流化床反應(yīng)器床層波動現(xiàn)象分析

牛維維，楊 猛，李 斌，張 棟，何炳昊

（陜西延長石油（集團(tuán)）碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心，陜西西安710075）

近年來全球氣候惡劣，大氣污染嚴(yán)重，其中燃煤和不清潔用煤是大氣污染的主要來源之一，煤炭清潔高效利用是當(dāng)前解決中國工業(yè)可持續(xù)發(fā)展和資源環(huán)境制約問題的關(guān)鍵。現(xiàn)階段，煤碳高效、清潔氣化技術(shù)成為了焦點。流化床技術(shù)常用于鍋爐發(fā)電、催化裂化、煤制油、煤氣化等多種裝置，中國已先后建成30 余套流化床煤氣化裝置，但大多數(shù)工業(yè)裝置能耗大，碳轉(zhuǎn)化率低［1～3］。

文中的中試裝置采用高倍率流化床反應(yīng)器，具有對煤種適應(yīng)范圍廣，尤其適用高階煤種氣化，燃燒效率高，處理能力大，高效清潔及節(jié)能環(huán)保，建設(shè)運行成本低等優(yōu)點，經(jīng)過多次實驗探索，實現(xiàn)了長周期穩(wěn)定運行，可以為工業(yè)化推廣提供技術(shù)支撐。此技術(shù)解決了常規(guī)流化床氣化中殘留的焦油、甲烷含量高、碳轉(zhuǎn)化率偏低等問題，并且實現(xiàn)了污水零排放。此技術(shù)高倍率流化床建立及穩(wěn)定運行是核心操作，床層維持穩(wěn)定是操作難點，床層波動會使碳轉(zhuǎn)化率降低，甚至造成較為嚴(yán)重的反應(yīng)器內(nèi)結(jié)焦等問題。

流化床反應(yīng)器剛開始流化時床層由固定床到流化床流型轉(zhuǎn)變［4］，隨著氣速不斷提高，突破臨界流化速度［5］，床層開始湍動，直至氣速達(dá)到固體顆粒帶出速度，此時氣體夾帶固體顆粒向上移動進(jìn)入旋風(fēng)分離器，粗合成氣從旋風(fēng)分離器上口流出，固體顆粒被捕捉進(jìn)入立管，而后通過返料腿進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)燃燒反應(yīng)，形成流化床。文中就高倍率流化床反應(yīng)器床層波動現(xiàn)象分析并提出相應(yīng)調(diào)整措施。

1 反應(yīng)器介紹

反應(yīng)器主要有原料混合區(qū)、提升管、內(nèi)置旋風(fēng)、外置旋風(fēng)、密封罐、立管、J 型腿等7 個構(gòu)件，見圖1。

圖1 反應(yīng)器裝置示意圖

煤粉通過干燥CO2氣體輸送進(jìn)反應(yīng)器原料混合區(qū)與氣化劑燃燒反應(yīng)，生成的粗合成氣夾帶煤粉顆粒通過提升管進(jìn)入內(nèi)置旋風(fēng)分離器，粗合成氣與少量未捕捉下來的煤粉顆粒進(jìn)入外置旋風(fēng)分離器，捕捉下來的煤粉顆粒通過密封罐進(jìn)入立管，外置旋風(fēng)分離器繼續(xù)分離后合成氣從上部流出，粗顆粒進(jìn)入立管，立管中固體顆粒通過J型腿返回反應(yīng)器原料混合區(qū)運行。對于此反應(yīng)器而言，其固體倍率高達(dá)50～100，屬于高倍率流化床反應(yīng)器。

2 流化建立

（1）主流化氣的建立，通過開工預(yù)熱爐預(yù)熱煙氣（圖1 中主流化氣1）、混合區(qū)氣化劑通道（圖1 中主流化氣2、3、4）提供，主要用于流化床層中的固體顆粒流化，開工預(yù)熱爐通過柴油燃燒，熱氣進(jìn)入氣化爐混合區(qū)預(yù)熱爐內(nèi)砂子，混合區(qū)氣化通道通入加熱后的氮氣，用于爐內(nèi)砂子流化。

（2）松動氣的建立。主要通過氣化爐密封罐、立管、J 型腿上松動氣提供（圖1 中松動氣1、2、3），用于旋風(fēng)分離器分離下的固體顆粒的松動，便于堆積的固體顆粒層流動，形成固體。

（3）提高倍率。提高提升管氣速，調(diào)整時保留一定的流化場反應(yīng)時間間隔；增加密封罐的松動氣氣量，保證密封罐內(nèi)固體顆粒向立管移動，立管固體顆粒層能提供足夠的推動力；最后調(diào)整立管底部和J型腿松動氣氣量，增加立管向原料混合器的固體顆粒返料量。

（4）根據(jù)調(diào)整后氣化爐壓差、壓力、溫度變化情況，對流化氣和松動氣氣量優(yōu)化調(diào)整，主流化氣調(diào)整依次調(diào)節(jié)2、3、4，松動氣依次調(diào)節(jié)3、2、1。

3 床層波動判斷

中試裝置氣化爐操作溫度950 ℃，操作壓力0.93 MPa，分析某次試驗混合區(qū)監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)床層波動時氣化爐壓力、壓差、溫度會發(fā)生大波動，床層波動時間在4:28～4:33，收集數(shù)據(jù)見圖2～4。

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圖2 床層波動前后壓力變化

從圖2可以看出，床層波動期間原料混合區(qū)壓力PI-14084/PI-14086 從0.9 MPa 短時間內(nèi)增加到1.9 MPa，PI-14089 從0.94 MPa 增加到1.67 MPa，然后逐漸恢復(fù)正常壓力；立管底部壓力PI-14087 從1.1MPa 增加到1.7 MPa，然后逐漸恢復(fù)正常壓力；氣化爐出口壓力PI-14088 正常是0.93 MPa，床層發(fā)生波動后先減小至0.7 MPa，后增大至1.5 MPa，然后恢復(fù)正常。正常工況下立管底部壓力比混合區(qū)壓力高0.2 MPa 左右，床層波動時立管底部壓力PI-14087比混合區(qū)壓力PI-14084低0.2～0.5 MPa。

由圖3可見，反應(yīng)器床層波動期間氣化爐混合區(qū)壓差PDI-14002減小甚至出現(xiàn)負(fù)值，提升管壓差PDI-14079 先增大后減小；立管壓差PDI-14014 先增大后減小，立管底部壓差PDI-14082波動會出現(xiàn)負(fù)值；J型腿壓差PDI-14092減小甚至出現(xiàn)負(fù)值。

圖3 床層波動前后壓差變化

由圖4可見，反應(yīng)器床層波動期間氣化爐溫度表現(xiàn)出明顯的波動，混合區(qū)溫度TI-14073 由940 ℃升高至998 ℃，上升了58 ℃；立管上部溫度TI-14076 溫度波動有滯后，從860 ℃升高至928 ℃，上 升 了68 ℃；J 型 腿 溫 度TI-14075 由920 ℃升高至1 025 ℃，上升了105℃。床層波動期間J型腿溫度變化最明顯。

圖4 床層波動前后溫度變化

4 影響因素

影響床層穩(wěn)定的因素主要有5個。

（1）氣速。氣化爐提升管氣速低于帶出速度甚至低于臨界流化速度時就會出現(xiàn)床層弱流化甚至不流化，床層趨于固定床，若氣速高于操作氣速，大量固體物料后移，提升管固體物料減少，床層會出現(xiàn)大波動，碳轉(zhuǎn)化率降低，同時大量固體帶入后系統(tǒng)加大后系統(tǒng)負(fù)荷。

（2）氣量。氣量分配不合理，主流化氣和松動氣氣量分配不合理會使床層波動，床層流化不穩(wěn)定引起傳質(zhì)、傳熱效率變低，甚至立管料位坍塌，旋風(fēng)失效［6］。

（3）熱載體。固體熱載體的存量不足或過量都會引起床層波動。固體顆粒過細(xì)不易被旋風(fēng)分離器捕捉，立管沒有足夠的料位提供固體顆粒的推動力；固體顆粒過粗不易流化，氣化效率低。

（4）壓力。爐膛的壓力控制尤為重要，爐膛壓力波動嚴(yán)重，會引發(fā)混合區(qū)氣體倒竄進(jìn)入立管，破壞立管料層，影響旋風(fēng)分離器分離效果。

（5）氣體反竄。氣化爐混合區(qū)氣體夾帶煤粉反竄通過J型腿進(jìn)入立管，破壞立管的固體顆粒堆積的料層，甚至進(jìn)入旋風(fēng)分離器，影響旋風(fēng)分離效果。立管料位高度低于平衡點，系統(tǒng)沒有足夠的推動力，流化氣氣量調(diào)解不當(dāng)，J 型腿返料速率與提升管氣速不匹配，系統(tǒng)壓力波動大，提升管壓力升高，高于立管靜壓力等都會引起氣體反竄［7］。

5 調(diào)整措施

5.1 控制壓力與氣速

控制氣化爐操作壓力0.93 MPa，提升管氣速4～6 m/s，壓力波動會引起床層波動，通過后系統(tǒng)背壓閥及時調(diào)整使壓力穩(wěn)定。氣速過低，床層流化差，提升管易結(jié)焦；氣速過高，大量固體顆粒后移，旋風(fēng)分離器效率降低，后系統(tǒng)負(fù)荷增加。

5.2 控制煤粉粒徑

控制氣化爐煤粉粒徑以0.3～0.5 mm 最佳，過細(xì)的煤粉會大量逃出內(nèi)置旋風(fēng)和外置旋風(fēng)進(jìn)入后除塵系統(tǒng)，加大除塵系統(tǒng)負(fù)荷，立管料位難以維持平衡，固體顆粒動力減弱，量不足，氣化爐提升管床層會發(fā)生波動；煤粉過粗會使提升管流化不暢，床層波動，碳轉(zhuǎn)化率降低。

5.3 控制立管料位

控制立管料位在平衡點附近，立管料位過高會降低旋風(fēng)分離器分離效率，大量固體顆粒帶入后系統(tǒng)需要加大J 型腿、立管底部松動氣氣量，及時判斷氣化爐床層內(nèi)固體顆粒存量，必要時加砂和排灰；立管料位過低，動力減弱，甚至出現(xiàn)氣體反竄，需增加立管料位高度，提高系統(tǒng)推動力，適當(dāng)降低J 型腿、立管底部松動氣氣量，適當(dāng)增加內(nèi)旋底部、密封罐松動氣氣量。

6 結(jié)束語

（1）氣化爐預(yù)熱前加入熱載體石英砂量足夠，粒徑符合要求，提升管混合區(qū)氣化劑管線從上往下依次調(diào)節(jié)流化氣量，維持床層流化并穩(wěn)定運行。

（2）嚴(yán)格把控煤粉粒徑0.3～0.5 mm，投煤后混合區(qū)流化氣緩慢切換為氣化劑，控制煤粉與氣化劑比例、操作壓力、提升管氣速。

（3）保證立管料位足夠，固體顆粒順暢，松動氣壓力充足，流量可控。

（4）立管返料量與氣速匹配，保證立管返料量和密封罐送料量一致，通過調(diào)節(jié)密封罐、立管底部、J型腿的松動氣量調(diào)節(jié)返料量。