水煤漿氣化裝置高負荷長周期運行瓶頸問題及解決

樸東哲

（神華包頭煤化工有限責任公司，內(nèi)蒙古包頭 014060）

1 概 述

某公司GE水煤漿氣化裝置由煤漿制備、水煤漿氣化、渣水處理、高閃氣回收等單元組成。煤漿制備單元有6臺φ4300mm×6000mm棒磨機（五開一備）和1套超細磨系統(tǒng) （一開無備）；氣化單元有7臺φ3200mm×3800mm氣化爐（五開二備），設(shè)計單臺氣化爐投煤漿量85m3／h，合成氣 （CO＋H2）總產(chǎn)量53×104m3／h；渣水處理單元有7套閃蒸系統(tǒng)（五開二備）、3套沉降槽-灰水槽-除氧器系統(tǒng)（沉降槽-灰水槽系統(tǒng)三開無備，除氧器系統(tǒng)兩開一備）及2套脫氨塔系統(tǒng)（一開一備）。

該公司GE水煤漿氣化裝置于2010年5月30日原始開車一次成功，2011年開始商業(yè)化運行。開車初期，氣化裝置只能達到設(shè)計負荷的80%～90% （設(shè)計投煤漿量425m3／h），由于工藝燒嘴和氣化爐爐磚使用壽命短等原因，制約著系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高負荷、長周期運行；通過與同類型企業(yè)的交流學習，并在幾次年度大修期間實施技術(shù)改造，尤其是實施了氣化爐工藝燒嘴優(yōu)化改進和爐磚改型后，氣化裝置基本上具備了高負荷運行的條件。為提高企業(yè)競爭力、實現(xiàn)盈利目標，2016年11月該公司氣化裝置開始高負荷試運行，在之后氣化爐3a多的高負荷運行過程中，出現(xiàn)了氣化爐燒嘴使用壽命短、氣化爐燒嘴壓差高、氣化爐激冷水量不足、氣化爐錐底磚燒蝕嚴重、氣化系統(tǒng)大小黑水角閥擴散段易磨損泄漏、氣化水系統(tǒng)結(jié)垢嚴重等瓶頸問題，嚴重制約著裝置的安全、穩(wěn)定、長周期、高負荷、優(yōu)質(zhì)運行。以下對有關(guān)問題及其解決措施作一總結(jié)。

2 氣化裝置高負荷長周期運行瓶頸問題

2.1 燒嘴使用壽命短

2016年11月開始氣化裝置高負荷試運行，隨著氣化爐運行時間的延長，氣化爐工藝燒嘴出現(xiàn)在線CO分析儀報警，停車拔出燒嘴后，發(fā)現(xiàn)燒嘴頭部出現(xiàn)裂紋及冷卻水盤管焊縫出現(xiàn)泄漏。

2.1.1 原因分析

該公司氣化裝置用原料煤煤質(zhì)波動較大，使用A礦煤時，雖A礦煤灰熔點較低（見表1），但黏溫特性差，為保證氣化爐順利排渣，氣化爐操作溫度較高，當原料煤中硫含量高時，硫容易附著在冷卻水盤管上而不易被工藝氣帶走，冷卻水盤管腐蝕嚴重，受操作溫度控制不當?shù)榷喾N因素影響，燒嘴冷卻水盤管易腐蝕泄漏；同時，燒嘴頭部在氣化爐內(nèi)1200～1300℃高溫熱輻射嚴苛工況下運行，爐溫變化造成燒嘴頭部外表面熱負荷變化而引起燒嘴熱應(yīng)力裂紋，裂紋在煤燃燒產(chǎn)生的H2S的侵蝕下進一步擴大［1］，造成氣化爐燒嘴頭部出現(xiàn)裂紋而泄漏。

表1 氣化用原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

2.1.2 優(yōu)化改進

（1）改進工藝燒嘴。與燒嘴設(shè)計制造廠家技術(shù)合作，進行提高燒嘴壽命的技術(shù)攻關(guān)——加厚燒嘴頭部、增加耐磨陶瓷襯里、燒嘴冷卻水盤管焊口采取保護罩＋耐火纖維的保護模式，以延長燒嘴的使用壽命。

（2）優(yōu)化工藝操作。據(jù)不同原料煤的煤質(zhì)情況（灰熔點及黏溫特性分析），調(diào)整中心氧比例，加大工藝燒嘴冷卻水循環(huán)量等；加強氣化爐粗渣渣型監(jiān)控和殘?zhí)柯史治?，及時調(diào)整氣化爐爐溫控制指標。

通過上述燒嘴改型攻關(guān)及工藝操作優(yōu)化，氣化爐燒嘴使用壽命逐漸提高到80d以上。

2.2 燒嘴壓差大

氣化爐負荷提高到設(shè)計負荷的105%時，出現(xiàn)燒嘴壓差大而氧氣難以加入氣化爐內(nèi)的現(xiàn)象，制約氣化爐的高負荷運行。

2.2.1 原因分析

原燒嘴尺寸是按滿負荷工況設(shè)計的，氣化爐負荷提高至設(shè)計負荷的105%時，燒嘴的制造尺寸已超生產(chǎn)臨界值，故表現(xiàn)出氣化爐燒嘴壓差增大而氧氣難以加入氣化爐內(nèi)的現(xiàn)象。

2.2.2 優(yōu)化改進

（1）與燒嘴制造廠家聯(lián)合攻關(guān)，將原6英寸（燒嘴水夾套尺寸）工藝燒嘴改型為8英寸工藝燒嘴。

（2）為控制煤漿和氧氣流速在合理范圍內(nèi)，滿足氣化裝置擴能后的需要，通過計算對煤漿通道和氧氣通道的流通面積進行確定，然后對煤漿配管入口變徑接管、工藝燒嘴外接入口法蘭及通道進行如下調(diào)整：煤漿配管入口變徑在原基礎(chǔ)上改為10英寸變8英寸變6英寸（煤漿入爐管線逐漸縮徑）；煤漿管由5英寸等徑三通改為6英寸變徑三通，外接管法蘭變更為6英寸與配管匹配，調(diào)整并實現(xiàn)與原燒嘴管線的良好對接。

通過燒嘴及相應(yīng)管線的升級改造，較好地解決了燒嘴壓差大而氧氣難以加入氣化爐內(nèi)的高負荷生產(chǎn)瓶頸問題，氣化爐負荷可提至設(shè)計負荷的110%，燒嘴使用壽命可達85d以上。

2.3 激冷水量不足

隨著氣化爐運行時間的延長，氣化爐激冷水量逐漸下降，而氣化爐高負荷生產(chǎn)時激冷水量需保持相對穩(wěn)定；此外，有時單臺氣化爐1個運行周期內(nèi)需使用3個燒嘴（1臺氣化爐正常運行時只用1個工藝燒嘴；當在運工藝燒嘴泄漏后，需更換新的工藝燒嘴繼續(xù)運行，1臺氣化爐1個運行周期內(nèi)會使用2個工藝燒嘴；特殊情況下，1臺氣化爐1個運行周期內(nèi)需使用3個工藝燒嘴，其后才進行氣化爐檢修），但由于激冷水量不足，不能滿足氣化爐高負荷長周期運行需求。

2.3.1 原因分析

當氣化水系統(tǒng)運行異常時，灰水中固含量高，激冷水通過激冷環(huán)中間壁上36處φ15mm進水孔射往環(huán)管時，對激冷環(huán)環(huán)管內(nèi)壁造成嚴重的沖刷磨蝕［2］。在氣化爐更換為第2個工藝燒嘴后，由于氣化爐開停車過程中激冷水管線溫差變化較大，造成激冷水管線垢片脫落，堵塞在激冷水過濾器處，進而造成激冷水量下降較多，通常投用備用激冷水過濾器后，激冷水量會上漲，能夠滿足高負荷生產(chǎn)需求。但在氣化爐更換為第3個工藝燒嘴后，同樣的問題會再次造成激冷水量下降較多，致使氣化爐激冷室液位持續(xù)下降（液位過低）、氣化爐被迫減負荷，很難滿足高負荷生產(chǎn)所需。

2.3.2 優(yōu)化改進

（1）經(jīng)分析，原激冷環(huán)結(jié)構(gòu)存在不足，為保證激冷環(huán)達到良好的使用效果，需進行升級改造，即調(diào)整激冷環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸并重新設(shè)計、加工，具體內(nèi)容如下：①調(diào)整激冷環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸，將激冷水量由原來的430m3／h提高至550m3／h，調(diào)整后激冷環(huán)內(nèi)部射流孔噴射速度≤7m／s、出下降管口激冷水流速≤3.5m／s；②激冷環(huán)噴水孔由原來的36處改為72處，激冷水分布更加均勻合理；③為提高激冷環(huán)沖刷部位的結(jié)構(gòu)強度，激冷水分布環(huán)采用外方內(nèi)圓的結(jié)構(gòu)形式，并對激冷環(huán)圓弧內(nèi)表面沖刷部件進行整體耐磨處理。

（2）工藝操作方面，嚴格監(jiān)控氣化高、低壓灰水水質(zhì)的變化，嚴格要求灰水分散劑、黑水絮凝劑廠家藥劑匹配性良好，確保分散劑、絮凝劑產(chǎn)品的有效性；控制氣化閃蒸系統(tǒng)工藝指標，適當加大系統(tǒng)水循環(huán)量；嚴格控制氣化爐爐溫，保證洗滌塔塔盤補水量等。

改造后的（新型）激冷環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1。改造后，氣化爐激冷水量增加，激冷水分布更加合理，激冷環(huán)不容易堵塞，同時其抗沖蝕性能明顯增強，基本上解決了激冷環(huán)堵塞致激冷水量下降及氣化爐激冷室液位低而不得不減負荷的問題，高負荷運行期間激冷室液位基本保持在30%以上；也解決了激冷環(huán)因激冷水中固含量高造成的水環(huán)管破裂、激冷水分布不均、下降管內(nèi)壁水膜破壞而掛渣等問題；新型激冷環(huán)使用壽命不低于20000h（原激冷環(huán)使用壽命一般在16000h左右），氣化爐運行周期明顯延長。

圖1 新型激冷環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 氣化爐錐底磚燒蝕嚴重

氣化爐高負荷運行期間，其錐底磚所處工況非常惡劣，在強還原性介質(zhì)和高溫液態(tài)熔渣的侵蝕、沖蝕下，爐磚腐蝕速率非常高；在異常高溫工況和燒嘴使用壽命末期燒嘴偏噴的情況下，錐底磚腐蝕速率成倍增加。一旦錐底磚燒蝕嚴重，氣化爐內(nèi)環(huán)、激冷環(huán)非常容易受到高溫氣體和熔渣的沖蝕而損毀，進而引發(fā)激冷水橫噴、下降管鼓包、下降管變形嚴重而掛渣，甚至發(fā)生下降管燒穿漏粗煤氣、氣化爐支撐板溫度高、支撐板法蘭竄氣等嚴重生產(chǎn)事故，氣化爐被迫停車檢修。

2.4.1 原因分析

通過對氣化爐運行工藝參數(shù)和現(xiàn)場爐磚減薄尺寸的統(tǒng)計分析，認為錐底磚燒蝕嚴重的原因在于：錐底磚渣口處，氣化反應(yīng)產(chǎn)生的高速粗煤氣攜帶熔融態(tài)爐渣對渣口磚產(chǎn)生剪切、沖刷磨蝕，同時高溫下爐渣會滲入、侵蝕到筑爐時形成的磚縫中，加之由于存在徑向溫差，爐磚與澆注料熱膨脹不協(xié)調(diào)造成錐底磚產(chǎn)生徑向、周向的應(yīng)力集中，以致爐磚產(chǎn)生裂紋，最終造成耐火磚呈塊狀剝落；此外，氣化爐錐底磚結(jié)構(gòu)也存在問題。

2.4.2 優(yōu)化改進

（1）錐底磚結(jié)構(gòu)方面，將錐底磚斜面由5種磚型改為4種高鉻磚型，磚縫相應(yīng)由4個減少到3個，即增大了單個錐底磚的體積，利于保持錐底磚整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、減少薄弱環(huán)節(jié)；錐底向火面磚厚度增加50mm，錐底高度由1037mm增至1087mm，以延長錐底向火面磚抗沖刷、侵蝕的時間，提高錐底磚的使用壽命。

（2）將渣口磚改為易更換的結(jié)構(gòu)，不僅便于砌筑、方便施工，而且在單獨更換渣口時不會對后部其他錐底磚造成影響。

（3）錐底部位渣口磚向火面由平角直面設(shè)計改為平滑斜面設(shè)計（見圖2），從而增加渣口磚抗侵蝕的有效面積，避免向火面渦流現(xiàn)象的發(fā)生，有利于減輕高鉻磚受到的沖刷損毀。

圖2 新型錐底磚結(jié)構(gòu)示意圖

（4）工藝操作方面，針對不同原料煤煤質(zhì)特性，氣化爐燒嘴運行初期嚴格控制中心氧比例，燒嘴運行中后期適當加大中心氧比例以強化燒嘴霧化效果，避免燒嘴偏噴嚴重而加速錐底磚沖蝕；采取原料煤摻燒等手段控制氣化爐操作溫度在合理區(qū)間，盡可能延長錐底磚的使用壽命。

通過錐底磚優(yōu)化改造和工藝操作優(yōu)化，氣化爐錐底磚使用壽命由原來的3000h逐步提高到目前的6000h以上，效果明顯。

2.5 大小黑水角閥擴散段易磨損泄漏

氣化爐高負荷運行時，氣化爐底部排出的大黑水、洗滌塔底部排出的小黑水中固含量因氣化原料煤灰分、氣化爐負荷、氣化爐操作溫度及氣化水循環(huán)量不同而有所差別，但黑水中含固量一般較高，黑水進入閃蒸系統(tǒng)逐級濃縮，由于其含固量較高和角閥前后壓差高，極易造成角閥本體及其后擴散段易沖刷部位磨損，嚴重時氣化爐運行1個多月角閥后擴散段即因沖刷磨蝕而泄漏，泄漏嚴重時氣化爐須減負荷退氣降壓處理。

2.5.1 原因分析

氣化爐和洗滌塔來的高溫高壓黑水經(jīng)角閥減壓后，黑水瞬間汽化膨脹，流速急劇增大，對黑水角閥閥芯的沖刷加劇，在兩相流的作用下黑水角閥三通處磨損最為嚴重，極易泄漏。

2.5.2 優(yōu)化改進

（1）工藝上，氣化爐運行前期控制大、小黑水排量，防止排量過大而造成角閥閥芯及擴散段過快磨損，避免氣化爐運行后期出現(xiàn)嚴重泄漏；同時，通過原料煤摻燒從源頭上控制入爐煤灰分，優(yōu)化氣化爐操作溫度，控制粗、細渣比例。

（2）試用針對高壓差、高含固量惡劣工況的新型耐磨管件——采用外部20＃鋼無縫鋼管＋內(nèi)部耐磨合金制作工藝制作，耐磨管件內(nèi)壁凹凸度≤1%，金相組織為M7C3＋M23C7＋二次碳化物＋馬氏體，緩沖罐等設(shè)備內(nèi)部強磨損區(qū)域設(shè)有導流平面及緩沖面等，以分散物料沖擊強度，能保證設(shè)備實際運行時間30個月不磨穿、無泄漏。

（3）耐磨管件法蘭端帶有耐磨層端部翻邊結(jié)構(gòu)；緩沖罐等設(shè)備有良好的可焊性；釋放桶等在最大負荷工況下連續(xù)運行壁厚減薄速率≤1.5 mm／a，可確保最低30個月的實際使用壽命。

通過上述優(yōu)化改進，目前基本上消除了大小黑水角閥后擴散段易沖刷部位的泄漏問題，氣化爐實際運行2～3個運行周期后檢查修補相應(yīng)的耐磨件，即氣化爐高負荷長周期運行中黑水角閥后管線泄漏的瓶頸問題基本得到解決。

2.6 氣化水系統(tǒng)結(jié)垢嚴重

氣化裝置在2019年10月份年度大修開車后4個多月，逐漸出現(xiàn)了沉降槽底流泵打量異常下降、高壓灰水泵入口過濾器結(jié)垢嚴重的問題，同時氣化裝置3臺灰水槽液位差（每臺灰水槽液位各不相同）逐漸拉大，嚴重時液位最高的灰水槽與液位最低的灰水槽之液位差達40%；氣化外排水換熱器運行1周后外排水量由320m3／h降至約210m3／h，氣化外排水新投用的備用管線運行1個多月外排水量由330m3／h逐漸降至250m3／h以下，而通常氣化外排水管線能夠使用8～10個月后才切換至備用外排水管線；氣化爐運行40d以上，氣化爐激冷室液位異常上漲，氣化爐被迫減負荷，嚴重時被迫進行停爐連投操作（當氣化爐下降管與上升管環(huán)隙掛渣時，會導致爐內(nèi)氣體偏流嚴重，造成激冷室液位虛高，嚴重時只能停車后重新投料開車，即通過氣化爐開車投料瞬間巨大的氣流將下降管與上升管環(huán)隙處的掛渣沖擊掉）；氣化低壓灰水系統(tǒng)相應(yīng)出現(xiàn)閥門結(jié)垢嚴重而無法正常開關(guān)、鎖斗沖洗水罐補水管線結(jié)垢嚴重而無法正常沖洗鎖斗的現(xiàn)象。

2.6.1 原因分析

（1）分散劑廠家所供藥劑阻垢性能差，其研發(fā)水平較低，分散劑廠家調(diào)配了2次配方，仍不能緩解水系統(tǒng)快速結(jié)垢的狀況。

（2）正常生產(chǎn)時入爐煤由B礦煤與A礦煤按一定比例混配，由于B礦設(shè)備故障，不能供煤，全部使用A礦煤，而A礦煤煤灰的酸堿比低，氣化后的灰水有硬度高、堿度高的特點，屬于極易結(jié)垢水質(zhì)，加劇了水系統(tǒng)的結(jié)垢傾向。

（3）氣化外排水系統(tǒng)加入的分散劑濃度常年只有30×10-6，不到灰水系統(tǒng)藥量的1／3，加之分散劑性能不佳，雙重因素疊加導致2019年大修后外排水管線的結(jié)垢情況是歷年來最嚴重的，結(jié)垢導致氣化外排水無法足量送出，系統(tǒng)無法及時補充新鮮水，加劇了系統(tǒng)的結(jié)垢，陷入惡性循環(huán)，有害離子在氣化水系統(tǒng)富集。

2.6.2 優(yōu)化改進

（1）通過氣化灰水槽配置臨時排水管到公用工程污水井的臨時措施緩解水系統(tǒng)中Ca2＋、Mg2＋的富集。

（2）通過氣化原料煤摻燒（B礦煤∶A礦煤=1∶1）減少甚至消除氣化粗細渣中玻璃絲的產(chǎn)生（由于不同原料煤黏溫特性不同，有些原料煤灰熔點T1與T4比較接近，氣化爐操作溫度變化較小的情況下，液態(tài)灰渣粘度變化特別大，氣化爐渣口處易因液態(tài)渣流速慢而出現(xiàn)堆積，在氣流的沖擊下易形成玻璃絲狀灰渣），進而減緩氣化系統(tǒng)工藝管線結(jié)垢掛渣的進程。

（3）及時更換為新型分散劑廠家的藥劑，新分散劑廠家技術(shù)人員全程跟蹤分析藥劑使用效果，通過分析氣化灰水系統(tǒng)的各項指標，有針對性地進行分散劑配方的調(diào)整，并通過不斷的現(xiàn)場水樣、垢樣分析調(diào)整藥劑加入量和配比。

（4）對氣化裝置外排水管線進行高壓清洗，同時重新設(shè)計鋪設(shè)長1250m、DN450的外排水管線（原外排水管線管徑為DN250，仍然保留，實現(xiàn)氣化外排水管線的一用一備），通過管線擴徑加大氣化外排水量，以緩解水系統(tǒng)內(nèi)Ca2＋、Mg2＋的富集，減緩水系統(tǒng)結(jié)垢進程。

（5）改造低壓灰水至氣化除氧器和至氣化制漿系統(tǒng)管線，保證其可以在線切換，以便能將運行管線隔離檢修處理，避免全系統(tǒng)停車。

采取上述優(yōu)化改進措施后，目前氣化水系統(tǒng)結(jié)垢情況相對較輕，氣化水系統(tǒng)結(jié)垢嚴重的問題得到極大緩解。

3 結(jié)束語

氣化裝置采取上述設(shè)備升級改造和工藝操作優(yōu)化后，基本上解決了其在高負荷長周期運行過程中的生產(chǎn)瓶頸問題，接下來氣化裝置將進一步在分散劑配方、原料煤摻燒優(yōu)化及氣化水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行上下功夫，進一步延長氣化爐的高負荷運行周期，以實現(xiàn)節(jié)能降耗、增產(chǎn)增效，提升企業(yè)的競爭力。