淺析航天爐激冷室氣液固三相流態(tài)化失衡的誘發(fā)因素及技改方向

王軍偉

（河南晉開化工投資控股集團有限責(zé)任公司，河南 開封 475002）

0 引 言

航天爐正常運行時，熔渣和粗合成氣經(jīng)激冷環(huán)進入激冷室，在激冷室內(nèi)高溫熔渣與激冷水接觸后迅速降溫、?；?，并產(chǎn)生大量水蒸氣，粗渣、粗合成氣與黑水在激冷室中分離，實現(xiàn)粗合成氣、液態(tài)水、固態(tài)熔渣的分離。分離出的粗合氣經(jīng)過文丘里洗滌塔洗滌，以達到回收熱量、分離灰渣的目的，然后相對潔凈的粗合成氣送入后續(xù)工序；熔渣經(jīng)破渣機斷續(xù)排出，富含懸浮物及細灰的黑水則經(jīng)外排管道進入后系統(tǒng)進行處理。

在激冷室內(nèi)，激冷水分為兩路，一路通過激冷環(huán)的小孔斜向45°噴出，起到保護激冷環(huán)的作用；另一路通過流道沿下降管流下形成水膜，起到平衡下降管內(nèi)外壁溫度、保護下降管不受高溫?zé)g、平衡激冷室氣液固三相流態(tài)化的作用。若航天爐激冷室氣液固三相流態(tài)化失衡，其直接危害有：激冷環(huán)和下降管堵塞、變形、燒穿，激冷室內(nèi)部因結(jié)垢有效容積降低，爐壁超溫、變形、穿孔，從而導(dǎo)致系統(tǒng)運行周期縮短，檢修頻率與檢修費用增加。以下就河南晉開化工投資控股集團有限責(zé)任公司（簡稱河南晉開）航天爐所用原料煤煤質(zhì)特點，將理論與實際相結(jié)合，分析航天爐激冷室氣液固三相流態(tài)化失衡的誘發(fā)因素，以期延長航天爐的運行周期，提高經(jīng)濟效益。

1 氣液固三相流態(tài)化失衡的誘發(fā)因素及其理論依據(jù)

1.1 鹽效應(yīng)

弱電解質(zhì)溶液中加入與之沒有相同離子的強電解質(zhì)時，由于溶液中離子總濃度增大，離子間相互牽制作用增強，使得弱電解質(zhì)解離的陰、陽離子結(jié)合形成分子的機會減小，從而使弱電解質(zhì)分子濃度減小、離子濃度相應(yīng)增大，解離度增大，這種效應(yīng)稱為鹽效應(yīng)。當(dāng)溶解度降低時，為鹽析效應(yīng)；反之則為鹽溶效應(yīng)。鹽效應(yīng)對氣液、液液、固液相平衡的影響具體表現(xiàn)在如下5個方面：①鹽的加入會使溶液飽和蒸氣壓降低，溶劑沸點升高；②鹽與溶液中特定溶劑呈締合狀，導(dǎo)致溶液結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；③加鹽后體系平衡氣相中各組成發(fā)生變化；④鹽的加入使溶液體系相互之間的溶解度發(fā)生變化；⑤鹽的加入引起溶解的某種固體或氣體溶質(zhì)溶解度發(fā)生變化［1］。

1.2 稀溶液的蒸氣壓下降

含有難揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液，其蒸氣壓總是低于同溫度純?nèi)軇┑恼魵鈮?，溶液中難揮發(fā)性溶質(zhì)濃度愈大，溶劑的摩爾分數(shù)越小，其蒸氣壓下降越多。

1.3 激冷水水質(zhì)

因洗滌塔底部的水含固量高，易造成激冷水系統(tǒng)的堵塞，而固體顆粒沉積堵塞激冷環(huán)管會造成激冷水流量下降，粗合成氣及粗渣不能有效降溫；激冷水中固含量高，也會因鹽效應(yīng)對激冷水沸點及激冷水產(chǎn)生飽和水蒸氣的能力產(chǎn)生影響；激冷水硬度大、堿度大，易形成垢片堵塞激冷環(huán)的噴水口，使激冷環(huán)及下降管局部水膜缺損，導(dǎo)致高溫粗合成氣或熔渣直接與下降管接觸而對其造成損傷。

1.4 激冷室內(nèi)結(jié)垢

碳酸鹽結(jié)垢：垢物成分以碳酸鈣為主，也有少量的碳酸鎂，據(jù)形成條件不同分為疏松海綿狀和堅硬硬垢狀，多形成于激冷環(huán)流道中。

硫酸鹽結(jié)垢：垢物主要成分為硫酸鈣，堅硬而致密，常沉積在下降管與上升管環(huán)隙中。

硅酸鹽結(jié)垢：垢物主要成分為硅鈣石（5CaO·5SiO2·H2O）或鎂橄欖石（MgO·SiO2），其特性為硬度大、導(dǎo)熱系數(shù)小，常沉積在激冷室下降管外壁上。

混合結(jié)垢：由鈣和鎂的碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽以及鐵鋁氧化物等組成，主要沉積在黑水管道，多為層疊狀，非常堅硬。

1.5 原料煤煤質(zhì)

原料煤煤質(zhì)不同，其元素含量、灰成分、灰熔點等就不同，粉煤在航天爐爐膛內(nèi)燃燒后，灰分中的游離Ca2＋、Mg2＋等的含量就不同，而游離Ca2＋沉積是影響激冷室氣液固三相流態(tài)化的重要因素。

2 河南晉開航天爐所用原料煤煤質(zhì)分析

河南晉開航天爐所用原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表1。可以看出，煤樣灰成分中以CaO、Al2O3、SiO2為主，且原料煤灰熔點受Al2O3、SiO2含量的影響較大。因粉煤在航天爐爐膛內(nèi)的燃燒時間非常短，灰分中會有一部分的游離Ca2＋以懸浮物形態(tài)存在，游離Ca2＋的沉積會對激冷室氣液固三相流態(tài)化產(chǎn)生明顯影響。

表1 河南晉開航天爐所用原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

3 下降管處氣液固三相流態(tài)化失衡的分析

正常流態(tài)化情況下，航天爐燃燒室下部連續(xù)排出的熔渣和粗合成氣同激冷環(huán)流道在下降管內(nèi)表面形成的激冷水膜接觸，激冷水膜使流動的高溫熔渣冷卻、?；M入激冷室液面以下，高溫灰渣中的游離Ca2＋進入水系統(tǒng)中形成懸浮物，高溫熔渣冷卻產(chǎn)生的蒸汽與粗合成氣一起進入環(huán)隙，經(jīng)破泡板后部分水回流，且因下降管外壁在激冷水水膜冷卻下溫度低于上升的粗合成氣溫度，粗合成氣中的部分水蒸氣會在下降管外壁冷凝回流，氣流中夾帶的大部分懸浮物及灰渣會隨著冷凝形成的回流液返回激冷室，下降管外壁處在回流液的冷卻下，熱量及物料達到流態(tài)化平衡。而當(dāng)下降管局部水膜變薄引起下降管外壁溫度升高時，回流液量會減少，該區(qū)域的流態(tài)化平衡就會被打破。

當(dāng)激冷環(huán)流道結(jié)垢后，會引起該流道處激冷水流量降低，該區(qū)域下降管內(nèi)表面的水膜就會變薄而產(chǎn)生高溫區(qū)域，下降管外側(cè)的回流液中的游離Ca2＋與粗合成氣中的酸性氣（CO2）就會發(fā)生反應(yīng)而形成結(jié)垢，因垢物（CaCO3）的導(dǎo)熱性較差，結(jié)垢處在高溫作用下緩慢產(chǎn)生不可逆變形，變形區(qū)域的材質(zhì)也發(fā)生變化，嚴重時會導(dǎo)致下降管燒穿；且因下降管外壁部分區(qū)域溫度高，回流液量變小，回流液帶回激冷室中的懸浮物及灰渣的量也變少，趨于建立新的平衡，大量懸浮物及灰渣被帶入粗合成氣管道及文丘里洗滌塔中，懸浮物及灰渣在粗合成氣管道內(nèi)部結(jié)垢速度加快，引起粗合成氣流通面積減小，粗合成氣流速加快，大量懸浮物和灰渣又隨粗合成氣進入文丘里洗滌塔，洗滌塔內(nèi)洗滌水水質(zhì)持續(xù)變差，引起激冷水水質(zhì)變差，如前所述，激冷水水質(zhì)變差又會帶來一系列的影響，如此形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致航天爐的運行周期縮短。

4 下降管出口處氣液固三相流態(tài)化失衡的分析

航天爐下降管出口處高溫塊狀渣進入激冷室液面下，激冷室液面下的水汽化產(chǎn)生大量水蒸氣，水蒸氣隨粗合成氣通過下降管與上升管之間的環(huán)隙上升，粗渣經(jīng)破渣機破碎后經(jīng)渣鎖斗排出，下降管排出的高溫渣塊冷卻過程中連續(xù)產(chǎn)生的水蒸氣產(chǎn)生的氣泡在粗渣周圍形成流態(tài)化保護層，該流態(tài)化的保護層隨水蒸氣的上升向液面周邊擴散，熔渣表層中游離Ca2＋優(yōu)先在激冷水中形成懸浮物隨水蒸氣泡向液面外圍移動，隨黑水經(jīng)管道排至高壓閃蒸罐；熔渣中游離Ca2＋在激冷水中形成懸浮物的量與熔渣的停留時間有關(guān)，如因排渣系統(tǒng)故障激冷室底部大量集渣，會延長熔渣在激冷室內(nèi)的停留時間，游離Ca2＋在激冷水中形成懸浮物的量持續(xù)增多，下降管出口處氣液固三相流態(tài)化就會失衡。

航天爐集渣狀態(tài)下的爐況數(shù)據(jù)及水質(zhì)分析（河南晉開航天爐排渣周期為30min，故取樣周期為30min，取樣位置為沉降槽溢流堰處）數(shù)據(jù)見表2?？梢钥闯觯杭だ涫覂?nèi)持續(xù)大量集渣時，粗渣周圍流態(tài)化保護層被打破，下降管出口處氣液固三相流態(tài)化就會失衡，熔渣表層大量游離Ca2＋在激冷水中形成懸浮物，黑水中懸浮物含量、堿度、硬度大幅上升，粗合成氣夾帶懸浮物量也明顯增加，下降管與上升管環(huán)隙中形成大量結(jié)垢；集渣后渣口壓差明顯上升，航天爐負荷降低后渣口壓差又開始下降；激冷室內(nèi)持續(xù)大量集渣后，隨著熔渣在激冷室停留時間的延長，帶入激冷水中的熱量也增多，黑水溫度升高，航天爐負荷降低后黑水溫度又有所下降。簡言之，激冷室內(nèi)部結(jié)垢可看作是熱量在激冷室內(nèi)部滯留的一種表現(xiàn)形式。

表2 航天爐集渣狀態(tài)下的爐況數(shù)據(jù)及水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

5 技改方向

鑒于航天爐系統(tǒng)工況復(fù)雜、嚴苛，且影響因素較多，為避免因激冷室氣液固三相流態(tài)化失衡影響氣化爐的長周期、穩(wěn)定運行，結(jié)合生產(chǎn)實際，筆者提出如下2個技改方向。

5.1 技改方向之一

原料煤煤種不變、負荷穩(wěn)定的情況下，航天爐運行時帶入水循環(huán)系統(tǒng)中游離Ca2＋的量也趨于穩(wěn)定，航天爐正常運行時系統(tǒng)水溫基本恒定，此時碳酸鈣的溶解度實驗數(shù)據(jù)見表3?？梢钥闯觯合嗤瑴囟葪l件下，碳酸鈣的溶解度隨壓力的升高而增大；而在相同壓力條件下，碳酸鈣的溶解度隨溫度的升高而減?。?］。

表3 碳酸鈣溶解度實驗數(shù)據(jù)

CO2在水中的溶解度實驗數(shù)據(jù)見表4。可以看出，CO2在水中的溶解度隨溫度的升高而減小。而碳酸鈣的溶度積因此，可以在最佳溫度下通過空氣中的CO2大量進入水中與Ca2＋形成碳酸鈣而對Ca2＋予以脫除，據(jù)表3和表4的數(shù)據(jù)，碳酸鈣在水中的最佳形成溫度為50℃。

表4 CO2在水中的溶解度實驗數(shù)據(jù)

針對游離Ca2＋在水中的富集，可用涼水塔將沉降槽溢流出來的灰水冷卻至50℃，冷卻的過程中空氣中的CO2進入水中，與水中的Ca2＋反應(yīng)生成碳酸鈣結(jié)晶，經(jīng)過沉淀池對涼水塔排出的灰水進行沉淀，再將碳酸鈣結(jié)晶排出系統(tǒng)，清水則進入灰水槽，從而消除航天爐水循環(huán)系統(tǒng)存在的Ca2＋富集現(xiàn)象，緩解各部位結(jié)垢，以達到提高航天爐內(nèi)件壽命、延緩系統(tǒng)結(jié)垢周期、提升系統(tǒng)運行周期、穩(wěn)定后系統(tǒng)工況、提升綜合經(jīng)濟效益的目的。

5.2 技改方向之二

激冷室氣液固三相流態(tài)化平衡主要靠激冷水對下降管內(nèi)外壁的冷卻予以維持，激冷水水質(zhì)及流量是維持流態(tài)化平衡的關(guān)鍵。生產(chǎn)中，激冷水過濾器對激冷水中較大的雜質(zhì)進行過濾，以防堵塞激冷環(huán)出水口，但實際生產(chǎn)中航天爐停車后對激冷水過濾器進行隔離檢查，發(fā)現(xiàn)激冷水過濾器下部沉淀區(qū)結(jié)垢嚴重，排污閥因結(jié)垢無法動作，激冷水過濾器內(nèi)部濾板孔洞堵塞嚴重，即激冷水過濾器的作用大打折扣。

激冷水過濾器的正常排污步驟：在線切出→打開排污閥→排污至撈渣機→關(guān)閉排污閥→多次充液排放→確認激冷水過濾器內(nèi)部干凈→投用。實際操作中，激冷水過濾器投用一段時間后進出口閥門及排污閥因內(nèi)部結(jié)垢動作困難，很難關(guān)到位，內(nèi)漏風(fēng)險很大，導(dǎo)致排污時危險系數(shù)大，對系統(tǒng)長周期運行不利。為此，需改進工況，可論證如下激冷水過濾器連續(xù)排污及增設(shè)補償系統(tǒng)的可行性。

（1）激冷水過濾器連續(xù)排污系統(tǒng)流程：激冷水過濾器底部閥在開車期間常開，建水循環(huán)期間標定好激冷水過濾器連續(xù)排污的流量；污水排至激冷水排污二級閃蒸器減壓，減壓后的污水與絮凝劑泵送來的絮凝劑在混合器內(nèi)充分混合后送至沉降槽，激冷水排污二級閃蒸器閃蒸出來的氣體經(jīng)冷卻分離后送至火炬燃燒，分離出來的水亦排至沉降槽。

（2）激冷水（過濾器）補償系統(tǒng)：因連續(xù)排污會引起進入激冷環(huán)的激冷水流量、壓力下降，為滿足正常生產(chǎn)所需，可通過新增激冷水補償泵補水（加藥）對激冷水過濾器處的激冷水流量及壓力進行補償，通過調(diào)節(jié)補償系統(tǒng)的補水量及加藥量有效保證送入激冷環(huán)的激冷水水質(zhì)及流量。

（3）激冷水過濾器連續(xù)排污系統(tǒng)安全保障：為防止因補償泵斷流等突發(fā)狀況對激冷水流量產(chǎn)生影響，將激冷水（過濾器）補償系統(tǒng)與激冷水系統(tǒng)建立流量及壓力聯(lián)鎖，緊急情況下可將本系統(tǒng)迅速切出，以保證航天爐的正常運行。