Shell煤氣化爐渣屏結(jié)渣原因研究

郭肖選，張家超

(河南龍宇煤化工有限公司，河南永城 476600)

對此，國內(nèi)學(xué)者和同類裝置的技術(shù)人員均有研究。淡樹林[1]分析了Shell煤氣化爐內(nèi)流場特征對堵渣的影響；吳昌保等[2]從氣化爐結(jié)構(gòu)、煤質(zhì)等原因分析氣化爐堵渣的主要原因；張建法等[3]采用糖漿模擬的方法研究Shell煤氣化爐渣池內(nèi)熔渣流動特征。本文主要是從煤質(zhì)的黏溫特性進(jìn)行分析，探討堵渣的原因及解決措施。

1 氣固兩相流動特性

Shell煤氣化爐的4個煤燒嘴與氣化爐軸線呈4.5°夾角，煤燒嘴噴出的煤粉因錯位而形成旋流場，在燒嘴截面中心造成負(fù)壓旋流渦。有部分沒有受到負(fù)壓影響的流體進(jìn)入氣化爐上部，經(jīng)換熱后離開氣化爐。煤燒嘴中心噴出的煤粉與燒嘴套管噴出的氧氣混合燃燒，燃燒后的顆粒被氣體攜帶著運動，顆粒的運行軌跡見圖1。

圖1 氣化爐軸截面流線分布

顆粒從煤燒嘴中噴出后，在氣流曳力的作用下呈螺旋狀上下運動，在Shell煤氣化爐中表現(xiàn)出明顯的旋轉(zhuǎn)特性。由于煤燒嘴附近存在負(fù)壓旋流和卷吸，大部分向下旋轉(zhuǎn)的顆粒會返回?zé)旄浇?。一些不受卷吸影響的顆粒在重力作用下繼續(xù)向下移動，大部分顆粒會與壁面接觸形成固體渣層，少量顆粒經(jīng)過渣口時不與壁面接觸而沉積。進(jìn)入渣口后，部分流體向下旋轉(zhuǎn)后又向上旋轉(zhuǎn)，最后進(jìn)入氣化爐合成氣冷卻器側(cè)。

流體在氣化爐的運行過程中，一些顆粒在流動時會與氣化爐水冷壁接觸而發(fā)生沉積。經(jīng)過一系列變化，在水冷壁上形成渣層，見圖2。

圖2 顆粒沉積與渣層形成過程

首先，煤粉中的無機鹽吸附在氣化爐水冷壁上，然后，外表面高黏度的灰粒被氣流夾帶，沉積在氣化爐表面，形成固體結(jié)渣層。隨著固體結(jié)渣層不斷增厚，壁面熱阻升高，導(dǎo)致固體結(jié)渣層表面溫度升高，最終超過相變溫度，形成流動的液體結(jié)渣層，實現(xiàn)了流失的液態(tài)渣與沉積顆粒的動態(tài)平衡。

流動狀態(tài)的液態(tài)渣在進(jìn)入渣口后發(fā)生破裂形成渣絲或渣滴，因其密度比較大，并不會因氣化爐中心的氣流曳力返回氣化爐，而是受重力作用向下流動；部分液態(tài)渣在旋流作用下，與渣屏接觸并吸附其上；在渣屏上的渣經(jīng)過不斷沉積最后形成了較厚的固態(tài)渣層。當(dāng)固態(tài)渣層達(dá)到一定厚度時，因自身重力大于渣層與渣屏的黏附力，導(dǎo)致固態(tài)渣層脫落，堵塞渣池底錐，氣化裝置被迫停車。渣屏結(jié)渣示意圖見圖3。

圖3 渣屏結(jié)渣示意圖

2 渣屏結(jié)渣

2.1 渣屏環(huán)形空間溫度上升

由于渣屏耐火材料表面掛渣后，渣屏的厚度增加、傳熱系數(shù)下降，渣屏環(huán)形空間的熱量無法被帶走，導(dǎo)致渣屏環(huán)形空間(13TI-0038AB)溫度波動，最高可達(dá)到380 ℃，最低為160 ℃，見圖4。

圖4 13TI-0038AB運行期間溫度波動范圍

2.2 破渣機油壓波動

13TI-0038AB渣屏上黏附的渣達(dá)到一定厚度時，渣層自身重力會大于渣層與渣屏的黏附力，導(dǎo)致渣塊脫落，表現(xiàn)為破渣機油壓(14PI-0401)波動，見圖5。

圖5 14PI-0401運行期間油壓波動趨勢圖

2.3 排渣不暢

渣塊脫落后，由于渣鎖斗(V-1403)屬于間歇式收料，會導(dǎo)致渣塊在渣收集罐(V-1402)或V-1403底部堆積，再次排查時會造成下渣不暢。V-1402下渣不暢主要表現(xiàn)在V-1403壓力降低、排水增壓泵(P-1402)流量降低。V-1403下渣不暢主要表現(xiàn)為V-1403液位不降低、撈渣機電流不上升等。

首先將高純錫樣品加工至儀器分析要求的尺寸；用車床刨光處理樣品分析面使其待測面光滑平整(能完全遮擋住樣品盒中激發(fā)孔并保證無縫隙露出)；用硝酸和超純水配制出5%稀硝酸，將待測樣品進(jìn)行泡洗后再用超純水反復(fù)清洗，之后在干凈環(huán)境用普通氬氣將其吹干。

2.4 渣樣顆粒度較大

觀察長皮帶上的渣樣，直徑為15～20 mm的顆粒渣較多，且經(jīng)常出現(xiàn)直徑為50～80 mm的較大塊狀渣，見圖6。

圖6 現(xiàn)場渣樣的顆粒度較大

2.5 渣屏渣脫落堵塞渣池

煤氣化裝置停車后，氣化爐溫度整體降低，偶爾會有渣塊堵塞V-1402底錐。在人工排堵時，V-1403中更多的冷氮氣進(jìn)入渣池，沖擊渣屏上的渣，導(dǎo)致整體脫落，造成渣池底錐堵塞，見圖7。

圖7 渣脫落堵塞V-1401底錐

3 原因分析

煤灰的黏溫特性是Shell煤氣化爐的一項重要指標(biāo)，正常排渣黏度是5～10 Pa·s，最高不能超過25 Pa·s。液態(tài)渣在重力作用下停止流動的黏度為100 Pa·s 。

3.1 降溫速率的影響

降溫速率對黏溫特性中的臨界黏度影響較為明顯，當(dāng)降溫速率由15 K/min降至5 K/min時，臨界黏度溫度由1 400 ℃升至1 490 ℃。主要是由于降溫速率較大時，停留時間變短，降溫過程中形成的晶體沒有足夠的時間長大，減小了對黏度的影響(見圖8)。

圖8 不同降溫速率下的黏溫特性變化

降溫速率對熔渣的影響還可以從熱力學(xué)角度考慮。當(dāng)降溫速率較大時，熔渣的熱力學(xué)路徑為S形，由液相轉(zhuǎn)化為過冷液體，隨后轉(zhuǎn)化為玻璃體；反之，當(dāng)降溫速率較小時，其熱力學(xué)路徑為C形，由液相轉(zhuǎn)化為固液混合的多相，當(dāng)溫度低于轉(zhuǎn)換溫度時開始形成晶體[4]。

通過對本Shell煤氣化裝置入爐煤的煤樣進(jìn)行黏溫曲線分析(見圖9)，由數(shù)據(jù)分析得出入爐煤的黏溫特性較差結(jié)論(見表1)。

表1 熔渣的黏溫數(shù)據(jù)

圖9 熔渣的黏溫曲線

由于入爐煤的黏溫特性較差，為防止氣化爐溫度過低導(dǎo)致渣的黏度過大，需提高氣化爐爐溫，以降低渣口附近熔渣的黏度。而受渣池噴淋水的影響，渣口下方空間的溫度降速過大，且與渣口上方的空間溫度差別較大。李文等[5]針對降溫速率對煤灰黏溫特性的影響研究表明：當(dāng)熔渣進(jìn)入渣口下方時，由于降溫速度過快，熔渣沒有足夠時間長大，熔渣會隨著氣化爐旋流黏附在渣屏上，之后會逐漸形成晶體，當(dāng)積累到一定厚度或受氣化爐壓力波動等因素影響時，渣塊脫落，嚴(yán)重時氣化爐停車。

3.2 操作負(fù)荷的影響

根據(jù)張建法[3]的方法，模擬黏度不變時，隨著操作負(fù)荷的增加，黏附率或沉積率先升高后又緩慢降低，在100%負(fù)荷時渣屏上的黏附率或沉積率最大。試驗表明：渣屏上的液態(tài)渣沉積率會隨著操作負(fù)荷的上升而上升。其原因是操作負(fù)荷增大會使渣口區(qū)的旋轉(zhuǎn)氣流強度增大，進(jìn)而使熔渣沉積率上升。

通過實踐證明，隨著操作負(fù)荷的降低，渣系統(tǒng)負(fù)荷也會降低，進(jìn)而渣池的整體溫度降低。所以，負(fù)荷的降低也無法避免渣屏結(jié)渣。

4 優(yōu)化操作建議

4.1 通過配煤優(yōu)化入爐煤黏溫特性

對進(jìn)入Shell煤氣化爐的原料煤分別取樣分析其黏溫特性，根據(jù)各原料煤的黏溫特性進(jìn)行配煤，使原料煤的黏溫特性盡量靠近玻璃渣或塑形渣。嚴(yán)禁使用高溫下黏度變化劇烈的煤種，此類煤種的流動性在很窄的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出巨大差異，導(dǎo)致氣化爐堵渣。

配煤時，需注意：(1) 配煤的兩種煤其灰分差保證在10%以內(nèi)，以防止因配煤不均導(dǎo)致灰組分波動，出現(xiàn)工況波動；(2) 配煤時需考慮盡量保證入爐煤的灰組分足夠低，既減輕冷卻器側(cè)磨損又減輕灰組分的大幅波動；(3) 配煤后保證入爐煤的灰熔點在1 340～1 400 ℃之間；(4) 灰組分中硅鋁比大于1.8,且Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過25%。

4.2 提高渣池噴淋水溫度

在煤種暫時無法改變時，關(guān)閉渣池噴淋水冷卻器循環(huán)水調(diào)節(jié)閥，渣池噴淋水溫度控制在40 ℃以上，以提高渣池的空間溫度。同時，降低渣口以下渣池的降溫速率，以減輕渣屏結(jié)渣。

5 結(jié)語

渣屏結(jié)渣是眾多Shell煤氣化裝置經(jīng)常遇到的難題，雖然通過煤灰熔融特性的4個特征溫度可以粗略地判斷煤灰熔融后的流動性，但對于采用液態(tài)排渣的氣化爐是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此在配煤時要參考煤種的黏溫特性。