多元料漿氣化爐上升管與下降管夾層堵塞原因及處理

劉富祥

（寧夏和寧化學有限公司，寧夏靈武 750411）

0 引 言

寧夏和寧化學有限公司（原寧夏捷美豐友化工有限公司，簡稱寧夏和寧）主生產(chǎn)裝置產(chǎn)能為400kt／a合成氨、700kt／a尿素、200kt／a甲醇，并副產(chǎn)硫磺、硫酸銨。項目于2009年7月開工建設(shè)，2013年9月底機械竣工，2014年5月化工投料試生產(chǎn)，2014年7月4日打通全流程產(chǎn)出合格尿素。

寧夏和寧氣化裝置采用西北化工研究院的多元料漿氣化工藝（激冷流程），設(shè)計有3臺多元料漿氣化爐（兩開一備），單爐投煤量1500t／d，設(shè)計操作壓力6.5MPa、操作溫度1300～1350℃。寧夏和寧氣化裝置投產(chǎn)以來，截至2019年底，每年開（停）車次數(shù)平均約14次，停車原因中，上下游系統(tǒng)（空分裝置、凈化系統(tǒng)、合成系統(tǒng)）方面的原因占比約18.4%，氣化裝置設(shè)備方面的原因（高壓料漿泵故障、破渣機故障、管線泄漏等）占比約10.2%，氣化裝置聯(lián)鎖及儀表方面的原因占比約9.6%，氣化爐上升管與下降管夾層堵塞引起支撐板溫度高而被迫停車檢修占比約56%。尤其是2016年2月以來，上升管與下降管夾層堵塞致氣化爐停車問題尤為突出，在每年總停車次數(shù)中的占比高達約65%，氣化爐運行周期一般維持在50～60d左右，導致檢修頻率高、勞動量大、安全風險較高，嚴重影響氣化裝置的安全、穩(wěn)定、長周期、經(jīng)濟運行。以下就有關(guān)情況作一總結(jié)。

1 上升管與下降管夾層堵塞現(xiàn)象

氣化爐投料初期，支撐板（支撐板位于氣化爐燃燒室錐底位置，對耐火磚起支撐作用）溫度在242～245℃左右，隨著氣化爐運行時間的延長，支撐板溫度開始逐漸上漲，運行10～15d左右支撐板溫度漲至250℃，運行至20d左右支撐板溫度漲至260℃，運行至40～60d左右支撐板溫度突然漲至300℃以上；同時，氣化爐激冷室液位也隨著氣化爐運行時間的延長逐漸呈上漲趨勢，一般運行至15～23d左右便開始上漲，運行至35d左右激冷室液位漲至70%，運行至60d左右激冷室液位上漲至最高點后隨著粗煤氣帶水量的增加又突然下降，工況完全不受控（或很難控制），氣化爐只能采取半負荷運行或被迫停車，等待備爐檢修完成后倒爐。另外，在氣化爐激冷室液位上漲的同時渣口壓差也在增大，由初期的28kPa逐漸漲至40kPa，支撐板溫度在激冷室液位下降期間漲幅明顯增大。檢修期間發(fā)現(xiàn)，上升管與下降管夾層結(jié)垢嚴重，厚度約8cm，上升管外壁結(jié)垢厚度約5cm，通道不足1／4，夾層下部幾乎全部堵塞。

分析認為，支撐板溫度上漲的原因有：①隨著氣化爐運行時間的延長，支撐板下部逐漸結(jié)垢而包裹溫度測點，使得氣化爐錐底的熱量不能及時被工藝氣帶走而不斷積聚；②上升管與下降管夾層被逐漸堵塞后，直接接觸氣化爐支撐板下部的工藝氣量減少，不能有效地對支撐板進行冷卻。氣化爐激冷室液位的變化在于，上升管與下降管夾層被逐漸堵塞后工藝氣直接通過上升管外側(cè)而造成激冷室液位不穩(wěn)定。

對3臺多元料漿氣化爐上升管與下降管夾層內(nèi)垢樣進行分析，結(jié)果見表1。從垢樣分析結(jié)果來看，垢樣成分應該主要為硫酸鈣、硅酸鈣（酸不溶物）。

表1 氣化爐上升管與下降管夾層內(nèi)垢樣分析結(jié)果%

2 原因分析及應對措施

2.1 原料煤煤質(zhì)方面

2.1.1 原因分析

寧夏和寧氣化裝置常用氣化原料煤灰成分分析數(shù)據(jù)見表2?？梢钥吹剑好悍NⅣ灰分中SiO2含量達61.95%，高于其余3種煤（煤種Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）約20%，CaO含量低，此煤種灰分較高，達20% （峰值23%），且煤種Ⅳ使用期間灰水水質(zhì)差，黑水處理難度大，澄清槽黑水表觀呈乳白色，灰水中懸浮物含量高達220mg／L（指標為100mg／L）、濁度高達140NTU（指標為50 NTU）；煤種Ⅴ灰分中CaO含量較煤種Ⅰ低近10%，使用期間低壓灰水（低壓灰水泵出口灰水，亦即系統(tǒng)中的灰水，下同）硬度在1300 mg／L左右，低于1500mg／L控制指標，但灰分中SiO2含量仍較高，達51.02%。由此可知，煤種Ⅳ、煤種Ⅴ使用期間灰水水質(zhì)差，上升管與下降管夾層、氣化爐黑水管線、澄清槽溢流堰結(jié)垢速度必然加快。

表2 氣化原料煤灰成分分析數(shù)據(jù)%

2.1.2 應對措施

（1）加強原料煤煤質(zhì)管控以及穩(wěn)定摻混配比，避免原料煤煤質(zhì)大幅波動。

（2）使用新煤種前須對其進行灰成分分析，盡量選用灰成分中SiO2含量低于45%的煤種；若采用配煤，則應考慮原料煤混配后的灰成分中的硅鋁比［1］。

2.2 灰水水質(zhì)方面

2.2.1 原因分析

氣化爐上升管與下降管夾層結(jié)垢期間，灰水中懸浮物含量與硬度均較高，懸浮物含量＞200 mg／L，硬度約1800mg／L，堿度約500mg／L，高堿度與高硬度的灰水在氣化爐激冷室內(nèi)極易結(jié)垢，造成氣化爐工況異常。

2.2.2 應對措施

（1）加強灰水水質(zhì)管理，尤其是懸浮物含量，通過絮凝劑選型與添加量調(diào)整將灰水中的懸浮物含量控制在60mg／L以下；投用備用澄清槽，雙澄清槽的投用可增加黑水的沉降時間，對降低懸浮物含量有一定的作用；真空閃蒸凝液原設(shè)計進入灰水槽，改為進入澄清槽后，灰水中懸浮物含量降低約30mg／L，表明真空閃蒸系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對灰水中懸浮物含量的控制有較大的影響，故嚴格控制閃蒸系統(tǒng)的各項工藝指標也尤為重要。

（2）將灰水外送量（灰水外送至污水處理系統(tǒng)）由50m3／h增至80m3／h、灰水硬度控制在1500mg／L以下，低壓灰水系統(tǒng)、激冷水管線、氣化爐黑水管線、洗滌塔黑水管線結(jié)垢速率明顯減緩。

（3）規(guī)范水的排放，嚴格控制其他水源進入灰水系統(tǒng)，例如循環(huán)水，以減少其他有害離子（如Cl-、SO2-4）進入灰水系統(tǒng)。

2.3 灰水分散劑方面

2.3.1 原因分析

分散劑主要對灰水中的離子起螯合作用，減緩結(jié)垢。選用合適的灰水分散劑對灰水系統(tǒng)及氣化爐內(nèi)結(jié)垢有明顯的緩解作用，這就要求分散劑中有效成分與所使用煤種有較好的匹配性及耐溫性；其次，灰水分散劑添加量的大小與添加位置對控制結(jié)垢也起著關(guān)鍵作用。

2.3.2 應對措施

目前灰水處理所用分散劑大多為無磷或低磷型，使用效果上微弱于含磷型。為提高分散劑的分散性能、減緩氣化系統(tǒng)的結(jié)垢傾向，可使用含磷成分在2.5%左右的分散劑：分散劑的添加量，以控制添加后分散劑在循環(huán)灰水中的濃度為（100～130）×10-6為宜，可根據(jù)灰水硬度變化進行適當調(diào)整；分散劑的添加點一般為高、低壓灰水泵入口，兩處對應的添加比例為1∶3。

2.4 工藝操作方面

（1）因燒嘴壓差偏低，運行期間在0.30～0.35MPa，霧化效果差，后將燒嘴中心氧比例由15%逐漸上調(diào)至20%后，燒嘴霧化效果得到增強，細灰產(chǎn)生量減少，上升管與下降管夾層結(jié)垢堵塞得到緩解。下一步擬借鑒業(yè)內(nèi)經(jīng)驗對燒嘴進行優(yōu)化改造，提高燒嘴壓差至0.50MPa左右，以進一步增強其霧化效果。

（2）據(jù)氣化原料煤煤質(zhì)情況適當提高氧煤比（氧氣與料漿的體積比），氧煤比由原來的485m3／m3提高至500m3／m3；氣化爐爐溫由1210℃提升至1250℃，使“玻璃球”狀渣樣占比增加，“玻璃球”狀渣對細灰有一定的包裹作用，可間接減少細灰的產(chǎn)生，減緩氣化爐上升管與下降管夾層結(jié)垢堵塞。

（3）氣化爐激冷水流量控制在400～450 m3／h左右，激冷室液位控制在30% ～35%左右，以減少帶灰量，同時增大氣化爐排水量，由140m3／h增至180～200m3／h，細灰隨黑水排放出去，以利減緩上升管與下降管夾層結(jié)垢堵塞。

（4）盡量避免氣化爐長期處于低負荷運行狀態(tài)，適當提高氣化爐運行負荷（一般不低于設(shè)計負荷的70%），以利氣化爐激冷室中氣液兩相流處于環(huán)隙流型狀態(tài)，保證流動的穩(wěn)定性和避免氣體夾帶液體［2］，亦可增強工藝氣對（氣化爐上升管與下降管夾層處）垢層的剪切作用。

2.5 小 結(jié)

氣化爐上升管與下降管夾層結(jié)垢堵塞屬系統(tǒng)性問題，應從原料煤煤質(zhì)、灰水水質(zhì)、灰水分散劑及工藝操作等方面進行優(yōu)化與管控。具體而言，氣化原料煤方面，應盡量采用低灰分與灰成分比例合適的煤種，且穩(wěn)定配煤（避免煤質(zhì)大幅波動），及時掌握有關(guān)分析數(shù)據(jù)的變化情況，及時調(diào)整工藝操作條件；工藝操作方面，盡量加大氣化爐排黑水量，加大系統(tǒng)水循環(huán)及灰水外送量，以便將原料煤及添加藥劑（煤漿添加劑、灰水分散劑）帶入的離子及時排出系統(tǒng)，并適當減少激冷水量以減少氣化爐出口粗煤氣帶水量；灰水分散劑選用方面，應選擇耐溫性好、穩(wěn)定性好、對特殊離子阻垢性能好的分散劑，并及時調(diào)整添加量。

3 結(jié)束語

經(jīng)過上述四個方面的優(yōu)化調(diào)整，逐漸規(guī)范化、標準化管理氣化爐的運行，寧夏和寧氣化爐上升管與下降管夾層結(jié)垢的問題得以解決，2020年6月以后3臺氣化爐分別達到80d以上的運行周期，扭轉(zhuǎn)了氣化爐運行“青黃不接”的情況，實現(xiàn)了計劃倒爐，逐步向業(yè)內(nèi)氣化爐的運行周期靠攏。

隨著氣化爐運行周期的不斷延長，新的問題又逐漸凸現(xiàn)出來，如氣化爐激冷室液位計（運行周期）后期示數(shù)偏差增大、管道的沖刷腐蝕、工藝燒嘴的使用壽命較短等，仍需逐步攻關(guān)與突破，以利于保障氣化裝置的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行。