水冷壁氣化爐渣口壓差判斷及其工藝優(yōu)化

李曉鵬， 陳海全

(1. 新疆天業(yè)匯合新材料化工有限公司, 新疆石河子 832000;2. 新疆天智辰業(yè)化工有限公司, 新疆石河子 832000)

水冷壁氣化爐分為上下兩部分，上部為燃燒室，水煤漿與氧氣在氣化爐燃燒室發(fā)生復(fù)雜的氧化還原反應(yīng),產(chǎn)生的合成氣經(jīng)過燃燒室渣口、激冷環(huán)、下降管，進(jìn)入激冷室水浴，洗去大部分細(xì)灰，除去粗渣，合成氣上升由氣化爐合成氣出口經(jīng)過合成氣洗滌塔文丘里洗滌器，進(jìn)入合成氣洗滌塔繼續(xù)洗滌凈化。氣化爐激冷室的上清液輸送至高壓閃蒸罐進(jìn)行濃縮處理，粗渣進(jìn)入破渣機(jī)，破除大塊渣后，由鎖斗排出氣化爐。氣化爐在運(yùn)行過程中，水煤漿燃燒反應(yīng)后，產(chǎn)生的飛灰在遇到氣化爐水冷壁冷卻后，呈熔融態(tài)，沿水冷壁流向渣口，最終進(jìn)入激冷室，經(jīng)鎖斗排出氣化爐[1-2]。

當(dāng)氣化爐灰熔點(diǎn)、灰分含量發(fā)生變化時，如果操作不當(dāng)，會造成熔融態(tài)渣在渣口凝結(jié)掛渣，造成渣口變小，使氣化爐燃燒室壓力變高。為防止氣化爐燃燒室超壓，氣化爐設(shè)置了渣口壓差表。渣口壓差為氣化爐燃燒室與氣化爐合成氣出口管線壓力的差值，以此差值判斷氣化爐渣口是否堵塞。

1 渣口壓差升高的風(fēng)險

氣化爐在正常運(yùn)行過程中，爐溫的控制應(yīng)比灰熔點(diǎn)高50～100 K。但是由于氣化爐燃燒室溫度正常均在1 300 ℃左右，儀表測量元件無法長期在此種環(huán)境中工作，造成氣化爐內(nèi)的溫度無法直觀顯示，氣化爐爐溫判斷只能通過渣口壓差、氧煤比、水冷壁汽包產(chǎn)蒸汽量、粗渣形態(tài)及合成氣組分含量間接判斷。

當(dāng)氣化爐氧煤比控制與原煤灰熔點(diǎn)不匹配，氣化爐燃燒室垮渣或者熔融態(tài)渣在渣口結(jié)渣，渣口孔徑變小，燃燒室出氣不暢，氣化爐渣口壓差升高，氣化爐燃燒室有超壓爆炸的風(fēng)險[3]。同時，燃燒室壓力升高，煤漿管線與氣化爐燃燒室壓差降低，氧氣管線與氣化爐燃燒室壓差降低，合成氣有反竄氧氣管線和煤漿管線的風(fēng)險，即回火燃燒的風(fēng)險。因此，確判斷渣口運(yùn)行情況和保持儀表正常工作成為規(guī)避風(fēng)險的關(guān)鍵。

2 渣口壓差判斷分析與優(yōu)化

根據(jù)工藝運(yùn)行分析，渣口壓差上漲的因素有渣口堵塞、下降管堵塞、氣化爐合成氣出口堵塞、渣口壓差表引壓管堵塞、儀表故障等。

2.1 渣口堵塞

水冷壁氣化爐系統(tǒng)流程圖見圖1。渣口堵塞時，氣化爐燃燒室出口因結(jié)渣導(dǎo)致渣口變小，合成氣出燃燒室受阻，造成氣化爐燃燒室壓力p1升高。氣化爐燃燒室壓力p1與氣化爐合成氣出口壓力p2之差(渣口壓差)升高。氣化爐燃燒室與正常集渣時的鎖斗壓差升高。氣化爐燃燒室壓力與合成氣洗滌塔出口壓差升高。以上3個壓差同時升高可判斷氣化爐渣口變小，工藝操作人員應(yīng)及時調(diào)整合適氧煤比，以維持爐況穩(wěn)定[4-5]。

1—?dú)饣癄t；2—鎖斗；3—合成氣洗滌塔;P1—?dú)饣癄t燃燒室壓力表;P2—?dú)饣癄t合成氣出口管線壓力表;P3—鎖斗引壓管壓力表;P4—洗滌塔出口合成氣管線壓力表。

2.2 下降管堵塞

當(dāng)激冷環(huán)堵塞，下降管激冷水流量不足時，熔融態(tài)的渣可能會附著在下降管上，造成下降管通道邊變小，引起氣化爐燃燒室壓力上漲，表現(xiàn)為氣化爐燃燒室壓力p1與氣化爐合成氣出口壓力p2之差(渣口壓差)升高。氣化爐燃燒室與正常集渣時的鎖斗壓差升高。氣化爐燃燒室壓力與合成氣洗滌塔出口壓差升高。由于激冷水的作用是保護(hù)下降管，是維持激冷室液位的關(guān)鍵介質(zhì)，激冷水流量不足時，下降管有燒穿的風(fēng)險；為維持氣化生產(chǎn)運(yùn)行，激冷水設(shè)置了備用的事故激冷水[6-7]。當(dāng)激冷水流量下降到一定程度時，事故激冷水閥將打開，用高壓灰水代替激冷水。

2.3 氣化爐合成氣出口堵塞

原煤煤質(zhì)在不同時期其灰分含量、灰熔點(diǎn)等均是波動的，正常生產(chǎn)過程中，氣化爐產(chǎn)生的合成氣在經(jīng)過水浴后仍然攜帶一定量的飛灰。氣化爐合成氣出口氣流模擬分析圖見圖2。

圖2 氣化爐合成氣出口流模擬分析圖

合成氣出激冷室，由于合成氣出口較小，根據(jù)理想氣體方程，合成氣在進(jìn)入合成氣管口后，其流速增大，但是在合成氣出口管口a區(qū)附近(見圖2)，氣體流速慢，飛灰會在設(shè)備管口周圍附著、結(jié)垢，并進(jìn)一步堆積，進(jìn)而造成合成氣出口管道口徑變小。此時，氣化爐燃燒室壓力p1與氣化爐合成氣出口壓力p2之差(渣口壓差)升高。氣化爐燃燒室與正常集渣時的鎖斗壓力差不變。氣化爐燃燒室壓力與合成氣洗滌塔出口壓差升高，氣化爐合成氣出口堵塞。

為了延長氣化爐運(yùn)行周期，對合成氣出口管口進(jìn)行優(yōu)化技改，優(yōu)化后的合成氣管口氣流圖見圖3。在氣化爐合成氣出口管口加裝內(nèi)伸管，合成氣管口的飛灰失去著力點(diǎn)，這樣可以有效降低管口積灰，減緩合成氣管口堵塞。

圖3 優(yōu)化后的合成氣管口氣流圖

2.4 儀表故障

在氣化爐長周期運(yùn)行中，由于合成氣成分復(fù)雜，Cl-、H2S均可腐蝕壓力表模盒，造成合成氣出口管線壓力測量不準(zhǔn)，影響真正的渣口壓差判斷。每次停車檢修時應(yīng)對儀表進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)腐蝕或其他異常及時更換。

2.5 渣口壓差表引壓管口堵塞

氣化爐合成氣出口管線壓力表的引壓管為合成氣管線支管，其內(nèi)部氣流不流動。隨著氣化爐的長周期運(yùn)行，合成氣攜帶的細(xì)灰在氣化爐合成氣出口管線壓力表引壓管內(nèi)掛灰、結(jié)渣。受積灰影響，渣口壓力表模盒受壓降低，渣口壓差增大。但是，根據(jù)氣化爐燃燒室壓力p1與正常集渣時的鎖斗壓力p3判斷，其壓差未增大，可確定氣化爐渣口未縮小。

渣口壓差表引壓管口堵塞易造成渣口壓差高高氣化爐聯(lián)鎖誤停車。在煤質(zhì)一定情況下，應(yīng)增加系統(tǒng)灰水循環(huán)量，提高氣化爐液位，延長合成氣在激冷室停留時間，增大氣化爐激冷室水質(zhì)置換，可在一定程度上減少渣口壓差表引壓管線堵塞，防止渣口壓差升高。

在合成氣出口引壓管加裝沖洗介質(zhì)。氣化爐合成氣出口溫度為242 ℃，壓力為5.0～6.0 MPa。在氣化工藝中，能夠作為儀表沖洗的介質(zhì)有高壓氮?dú)?、高壓鍋爐水、高溫工藝氣冷凝液3種。高壓氮?dú)獾臏囟葹?0 ℃，壓力為12 MPa；鍋爐水的溫度為103 ℃，壓力為8.1 MPa；工藝氣冷凝液溫度為180 ℃，壓力為7.5 MPa。從對系統(tǒng)影響方面考慮，使用高溫工藝氣冷凝液作為合成氣出口引壓管的儀表沖洗水為宜,其原因為:(1)工藝氣冷凝液溫度與合成氣溫差最小，對工藝氣的影響可忽略不計。(2)工藝氣冷凝液為系統(tǒng)自身冷凝液，使用后系統(tǒng)物料沒有增加，生產(chǎn)成本低。優(yōu)化改進(jìn)后可保持合成氣出口引壓管通暢,并保障儀表正常運(yùn)行，有效防止渣口壓差顯示異常造成誤停車。

3 結(jié)語

渣口壓差是氣化爐運(yùn)行的重要控制指標(biāo)之一，影響水冷壁氣化爐渣口壓差判斷的因素主要是合成氣出口管口堵塞、渣口壓差表引壓管堵塞。通過優(yōu)化氣化爐合成氣出口管口結(jié)構(gòu)，以及渣口壓力表引壓管加裝沖洗水，可以有效防止管口管線堵塞，保持渣口壓差表的準(zhǔn)確有效測量。氣化爐運(yùn)行工況復(fù)雜，煤質(zhì)波動較大，必須利用氣化爐的每個儀表，綜合判斷氣化爐運(yùn)行情況，及時調(diào)整生產(chǎn)工藝，延長運(yùn)行周期。