煤質(zhì)波動(dòng)對(duì)水煤漿氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的影響

孫 斌，李志祥，周 鵬

（神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭 014000）

水煤漿加壓氣化是原料水煤漿與氧氣進(jìn)行高溫高壓反應(yīng)的過程，生成以CO和H2為主要成分的粗煤氣和煤炭燃燒殘余的灰渣。水煤漿加壓氣化爐采取液態(tài)熔融排渣，氣固產(chǎn)物并行通過燃燒室下部的激冷室，氣體產(chǎn)物經(jīng)降溫、除塵后送至下游工序進(jìn)行凈化處理；系統(tǒng)產(chǎn)生的黑水送入四級(jí)閃蒸系統(tǒng)和沉降系統(tǒng)處理，以利回收熱量、灰水再生及循環(huán)使用。生產(chǎn)中，原料煤的質(zhì)量是決定氣化爐能否長(zhǎng)周期運(yùn)行的一個(gè)重要因素。我國(guó)不少煤化工項(xiàng)目因在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)煤質(zhì)把握不準(zhǔn)，對(duì)原料煤的重要性認(rèn)識(shí)不足，在氣化技術(shù)的選擇、設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)忽略了煤質(zhì)對(duì)氣化爐運(yùn)行狀態(tài)的影響［1］，導(dǎo)致項(xiàng)目投產(chǎn)后頻繁出現(xiàn)一些影響氣化系統(tǒng)安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行的問題。

1 氣化爐渣口堵塞工況概述

某公司2016年10月份由于原料煤供應(yīng)不穩(wěn)定且灰分高達(dá)16.6%、灰熔點(diǎn)高達(dá)1 480℃（如表1），5臺(tái)在運(yùn)的6.5 MPa水煤漿氣化爐同時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的堵渣現(xiàn)象。正常生產(chǎn)中，氣化爐內(nèi)的氧煤比一般在480～500 m3／m3，而為了維持氣化爐的正常排渣，在原料煤煤質(zhì)波動(dòng)的這段時(shí)間內(nèi)氧煤比一直控制在520～540 m3／m3，出口粗煤氣中的甲烷含量由（1 500～1 800）×10-6降至（100～200）×10-6。

表1 正常工況與異常工況下原料煤煤質(zhì)的對(duì)比

原料煤煤質(zhì)的頻繁波動(dòng)給操作及管理帶來了很大的挑戰(zhàn)。由于原料煤灰分高和灰熔點(diǎn)高，5臺(tái)在運(yùn)氣化爐的渣口出現(xiàn)了不同程度的縮小，氣化爐內(nèi)壓力大大高于洗滌塔壓力，造成燒嘴法蘭頻繁泄漏且泄漏量大。由于氧氣壓力通常狀況下是一個(gè)穩(wěn)定值，而氣化爐壓力偏高會(huì)使氧煤比偏低，進(jìn)而影響氣化爐的正常排渣，導(dǎo)致渣口進(jìn)一步縮小，使系統(tǒng)工況嚴(yán)重惡化，故而不得不提高氧煤比操作。由于煤質(zhì)的大幅波動(dòng)，操作工況異?？量蹋斐?#、3#、4#氣化爐被迫停車，疏通渣口；其中，2#氣化爐工況最為惡劣，停車前爐內(nèi)壓力一度達(dá)到6.9 MPa（正常工況下氣化爐壓力為6.3 MPa左右）。檢修氣化爐時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于爐內(nèi)氣流流場(chǎng)發(fā)生變化，氣化爐爐磚沖刷損毀嚴(yán)重，爐磚運(yùn)行2 000 h以上就被迫更換（正常工況下可運(yùn)行10 000 h）；氣化爐下降管堵渣，拆檢發(fā)現(xiàn)激冷環(huán)與下降管燒壞，不得不更換。

2 氣化爐渣口堵塞的判斷及預(yù)防

2.1 監(jiān)控氣化爐表面熱偶溫度

氣化爐表面過熱點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)通過測(cè)溫元件纏繞（鋪設(shè)）在氣化爐殼體上來進(jìn)行工作，測(cè)溫元件是一種能夠探測(cè)一條連續(xù)路線上存在的最高溫度的線狀溫度傳感器，即利用熱電效應(yīng)能夠連續(xù)產(chǎn)生與其長(zhǎng)度涉及范圍內(nèi)最高溫度相對(duì)應(yīng)的電壓（mV）信號(hào)，以連續(xù)探測(cè)監(jiān)控區(qū)域的最高溫度。

氣化爐表面熱偶溫度一般分為拱頂溫度、筒體溫度、錐底溫度3類。其中，錐底溫度的變化能夠間接反映出氣化爐的排渣情況，排渣良好的情況下，氣化爐表面熱偶溫度基本趨于穩(wěn)定，可能因天氣變化會(huì)出現(xiàn)小幅波動(dòng)，但當(dāng)灰渣流動(dòng)情況變差的時(shí)候，錐底溫度會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)。當(dāng)煤灰熔點(diǎn)升高時(shí)，煤灰的流動(dòng)性變差，由于氣化爐錐底溫度相較于氣化爐筒體溫度及拱頂溫度偏低，因此煤灰流動(dòng)到錐底時(shí)流速變慢而形成堆積，這時(shí)灰渣堆積處的表面熱偶溫度就會(huì)急劇下降；當(dāng)灰渣堆積到一定厚度時(shí)，因重力作用，煤灰又會(huì)脫離氣化爐錐底流向渣口，這時(shí)錐底的溫度又會(huì)急劇上升。

2.2 監(jiān)測(cè)洗滌塔出口粗煤氣組分變化

原料煤漿（濃度約61%）及氧氣（純度約99.6%）經(jīng)三流道頂置式工藝燒嘴進(jìn)入氣化爐，在6.5 MPa、1 350℃左右的條件下進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成有效氣（CO+H2）含量大于76%的粗合成氣。煤炭在氣化爐內(nèi)的反應(yīng)相對(duì)復(fù)雜，通常分以下3步進(jìn)行。首先是煤的熱裂解及揮發(fā)分燃燒，氣化原料及氧化劑進(jìn)入高溫、高壓的氣化爐后，水分快速蒸發(fā)，煤粉相應(yīng)發(fā)生熱裂解并釋放揮發(fā)分，裂解產(chǎn)物及易揮發(fā)分在氧化劑的作用下完全燃燒并放出大量反應(yīng)熱；其次是裂解產(chǎn)物的氣化反應(yīng)，裂解后的煤焦部分與氧發(fā)生燃燒反應(yīng)，另一部分與水蒸氣、CO2等發(fā)生氣化反應(yīng)；最后是煤焦、甲烷等與水蒸氣、CO2發(fā)生的氣化反應(yīng)，生成CO和H2。一般認(rèn)為，水煤漿氣化爐中主要進(jìn)行以下化學(xué)反應(yīng)。

部分氧化反應(yīng)：CxHySr+0.5x O2→x CO+（0.5y-r）H2+r H2S

煤的燃燒反應(yīng)：CxHySr+（x+0.25y-0.5r）O2→（x-r）CO2+0.5y H2O+r COS

煤的裂解反應(yīng)：CxHySr→（0.25y-0.5r）CH4+（x-0.25y+0.5r）C+r H2S

CO2的還原反應(yīng)：CO2+C→2CO

炭的完全燃燒反應(yīng)：C+O2→CO2

非均相水煤氣反應(yīng)：C+H2O→H2+CO；C+2H2O→2H2+CO2

甲烷化逆反應(yīng)：CH4+H2O→3H2+CO

水氣變換逆反應(yīng)：H2+CO2→H2O+CO

隨著氣化爐渣口的逐漸縮小，水煤氣在氣化爐內(nèi)停留時(shí)間相應(yīng)增加，氣化爐內(nèi)的常規(guī)反應(yīng)發(fā)生變化，CO2的還原反應(yīng)和變換逆反應(yīng)增加，從而使得CO2氣體的含量持續(xù)降低（最低時(shí)可達(dá)15%），CO氣體含量持續(xù)上漲（最高時(shí)可達(dá)50%），下游系統(tǒng)內(nèi)由于存在大量的CO而H2含量較低，甲醇產(chǎn)量下降，多余的CO氣體在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，造成甲醇合成壓力持續(xù)升高；而氣化系統(tǒng)壓力與甲醇合成系統(tǒng)一致，氣化系統(tǒng)壓力過高，氣化爐內(nèi)壓力繼續(xù)升高又加速了氣化爐工況的惡化。因此，在粗合成氣組分（見表2）出現(xiàn)變化的初期我們就應(yīng)該人為地介入進(jìn)行調(diào)整，即增加氧氣的供應(yīng)，以防氣化爐渣口堵塞。

表2 洗滌塔正常工況與異常工況主要工藝參數(shù)的對(duì)比

2.3 監(jiān)控?fù)圃鼨C(jī)工況及進(jìn)行渣樣分析

2.3.1 撈渣機(jī)電流

當(dāng)原料煤灰分與灰熔點(diǎn)增加時(shí)，氣化爐內(nèi)壁會(huì)形成掛渣現(xiàn)象，而大量的渣附著在氣化爐內(nèi)壁會(huì)使得撈渣機(jī)電流越來越小，即使當(dāng)時(shí)撈渣機(jī)電流仍處在一個(gè)正常范圍內(nèi)波動(dòng)，我們?nèi)孕枰{(diào)取撈渣機(jī)的長(zhǎng)期運(yùn)行參數(shù)趨勢(shì)圖，以觀察其是否出現(xiàn)了電流小幅下降的情況，以便及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

2.3.2 撈渣機(jī)的渣樣

一般來說，氣化爐灰渣的形狀可以直接反映出氣化爐工況的好壞。要想準(zhǔn)確判斷氣化爐運(yùn)行情況，需根據(jù)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合DCS上的相關(guān)參數(shù)綜合判斷。正常情況下，灰渣呈灰黑色，粒度在3～5 mm的占比在50%～70%就已經(jīng)比較理想了；而如果出現(xiàn)渣樣偏黑或發(fā)白，就需要結(jié)合其他工藝指標(biāo)進(jìn)行判斷了。

如果灰渣粒度偏?。ɑ蜉^細(xì)）或偏大（或出現(xiàn)塊狀物），應(yīng)查看氧煤比、煤漿濃度、工藝氣成分和溫度，據(jù)此可辨別爐溫偏高或偏低，以便進(jìn)行調(diào)整。

如果出現(xiàn)針狀灰渣，這時(shí)有2種情況：一是黑色短粗絲，表明爐溫呈下降趨勢(shì)，要及時(shí)提高爐溫；二是牛毛狀細(xì)絲，表明情況已經(jīng)比較嚴(yán)重。出現(xiàn)牛毛狀細(xì)絲的原因主要有2種：一種是爐溫偏低時(shí)間較長(zhǎng)，造成下渣口掛渣（多數(shù)情況下降管也掛渣），此時(shí)要緩慢提溫并輔助降低負(fù)荷操作；其二是操作中爐溫控制或調(diào)節(jié)過快，使?fàn)t壁的渣大量熔融而致渣口掛渣。但無(wú)論何種情況，調(diào)節(jié)時(shí)均須緩慢，切不可操之過急。

如果出現(xiàn)了較碎或呈細(xì)沙狀的灰渣，則要根據(jù)煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)、中心氧量進(jìn)行綜合判斷后處理。如果出現(xiàn)了渣塊，操作人員不要急于調(diào)整氧煤比，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)渣塊形狀、硬度判斷爐溫的高低：渣塊偏黑偏硬且較多，多半是爐溫較低，渣塊破碎后排下來所致，此時(shí)需要提高氧煤比；渣塊偏亮偏脆且較多，則可能是爐溫較高，需要作適當(dāng)調(diào)整；如果只有少量渣塊，不排除是爐壁上少量掛渣掉落破碎所致，可不急于處理，進(jìn)一步進(jìn)行觀察、分析。

總之，不論是什么樣的灰渣，必須結(jié)合煤質(zhì)、水煤漿指標(biāo)、氣化爐運(yùn)行參數(shù)和灰渣情況進(jìn)行綜合判斷。

2.4 監(jiān)測(cè)渣口壓差

渣口壓差計(jì)作為測(cè)量系統(tǒng)壓差的重要儀表，用于指導(dǎo)氣化爐的操作，其示數(shù)最能反映氣化爐液態(tài)渣在渣口的流動(dòng)狀況。

（1）渣口壓差持續(xù)上漲，表明氣化爐排渣情況持續(xù)惡化，渣口已經(jīng)開始逐漸縮小。有時(shí)也存在另一種情況，由于氣化爐取壓點(diǎn)的設(shè)置，有時(shí)渣口壓差計(jì)示數(shù)已經(jīng)很高，但實(shí)際上渣口并沒有堵塞，而是激冷室的長(zhǎng)期積灰造成渣口壓差計(jì)取壓管線堵塞而形成的假象。

（2）渣口壓差波動(dòng)，表明灰渣流動(dòng)情況變差，需提高氧煤比來保證順利排渣。

2.5 關(guān)注主氧閥的開度

正常生產(chǎn)過程中，空分裝置至氣化系統(tǒng)氧氣總管的壓力是穩(wěn)定的，維持在8.0～8.3 MPa，在維持正常生產(chǎn)負(fù)荷不變的情況下，如果主氧閥開度緩慢增大，表明氧氣進(jìn)入氣化爐的難度增大，氣化爐渣口可能已經(jīng)由于煤質(zhì)的變化而緩慢發(fā)生了變化，這時(shí)需要操作人員及時(shí)觀察氣化爐的各運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行對(duì)比分析，并及時(shí)匯報(bào)技術(shù)管理人員，對(duì)生產(chǎn)工況進(jìn)行調(diào)整。該公司單臺(tái)氣化爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)主氧閥開度維持在60%～70%，而煤質(zhì)發(fā)生變化以后，操作人員為了維持氧煤比在480～500 m3／m3之間，5～10 d時(shí)間內(nèi)逐漸將主氧閥開度提高至90%以上，10 d之后主氧閥開度甚至達(dá)到100%，但由于氣化爐內(nèi)壓力過高，氧氣進(jìn)入氣化爐的難度越來越大，10 d之后不得不進(jìn)行減負(fù)荷操作。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)本次多臺(tái)氣化爐因煤質(zhì)大幅波動(dòng)而被迫停車事件的觀察和分析，我們認(rèn)為，要保證氣化爐的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行，首先生產(chǎn)中需加強(qiáng)對(duì)原料煤煤質(zhì)的監(jiān)管、多與氣化相關(guān)崗位溝通、及時(shí)對(duì)煤質(zhì)進(jìn)行元素分析［2］等，并采取有效的監(jiān)控措施；其次，在煤質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，操作人員一定要仔細(xì)觀察、精心操作，提高氧煤比時(shí)要緩慢，不能操之過急，當(dāng)渣口堵渣嚴(yán)重而又無(wú)良好應(yīng)對(duì)措施時(shí)，應(yīng)及時(shí)停車處理，以避免燒壞激冷環(huán)與下降管及引發(fā)更加嚴(yán)重的事故。