèi)渣水由泡狀沸騰變?yōu)槟罘序v，換熱效果變差，合成氣溫度升高，對托磚板降溫效果降低；而提高氣化爐液位后，工藝氣與液池中的黑水的換熱時(shí)間增大，工藝氣降溫效果提高；同時(shí)，液位提高使得帶水量增大，有利于托磚板溫度降低，但也加劇了托磚板的結(jié)垢。T2熱偶溫度由于結(jié)垢少，比較靈敏，其他3個(gè)熱偶結(jié)垢多，溫度顯示不靈敏，變化不大。在第5h時(shí)，氣化爐液位提高到79%，環(huán)隙內(nèi)的液位升高，氣體對液體的擾動(dòng)增強(qiáng)，產(chǎn)生的泡沫和水花增多，液滴夾帶量增大，由于液體相對于氣體的巨大質(zhì)量慣性，使液體堵塞氣體通道[9]，從而大部分工藝氣從環(huán)隙外側(cè)流過，這對渣水的擾動(dòng)作用加劇，進(jìn)入環(huán)隙的細(xì)渣增多，再與硅酸鹽結(jié)合沉積凝固，從而環(huán)隙堵塞情況加劇，工藝氣從外側(cè)流過越來越多，工藝氣對托磚板的降溫效果越來越差，托磚板溫度逐漸升高，帶水帶灰或帶渣越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致氣化爐液位快速下降至34%，排黑流量降低。由于帶水量大，出口工藝氣溫度逐漸下降，T2熱偶下方的環(huán)隙未堵塞，工藝氣溫度較低，托磚板溫度上升幅度不大，其他3個(gè)熱偶下方環(huán)隙的工藝氣從環(huán)隙外流出，與托磚板接觸的工藝氣大量減少，降溫效果較差，使托磚板溫度大幅上漲。

圖3 熱偶溫度及液位隨時(shí)間的變化Fig.3 Temperature and liquid level vs time

3.5 氣化爐激冷室液位的影響

激冷室內(nèi)液滴夾帶量主要與氣液分離空間高度、氣速及靜態(tài)液位等密切相關(guān)，帶水量隨著氣速、靜態(tài)液位的增大而增大，隨著分離空間的減小而增大[10]；當(dāng)靜態(tài)液位高度恒定時(shí)，隨氣速增大，氣液分離空間高度逐漸減小，液滴夾帶量增大；液滴夾帶量在氣體出口處沿徑向變化不大，貼近壁面處稍小，主要受氣體回流流動(dòng)的影響，液滴夾帶量隨液相物質(zhì)表面張力減小而增大，隨粘度增加而增加[11]。圖3中，氣化爐液位在38%～48%之間波動(dòng)較大，托磚板溫度緩慢上漲，這是由于液位較低時(shí)，使工藝氣増濕、除灰效果降低，加劇帶灰現(xiàn)象發(fā)生，會(huì)加劇下降管、上升管及托磚板的結(jié)垢，同時(shí)增大洗滌塔的含固量，引起進(jìn)入激冷環(huán)的激冷水含固量增大，導(dǎo)致激冷環(huán)內(nèi)結(jié)垢，流通面積減小，激冷水流量降低。激冷室液位較高時(shí)，相當(dāng)于縮短了從液面到折流板之間的距離，使液面以上分離空間變小，大量液滴及顆粒物不能有效分離，附著在托磚板及工藝氣出口處，使其出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象；液位非常高時(shí)（如超過70%），分離空間非常小，液相還未被分離便流出環(huán)隙，空間突然增大，氣速變小，夾帶的液滴、細(xì)灰或細(xì)渣附著在托磚板及周邊位置上，大部分帶出氣化爐，使其結(jié)垢、積灰加劇，激冷室液位下降，導(dǎo)致工況惡化，托磚板溫度快速上漲。

所以應(yīng)該平衡二者之間關(guān)系，找出最佳控制液位；與此同時(shí)，系統(tǒng)壓力的波動(dòng)會(huì)引起工藝氣流速的波動(dòng)，會(huì)加劇氣化爐帶水問題，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)保持系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定，以維持氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.6 氣化爐熱負(fù)荷的影響

正常運(yùn)行時(shí)，氣化爐溫度應(yīng)該控制在所用煤種灰熔點(diǎn)以上50℃左右。在激冷水流量、氣化爐排黑流量偏小時(shí)，如果爐溫偏低，氣化反應(yīng)速率降低，碳轉(zhuǎn)化率降低，渣中可燃物增加，煤炭利用率降低，造成資源浪費(fèi)，也會(huì)導(dǎo)致液池含固量增大，引起工藝氣帶灰；爐溫偏高，氣化爐激冷室內(nèi)熱流強(qiáng)度增加，熱負(fù)荷增大，使激冷水蒸發(fā)量增大，工藝氣流量增大，從而使氣速增大，氣體對液池內(nèi)部的擾動(dòng)加劇，激起的水花和泡沫增多，未被增濕的飛灰增多，加劇氣化爐帶水、帶灰，加劇激冷室結(jié)垢[8]。所以控制合適的爐溫對提高氣化爐產(chǎn)氣量、提高碳轉(zhuǎn)化率、穩(wěn)定托磚板溫度等有著至關(guān)重要的作用。

3.7 燒嘴霧化效果的影響

檢修中發(fā)現(xiàn)下降管平衡孔（激冷環(huán)下方均勻分布的4個(gè)孔）周圍有大量炭黑，燒嘴氧氣差壓（氧氣壓力與氣化爐壓力之差）從1.2MPa緩慢下降至1.0MPa，氣化爐溫度高于灰熔點(diǎn)100℃以上，這表明煤漿氣化反應(yīng)不充分，進(jìn)入激冷室的高溫氣體中含有大量殘?zhí)?，這可能是由于燒嘴氧氣壓差降低，使得煤漿霧化效果降低，導(dǎo)致煤漿與氧氣混合不均，反應(yīng)不完全，含有一定量殘?zhí)康墓に嚉膺M(jìn)入激冷室中，使黑水含固量增大，導(dǎo)致離開激冷室液池液面的工藝氣帶灰量增大。

4 結(jié)論

（1）水煤漿灰分偏高、爐溫偏高及燒嘴霧化效果降低使激冷室液池固含量升高，最終引起激冷水含固量升高，帶水、帶灰加劇，使下降管外壁、上升管內(nèi)壁、托磚板結(jié)垢嚴(yán)重，使上升管及下降管間的環(huán)隙流通面積變小，工藝氣流速增大，帶水、帶灰現(xiàn)象進(jìn)一步加劇。

（2）結(jié)垢是引起托磚板溫度升高、環(huán)隙堵塞的主要原因，改善系統(tǒng)水質(zhì)可緩解結(jié)垢問題。

（3）氣化爐激冷室液位偏低，使得工藝增濕效果降低，帶灰加?。欢何贿^高導(dǎo)致帶水加劇，工藝氣通過環(huán)隙的阻力增大，對環(huán)隙結(jié)垢、積渣起到促進(jìn)作用。

（4）激冷水流量偏小時(shí)，下降管內(nèi)壁水膜較薄，易引起下降管變形損壞，偏大時(shí)會(huì)加劇帶水現(xiàn)象，在進(jìn)料量為80m3/h煤漿時(shí)，保持激冷水流量在350m3/h～400m3/h，對減少帶水量、降低結(jié)垢速率有較好的效果。