碎煤加壓氣化爐出口結(jié)焦及集水槽堵塞原因分析及對(duì)策

李榮軍,景 瑋,崔富忠

(伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司,新疆 伊寧 835000)

伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“新天煤化工”)加壓氣化22臺(tái)氣化爐,采用賽鼎設(shè)計(jì)的碎煤加壓氣化爐,其原理是煤與氧氣、蒸汽組成的氣化劑在爐內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成粗煤氣,產(chǎn)出的粗煤氣經(jīng)過(guò)洗滌冷卻進(jìn)入廢鍋,自2017年3月開車以來(lái)出現(xiàn)了氣化爐出口結(jié)焦堵塞導(dǎo)致的溫度失真、廢鍋集水槽堵塞頻繁、循環(huán)洗滌水泵入口管線及葉輪堵塞等問(wèn)題,嚴(yán)重制約氣化爐滿負(fù)荷、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

1 氣化爐出口結(jié)焦及集水槽堵塞帶來(lái)的弊端

1.1 氣化爐出口溫度顯示失真

氣化爐設(shè)計(jì)負(fù)荷為6 890 Nm3/h,設(shè)計(jì)出口溫度為386 ℃,由于出口溫度失真,實(shí)際運(yùn)行時(shí)出口溫度顯示在200～300 ℃之間(實(shí)際溫度在350～500 ℃之間),部分氣化爐低于200 ℃,氣化爐的出口溫度甚至低于洗滌冷卻器的出口溫度,這種工藝參數(shù)的“假象”,不僅增加了操作難度,而且影響運(yùn)行安全。

氣化爐在運(yùn)行過(guò)程中出口溫度應(yīng)控制在350～500 ℃之間,出口溫度顯示失真,可能會(huì)導(dǎo)致氣化爐出口溫度實(shí)際高,但顯示低,造成氣化爐氧穿透事故;出口溫度高,可能出現(xiàn)溝流、風(fēng)洞,影響氣化爐運(yùn)行安全。

1.2 循環(huán)洗滌水泵入口管線及葉輪堵塞

循環(huán)洗滌水泵的主要作用是將200 m3/h煤氣水輸送至洗滌冷卻器洗滌粗煤氣,在洗滌冷卻器內(nèi)粗煤氣從386 ℃降至211 ℃,正常電流為35～40 A,氣化爐在5 0003/h的氧負(fù)荷下運(yùn)行5～7 d就會(huì)使洗滌冷卻器出口溫度達(dá)到220 ℃以上,循環(huán)洗滌水泵電流低于35 A,通過(guò)對(duì)循環(huán)洗滌水泵隔離拆檢發(fā)現(xiàn),葉輪堵塞嚴(yán)重,甚至出現(xiàn)入口管線堵塞的情況,只能人工清理,頻繁地降負(fù)荷、清泵,不僅影響系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng),而且增加了中控與現(xiàn)場(chǎng)人員的工作量。

1.3 廢鍋集水槽底部及出口管線堵塞嚴(yán)重

在試車初期,氣化爐負(fù)荷達(dá)到5 000 Nm3/h以上時(shí),集水槽堵塞頻繁,液位居高不下,中控、現(xiàn)場(chǎng)配合進(jìn)行反沖洗,為了維持生產(chǎn)運(yùn)行,氣化爐負(fù)荷只能控制在72%以下,經(jīng)常由于集水槽堵塞形成水封氣化爐被迫停車,頻繁開停車不僅增加了勞動(dòng)量,而且不經(jīng)濟(jì)、增加能耗,嚴(yán)重制約氣化爐的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

2 氣化爐出口結(jié)焦原因分析

2.1 波斯曼套筒與氣化爐內(nèi)壁間隙小

氣化爐波斯曼套筒與氣化爐內(nèi)壁的間隙為404 mm,在煤氣化過(guò)程中,大量的焦油在干燥層、干餾層蒸發(fā)出來(lái),干餾層的煤被上升煤氣加熱到300～600 ℃時(shí)煤開始軟化,焦油和少量的H2、CO2、CO、H2S、NH3從煤氣中分解出來(lái),350～550 ℃時(shí)CH4和C2以上的烴類從煤中逸出到干餾層,酚吡啶萘等有機(jī)物也形成并分解出來(lái),焦油隨粗煤氣流到波斯曼套筒外環(huán)隙,逐漸結(jié)焦,粗煤氣流速越快,氣化爐出口粗煤氣帶出物多,帶出物逐漸隨焦油布滿波斯曼套筒環(huán)隙,導(dǎo)致出氣化爐洗滌冷卻器平衡管處堵塞嚴(yán)重,氣化爐出口溫度失真,氣化系統(tǒng)部分設(shè)備及管線堵塞嚴(yán)重。

2.2 洗滌冷卻器無(wú)清焦裝置

新天煤化工碎煤加壓氣化爐使用的是粒度為8～100 mm的長(zhǎng)焰煤,加熱時(shí)能產(chǎn)生一定量的膠質(zhì)體,揮發(fā)分和焦油產(chǎn)率高。在氣化過(guò)程中,大量的焦油從干燥干餾層蒸發(fā)出來(lái),焦油被氣化層的高溫粗煤氣帶出氣化爐。在氣化爐出口處,因?yàn)闊o(wú)自動(dòng)在線清焦裝置,大量的焦油在高溫氣體的作用下結(jié)焦,造成氣化爐出口熱電偶溫度計(jì)(121TI029)表面結(jié)焦,氣化爐出口溫度計(jì)(121TI029)是氣化爐安全運(yùn)行的重要監(jiān)測(cè)儀表,熱電偶表面結(jié)焦使得氣化爐出口溫度失真,嚴(yán)重影響氣化爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 氣化爐氧負(fù)荷與細(xì)粉、流速的關(guān)系

氣化爐負(fù)荷在5 500 Nm3/h以下,煤粒度8～100 mm的達(dá)到95%以上,小于6 mm的控制在3%時(shí),每日帶到后系統(tǒng)煤氣水分離裝置的細(xì)煤粉為0.6 t;負(fù)荷達(dá)到5 500 Nm3/h以上,煤粒度8～100 mm的達(dá)到95%以上,小于6 mm的控制在3%時(shí),每日帶到后系統(tǒng)煤氣水分離裝置的細(xì)煤粉為0.8 t。氣化爐負(fù)荷在5 500 Nm3/h以下,煤粒度8～100 mm在90%以上,小于6mm的大于5%時(shí),每日帶到后系統(tǒng)煤氣水分離裝置的細(xì)煤粉為1.0 t;氣化爐負(fù)荷在5 500 Nm3/h以上,小于6 mm的大于5%時(shí),每日帶到后系統(tǒng)煤氣水分離裝置的細(xì)煤粉為1.2 t。因此,氣化爐氧負(fù)荷越高,氣化爐出口流速越高,煤中的細(xì)煤粉越多,則帶出物越多,氣化爐出口結(jié)焦率越大,則氣化爐出口溫度越低。

根據(jù)新天煤化工氣化爐運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),氣化爐負(fù)荷在5 500 Nm3/h時(shí),粗煤氣產(chǎn)量為45 000 Nm3/h;氣化爐負(fù)荷在6 000 Nm3/h時(shí),粗煤氣產(chǎn)量為50 000 Nm3/h;氣化爐負(fù)荷在6 500 Nm3/h時(shí),粗煤氣產(chǎn)量為60 000 Nm3/h,根據(jù)流量的計(jì)算公式q=8Q(體積流量),流速(m/s)=[體積流量(m3/h)÷管道截面積(m3)] ÷3 600,單爐粗煤氣管道管徑為DN350,分別可以計(jì)算出粗煤氣流速為4 m/s、4.5 m/s、5.4 m/s,通過(guò)計(jì)算可以得出結(jié)論:負(fù)荷越高,粗煤氣流速越大,相應(yīng)帶出物隨著負(fù)荷的增加而增加。

3 廢鍋集水槽堵塞原因分析

3.1 氣化爐帶出物多

在碎煤加壓氣化爐氣化過(guò)程中,入爐煤粒度的大小影響著氣化爐的運(yùn)行負(fù)荷、粗煤氣產(chǎn)量。煤的粒度越小,同質(zhì)量的煤表面積越大,其吸附和擴(kuò)散速度越快,氣化反應(yīng)速度越快;粒度小的煤傳熱速度快,煤塊內(nèi)外溫差小,原料煤升溫速率快,粗煤氣入爐煤粒度過(guò)小,氣化爐床層阻力增大,帶出物增多。查閱相關(guān)資料,據(jù)顆粒流體力學(xué)關(guān)于沉降速度的相關(guān)內(nèi)容,粗煤氣帶出爐外的煤粒大小計(jì)算方法為:當(dāng)煤氣氣流處于滯流區(qū)時(shí),其雷諾數(shù)(Re)小于2,帶出爐的煤塊主要是克服摩擦力,采用斯托克斯定律;當(dāng)煤氣氣流處于湍流區(qū)時(shí),其雷諾數(shù)(Re)大于500時(shí),帶出爐的煤塊主要是克服氣流動(dòng)壓阻力,采用牛頓運(yùn)動(dòng)定律,粗煤氣帶出爐外的煤粉最大直徑計(jì)算公式d={18μw0[(ρ固-ρ氣)g]}1/2。式中,d為被帶出煤粉的最大直徑,nm;μ為濕煤氣的黏度,kg/(m·s);w0為煤粉的沉降速度,m/s:ρ固為煤粉密度,kg/m3;ρ氣為煤氣密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2。

由上述公式可知,當(dāng)煤氣氣流速度大于煤粉的沉降速度時(shí),直徑小于d的煤粉將被帶出氣化爐。實(shí)際生產(chǎn)中,煤塊粒度越小或氣化爐負(fù)荷越小,則氣化爐床層阻力越大,氣化爐帶出物越多。

由于氣化爐使用的伊犁四礦長(zhǎng)煙煤強(qiáng)度差,粉焦率很高,氣化燃燒過(guò)程中,在爐內(nèi)空氣運(yùn)行階段就出現(xiàn)粉化,隨著煤氣流帶到廢熱鍋爐,在廢熱鍋爐集水槽液位調(diào)節(jié)閥狹窄處黏結(jié),逐漸堵塞管道。當(dāng)氣化爐負(fù)荷增加至5 000 Nm3/h以上時(shí),由于氣流速度快,粒徑較大煤塊隨著氣流帶至調(diào)節(jié)閥,造成堵塞。

3.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

在集水槽堵塞后拆檢發(fā)現(xiàn),集水槽底部的格柵過(guò)濾器的間隙變小,甚至由于本身強(qiáng)度和前后壓差原因出現(xiàn)不同程度變形,流通面積和間隙減小,煤粉或碎煤塊不能及時(shí)排出,逐漸造成集水槽堵塞,當(dāng)集水槽內(nèi)部粉煤和煤塊高度超過(guò)循環(huán)洗滌水泵入口管線接口時(shí),就出現(xiàn)入口管線及葉輪堵塞,打液量降低,洗滌冷卻器出口溫度升高。

4 氣化爐出口堵塞及集水槽堵塞原因探究

4.1 波斯曼套筒堵塞原因及對(duì)策

為保證核心設(shè)備氣化爐的運(yùn)行安全,探究制約產(chǎn)氣量、廢鍋集水槽底部及出口管線堵塞嚴(yán)重的問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)波斯曼套筒與氣化爐內(nèi)壁間隙小為主要原因。為解決氣化爐波斯曼套筒小的問(wèn)題,多次嘗試、改造,通過(guò)計(jì)算,結(jié)合項(xiàng)目使用原料煤種,通過(guò)優(yōu)化氣化爐波斯曼套筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

(1)波斯曼套筒直徑由現(xiàn)有的3 040 mm調(diào)整為2 940 mm,即氣化爐內(nèi)筒與波斯曼套筒外壁的環(huán)隙寬度由404 mm擴(kuò)大到454 mm(見(jiàn)圖1),當(dāng)氣體流速為亞音速時(shí),氣體出口管道的形狀宜于噴管形,進(jìn)一步降低粗煤氣在環(huán)隙中的流速。

圖1 氣化爐內(nèi)筒與波斯曼套筒外壁的環(huán)隙寬度擴(kuò)大到454 mm

(2)現(xiàn)有氣化爐波斯曼套筒向下延伸 200 mm(見(jiàn)圖2),即長(zhǎng)度由原來(lái)的1 840 mm增大到 2 040 mm,這樣可以固定干餾層析出的焦油,防止其隨氣流到波斯曼套筒外部;提高出口溫度100 ℃左右,可有效降低焦油凝固。

圖2 氣化爐波斯曼套筒向下延伸 200 mm

4.2 氣化爐出口處增加噴水環(huán)

為了確保氣化爐出口溫度(121TI029)的真實(shí)準(zhǔn)確性,在氣化爐出口法蘭處增加高壓噴射煤氣水噴環(huán)(見(jiàn)圖3),用煤氣水裝置提供的高壓噴射煤氣水反向沖洗氣化爐出口,從而減少氣化爐出口結(jié)焦問(wèn)題。為減少煤氣水處理量,利用接力泵將變換冷卻裝置洗滌器高壓噴射煤氣水引入氣化高噴水總管。從目前運(yùn)行看,在氣化爐出口處增加噴水環(huán)的方式減少了出口溫度(121TI029)失真的頻次,但是未能徹底解決。目前,新天煤化工正探索在氣化爐出口處增加刮刀的方式來(lái)徹底解決這一難題。

圖3 氣化爐出口溫度計(jì)熱電偶處增加噴水環(huán)

4.3 安裝洗滌冷卻器刮刀

為徹底解決氣化爐粗煤氣出口、洗滌冷卻器內(nèi)積聚的大量焦塊造成氣化爐氣相出口流通面積減小,導(dǎo)致對(duì)設(shè)備沖刷、損壞的問(wèn)題,延長(zhǎng)氣化爐運(yùn)行周期,保障氣化爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。新天煤化工目前正在籌劃在每臺(tái)氣化爐洗滌冷卻器上安裝刮刀(見(jiàn)圖4),刮刀安裝在洗滌冷卻器的法蘭蓋上,通過(guò)液壓站提供動(dòng)力帶動(dòng)刮刀桿,刮刀桿通過(guò)推拉刮刀破碎焦塊,間歇性地將氣化爐粗煤氣出口的結(jié)焦推入爐內(nèi),保證氣相流道的通暢。

圖4 氣化爐洗滌冷卻器上安裝刮刀示意

4.4 擴(kuò)大集水槽格柵過(guò)濾器

在拆檢集水槽底部時(shí)發(fā)現(xiàn),由于格柵出現(xiàn)不同程度變形,流通面積和間隙減小,粉煤和粒徑稍大的塊煤在格柵間隙處被卡澀、堵塞集水槽。現(xiàn)已將集水槽格柵過(guò)濾器的間隙從8 mm擴(kuò)大到18 mm,經(jīng)過(guò)運(yùn)行效果看,間隙擴(kuò)大后降低了集水槽堵塞的頻率,也沒(méi)有引起煤氣水余熱回收器的堵塞。

5 操作管理

5.1 控制好原料煤中的粉煤含量

氣化爐入爐原料煤設(shè)計(jì)指標(biāo)6 mm粒度以下原料煤占比小于5%,粉煤含量超標(biāo)會(huì)造成氣化爐床層偏移、帶出物增加、出口溫度高等現(xiàn)象,影響氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 氣化爐負(fù)荷防止大幅度波動(dòng)

對(duì)運(yùn)行氣化爐研究發(fā)現(xiàn),其負(fù)荷維持在5 500～6 200 Nm3/h之間,粗煤氣出口流速在4.5 m/s,工況較好,帶出物可控,氣化爐出口溫度控制在350～480 ℃之間,產(chǎn)氣量也最佳,因此要控制較高負(fù)荷保持穩(wěn)定,防止氣化爐出口氣流通道進(jìn)一步變小,進(jìn)而堵塞氣化爐出口。因末端爐粉煤量大,負(fù)荷過(guò)低,則入爐的粉煤量增加,不利于工況調(diào)整;負(fù)荷過(guò)高,則氣流大,帶出物多,集水槽容易堵塞,因此經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索,末端爐負(fù)荷維持在5 000～5 500 Nm3/h為最佳。

5.3 防止集水槽的工況調(diào)整

在長(zhǎng)期操作中發(fā)現(xiàn),當(dāng)氣化爐出口溫度異常上漲后,集水槽隨之發(fā)生堵塞,氣化爐出口上漲說(shuō)明爐內(nèi)有溝流、風(fēng)洞或結(jié)渣,一旦出現(xiàn)這種現(xiàn)象,氣化爐負(fù)荷需要降至3 000 Nm3/h,減少溝流、風(fēng)洞、結(jié)渣造成的空洞區(qū)域?qū)⒚簤m帶至集水槽,通過(guò)正反轉(zhuǎn)交替旋轉(zhuǎn)爐篦,破壞空洞或渣塊,消除風(fēng)洞、溝流、結(jié)渣后逐漸恢復(fù)正常生產(chǎn)。另外,在操作中要控制好最佳汽氧比,要根據(jù)灰渣樣品分析,盡量控制氣化爐低汽氧比運(yùn)行,但是防止結(jié)渣,灰渣形態(tài)為微結(jié)渣狀態(tài)。

5.4 優(yōu)化集水槽沖洗方法

集水槽反沖洗在設(shè)計(jì)上為自動(dòng)沖洗,時(shí)間可自行設(shè)置,但在實(shí)際沖洗中,由于自動(dòng)切斷閥UV038關(guān)閉不是很嚴(yán)密,后系統(tǒng)壓差低,沖洗時(shí)高噴水向后系統(tǒng)流出,反洗效果不是很理想,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期摸索,先利用旁路或TPD021管線將液位排至30%,然后關(guān)閉UV038及外排煤氣水的手閥,全開反洗高噴水閥,集水槽的液位上漲至70%后,關(guān)閉反沖洗閥,打開外排水閥,如此反復(fù),將集水槽底部的煤塵、焦油排出格柵過(guò)濾器,集水槽逐漸暢通。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)擴(kuò)大氣化爐波斯曼套筒間隙、在氣化爐出口增加噴水環(huán)、擴(kuò)大集水槽過(guò)濾網(wǎng)格柵、優(yōu)化操作等方式,氣化爐單爐負(fù)荷由之前的5 000～5 800 Nm3/h,到現(xiàn)階段的5 800～6 800 Nm3/h,不僅提高了生產(chǎn)效率,降低了因多啟爐而帶來(lái)的損耗,而且氣化爐出現(xiàn)結(jié)焦明顯減少,清焦頻率降低,極大改善了氣化爐廢熱鍋爐集水槽頻繁堵塞的問(wèn)題,滿足18臺(tái)氣化爐長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、1臺(tái)備用、2臺(tái)小修、1臺(tái)大修的運(yùn)行目標(biāo),將來(lái)通過(guò)安裝洗滌冷卻器刮刀,將徹底解決氣化爐出口堵塞的問(wèn)題,安全性和經(jīng)濟(jì)型進(jìn)一步提高。