煤化工企業(yè)德士古氣化爐帶水原因分析及對(duì)策

高佳興 (國(guó)能包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

近年來(lái)，在技術(shù)不斷發(fā)展的今天，我國(guó)的煤化工技術(shù)日漸成熟，陸續(xù)出現(xiàn)了許多新工藝與新技術(shù)，如氣流床氣化技術(shù)有諸多優(yōu)勢(shì)，能為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。煤化工企業(yè)內(nèi)的德士古氣化爐在生產(chǎn)中有著重要作用，但實(shí)際運(yùn)行中帶水問(wèn)題屢見(jiàn)不鮮，長(zhǎng)期出現(xiàn)帶水現(xiàn)象必將使德士古氣化爐激冷室液位低于正常限值、洗滌塔液位高于限值，增大跳車風(fēng)險(xiǎn)甚至引起相關(guān)設(shè)備的損壞。

1 德士古水煤漿氣化的工藝及關(guān)鍵設(shè)備

1.1 磨煤機(jī)

水煤漿的氣化過(guò)程十分復(fù)雜，工藝要求高且涉及的設(shè)備較多，磨煤機(jī)為其中的重要設(shè)備，在其功能支持下可將煤在磨煤機(jī)內(nèi)與水充分混合，形成以一定粒度分布的水煤漿。當(dāng)前的煤化工企業(yè)中一般配置的是濕式棒磨機(jī)，磨機(jī)系統(tǒng)內(nèi)有磨筒、主軸承、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、主電機(jī)、氣動(dòng)離合器等。

1.2 煤漿泵

德士古氣化爐生產(chǎn)系統(tǒng)中煤漿泵起著加壓作用，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)使用煤漿泵提高煤漿壓力，使其壓力符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。煤漿為高黏度、易沉降、含固體顆粒的流體物質(zhì)，為在生產(chǎn)中使煤漿符合實(shí)際需求，企業(yè)需配備高性能煤漿泵，如可選擇三缸往復(fù)式隔膜軟管泵。

1.3 德士古燒嘴

德士古氣化爐中的德士古燒嘴可實(shí)現(xiàn)水煤漿、氧氣的充分混合與霧化，但為提高燒嘴在生產(chǎn)系統(tǒng)中的作用，設(shè)計(jì)人員需根據(jù)高效、安全生產(chǎn)的要求采用外混三流道設(shè)計(jì)，中心管與外環(huán)縫均為氧氣通道，內(nèi)環(huán)隙為煤漿通道，燒嘴頭部布設(shè)有冷卻水套與盤管，以避免其他因素?fù)p壞燒嘴。

1.4 氣化爐

氣化爐可細(xì)分為燃燒室和激冷室兩個(gè)區(qū)域，分別位于上部與下部，氣化反應(yīng)發(fā)生于燃燒室內(nèi)，激冷室中有激冷環(huán)、下降管、風(fēng)道、分水擋板等配件。隨著燃燒作用的持續(xù)進(jìn)行，氣化爐內(nèi)產(chǎn)生大量爐渣，這些爐渣在水浴中冷卻凝固。

1.5 洗滌塔

洗滌塔具有除氣作用，煤漿氣化過(guò)程中產(chǎn)生的合成氣可經(jīng)由洗滌塔排出，內(nèi)部的降液管、風(fēng)道、雙層濕式?jīng)_擊塔板、除霧器等相關(guān)部件在相互配合下可保障合成氣及時(shí)排出。

2 德士古煤氣爐的優(yōu)點(diǎn)

2.1 有著較強(qiáng)煤炭種類適應(yīng)性

煤化工企業(yè)中的德士古氣化爐運(yùn)行中的能源可選擇性較多，如：煙煤、石油焦、次煙煤。灰熔點(diǎn)對(duì)能源選擇的干擾較小，但如果在實(shí)際的生產(chǎn)中灰熔點(diǎn)較大，相關(guān)人員要在其中添加一定的助溶劑。如：在煤化工企業(yè)的德士古煤氣爐中以煤為能源，必須選用高質(zhì)量、低灰熔點(diǎn)煤。

2.2 有著連續(xù)生產(chǎn)性

煤漿氣化過(guò)程中，氧氣與煤漿生產(chǎn)為連續(xù)過(guò)程，因此，德士古氣化爐的生產(chǎn)具有連續(xù)性。氧氣、煤漿等原料可源源不斷地投入到爐內(nèi)，維持高效的生產(chǎn)作業(yè)。由于設(shè)備的特殊性，生產(chǎn)人員只需要設(shè)計(jì)固定的排渣程序即可，不需要專門將設(shè)備停止進(jìn)行排渣，更能保障生產(chǎn)效率。

2.3 有著較高的氣化壓力

德士古氣化爐的氣化壓力較大，當(dāng)設(shè)備處于高壓狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)著較低的比容積，單爐產(chǎn)量偏高，考慮到氣化爐的這一生產(chǎn)特性，煤氣壓縮環(huán)節(jié)的能源消耗少、資金投入低。

2.4 氣化溫度高

德士古氣化爐的氣體溫度相對(duì)較高，在1 200～1 350 ℃范圍內(nèi)，在該溫度條件下煤炭資源的轉(zhuǎn)化率較高。德士古氣化爐的運(yùn)行溫度區(qū)間特殊性決定了相關(guān)人員可依據(jù)渣樣情況精準(zhǔn)控制操作溫度，使碳轉(zhuǎn)化率符合標(biāo)準(zhǔn)[1]。

2.5 更能保障生產(chǎn)安全

氣化爐在磨煤過(guò)程中采用濕法，就是需要在磨煤機(jī)中使用一定的添加劑、水和煤，這一方式的安全系數(shù)更高，較之傳統(tǒng)干磨法更不易出現(xiàn)安全事故。

2.6 生產(chǎn)具有環(huán)保性

德士古氣化爐為煤化工企業(yè)內(nèi)的新型設(shè)備，由于該設(shè)備結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)流程等的特殊性，具有清潔環(huán)保性特征，主要體現(xiàn)在：氣化爐溫度異常高，無(wú)酚或焦油等高污染物產(chǎn)生；生產(chǎn)中排出的廢水可在處理技術(shù)下得到凈化，排放的污染物少，廢水處理簡(jiǎn)單且成本低，能循環(huán)利用水資源。

3 煤化工企業(yè)德士古氣化爐帶水原因

3.1 氣化爐負(fù)荷

德士古氣化爐工作中，氣化爐負(fù)荷是需要關(guān)注的一項(xiàng)指標(biāo)，負(fù)荷大小直接影響激冷室?guī)闆r。如：在生產(chǎn)過(guò)程中氣化爐負(fù)荷較大，將意味著更高的壓力、更大的氣量，但即使如此，氣流間隙也長(zhǎng)期固定，為此，高負(fù)荷增大了合成氣流速，一旦氣流對(duì)合成氣中液滴的夾帶能力超過(guò)自身重力，將會(huì)被帶出激冷室，引起較為嚴(yán)重的氣化爐帶水現(xiàn)象。

激冷室激冷過(guò)程中，高溫合成氣本質(zhì)上是二相流沸騰傳熱的過(guò)程。根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，液體的過(guò)熱程度取決于多種因素，其中，加熱面溫度與蒸汽溫度的差值為關(guān)鍵因素，當(dāng)二者的溫差偏小時(shí)，液體雖有沸騰現(xiàn)象但其沸騰不明顯，此為對(duì)流傳熱過(guò)程；當(dāng)溫差過(guò)大時(shí)，傳熱系數(shù)與熱流密度同時(shí)增大，此過(guò)程為泡核沸騰傳熱過(guò)程；當(dāng)溫差為增大趨勢(shì)且達(dá)到某一限值的情況下，將生成大量蒸汽泡，各個(gè)氣泡在相互作用下逐步匯聚到一起，在加熱面表面形成蒸汽膜，因?yàn)檎羝さ拇嬖?，傳熱系?shù)在短時(shí)間內(nèi)大大降低，這一過(guò)程就是膜狀沸騰傳熱，氣相中夾帶的水膜導(dǎo)致激冷室的帶水現(xiàn)象較為嚴(yán)重[2]。氣化爐負(fù)荷處于持續(xù)增大的趨勢(shì)時(shí)，意味著激冷室熱負(fù)荷強(qiáng)度相對(duì)較高，一旦達(dá)到某一臨界狀態(tài)，傳熱方式發(fā)生變化，從泡核沸騰傳熱轉(zhuǎn)向膜狀沸騰傳熱。傳熱能力持續(xù)降低的過(guò)程中，氣化爐中的氣體可將水帶走。

3.2 氣化爐爐溫

德士古氣化爐運(yùn)行中，爐溫也是影響生產(chǎn)作業(yè)的一大關(guān)鍵指標(biāo)，相關(guān)人員在操作氣化爐時(shí)必須將爐溫控制在合理的范圍內(nèi)。根據(jù)大量的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，如氣化爐保持在高爐溫狀態(tài)下，可以為氣化反應(yīng)創(chuàng)造條件，增大反應(yīng)速率，并同步保障產(chǎn)氣量與碳轉(zhuǎn)化率。但是，高爐溫也會(huì)帶來(lái)其他的問(wèn)題，一旦爐溫過(guò)高，也將對(duì)應(yīng)著較高的合成氣溫度，激冷室的熱負(fù)荷強(qiáng)度、飽和水蒸氣、總氣量等都同步增大[3]。如果氣化爐的爐溫偏低，雖可滿足氣化反應(yīng)的溫度要求，但反應(yīng)速率較慢，碳轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)氣量都相對(duì)偏低，產(chǎn)生的粗渣殘?zhí)驾^多，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，不符合低碳環(huán)保的生產(chǎn)要求，如未及時(shí)增大爐溫，持續(xù)保持低爐溫條件，后續(xù)可能會(huì)出現(xiàn)錐底堵渣現(xiàn)象。

德士古氣化爐運(yùn)行中最佳的爐溫為超過(guò)灰熔點(diǎn)50～150℃，但由于每個(gè)煤化工企業(yè)都有各自的生產(chǎn)特點(diǎn)，在控制爐溫時(shí)還需嚴(yán)格參考其他參數(shù)。以某煤化工企業(yè)的德士古氣化爐來(lái)說(shuō)，該氣化爐的原煤質(zhì)量不佳，黏溫特性不足，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，渣口與鎖斗的堵渣現(xiàn)象無(wú)法避免，為解決此問(wèn)題，操作人員將爐溫控制在較低的控制指標(biāo)，但即使如此，氣化爐依舊存在帶水現(xiàn)象，且出現(xiàn)此現(xiàn)象的周期大大縮短，甚至在10天之內(nèi)發(fā)生了帶水現(xiàn)象，說(shuō)明爐溫過(guò)低也不利于預(yù)防氣化爐帶水現(xiàn)象。

3.3 原料煤質(zhì)量

德士古氣化爐的帶水現(xiàn)象也可能由原料煤質(zhì)量不達(dá)標(biāo)所導(dǎo)致，氣化爐運(yùn)行時(shí)對(duì)能源有極高的性能要求，只有保障原料煤質(zhì)量與性能符合標(biāo)準(zhǔn)，才能避免能源質(zhì)量問(wèn)題引發(fā)的帶水現(xiàn)象。但實(shí)際上，許多煤化工企業(yè)的德士古氣化爐都因?yàn)樵厦嘿|(zhì)量不佳而出現(xiàn)了帶水現(xiàn)象。結(jié)合大量的氣化爐生產(chǎn)與工作經(jīng)驗(yàn)，所選用的原料煤灰分黏溫特性、反應(yīng)活性、內(nèi)水、灰熔點(diǎn)等均應(yīng)符合要求。氣化爐帶水原因的分析中，煤灰的黏溫特性為一大主因，合適煤種的煤灰軟化溫度與流動(dòng)溫度應(yīng)有超過(guò)30 ℃的溫差。某煤化工企業(yè)的德士古氣化爐中，有關(guān)人員在分析原煤與煤漿槽煤漿灰縫的灰熔點(diǎn)后，發(fā)現(xiàn)軟化溫度與流動(dòng)溫度之間的偏差非常小，幾乎可忽略不計(jì)。相關(guān)人員在分析煤灰后，發(fā)現(xiàn)其中的Fe2O3、Al2O3、CaO等物質(zhì)的含量較高，SiO2的含量偏低，原煤的這一構(gòu)成特點(diǎn)決定了煤炭燃燒產(chǎn)生的灰渣進(jìn)入激冷室后，產(chǎn)生的細(xì)灰較多，部分細(xì)灰無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)凝固，最終被合成氣帶入到下降管、上升管的環(huán)隙，并牢固黏結(jié)于環(huán)隙中，影響氣化爐的正常運(yùn)行[4]。

3.4 氧氣調(diào)節(jié)、氧氣壓力與流量波動(dòng)

煤漿氣化過(guò)程中，氧氣調(diào)節(jié)、氧氣壓力與流量波動(dòng)也可能是引起氣化爐帶水的重要原因。為使煤漿進(jìn)入氣化爐后可被充分霧化，中心氧體積分?jǐn)?shù)應(yīng)在15%～25%之間，如中心氧含量超出正常標(biāo)準(zhǔn)，氣化爐火焰延長(zhǎng)，合成氣進(jìn)入激冷室以后溫度驟然增大，為此，需在確保霧化充分的情況下控制中心氧含量。氣化爐帶水現(xiàn)象也可由氧氣壓力、流量頻繁波動(dòng)引起，許多煤化工企業(yè)在生產(chǎn)中未實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氧氣壓力、流量，導(dǎo)致氣化爐帶水問(wèn)題嚴(yán)重，給生產(chǎn)帶來(lái)了較大的干擾。

4 煤化工企業(yè)德士古氣化爐帶水問(wèn)題的控制對(duì)策

4.1 增加上升管的直徑，增加下降管和上升管之間的環(huán)形通道空間

由于德士古氣化爐帶水問(wèn)題由多種因素所導(dǎo)致，為科學(xué)控制這一方面的問(wèn)題，可從出現(xiàn)的原因著手采取有效的控制措施。由于合成氣對(duì)液相的影響較大，在企業(yè)內(nèi)需根據(jù)氣化爐的構(gòu)成特點(diǎn)，適當(dāng)增加上升管直徑，以擴(kuò)大下降管與上升管之間的環(huán)形空間，減小合成氣對(duì)液相的干擾，從根本上控制氣體流速，減弱氣體夾帶水的能力。通常氣化爐激冷室的上升管利用螺栓來(lái)緊固，在實(shí)際的工作中相關(guān)人員需根據(jù)需求調(diào)整上升管的直徑。與其他方式相比較，增加上升管的直徑的操作方法簡(jiǎn)單且投入較低。

4.2 擴(kuò)大氣化爐激冷室空間

在原有基礎(chǔ)上適當(dāng)擴(kuò)大氣化爐激冷室的空間，對(duì)控制帶水現(xiàn)象也相對(duì)有效，因?yàn)楫?dāng)氣化爐激冷室空間變大后，激冷室液位上部的分離區(qū)域相對(duì)充足，部分夾帶水將會(huì)回流于激冷室空間。一旦氣體流速相同，氣體夾帶水的動(dòng)能也一樣，液滴帶出速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分離空間的流速，也就會(huì)產(chǎn)生更多的合成氣帶水。如設(shè)備處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，洗滌塔與氣化爐之間可保持水平衡狀態(tài)，此時(shí)，夾帶水可正?；亓?，但如果氣化爐帶水問(wèn)題較為嚴(yán)重，相關(guān)人員應(yīng)通過(guò)控制液位的方式來(lái)增大激冷室液面上部空間，以減緩帶水問(wèn)題。

4.3 合成氣出口管線部位設(shè)置氣水分離器

德士古氣化爐工作中，在合成氣出口管線部位設(shè)置氣水分離器對(duì)預(yù)防帶水問(wèn)題也相對(duì)有效，因?yàn)樵诓贾昧诉@一設(shè)備后，可及時(shí)分離水，使這些水回流到氣化爐激冷室內(nèi)，不僅可解決帶水問(wèn)題，還能使氣化爐降低對(duì)激冷水的需求，保障激冷水、洗滌塔的水質(zhì)，最大程度上降低動(dòng)力消耗，進(jìn)一步簡(jiǎn)化洗滌塔、氣化爐的操作流程[5]。比如煤化工企業(yè)中相關(guān)人員可調(diào)整激冷室直徑，也可增大上升管直徑，為合成氣的流動(dòng)創(chuàng)造良好的條件，并保障較大的流動(dòng)空間。對(duì)于激冷室，在條件允許的情況下相關(guān)人員需在恰當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置破泡條，消除氣泡，抑制膜狀傳熱，并借助鐘罩形狀的上升管實(shí)現(xiàn)防堵目標(biāo)，否則，一旦在氣化爐中的水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，隨著生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，大黑水管線內(nèi)將產(chǎn)生較多水垢，易引起氣化爐激冷室的堵塞。

4.4 降低生產(chǎn)負(fù)荷和操作溫度

煤化工企業(yè)的德士古氣化爐工作中出現(xiàn)了帶水問(wèn)題，相關(guān)人員需根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)減小生產(chǎn)負(fù)荷與操作溫度，通過(guò)控制這兩個(gè)參數(shù)來(lái)避免帶水問(wèn)題。當(dāng)然，操作人員也需要在原有基礎(chǔ)上增加高壓灰水補(bǔ)水量、激冷水量、氣化爐錐底排黑量、洗滌塔底部排黑量，避免形成帶水條件。具體操作中有關(guān)人員必須要將洗滌塔液位控制在合理范圍內(nèi)，預(yù)防洗滌塔的二次帶水，與此同時(shí)，氣化爐液位應(yīng)盡可能保持在穩(wěn)定狀態(tài)下，或者在一些特殊的情況下小幅度降低氣化爐液位。

4.5 嚴(yán)格控制灰水的工藝指標(biāo)

德士古氣化爐帶水現(xiàn)象的處理中，操作人員也要嚴(yán)格控制灰水的各項(xiàng)工藝指標(biāo)，保持水質(zhì)的穩(wěn)定性，適當(dāng)增大系統(tǒng)水的外排量、新鮮水的補(bǔ)水量。如：氣化爐生產(chǎn)負(fù)荷有所波動(dòng)且存在其他異常情況時(shí)，必須及時(shí)改變灰水系統(tǒng)中絮凝劑、阻垢分散劑的添加量。

5 結(jié)語(yǔ)

德士古氣化爐帶水是煤化工企業(yè)中普遍存在的問(wèn)題，很多因素都會(huì)引發(fā)這一問(wèn)題。為避免這一現(xiàn)象，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率與效益，企業(yè)需立足自身情況，強(qiáng)化設(shè)備改造與技術(shù)引進(jìn)，采取有效措施預(yù)防氣化爐帶水。