水煤漿氣化爐上升管與下降管之間堵塞的原因分析和預(yù)防措施

吳曉晨

（中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西 榆林719000）

中煤陜西榆林能源化工有限公司（簡(jiǎn)稱榆能化公司）180萬(wàn)t/a甲醇裝置采用GE水煤漿加壓氣化技術(shù)（燃燒室直徑3 200 mm，激冷室直徑3 800 mm），甲醇作為中間產(chǎn)品，用于生產(chǎn)30萬(wàn)t/a聚乙烯和30萬(wàn)t/a聚丙烯，裝置共設(shè)置8臺(tái)氣化爐。2014年6月水煤漿氣化爐一次性投料成功，7月產(chǎn)出合格甲醇，8月產(chǎn)出合格聚烯烴產(chǎn)品。從2018年開始，氣化爐上升管與下降管環(huán)隙堵渣造成氣化爐頻繁停車，不能保持長(zhǎng)周期運(yùn)行，也給檢修作業(yè)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。本文分析了氣化爐內(nèi)上升管和下降管之間環(huán)隙堵塞的原因，并從工藝操作、設(shè)備改造等方面提出相應(yīng)的建議。

1 水煤漿氣化工藝流程

合格的水煤漿與氧氣（純度99.6%）經(jīng)過(guò)三流道燒嘴充分混合后，在氣化爐燃燒室內(nèi)進(jìn)行不完全氧化反應(yīng)。煤漿燃燒之后，生成粗煤氣和殘留物，經(jīng)過(guò)激冷環(huán)進(jìn)入到激冷室，進(jìn)行冷卻分離，粗煤氣在洗滌后經(jīng)過(guò)粗煤氣管道進(jìn)入文丘里再次洗滌，然后進(jìn)入洗滌塔水浴洗滌，最后經(jīng)洗滌塔塔盤水洗滌后，送至下游變換工段。殘留物經(jīng)過(guò)激冷室水浴后，進(jìn)入鎖斗，定期排向撈渣機(jī)，外運(yùn)至渣場(chǎng)。

2 氣化爐上升管與下降管環(huán)隙堵塞的現(xiàn)象

通過(guò)分析2017年1月至2020年4月8臺(tái)氣化爐的堵塞情況，總結(jié)出氣化爐上升管與下降管環(huán)隙堵塞的現(xiàn)象如下：

（1）氣化爐支撐板溫度緩慢上升。支撐板4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)中的1～3個(gè)由246℃緩慢上漲到280℃～320℃，甚至更高。一般情況下，支撐板溫度一旦上漲到270℃以上，上漲的速度會(huì)加快，可能在不到24 h內(nèi)突破到300℃以上。

（2）氣化爐液位緩慢上漲。氣化爐液位由35%～40%緩慢上升到80%～100%，甚至出現(xiàn)超量程現(xiàn)象。一般情況下，氣化爐液位是在氣化爐支撐板溫度上漲到260℃之后才開始緩慢上漲，且當(dāng)氣化爐液位達(dá)到70%以后，液位計(jì)會(huì)出現(xiàn)忽高忽低大幅波動(dòng)（波動(dòng)范圍16%～80%），如果此過(guò)程補(bǔ)水不及時(shí)的話，氣化爐可能隨時(shí)有跳車的風(fēng)險(xiǎn)，也有可能一直上漲至80%～90%后穩(wěn)定運(yùn)行十幾天。

（3）洗滌塔高壓灰水補(bǔ)水流量緩慢減小，甚至到0。洗滌塔高壓灰水補(bǔ)水流量前期正常，逐漸緩慢減小，最后發(fā)展到不補(bǔ)水。在此過(guò)程中，洗滌塔液位一直緩慢上升到85%～100%，甚至出現(xiàn)超量程現(xiàn)象。

3 堵塞原因分析

3.1 工藝燒嘴匹配問題

3.1.1 工藝燒嘴尺寸匹配問題

裝置原設(shè)計(jì)由美國(guó)通用公司生產(chǎn)7臺(tái)工藝燒嘴，因其價(jià)格昂貴，加之國(guó)內(nèi)生產(chǎn)水煤漿工藝燒嘴的技術(shù)成熟，價(jià)格適中，后期委托沈陽(yáng)黎明有限公司代為生產(chǎn)。由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的燒嘴與原設(shè)計(jì)燒嘴不盡相同，加之煤種的波動(dòng)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的燒嘴很難與GE水煤漿氣化爐很好匹配。

3.1.2 工藝燒嘴霧化角、中心氧分配比例匹配問題

由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的工藝燒嘴尺寸與原設(shè)計(jì)燒嘴尺寸存在一定的差異，導(dǎo)致氣化爐工藝燒嘴在實(shí)際工作中的霧化角不同，使煤漿在氣化爐燃燒室內(nèi)不能充分霧化，和氧氣接觸的比表面積較小，被包裹在內(nèi)的部分煤漿可能根本沒有參與氧化反應(yīng)。該部分煤漿隨粗合成氣和粗渣一起進(jìn)入激冷室進(jìn)行水浴冷卻和洗滌，由于煤漿相對(duì)合成氣和粗渣黏度較大，在冷卻和洗滌過(guò)程中逐漸黏附在上升管和下降管之間的管壁上。隨著氣化爐的運(yùn)行，黏附在上升管和下降管之間管壁上的煤漿和粗渣越積越多，最終將上升管和下降管之間的環(huán)隙全部堵塞。

粗合成氣經(jīng)激冷室水浴冷卻后，一般按照體積比7∶3的比例分配，分別經(jīng)上升管和下降管之間的環(huán)隙及上升管外圍向上去粗合成氣管線，進(jìn)入洗滌塔。氣化爐激冷室內(nèi)上升管和下降管之間的環(huán)隙部分堵塞時(shí)，氣流分配被迫打破。通過(guò)上升管和下降管之間環(huán)隙的氣量逐漸減小，直至為0。從上升管外圍到粗合成氣管線的粗合成氣體量逐漸增大，且在上升過(guò)程中由于未經(jīng)過(guò)上升管與下降管之間的碰撞去灰，導(dǎo)致大量的粗合成氣帶著大量的灰渣沖撞和堆積在氣化爐托板底部，導(dǎo)致氣流無(wú)法在此處流動(dòng)，無(wú)法降溫，從而引起氣化爐底部支撐板溫度緩慢上升。

與此同時(shí)，由于經(jīng)過(guò)上升管與下降管之間環(huán)隙和上升管外圍的氣流分配比例發(fā)生變化，大量甚至全部粗合成氣從上升管外圍上升過(guò)程中，導(dǎo)致氣化爐液位隨著氣流增加而波動(dòng)上漲。但在前期氣體流量逐漸增加的過(guò)程中，發(fā)生了氣泡共存于液體的現(xiàn)象，當(dāng)氣流量增大時(shí)，氣化爐液位被迫升高；當(dāng)氣泡爆破后，氣化爐液位快速下降，造成氣化爐液位忽高忽低。當(dāng)氣流完全擊穿液面后，氣流穩(wěn)定上升，液位趨于穩(wěn)定并緩慢上升，直至氣化爐液位顯示高液位。

美國(guó)通用公司設(shè)計(jì)的氣化爐中心氧分配比例為12%～25%，調(diào)節(jié)范圍較寬。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，很難找到適當(dāng)?shù)谋壤?，只能依靠?jīng)驗(yàn)去探索。

3.1.3 氣化爐內(nèi)流場(chǎng)匹配問題

美國(guó)通用公司針對(duì)GE水煤漿氣化爐，在一定的煤質(zhì)條件、特制的工藝燒嘴、尺寸和霧化效果及流場(chǎng)下，進(jìn)行了相匹配的仿真模型試驗(yàn)，并在工藝包中有相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

但國(guó)內(nèi)煤質(zhì)很難達(dá)到原設(shè)計(jì)值要求，也難以找到合適的工藝燒嘴、尺寸和霧化角及適合的流場(chǎng)，只能逐漸調(diào)試，選擇適合的流場(chǎng)，避免霧化效果不好，保持氣化爐穩(wěn)定性，并探索出較為適宜的操作方式。

3.2 煤漿濃度匹配問題

GE水煤漿氣化爐設(shè)計(jì)煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%～62%。煤漿濃度一旦高于其設(shè)計(jì)值，可能會(huì)造成工藝燒嘴霧化效果不好，煤漿在氣化爐內(nèi)燃燒不充分。未充分燃燒的部分煤漿隨灰渣一起進(jìn)入激冷室水浴，造成灰水水質(zhì)含有較多的煤漿組分，灰水水質(zhì)差，如此往復(fù)，整個(gè)系統(tǒng)的水質(zhì)都會(huì)惡化，進(jìn)而造成氣化爐內(nèi)的合成氣帶灰嚴(yán)重，加劇氣化爐上升管和下降管之間環(huán)隙和相關(guān)管道設(shè)備堵塞。

3.3 氣化爐內(nèi)上升管與下降管之間環(huán)隙尺寸問題

氣化爐內(nèi)上升管與下降管之間環(huán)隙堵塞，可能是由于其環(huán)隙稍小、氣流分配不合理，造成粗合成氣夾帶著大量的粗渣在氣流上升過(guò)程中掛壁。此掛壁現(xiàn)象是粗合成氣與粗渣混合在一起上升過(guò)程中，由于帶渣量過(guò)大，無(wú)法徹底分離，造成多余的粗渣黏附在環(huán)隙內(nèi)壁所致。

4 處理方式和預(yù)防措施

4.1 處理方式

4.1.1 氣化爐液位緩慢上升期，每天上漲1%～2%

此時(shí)屬于氣化爐上升管與下降管環(huán)隙堵塞前期?？梢赃m當(dāng)加大激冷水流量、氣化爐排水量和洗滌塔排水量，降低氣化爐負(fù)荷，提高氧煤比。當(dāng)氣化爐液位上漲到65%以上時(shí)，建議氣化爐停車后連投一次。

4.1.2 氣化爐支撐板溫度緩慢上漲期，每天上漲0.5℃～2.0℃

在265℃以下時(shí)，屬于氣化爐上升管與下降管環(huán)隙堵塞前期，即有少量堵塞，支撐板處有少量渣凝結(jié)固定?？蛇m當(dāng)降低氣化爐負(fù)荷，加大激冷水流量、氣化爐排水量和洗滌塔排水量。當(dāng)氣化爐支撐板溫度上漲到大于265℃時(shí)，建議氣化爐停車后連投一次。

4.1.3 氣化爐液位大幅波動(dòng)期（30%～75%波動(dòng)）要加大激冷水流量，適當(dāng)加大氣化爐排水量；液位向低液位波動(dòng)大時(shí)，可以緊急關(guān)小氣化爐排水量；有氣化爐底部事故補(bǔ)水管線時(shí)，緊急打開補(bǔ)水閥，向氣化爐底部補(bǔ)水。無(wú)法保證充足的補(bǔ)水時(shí)，氣化爐可能會(huì)由于氣化爐低低聯(lián)鎖跳車。

4.1.4 氣化爐支撐板溫度快速上漲期

此時(shí)支撐板溫度一般已經(jīng)大于270℃。要在第一時(shí)間緊急降低氣化爐負(fù)荷至半負(fù)荷，加大氣化爐激冷水流量和氣化爐、洗滌塔排水量。4個(gè)支撐板溫度點(diǎn)中有2個(gè)或以上的點(diǎn)快速達(dá)到320℃以上時(shí)，緊急停止該氣化爐運(yùn)行。

4.1.5 氣化爐液位高（大于80%），洗滌塔不補(bǔ)水，支撐板溫度穩(wěn)定期（300℃以下）

可以繼續(xù)觀察運(yùn)行。為延長(zhǎng)氣化爐使用周期，可以降低氣化爐運(yùn)行負(fù)荷。

4.1.6 氣化爐支撐板溫度高溫期（大于300℃并繼續(xù)上漲）

此時(shí)一般有2個(gè)及以上支撐板溫度超過(guò)320℃時(shí)，立即停車。

4.2 預(yù)防措施

4.2.1 煤質(zhì)不穩(wěn)定、工藝燒嘴無(wú)法找到合適尺寸、上升管與下降管暫時(shí)無(wú)法改變尺寸時(shí)：（1）控制氣化爐溫度高于T4溫度（煤灰流動(dòng)溫度）50℃～100℃，盡量充分燃燒多余的原料煤；（2）保持較好的灰水水質(zhì)；（3）在允許的條件下，維持低負(fù)荷運(yùn)行，加大系統(tǒng)循環(huán)水量；（4）在氣化爐液位計(jì)或支撐板溫度波動(dòng)前期，不更換工藝燒嘴情況下連投一次，通過(guò)熱脹冷縮，使少量的環(huán)隙堵渣脫落下來(lái)。

4.2.2 改變上升管與下降管環(huán)隙尺寸

重新核算氣體流量，適當(dāng)擴(kuò)大上升管與下降管之間的環(huán)隙。

4.2.3 匹配燒嘴尺寸與霧化角

此方案較難。要有連續(xù)適當(dāng)?shù)脑厦悍N，收集、分析大量的煤質(zhì)數(shù)據(jù)，并與燒嘴尺寸匹配，做出一定的數(shù)據(jù)模型，才有可能實(shí)現(xiàn)很好的匹配。