多元料漿氣化爐上升管與下降管間隙堵塞的探討

李 龍，王 濤，任 鵬，張 遼

（陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工有限公司，陜西榆林 718500）

0 引 言

陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工有限公司（簡(jiǎn)稱榆林能化）氣化裝置采用多元料漿加壓氣化工藝，3臺(tái)氣化爐（簡(jiǎn)稱A爐、B爐、C爐）兩開一備，氣化爐設(shè)計(jì)壓力6.5MPa、設(shè)計(jì)溫度1320℃。水煤漿與氧氣經(jīng)過(guò)工藝燒嘴充分混合霧化后進(jìn)入氣化爐，在氣化爐燃燒室發(fā)生部分氧化反應(yīng)，生成以CO、H2、CO2為主要成分的粗合成氣，粗合成氣和熔融態(tài)灰渣經(jīng)均勻分布激冷水的激冷環(huán)后沿下降管進(jìn)入激冷室水浴中；大部分的熔渣經(jīng)冷卻固化后落入激冷室底部，通過(guò)鎖斗間歇排渣，少部分的細(xì)渣隨激冷室底部的黑水排入灰水處理系統(tǒng)；粗合成氣攜帶一部分細(xì)灰從下降管與導(dǎo)氣管的環(huán)隙上升，出激冷室后去洗滌塔進(jìn)一步除塵、降溫。

多元料漿氣化爐上升管與下降管的結(jié)構(gòu)示意如圖1。下降管的作用是將氣化爐燃燒室出來(lái)的粗合成氣經(jīng)激冷環(huán)旋流水冷卻后由下降管導(dǎo)入激冷室水浴降溫、除灰，使粗合成氣得到凈化，同時(shí)使激冷室中的水汽化為飽和水蒸氣，然后通過(guò)上升管折流以達(dá)到氣液分離的目的，以防粗合成氣帶水。

圖1 多元料漿氣化爐上升管與下降管等結(jié)構(gòu)示意

2020年12月2日，C爐運(yùn)行至80d時(shí)出現(xiàn)氣化爐壓差波動(dòng)、氣化爐出口粗合成氣溫度上漲、托磚板溫度大幅上漲、激冷室液位持續(xù)下降等現(xiàn)象，直接影響氣化爐的平穩(wěn)運(yùn)行，為確保安全生產(chǎn)，決定對(duì)C爐作停爐處理。C爐停爐降溫后，對(duì)其渣口磚、激冷環(huán)、上升管及下降管進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)渣口磚磨損嚴(yán)重，下降管部分變形且有2處約8cm×3cm的穿孔，上升管和下降管間隙底部結(jié)渣嚴(yán)重，工藝氣上升通道堵塞。以下對(duì)C爐運(yùn)行過(guò)程中上升管與下降管間隙堵塞問(wèn)題進(jìn)行分析與探討。

1 上升管與下降管間隙堵塞期間的異常現(xiàn)象

1.1 氣化爐壓差波動(dòng)

多元料漿氣化爐壓差是其燃燒室壓力與工藝氣出口壓力之差，它能直接反映出工藝氣在氣化爐內(nèi)流動(dòng)阻力的大小。正常運(yùn)行時(shí)氣化爐壓差一般在0.050～0.065kPa，但實(shí)際生產(chǎn)中隨著C爐運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，C爐壓差不斷波動(dòng)，甚至漲至0.137kPa，與此同時(shí)氣化爐激冷室液位也出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)（如圖2）。

圖2 C爐壓差及激冷室液位波動(dòng)趨勢(shì)

據(jù)氣化爐操作經(jīng)驗(yàn)，氣化爐渣口變小、激冷室液位上升、上升管堵塞等均會(huì)引起氣化爐壓差波動(dòng)。檢查發(fā)現(xiàn)C爐渣口磚磨損嚴(yán)重，渣口變大，通常來(lái)說(shuō)此種情況下氣化爐壓差不應(yīng)該上漲；由圖2可以看出，C爐工況出現(xiàn)波動(dòng)的前期，氣化爐壓差隨激冷室液位的上漲而上漲，之后在同樣的激冷水量情況下，隨著上升管與下降管間隙堵塞的加重，氣化爐壓差上漲明顯。分析認(rèn)為，隨著上升管與下降管間隙堵塞，上升管通道越來(lái)越小，一部分工藝氣不能從上升管通道出去，從而導(dǎo)致了氣化爐壓差上漲。

1.2 氣化爐出口工藝氣溫度波動(dòng)

C爐上升管與下降管間隙堵塞期間，其出口工藝氣溫度波動(dòng)趨勢(shì)如圖3。可以看出，在上升管與下降管間隙堵塞前期，氣化爐出口工藝氣溫度（TT009）在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大幅上漲，最高漲至262℃，而當(dāng)時(shí)C爐操作溫度并不高，激冷水量也充足。

圖3 C爐出口工藝氣溫度與激冷室液位波動(dòng)趨勢(shì)

氣化爐出口工藝氣溫度上漲一般有兩個(gè)原因，一是氣化爐激冷室液位偏低造成工藝氣竄氣，二是下降管燒穿造成大量工藝氣未經(jīng)冷卻就從上升管出去了。雖然檢查確認(rèn)下降管壁上有兩處穿孔，但從約8cm×3cm穿孔而出的工藝氣匯合大量的飽和水蒸氣后，并不會(huì)導(dǎo)致氣化爐出口工藝氣溫度大幅上漲，出口工藝氣溫度不應(yīng)該出現(xiàn)明顯波動(dòng)。由圖3可以看出，C爐激冷室液位從82%降至51%的過(guò)程中，C爐出口工藝氣溫度出現(xiàn)上漲，且隨著C爐激冷室液位的下降過(guò)程，出口工藝氣溫度呈明顯上漲趨勢(shì)，表明爐內(nèi)出現(xiàn)了工藝氣竄氣現(xiàn)象。之后通過(guò)將C爐氧煤比由475m3／m3降至460m3／m3以及將激冷水量由400m3／h增至450m3／h，出口工藝氣溫度基本上穩(wěn)定在了241～243℃。

1.3 托磚板溫度持續(xù)上漲

C爐上升管與下降管間隙堵塞期間，其托磚板4個(gè)溫度點(diǎn)（TT020／021／022／023）均大幅上漲，其中，TT022從正常時(shí)的253℃上漲至303℃。據(jù)氣化爐操作經(jīng)驗(yàn)，一般來(lái)說(shuō)導(dǎo)致多元料漿氣化爐托磚板溫度高的原因主要有氣化爐操作溫度高、激冷水流量低、渣口磚沖刷嚴(yán)重或脫落、下降管嚴(yán)重?zé)?、上升管堵塞等。但從C爐的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，當(dāng)時(shí)C爐的操作溫度并不高，激冷水量也充足，故此兩種原因可以排除；從C爐停爐后的檢查情況來(lái)看，雖然下降管中上部及下部有兩處燒穿，但情況并不嚴(yán)重，只會(huì)造成少量工藝氣竄氣，且竄出的高溫氣體與大量水蒸氣匯合后，應(yīng)該不會(huì)導(dǎo)致托磚板溫度大幅上漲。綜合分析認(rèn)為，應(yīng)該是上升管與下降管間隙底部發(fā)生了嚴(yán)重堵塞，使得沒(méi)有水蒸氣蒸發(fā)出來(lái)，竄出的高溫氣體不能與水蒸氣匯合而冷卻，高溫氣體沿著上升管上升，直接接觸到托磚板，導(dǎo)致了托磚板溫度大幅上漲。

1.4 氣化爐激冷室液位波動(dòng)

C爐上升管與下降管間隙堵塞期間，氣化爐負(fù)荷恒定，激冷水量及排黑水量也基本穩(wěn)定，但C爐激冷室液位卻出現(xiàn)持續(xù)下降，最低降至17% （見(jiàn)圖2）；而當(dāng)時(shí)系統(tǒng)表現(xiàn)出洗滌塔補(bǔ)水量明顯減小、洗滌塔排黑水不暢、排黑水流量波動(dòng)頻繁，據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)判斷，此時(shí)的氣化爐激冷室液位為假顯示。一般來(lái)說(shuō)，氣化爐激冷室液位波動(dòng)的主要原因如下。

（1）液位計(jì)根部管線不暢。粗合成氣和熔融灰渣進(jìn)入激冷室水浴中，激冷室水浴中含有大量的灰渣，液位計(jì)下法蘭長(zhǎng)期處于水浴中，灰渣會(huì)在取壓管路及測(cè)量膜盒表面沉積，使雙法蘭液位計(jì)根部管線不暢，導(dǎo)致液位計(jì)示數(shù)不準(zhǔn)。實(shí)際生產(chǎn)中，為保證氣化爐激冷室液位測(cè)量的準(zhǔn)確性，一般情況下氣化爐都設(shè)有3個(gè)獨(dú)立的遠(yuǎn)傳液位計(jì)。而C爐激冷室液位波動(dòng)時(shí)，3個(gè)液位計(jì)出現(xiàn)了同步波動(dòng)；現(xiàn)場(chǎng)用8.3MPa的密封水對(duì)3個(gè)液位計(jì)進(jìn)行沖洗后，3個(gè)液位計(jì)的液位示數(shù)沒(méi)有變化，表明液位計(jì)根部管線是暢通的。

（2）上升管與下降管間隙堵塞程度的變化導(dǎo)致激冷室液位變化。當(dāng)上升管與下降管間隙發(fā)生堵塞后，隨著上升通道的減小，氣體阻力增大，下降管內(nèi)壓力升高，會(huì)導(dǎo)致氣化爐激冷室中心液面下降、上升管外液面上升。據(jù)氣化爐操作經(jīng)驗(yàn)，在激冷水量一定的情況下，氣化爐激冷室液位一般會(huì)穩(wěn)定在某一值，幾乎不會(huì)有大的波動(dòng)。當(dāng)上升管與下降管間隙出現(xiàn)一定堵塞后，一部分工藝氣會(huì)從上升管集氣罩底部穿過(guò)，沿著上升管外壁上升，而上升管集氣罩底部位于遠(yuǎn)傳液位計(jì)口附近（見(jiàn)圖1），當(dāng)工藝氣沿著液位計(jì)周圍流動(dòng)時(shí)，大量的水被汽化，汽化的水在液位計(jì)周圍形成向上的氣流，而由于氣化爐激冷室液位計(jì)采用的是雙法蘭壓差式變送器，汽化形成的大量上升氣流會(huì)對(duì)液位計(jì)取壓口形成干擾，導(dǎo)致液位計(jì)示數(shù)偏小［2］，這也就能解釋氣化爐激冷室液位為何會(huì)出現(xiàn)持續(xù)下降了。同時(shí)，洗滌塔補(bǔ)水量減少、排黑水流量出現(xiàn)大幅波動(dòng)、工藝氣帶水帶渣嚴(yán)重等現(xiàn)象也表明C爐激冷室的真實(shí)液位其實(shí)并不低。

2 原因分析與排查

2.1 原料煤煤質(zhì)

水煤漿氣化爐對(duì)原料煤灰分的要求較高，當(dāng)原料煤中的灰分過(guò)高時(shí)，氣化爐的氣化效率就會(huì)下降，灰渣量就會(huì)增加，灰渣容易在上升管與下降管間隙處集結(jié)堵塞。近期，榆林能化氣化裝置采用的原料煤為魏強(qiáng)煤與銀河煤的混煤，混合比例為2∶1（質(zhì)量比），C爐上升管與下降管間隙堵塞前原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)摘錄見(jiàn)表1?？梢钥闯?，C爐所用原料煤的各項(xiàng)分析指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，且一定時(shí)段內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)差異不大。對(duì)比同期運(yùn)行的A爐，在同樣的原料煤及灰水水質(zhì)的情況下其運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定。由此可以判斷，C爐出現(xiàn)上升管與下降管間隙堵塞應(yīng)該不是原料煤煤質(zhì)變化所致。

表1 C爐上升管與下降管間隙堵塞前原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

2.2 氣化灰水水質(zhì)

氣化爐內(nèi)的水垢，是因?yàn)闅饣宜挠捕绕螅嗉此械拟}離子含量偏高，加熱后鈣離子與空氣中的CO2結(jié)合生成碳酸鈣附著在容器內(nèi)壁而成。C爐上升管與下降管間隙堵塞前后氣化灰水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 C爐上升管與下降管間隙堵塞前后灰水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

由表2可以看出，C爐上升管與下降管間隙堵塞前后灰水水質(zhì)并無(wú)明顯變化。C爐停車時(shí)已運(yùn)行80d，從上升管與下降管間隙結(jié)垢的形態(tài)來(lái)看，上升管內(nèi)壁和下降管外壁上均有一層水垢，高度約1500mm，最大厚度約30mm，兩層水垢之間的細(xì)灰和一些熔渣結(jié)塊將上升管通道堵塞，結(jié)垢高度正好是激冷室正常操作液面以下；從上升管管壁的結(jié)垢程度來(lái)看，灰水水質(zhì)較差，雖然氣化爐內(nèi)結(jié)垢是不可避免的［3］，但此次上升管內(nèi)壁和下降管外壁結(jié)垢速度快間接加劇了上升管與下降管間隙的堵塞。

2.3 氧煤比控制

2020年12月2日C爐出口工藝氣溫度出現(xiàn)上漲的現(xiàn)象，出口工藝氣溫度從正常的243℃最高漲至262℃，因?yàn)樵O(shè)置的出口工藝氣溫度聯(lián)鎖值為270℃，操作人員及時(shí)調(diào)整了氧煤比，將C爐氧煤比從475m3／m3降至了460m3／m3，使入爐氧氣流量減少1200m3／h，才使得出口工藝氣溫度基本穩(wěn)定在了241～243℃。表明當(dāng)時(shí)C爐氧煤比控制偏高，入爐氧氣流量大，導(dǎo)致大量灰渣被工藝氣流夾帶至了上升管處。

當(dāng)然，氧煤比控制也不能過(guò)低。水煤漿氣化反應(yīng)屬放熱反應(yīng)，即氧煤比與氣化爐操作溫度是成正比的，當(dāng)氧煤比控制偏低時(shí)，氣化爐的操作溫度也會(huì)偏低，而水煤漿氣化工藝采用液態(tài)排渣，氣化爐的操作溫度取決于入爐煤的灰熔點(diǎn)（FT），一般操作溫度高于灰熔點(diǎn)（FT）50℃左右，當(dāng)氣化爐操作溫度偏低時(shí)，煤漿燃燒后的熔渣流動(dòng)性就會(huì)變差，會(huì)在渣口處形成大塊的熔渣，使得工藝氣流速加快；加之氣化爐運(yùn)行一段時(shí)間后，燒嘴頭部磨損嚴(yán)重、霧化效果變差，當(dāng)氧煤比偏低時(shí)，部分水煤漿燃燒不充分，會(huì)使煤渣殘?zhí)恐卸嘤幸恍┘?xì)灰渣，而這些細(xì)灰渣密度小，易被工藝氣流夾帶，導(dǎo)致大量的灰渣被帶至上升管處，使上升管積灰集渣，氣體通道變窄，氣流速度加快，繼而加劇工藝氣流帶水、帶灰，如此形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致氣化爐上升管與下降管間隙堵塞嚴(yán)重。

2.4 下降管運(yùn)行狀況

C爐停車后檢查發(fā)現(xiàn)，下降管部分變形且有2處約8cm×3cm的穿孔，上升管和下降管間隙結(jié)渣嚴(yán)重。據(jù)此推測(cè)，隨著C爐運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，激冷環(huán)部分出水孔被堵塞，導(dǎo)致激冷環(huán)激冷水分布不均勻，沒(méi)能在下降管內(nèi)側(cè)形成一定厚度的水膜以保護(hù)下降管，下降管因局部干區(qū)而產(chǎn)生變形鼓包，繼續(xù)運(yùn)行造成鼓包位置局部燒穿，進(jìn)而造成少量高溫工藝氣竄氣；高溫氣流會(huì)攜帶一部分高溫灰渣穿過(guò)下降管，與上升的水汽混合，一部分灰渣被上升氣流帶走，而一部分灰渣經(jīng)冷卻后會(huì)附著在上升管管壁或下落至上升管與下降管液面處，隨著氣化爐運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，上升管與下降管間隙出現(xiàn)結(jié)渣，積渣面積越來(lái)越大，導(dǎo)致部分上升管通道堵塞，工藝氣流速增大，加劇氣化爐工藝氣帶水、帶灰，進(jìn)而加劇上升管通道的堵塞。

2.5 氣化爐激冷室液位

榆林能化多元料漿氣化爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，激冷水量一般控制在400m3／h左右，氣化爐激冷室液位能夠穩(wěn)定在40% ～45%。若氣化爐激冷室液位控制較高，氣流通過(guò)激冷水浴的時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，氣流對(duì)液體的分散作用會(huì)加劇，環(huán)流現(xiàn)象增強(qiáng)，就會(huì)導(dǎo)致工藝氣帶水。從C爐上升管與下降管間隙結(jié)垢形態(tài)來(lái)看，上升管內(nèi)壁和下降管外壁上除了水垢外，兩層水垢之間還有細(xì)灰和一些熔渣結(jié)塊，這些細(xì)灰和熔渣結(jié)塊并不是水垢。另外，上升管與下降管間隙為200mm，上升管與下降管管壁的結(jié)垢厚度之和約60mm，如此情況下上升管通道直徑只剩下約140mm，工藝氣通過(guò)上升管與下降管間隙的流速必然加快。由此可以判斷，由于氣化爐激冷室液位控制較高，工藝氣帶水導(dǎo)致C爐上升管與下降管間隙結(jié)水垢后，上升管通道變窄，部分大塊熔渣隨上升氣流卡在上升管與下降管的間隙，越積越多，直至上升管與下降管間隙完全堵塞。

3 上升管與下降管間隙堵塞的預(yù)防措施

3.1 改善氣化灰水水質(zhì)［5］

C爐上升管與下降管間隙堵塞前后，雖然氣化灰水水質(zhì)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，但灰水水質(zhì)較差，管壁結(jié)垢速度快對(duì)氣化爐的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行形成了制約，在現(xiàn)有條件下對(duì)灰水水質(zhì)進(jìn)行改善還是很有必要的。榆林能化為節(jié)能降耗、控制廢水的處理成本，水煤漿制漿用水有濾液、變換凝液、低溫甲醇洗廢水、MTO廢水、火炬凝液、廢堿液等，因此，為避免灰水系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的大幅波動(dòng)，應(yīng)嚴(yán)格控制上述制漿用水的各項(xiàng)指標(biāo)及加入量，并根據(jù)灰水系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)的變化及時(shí)調(diào)整藥劑的加入量；此外，還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷加大灰水置換量，這也是確?；宜|(zhì)的必要手段。

3.2 控制適宜的氧煤比

氣化爐氧煤比控制并不是一成不變的，應(yīng)根據(jù)實(shí)際入爐煤的灰熔點(diǎn)及煤漿濃度及時(shí)作出調(diào)整，使氣化爐操作溫度最好高出煤的灰熔點(diǎn)（FT）50～100℃。當(dāng)氣化爐熱偶顯示故障致氣化爐操作溫度無(wú)法掌握時(shí)，也可根據(jù)工藝氣中的甲烷含量進(jìn)行綜合判斷，以工藝氣中的甲烷含量在（1500～2500）×10－6為宜，否則表明氣化爐氧煤比控制不當(dāng)。

3.3 控制適宜的激冷室液位

氣化爐激冷室液位與氣化爐的負(fù)荷、激冷水的流量息息相關(guān)，當(dāng)氣化爐負(fù)荷一定時(shí)，氣化爐激冷室液位與激冷水流量成正比。氣化爐激冷室液位過(guò)低，可能會(huì)造成工藝氣竄氣，進(jìn)而導(dǎo)致氣化爐聯(lián)鎖停車；氣化爐激冷室液位控制過(guò)高，又會(huì)加劇工藝氣帶水。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，激冷水流量控制在380～410m3／h時(shí)氣化爐激冷室液位能夠穩(wěn)定在40% ～45%，此時(shí)下降管底端至液面的距離約500～700mm，液面位置正好在上升管氣罩頂端，如此可緩解上升管與下降管間隙的結(jié)垢。當(dāng)判斷激冷室液位計(jì)示數(shù)可能不準(zhǔn)時(shí)，也可綜合氣化爐壓差進(jìn)行激冷室液位的判斷，正常時(shí)氣化爐壓差應(yīng)該在0.050～0.065MPa。

3.4 改造上升管與下降管間隙尺寸

實(shí)際生產(chǎn)中，榆林能化多元料漿氣化爐的運(yùn)行負(fù)荷為設(shè)計(jì)負(fù)荷的110%，加之上升管與下降管間隙結(jié)垢，上升管通道隨著氣化爐運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)不斷縮小，上升管內(nèi)工藝氣流速不斷增大［6］，加劇上升管與下降管間隙的堵塞。因此，可以考慮將上升管與下降管間隙尺寸增大約50mm，如此可減小氣化爐一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)上升管通道堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

上升管與下降管組件是多元料漿氣化爐的重要部件，上升管與下降管間隙猶如人體的“呼吸道”一樣，其是否暢通直接影響著氣化爐的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)對(duì)榆林能化多元料漿加壓氣化裝置C爐上升管與下降管間隙堵塞問(wèn)題展開分析，得出了造成氣化爐上升管與下降管間隙堵塞的影響因素，并提出了預(yù)防措施。希望有關(guān)探討與剖析能為多元料漿氣化爐的運(yùn)行維護(hù)及此類問(wèn)題的解決提供一些參考與借鑒，以利多元料漿氣化爐的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。