氣化爐托磚盤溫度異常原因分析及管控思路探討

王云剛，劉克存

（陜西咸陽化學工業(yè)有限公司，陜西 咸陽712000）

陜西咸陽化學工業(yè)有限公司（以下簡稱咸陽公司）甲醇項目作為國內(nèi)第一批建成的首套單系列60萬t/a甲醇項目，其核心氣化裝置采用GE單噴嘴水煤漿加壓氣化激冷流程，氣化裝置共設(shè)置有3臺氣化爐，正常生產(chǎn)運行模式為2開1備。

咸陽公司氣化爐滿負荷運行期間，曾連續(xù)發(fā)生5次因氣化爐托磚盤超溫被迫停車檢修事故，其中最嚴重的一次是在氣化爐停工大檢修后僅運行了18 d就出現(xiàn)了托磚盤4支熱電偶中3支溫度超過300℃。托磚盤超溫易引起托磚盤（支撐板）強度下降，嚴重情況下還會造成托磚盤局部燒穿等惡性事故的發(fā)生，因此正常生產(chǎn)運行中當DCS監(jiān)測到托磚盤溫度異常超溫，在無法查明原因的情況下，為確保氣化爐設(shè)備內(nèi)件安全和避免發(fā)生不可控的生產(chǎn)安全事故，對故障氣化爐均采取緊急停車處置措施，這樣一來勢必影響整個生產(chǎn)裝置的連續(xù)運行。因此，探討分析氣化爐托磚盤溫度異常上漲的原因，并采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，對整個水煤漿加壓氣化裝置長周期穩(wěn)定運行尤為重要。

1 氣化爐托磚盤位置及作用

氣化爐內(nèi)件中的托磚盤（支撐板）設(shè)置在燃燒室錐底部，與氣化爐爐壁呈45 °夾角設(shè)置，其鋼板壁厚達90 mm，上部托舉129 t耐火材料。托磚盤下部表面設(shè)置有4支熱電偶，呈90 °分布，與氣化爐內(nèi)粗煤氣直接接觸。正常生產(chǎn)條件下，托磚盤（支撐板）除直接承受著耐火材料自身重量外，同時承受爐內(nèi)1 350℃熔融態(tài)灰渣傳遞的熱量。正常生產(chǎn)期間，主要由激冷室淬冷后的245℃的粗煤氣與托磚盤表面進行熱量交換，強制對托磚盤表面進行冷卻降溫，使其溫度保持在245℃左右，與出氣化爐粗煤氣溫度保持一致[1]。

2 托磚盤超溫現(xiàn)象及危害

（1）咸陽公司氣化爐在煤漿負荷80 m3/h下正常運行，各項工藝指標均在設(shè)計運行指標范圍內(nèi)，但氣化爐運行一周到半個月后，托磚盤1支測溫熱電偶溫度由原來的245℃開始緩慢上漲，最快時每天上漲1℃，在此期間氣化爐渣口壓差、煤漿壓差、氣化爐液位、洗滌塔液位、撈渣機渣量、粗渣的形狀、粗煤氣成分均無異常。隨著氣化爐運行天數(shù)的增加，另外幾支熱電偶溫度也開始上漲，上漲幅度最大每天3℃，在此期間，多次對熱電偶進行檢查調(diào)校，均排除儀表假指示故障。

（2）在氣化爐托磚盤溫度異常上漲期間，伴隨有激冷水量的緩慢下降，為維持氣化爐液位在40%左右，通過減小氣化爐排黑量、加大高壓灰水泵進洗滌塔水量、加大洗滌塔底部排黑量操作，來彌補氣化爐排黑量減小引起的洗滌塔水質(zhì)變差，更重要的是通過加大洗滌塔排黑量，盡可能地減少進氣化爐激冷水中固含量，保證氣化爐內(nèi)激冷水中固含量在正常指標內(nèi)。

（3）在氣化爐運行期間，隨著托磚盤溫度的普遍快速上漲，出現(xiàn)氣化爐液位波動大現(xiàn)象，且粗煤氣出口溫度快速上漲，為確保設(shè)備安全，生產(chǎn)系統(tǒng)不得不緊急停車。

（4）渣口壓差波動大，從正常生產(chǎn)時的0.01 MPa上漲至0.12 MPa，氣化爐燃燒室操作壓力也隨之變大，鎖斗壓差、氣化爐和洗滌塔壓差也開始緩慢上漲，但粗煤氣成分波動不大，基本可以排除渣口壓差上漲是因為粗煤氣帶灰嚴重造成的粗煤氣出氣化爐管道口處積灰所致，這也與歷次發(fā)生渣口壓差升高而粗煤氣成分無異常波動時系統(tǒng)停車檢修后檢查結(jié)果一致。

（5）托磚盤（支撐板）長時間超溫運行，易造成其強度下降，引起嚴重變形，從而造成渣口處耐火磚松動、導(dǎo)致竄氣，進而加快托磚盤溫度上升速率，同時也可能發(fā)生因耐火磚縫間竄氣，造成燃燒室爐壁局部超溫，引起氣化爐鼓包，縮短設(shè)備使用壽命。

3 托磚盤超溫原因分析

3.1 托磚盤表面熱電偶積灰嚴重

（1）目前國內(nèi)水煤漿氣化爐生產(chǎn)運行中，因系統(tǒng)普遍存在高負荷運行現(xiàn)象，加之目前行業(yè)普遍使用未經(jīng)水洗的原煤作為氣化用原料煤，此類煤灰分偏高（普遍在13%～15%，甚至更高），高灰分煤的使用，加劇了燒嘴的磨蝕和沖刷，易造成燒嘴出現(xiàn)偏噴、壓差波動等，使煤粉在爐內(nèi)燃燒不充分，大量未充分燃燒的煤粒進入氣化爐激冷室水浴中，引起激冷室水質(zhì)變差，加劇了粗煤氣帶灰?guī)?/p>

（2）氣化爐工藝燒嘴運行后期，出現(xiàn)燒嘴霧化效果變差，部分未燃燒的煤粒進入氣化爐內(nèi)黑水中，造成爐內(nèi)水中灰渣含量升高，大量灰渣隨氣流帶出氣化爐過程中，在出氣口折流罩處由于阻力增大，造成氣流流速下降，最終大量灰渣附著在折流罩處的托磚盤熱電偶探頭處，造成托磚盤底板處熱量聚集。

（3）氣化爐頻繁開停工及連投，造成激冷水管道垢片冷熱交替收縮脫落，堵塞激冷水過濾器和激冷環(huán)出水口，引起激冷水量大幅度下降，但為了維持生產(chǎn)系統(tǒng)負荷，工藝操作上又采取了減少排黑量等不恰當操作，加劇了激冷室水質(zhì)變差和粗煤氣帶灰?guī)F(xiàn)象，煤灰在托磚盤表面大量附著、聚集，包裹住熱電偶探頭，造成托磚盤熱電偶探頭無法有效與氣化爐激冷室內(nèi)245℃煤氣進行熱量交換，熱電偶周圍及探頭處熱量不斷聚集，最終表現(xiàn)出托磚盤熱電偶溫度異常上漲。

3.2 工況變化引起的非正常操作

（1）氣化爐更換燒嘴再次投料后的前3 d內(nèi)，氣化爐拱頂部、爐口大法蘭、燒嘴法蘭部位溫度偏離正常生產(chǎn)溫度，尤其是燒嘴法蘭和爐口大法蘭部位溫度常常會高于正常值約100℃，燒嘴冷卻水回水溫度也同步出現(xiàn)高于正常值15℃～20℃，在此期間，為很快控制和恢復(fù)溫度至合理范圍，工藝操作上一般采取加大中心氧流量比例的方法，目的是為了適當拉長火焰，下移射流區(qū)，增大回流區(qū)[2]。通過加大射流作業(yè)，使燒嘴附近相對低壓區(qū)內(nèi)大量的高溫氣體被卷吸回流，部分未燃燒的殘?zhí)勘痪砦綗祛^部盤管與拱頂爐口法蘭間隙內(nèi)，逐漸堵塞高溫氣流流通通道，達到減緩拱頂、爐口法蘭、燒嘴法蘭、燒嘴冷卻水回水溫度上漲趨勢，最終實現(xiàn)以上部位溫度回歸正常溫度范圍。

然而由于中心氧流量比例加大、火焰下移，也不同程度上加劇了渣口磚的沖刷燒蝕減薄速率，引起托磚盤溫度異常變化。

（2）由于氣化爐煤質(zhì)發(fā)生突變，如灰分突然升高，引起煤灰的黏溫特性發(fā)生變化，出現(xiàn)渣口堵塞、變小，表現(xiàn)出渣口壓差表指示緩慢上漲、渣出現(xiàn)拉絲、下渣量減少、粗煤氣中CO含量升高等現(xiàn)象，在此期間為保證氣化爐順利排渣，不得不通過加大中心氧流量比例、拉長火焰方法來疏通渣口，這又導(dǎo)致渣口處原附著的渣被熔化排出，火焰有可能直接對著渣口磚部位燒蝕沖刷，最終造成渣口磚被燒蝕、沖蝕、化學侵蝕、沖刷減薄、龜裂，渣口部位磚因減薄和出現(xiàn)貫穿裂縫，使得高溫熔融態(tài)灰渣熱量很快傳遞到此處的托磚盤上，從而引起托磚盤溫度異常上漲。

3.3 灰渣黏溫特性變差，下降管內(nèi)壁出現(xiàn)掛渣

在多次因托磚盤溫度升高停車檢查中，發(fā)現(xiàn)托磚盤（支撐板）處均有不同程度的積灰現(xiàn)象，同時還有3次出現(xiàn)下降管不同程度結(jié)渣和被燒穿現(xiàn)象。

（1）下降管結(jié)渣是造成托磚盤（支撐板）積灰和下降管燒穿的直接原因。下降管結(jié)渣主要是由于灰渣黏溫特性的突變，使得灰渣流動性減弱，形成掛渣而造成的。下降管結(jié)渣后，造成下降管堵塞，使得氣流速度變大，將熔融態(tài)灰渣拉成玻璃絲狀，使灰渣容易被氣流帶走，并黏附在支撐板上。支撐板處灰渣積累后，熱量散發(fā)減慢，導(dǎo)致托磚盤溫度升高。

（2）下降管掛渣后，嚴重破壞了水膜分布，引起局部斷水而燒穿下降管，導(dǎo)致粗煤氣未經(jīng)下降管水浴冷卻而從下降管損壞部位逃逸，沖向氣化爐粗煤氣排放口上部托磚盤處，引起托磚盤溫度升高。

德士古氣化爐操作溫度主要是參考質(zhì)檢分析的煤灰流動溫度T4(灰熔融性溫度)所決定。由于T4每周分析1次，不是實時數(shù)據(jù)，且T4檢測時受主觀因素影響較大(誤差可達50℃)，可參考性較差。一旦原料煤的灰熔融性或黏溫特性發(fā)生變化，操作人員不能及時做出相應(yīng)的調(diào)整，很容易造成下降管結(jié)渣，最終導(dǎo)致氣化爐因支撐板溫度升高而被迫停車。從灰渣黏溫特性角度考慮，控制一個較高的操作溫度，對液態(tài)灰渣的流動是非常有利的，但這樣會使耐火磚的蝕損率增大，降低耐火磚的使用壽命。

3.4 激冷水量減少引起粗煤氣帶灰，堵塞粗煤氣環(huán)隙

（1）由于后續(xù)渣水處理系統(tǒng)故障，灰水中懸浮物、總?cè)芙庑怨毯可?，造成灰水水質(zhì)變差，激冷水沿途管網(wǎng)內(nèi)壁結(jié)垢速率加快，同時開停工中大量脫落垢片經(jīng)激冷水過濾器后，和灰水中攜帶的少量灰渣一起被濾網(wǎng)攔截下來，最終造成氣化爐激冷水流量從正常值380 m3/h～450 m3/h下降至280 m3/h及以下，出氣化爐粗煤氣中灰含量超標，灰渣附著在托磚盤熱電偶表面，造成換熱效率下降。

（2）激冷水過濾器或激冷環(huán)長時間使用后，灰水中夾帶的部分灰渣堵塞激冷環(huán)出水孔，激冷水量遠小于正常值（380 m3/h～450 m3/h），造成氣化爐內(nèi)水質(zhì)變差，粗煤氣經(jīng)下降管進入激冷室水浴后，大量熔渣固化、分層沉淀。因氣化爐水質(zhì)變差，一部分被粗煤氣帶出的細灰渣得不到很好的洗滌，與粗煤氣一起沿升氣罩被帶入到上升管與下降管180 mm的環(huán)隙中，同時液相水由于濃縮倍數(shù)增大，水中大量灰渣附著在下降管與上升管環(huán)隙間8個定位塊上，粗煤氣上升氣流流通截面積減小，使得粗煤氣流速增大，再次加劇了粗煤氣對液相黑水的相對擾動速率，黑水分散作用越來越強烈，最終導(dǎo)致氣化爐液位被抬高，部分粗煤氣從上升管外流出激冷室，托磚盤不能很好地被粗煤氣冷卻降溫，引起托磚盤處熱電偶溫度急劇升高[3]。

4 處理及預(yù)防措施

4.1 日常管控方面

（1）控制氣化用煤指標。針對氣化用原料煤灰分偏高問題，除從用煤合同技術(shù)標中對原料煤的灰分、揮發(fā)分、固定碳、灰熔融性溫度等關(guān)鍵指標做詳細規(guī)定外，還應(yīng)該在合同中詳細約定對于到廠不合格原料煤采取一定比例的經(jīng)濟處罰措施。

（2）加強磨煤裝置日常管理。日常操作中嚴格控制磨煤機進煤粒度在1 cm以下，同時對運行磨機采取勻速、穩(wěn)定給料運行操作模式，確保磨機在最佳負荷下運行。

（3）針對燒嘴頭部煤漿噴頭易沖刷磨損問題，成立廠企聯(lián)合攻關(guān)小組，從燒嘴頭部各參數(shù)優(yōu)化、煤漿噴頭材質(zhì)升級等方面出發(fā)，不斷提高燒嘴煤漿噴頭耐磨等級，延長燒嘴使用壽命。

（4）對于氣化爐更換燒嘴后的頭3 d易發(fā)生氣化爐拱頂部、爐口大法蘭、燒嘴法蘭部位溫度偏離正常生產(chǎn)溫度情況，可通過在燒嘴盤管部位提前澆注氧化鋁或在燒嘴盤管部位纏繞耐火棉等方式，最大限度地減小煤氣竄氣通道，縮短更換燒嘴后的爐拱頂及燒嘴法蘭部位超溫持續(xù)時間，縮短氣化爐高中心氧流量比例操作時間。

（5）加強灰水水質(zhì)監(jiān)測。日常管理中，根據(jù)煤種選擇合適的灰水分散劑、灰水絮凝劑。通過編制藥劑配制崗位操作卡、藥劑使用管理規(guī)定等措施，規(guī)范藥劑的配制和使用，確保灰水處理藥劑的正常投用。

（6）加強過濾機的日常管理。對過濾機糾偏系統(tǒng)、張緊裝置、濾布再生裝置、布料裝置、卸料裝置、抽真空管路進行日常維護保養(yǎng)，確保過濾機始終正常運行，連續(xù)不斷過濾系統(tǒng)黑水中細渣。

（7）正常生產(chǎn)中，投用雙沉降槽，延長灰水沉降時間。沉降槽設(shè)計尺寸Φ19 m×4.1 m，體積1 293 m3，按照黑水循環(huán)量400 m3/h計算，投用1套沉降槽，黑水在沉降槽中停留時間為3.23 h；投用雙沉降槽后，黑水在沉降槽中停留時間延長至6.47 h，有利于黑水中顆粒物及膠團狀污泥的沉淀分層。

（8）正常生產(chǎn)中，必須保持真空閃蒸系統(tǒng)黑水進沉降槽混合器持續(xù)供水，杜絕澄清槽進料泵出口閥長時間處于關(guān)閉狀態(tài)，避免絮凝沉淀藥劑無法有效在混合器內(nèi)與進沉降槽黑水進行混合，造成沉降槽內(nèi)上部灰水發(fā)黑、懸浮物超標，高壓灰水泵入口濾網(wǎng)頻繁堵塞、進氣化爐激冷水中固含量增大，系統(tǒng)水質(zhì)惡化，氣化爐帶水帶灰加劇，最終引起托磚盤溫度異常。

4.2 激冷水量偏低情況下管控措施

（1）降低系統(tǒng)熱負荷。首先，將灰水加熱器水路切至副線運行，降低入洗滌塔灰水水溫。其次，對洗滌塔采用大排大補的方式進行操作，確保進入氣化爐內(nèi)激冷水水質(zhì)的穩(wěn)定（因為在出現(xiàn)激冷水量嚴重下降情況下，氣化爐排黑量很難達到正常排黑流量）。

（2）在滿足氣化爐正常液位情況下，最大限度地加大氣化爐排黑量，確保氣化爐排黑量在不低于100 m3/h情況下連續(xù)穩(wěn)定運行，嚴禁在操作中通過控制氣化爐排黑流量的大小來穩(wěn)定氣化爐液位，其目的是防止發(fā)生因氣化爐內(nèi)水質(zhì)嚴重惡化，出現(xiàn)氣化爐嚴重帶水帶灰，最終無法減緩?fù)写u盤溫度上漲的趨勢，還可能會造成氣化爐液位持續(xù)大幅度下降，最終出現(xiàn)被迫停車的惡性事故。

（3）在出現(xiàn)托磚盤溫度上漲速率增大時，不建議采取人為降低氣化爐操作溫度，即通過將粗煤氣中甲烷體積分數(shù)提高至1 000×10-6～1 200×10-6，來實現(xiàn)最終降低氣化爐內(nèi)單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量，從而達到緩解托磚盤溫度快速上漲趨勢。因為此操作雖然短時間看似有效，但操作不當時，還會發(fā)生因降溫操作造成爐內(nèi)灰渣流動性變差、堵塞渣口，煤漿燃燒不充分造成渣量增大，大量煤灰進入氣化爐黑水中造成爐內(nèi)水質(zhì)更加惡化等現(xiàn)象。

（4）在出現(xiàn)托磚盤溫度上漲速率增大時，建議可通過改變中心氧流量比例和加大氧煤比值、改變燒嘴霧化夾角和霧化效果的方法，盡可能實現(xiàn)出燒嘴的煤漿在燃燒室內(nèi)被充分打散、煤粒被氧原子充分包裹，杜絕因部分煤粒未經(jīng)燃燒而直接進入激冷室水中，造成爐內(nèi)水質(zhì)的進一步惡化。此操作方法在多次試驗中均收到了一定的效果，如在一次2#氣化爐出現(xiàn)托磚盤溫度異常上漲中，通過采取提溫操作（加大氧煤比），將甲烷體積分數(shù)控制在600×10-6～800×10-6甚至更低時，托磚盤溫度上漲趨勢明顯減緩，且在接下來的3 d里幾乎沒再上漲。

4.3 下降管結(jié)渣管控措施

（1）日常生產(chǎn)中，要勤觀察撈渣機下渣粗渣渣量及形態(tài)和DCS在線分析顯示的粗煤氣氣體組分的變化，尤其是粗煤氣中CO組分變化情況。對每臺氣化爐排渣情況做好詳細記錄，一旦發(fā)現(xiàn)玻璃絲狀渣增加及粗煤氣有效組分升高時，應(yīng)主動提高爐溫操作，防止下降管大量結(jié)渣。

（2）加強對系統(tǒng)灰水水質(zhì)的監(jiān)控，確保生產(chǎn)中激冷水量的穩(wěn)定正常供應(yīng)，為下降管管壁能形成一定厚度的保護水膜創(chuàng)造條件，減少因下降管燒穿、粗煤氣短路引起的托磚盤溫度異常事故的發(fā)生。

4.4 上升氣流通道易堵塞管控措施

（1）對于上升管與下降管間定位塊區(qū)域易造成灰逅附著結(jié)渣、堵塞上升氣流通道問題，可通過將定位塊數(shù)量由現(xiàn)在的8塊減至5塊的方式來增大氣流通道。

（2）經(jīng)過設(shè)計計算，可通過加大上升管直徑來實現(xiàn)變相增大氣流通道，同時有效降低粗煤氣流速，減少粗煤氣帶水和帶灰量。

（3）優(yōu)化分散劑加入位置，將分散劑進入除氧器用量由原來的1/2調(diào)整至2/3，以提高高溫、高壓區(qū)域內(nèi)黑水中分散劑濃度，達到有效阻垢分散氣化爐內(nèi)黑水固體顆粒，緩解氣化爐內(nèi)黑水中浮灰堆積速率。

（4）優(yōu)化工藝燒嘴霧化夾角，有效降低氣化爐內(nèi)黑水中細灰量，達到優(yōu)化水質(zhì)的目的。

4.5 技術(shù)改造方面的思路

針對因激冷水量偏低導(dǎo)致的托磚盤溫度異常頻發(fā)問題，可嘗試通過以下技術(shù)改造來維持氣化爐液位，達到保證氣化爐排黑流量正常：

（1）新增1條氣化爐緊急補充液位用水管線，此路水由激冷水泵出口管道引出，可不經(jīng)黑水過濾器過濾而直接送至激冷室液相內(nèi)。

（2）從高壓灰水泵出口去氣化爐事故水管道引出一路水，直接進入氣化爐激冷室液相，作為氣化爐補充液位用水，此水不經(jīng)過黑水過濾器。

5 管控效果

通過加強日常原料煤管控、水煤漿品質(zhì)監(jiān)測、加強灰水水質(zhì)日常管控、優(yōu)化灰水藥劑添加量和位置、優(yōu)化系統(tǒng)水平衡、重點監(jiān)測DCS關(guān)鍵參數(shù)變化等措施，近年來氣化爐運行周期明顯延長，未發(fā)生一起因托磚盤溫度異常上漲導(dǎo)致的系統(tǒng)非計劃停工。