循環(huán)流化床物料循環(huán)系統(tǒng)故障探究及預防措施

張啟科，胡小斌，李生鵬，毛吉會

（陜西延長石油（集團）有限責任公司碳氫高效利用技術研究中心，陜西 西安 710075）

循環(huán)流化床的物料循環(huán)系統(tǒng)問題最為常見，直接制約裝置的安全、穩(wěn)定和長周期運行。因此要對試驗中循環(huán)流化床物料循環(huán)系統(tǒng)常見的氣化爐結焦、旋風效率低、立管錐部壓差頻繁波動不穩(wěn)定的流化狀態(tài)、返料系統(tǒng)堵塞等問題進行探究，總結分析問題的根源，提出預防措施［1］。

KSY 中試裝置循環(huán)流化床由燃燒室（混合區(qū)）、氣固分離裝置和固體顆粒返回裝置組成，循環(huán)流化床具有傳熱傳質強烈、溫度分布均勻、單位設備的生產(chǎn)能力大、固體顆?；旌暇鶆?、固體顆粒在床內的停留時間調節(jié)范圍廣、容易大型化等優(yōu)點。物料循環(huán)系統(tǒng)是循環(huán)流化床氣化爐燃燒系統(tǒng)中極其重要的部件，由混合區(qū)、旋風分離器、返料系統(tǒng)（J型料腿）和立管組成［2］。

旋風分離器的壓力低于混合區(qū)的壓力，作用是將煙氣攜帶的大量物料經(jīng)旋風分離器分離下來并通過返料系統(tǒng)從低壓區(qū)送回至高壓混合區(qū)循環(huán)反應，同時保證立管有足夠高的料位形成靜壓能提供循環(huán)動力，既起到氣體密封又將固體送回混合區(qū)，其中返料系統(tǒng)是循環(huán)流化床氣化爐燃燒效率和運行調節(jié)重要部件，其工作的可靠性對循環(huán)流化床氣化爐的安全經(jīng)濟運行具有重要影響［3~7］。

文中針對循環(huán)流化床物料循環(huán)系統(tǒng)常見運行問題進行探究，提出預防措施。經(jīng)優(yōu)化改進后，確保了中試裝置試驗的順利開展，未出現(xiàn)上述任何運行問題，實現(xiàn)了循環(huán)流化床長周期穩(wěn)定運行。

1 氣化爐混合區(qū)結焦

1.1 結焦原因

（1）粉煤和氣化劑未按照一定的配比進入循環(huán)流化床氣化爐，分配不均勻，在一定壓力、溫度下反應生成高溫合成氣。氧氣噴嘴射流速度低，氧氣管線和混合區(qū)局部氧濃度過高，反應劇烈，產(chǎn)生的熱量，無法及時上移，高溫聚集形成高溫點。

（2）氣化爐內耐火襯里大量脫落，可能造成返料系統(tǒng)通道出現(xiàn)架橋或堵塞，循環(huán)灰中的碳含量過高、灰含量太少［1，3］和立管料位低，返料循環(huán)固體量減少、循環(huán)物料推動力不足和物料循環(huán)速率下降，容易形成氣化爐下部混合區(qū)缺少半焦或可燃物塊，局部瞬間反應后出現(xiàn)高溫易結焦。結焦部位易發(fā)生在氣化爐混合區(qū)、返料系統(tǒng)和立管內。

（3）氣化爐錐部是1 個盲腸區(qū)，流化氣只能在氣化劑底部口進去，無法讓錐部物料處于流化狀態(tài)，錐部氣速相對比較低，密相區(qū)濃度高，物料在錐部處于固定床狀態(tài)出現(xiàn)堆積易結焦。

（4）可能是粉煤輸送的破黏氧氣流量不足，導致煤粉粘結在富氧區(qū)或加煤口附近，當粘結物形成足夠大塊時，流化瞬間從加煤口掉落，在氣化爐混合區(qū)與氧氣充分反應釋放大量熱量，形成局部高溫，導致煤與砂子燃燒成塊狀物。煤種選擇性偏差，煤種中鐵含量過高會增加結渣的風險。

1.2 預防措施

（1）投煤前，控制系統(tǒng)氧含量≤0.5%。提負荷在較低溫度下完成，負荷調整緩慢，遵循先加煤后加氧原則，若提升管上下溫差增大，應降低進煤負荷或通過提高立管料位來增大循環(huán)速率，待溫度均勻后緩慢提高進煤負荷。嚴格按照氧煤比、汽氧比控制參數(shù)，蒸汽量稍微過量，嘗試將汽氧比從正常比例（0.93~1.4）/1（質量/體積）提高至（2.5~3.5）/1，蒸汽流量明顯增加1倍多，稀釋氧濃度進行氣化反應。保證氣化劑在爐內均勻分布，按照混合區(qū)上、中、下部=3：6：1 分配調節(jié)，在蒸氧比比例合適情況下，適當提高氣化劑管線的氮氣來保證氧氣進入各噴嘴的射流氣速大于25 m/s，最低不低于15 m/s，底部混合區(qū)氧氣噴嘴氣速不低于2 m/s。

（2）保證流化穩(wěn)定，循環(huán)灰量適中，混合區(qū)溫度控制適宜，讓氣化反應充分，來降低循環(huán)灰中碳含量，定時少量排粗灰，減少粗灰長時間的堆積，停車后及時清理爐子內的塊狀物。

（3）氣化爐錐部物料濃度大，密相床固態(tài)流化，提高錐部流化預熱氮氣流量，建議盲腸區(qū)底部增加1路流化氣，保證錐部床層氣速＞0.5 m/s。

（4）為了減少煤粉的粘結性和出現(xiàn)掛壁現(xiàn)象，以提高輸煤的破黏氧氣，從粉煤輸送氣流量的3%提高到10%~12%，或者氧氣：煤=0.05 kg：1 kg 比例計算，根據(jù)負荷調節(jié)變化進行選擇性控制，避免氣化爐超溫情況發(fā)生。選擇合適的煤種，適應循環(huán)流化床氣化反應的煤種，保證煤的焦渣特征＜3，減少煤種的結焦元素。

2 旋風分離器效率低

2.1 產(chǎn)生因素

高溫旋風分離器是循環(huán)流化床應用最廣泛的氣固分離裝置［3］。影響高溫分離器分離效果的因素很多，如設備的形狀、結構、入口角度、入口氣速、竄氣率、操作壓力、入口固/氣質量比、顆粒濃度與粒徑［3，4］、吹掃氣量等。由于旋風分離器設計簡單，依靠氣源進入設備切線方向的離心力進行氣固2 相分離，氣體通過排氣管上移，同時夾雜小顆粒固體，大顆粒固體則下落至立管形成料封［4，7］。在此期間立管氣量和旋風分離器處的吹掃氣量過大、旋風分離器內壁嚴重磨損、流化顆粒粒徑過細、旋風入口設備設計夾角、立管物料反竄等因素易造成旋風效率下降，失去大量固體，造成立管的固體物料料位減少。

2.2 預防措施

（1）減少旋風分離器和立管的松動氣流量，避免過多的氣源進入旋風，影響旋風效果，循環(huán)灰量捕捉效果不佳，維持立管床層料位在90~120 kPa為宜，流化穩(wěn)定運行。

（2）旋風分離器入口氣速與設計角度適宜，一般按照設計要求氣速進行旋風操作，旋風入口連接設備管道的設計夾角度在30°或60°為宜，避免45°設計，比較平緩易出現(xiàn)堆積情況，或者加入吹掃輸送氣［4］。

（3）檢查旋風分離器內壁磨損情況，發(fā)現(xiàn)內壁磨損嚴重及時處理。制粉系統(tǒng)制出符合范圍（300~400 μm）循環(huán)固體物料。

3 氣化爐立管錐部不穩(wěn)定的流化

3.1 立管錐部壓差頻繁波動的原因

（1）J型料腿至立管錐部壓差區(qū)間段循環(huán)物料堆積，固體顆粒未充分流動，流化速率變慢，物料呈現(xiàn)間歇性返料情況，單股立管的松動氣量過小未能充分松動立管物料。

（2）1級旋風分離器錐部至循環(huán)密封罐區(qū)間段循環(huán)物料堆積，固體顆粒未充分流動，流化速率變慢，物料呈現(xiàn)間歇性返料的情況。

（3）氣化爐提升管在J型腿以下區(qū)間段流化氣量偏小，氣速偏低，有阻塞返料系統(tǒng)的大顆粒物塊，導致該段物料密度大，J 型腿返料壓頭大，返料緩慢，造成立管錐部壓差頻繁波動。

（4）氣化爐提升管、立管出現(xiàn)脫落的耐火襯里和結焦物塊，大量耐火襯里脫落可能造成循環(huán)物料流化平衡狀態(tài)破壞，掉落至提升管和立管錐部，會影響返料和排灰困難，出現(xiàn)壓差頻繁波動，容易引起氣化爐結焦，裝置被迫停車處理。

（5）由于升溫時柴油燃燒不充分、投煤過程中石英砂中含有較高的結焦元素容易板結，造成流化紊亂并導致出現(xiàn)立管壓差波動。

（6）返料系統(tǒng)返料速率低，立管料位低不足以形成推動力，形成立管物料反竄，造成流化波動。

（7）立管松動氣流量過大，使立管物料處于過度流動狀態(tài)，床層出現(xiàn)大氣泡阻礙了立管頂部物料的下落，處于失流化狀態(tài)。

3.2 預防措施

（1）給立管錐部改造增加多股松動氣，適當提高立管錐部松動氣流量，降低顆粒濃度，立管輸送能力隨之增大。原因是松動氣緩解了氣體壓縮，使顆粒間隙擴大，減弱顆粒間及顆粒與管壁間作用力，降低了能量損耗，提高輸送物料的推動力［5］。

（2）適當調節(jié)密封腿的松動氣流量，增強氣固2 相的相互作用而減弱顆粒間及顆粒與管壁間的作用力，從而有效預防顆粒失流化現(xiàn)象發(fā)生［5］。

（3）氣化爐錐部流化氣速提高將增大錐部預熱氮氣流量，氣速在0.5 m/s 以上，利用J 型料腿和松動氣閥來平穩(wěn)操作，利用返料腿的松動氣流量及分布來調節(jié)返回混合區(qū)的返料量，維持返料系統(tǒng)的正負壓差。

（4）緩慢升溫以避免耐火襯里脫落，停車后清理死區(qū)的大顆粒物塊和耐火襯里。投煤后立管壓差持續(xù)降低至聯(lián)鎖值會觸發(fā)跳車，為防止混合區(qū)結焦和反竄，將混合區(qū)底部氧氣流量切斷，上部氧量切至閥門開度的2%或切斷，根據(jù)工況手動增加蒸汽與氮氣流量，控制爐溫度恒定逐漸恢復正常。

（5）升溫過程保證柴油與空氣配比合適，充分燃燒，減少石英砂與柴油的粘結燃燒成塊狀物影響流化，同時選擇優(yōu)質的石英砂，減少結焦元素來預防氣化反應燃燒成板結物情況的發(fā)生，嚴重時會出現(xiàn)結焦。

（6）提高物料的循環(huán)倍率，單股松動氣作用范圍有限，采用多股通氣的方式可發(fā)揮協(xié)同作用，提高立管和返料系統(tǒng)輸送氣的有效壓頭，采用加煤或加砂來維持一定的立管料位高度來增大循環(huán)推動力，進而提高物料的循環(huán)倍率。

（7）當立管壓差不規(guī)律、大幅度波動時，適當減少立管多股松動氣流量，消除內部氣泡與阻力，增加立管的下料量，使其消除過度流動狀態(tài)。

4 結束語

預防氣化爐混合區(qū)結焦要選擇適宜煤種（焦渣特征＜3）、混合區(qū)錐部氣速大于0.5 m/s、循環(huán)固體顆粒粒徑范圍（300~400 μm）、提高輸煤的破黏氧氣量、提高汽氧比至（2.5~3.5）/1、穩(wěn)定的高倍率循環(huán)流化等措施。 中試裝置對立管松動氣改造后，探究立管錐部壓差頻繁波動的不穩(wěn)定流化狀態(tài)，采用多股松動氣小氣量嘗試調節(jié)立管的不穩(wěn)定流化狀態(tài)，實現(xiàn)了循環(huán)流化床氣化爐有效控制。