多元料漿氣化工藝渣口堵的分析與處理

陳文超

(皖北煤電淮化集團合成氨廠,安徽淮南 232038)

1 流程及反應概述

我廠采用的是多元料漿加壓氣化工藝,以灰分17%左右、灰熔點低于1 400℃的河南義馬煤為原料,制得濃度在58%～62%的多元料漿。加壓的多元料漿和氧氣經三元流道工藝燒嘴噴入氣化爐以后,多元料漿被高效霧化成細小的煤粒,與氧氣在氣化爐內于1 300～1 400℃的高溫下進行復雜的氧化還原反應,產生煤氣,同時生成少量的熔渣。合成氣與熔渣出氣化爐燃燒室以后,在下降管的引導下進入到激冷室的液面以下,為了保護下降管,在下降管的上端設置了激冷環,用來分布供應到氣化爐激冷室的激冷水,使激冷水以液膜的形式分布在下降管的內表面。在下降的過程中,合成氣和熔渣與下降管內壁上的水膜進行傳熱傳質,熔渣被冷卻固化后沉降到氣化爐激冷室的底部,經鎖斗收集后排出;合成氣被冷卻,溫度降低,部分激冷水被蒸發并以飽和水蒸氣的形式進入到合成氣氣相主體中。吸收了飽和水蒸氣的合成氣出下降管以后,在浮力和氣流的推力作用下沿下降管與上升管之間的環隙鼓泡上升,離開上升管后經激冷室上部的折流板折流,從氣化爐激冷室的合成氣出口排出,再經文丘里洗滌器進一步增濕后進入洗滌塔洗滌掉合成氣中的少量灰分,送變換工序。洗滌塔的補充水有三路:一路是由文丘里加入的高壓灰水,另兩路是冷凝液和高溫灰水,分別由洗滌塔的塔盤供水流量調節閥和洗滌塔的液位調節閥加入。洗滌塔內的部分工藝水經洗滌塔循環泵加壓后送到氣化爐的激冷環作冷卻水用,氣化爐和洗滌塔各有部分黑水排放到三級黑水閃蒸系統,以便進一步處理,將系統中的大部分酸性氣體分離出來,并回收熱量補充到系統當中來維持系統的熱平衡,同時濃縮黑水。濃縮的黑水進入沉降槽進一步沉降分離,上層含固量低于200×10-6的清液經處理后返回系統再利用。

在高溫、高壓下進行的氣化反應,生成以CO+H2為主要成分的粗合成氣。在氣化爐內進行的反應相當復雜,一般認為氣化分三步進行。

(1)煤的裂解和揮發分的燃燒。水煤漿和氧氣進入高溫氣化爐后,水迅速蒸發為水蒸氣。煤粉發生熱裂解并釋放出揮發分。裂解產物及揮發分在高溫、高氧濃度下迅速完全燃燒,同時煤粉變成煤焦,放出大量的反應熱。因此,合成氣中不含焦油、酚類和高分子烴類。這個過程相當短促。

(2)燃燒及氣化反應。煤裂解后生成的煤焦一方面和剩余的氧氣發生燃燒反應,生成CO、CO2等氣體,放出反應熱;另一方面,煤焦又和水蒸氣、CO2等發生化學反應,生成CO、H2。

(3)氣化反應。經過前面兩步的反應,氣化爐中的氧氣已完全消耗。這時主要進行的是煤焦、甲烷等與水蒸氣、CO2發生的氣化反應,生成CO和H2。

—般認為氣化爐中主要進行以下化學反應:

爐內反應時間很短(一般為7 s),且是富氧環境,故系統熱負荷高。反應產生的流動態熔融渣大部分隨氣流經渣口進激冷室降溫排出,另一部分附著在耐火磚表面,形成膜狀并動態維持一定厚度,在溫度較高時則會因為流動性增強流向渣口排出。氧氣供應和料漿質量的變化對反應影響大。在原料變化時,氣化爐溫度變動明顯。

2 渣口堵現象和危害

在氣化操作中,有時由于煤質的變動和多元料漿濃度的變化,有時因為供氧的增加,甚至因為高壓煤漿泵打量不正常,燒嘴偏噴等干擾爐溫的穩定,經常出現爐溫短時間內急劇增長,操作溫度從正常的1300℃左右躥升超過1400℃,有時甚至超過1 500、1 600℃,直至燒壞熱電偶,這也是氣化爐熱偶通常只能使用1～2周的原因。伴隨溫度變化的是氣化爐與激冷室壓差顯示PDI31306變化。正常情況下操作穩定時, PDI31306為20～30 kPa或在上下范圍內波動,當爐溫躥升并超過某一值時(由灰熔點決定), PDI31306顯示值在數分鐘緊跟著增長起來,嚴重時直接漲至顯示高限,并使得從燃燒室排出的灰渣減少從而使鎖渣斗收渣曲線發生變化。長期低溫下運行的氣化爐積渣,在合成氣的作用下緩慢聚集,迫使渣口收縮時也會導致渣口堵;另一個極端情況是破渣機上面發生渣“架橋”,長時間處理不掉,造成渣在下降管內堆積,顯示氣化爐壓差增大。

渣口堵時顯著變化的是合成氣成分,我廠設計正常情況下合成氣中有效其成分約占78%,其中,H234.3%、CO 43.4%,CO2含量為21.5%。當渣口聚堵時,可以通過在線分析數據觀察到CO含量上升,CH4含量上升,CO2含量下降。當癥狀稍微緩和或渣口稍大后,CO、CH4含量出現下降,同時CO2含量上升。根據氣化爐內主要反應,該過程可以理解為,由于爐溫升高渣口收縮,致使煤的裂解反應[CmHnSr+(m-n/4+r/2)C+rH2S -Q]增加,CH4含量上升;同時,高溫有利于CO2還原反應(-Q)和非均相水煤氣反應(C++CO-Q),CO含量上升,CO2含量下降。隨著問題的緩解,系統反應溫度降低,反應恢復到之前的狀態,合成氣相關組分含量恢復正常,所以處理完整個渣口堵問題后,合成氣分析曲線表現為CH4、CO同步先波峰再波谷的趨勢,CO2則是先波谷再波峰的曲線。另外,當氣化爐壓差增大渣口堵時,中控可以監測到撈渣機電流持續偏低,現場檢查渣型渣量均有異常:渣量減少,渣有明顯拉絲現象。綜合上述現象,控制人員應該結合渣口堵發生的機理判斷、處理。

3 渣口堵的原因分析

發生渣口堵有兩種情況:一是長期低溫操作,渣流動性差積累較多,在渣口越積越多,逐漸使得渣口縮小;一是爐溫超過合理的操作溫度,即遠超過原料煤種灰熔點FT,從而造成爐壁掛渣及氣化爐錐底積渣熔融聚集在渣口附近,導致渣口縮小。發生的原因可能有以下幾個方面的因素。

(1)爐溫低,灰渣流動性不好。主要是整體爐溫小于所需操作溫度,長時間在低溫下操作,流動性不好的渣在爐壁和燃燒室錐底積累,當累積到一定程度時,在重力和氣體沖擊力的雙重影響下,積渣順著爐壁流向渣口,在渣口處聚積,渣口隨之變小。

(2)煤質差,灰分高、灰熔點高。由于操作要求略高于灰熔點30～50℃,灰分高灰熔點高時溫度很難把握,而且灰分高時灰渣含量較平時大,如若溫度稍低,就會影響排渣,使得渣流動變慢,易在渣口聚集,造成渣口不暢。另一個原因是煤質的變動,往往表現在兩個方面:一是拿低灰熔點的煤種代替高灰熔點的煤種參與反應時,由于對煤漿性質了解不夠,仍在原爐溫下操作,導致熔融態的渣不易掛渣,同時流向渣口發生堵渣現象;一是用高灰熔點的煤種代替低灰熔點的煤種時,由于爐溫的提高,致使爐壁上原有的低灰熔點掛渣和氣化爐錐底積渣瞬間熔融同時流向渣口。對于煤質變動,只要了解煤質就可以預防渣口堵。在煤質變動時,做到升溫降溫緩慢進行,以維持爐壁掛渣的動態平衡即可。

(3)爐溫突然升高積渣熔融聚集,包括氧煤比提高、煤漿泵不打量、煤漿濃度降低等原因。

①料漿濃度降低。當料將濃度降低時,雖然氣化爐進水增多,維持爐溫所需氧氣量相對而言應該增加,但實際需氧量總體上講仍舊是降低的,此時若仍保持原氧煤比操作,勢必發生“過氧”,從而導致爐溫升高,爐壁掛渣及氣化爐錐底積渣熔融變薄,渣口聚渣增多。

②高壓煤漿泵打量不正常。通常表現為高壓煤漿泵一缸或多缸不打量,致使進入氣化爐的料漿瞬間減少,即使進氧量不增加,也會出現“過氧”,從而導致爐溫升高,爐壁掛渣和氣化爐錐底積渣熔融變薄,渣口聚渣增多,渣口收縮。

③氧煤比提高。當人為正常或者不正常地提高氧煤比時,容易造成爐溫升高,加速熔融態的渣向渣口聚集。

(4)燒嘴偏噴。這是多元料漿氣化工藝使用頂置噴嘴亟待解決的問題。采用特殊材料制作的燒嘴工作在6.5 MPa、1 400℃高溫的惡劣工況下,由于煤漿固體顆粒的沖刷和氣化爐內返混流場的燒蝕,每運行一段時間都會發生不同程度的變形損傷,表現為以下。

①燒嘴同心度偏離。由于中心定位翼片的變形位移等因素,燒嘴同心度發生偏移,影響其工作特性。

②燒嘴尖端部受損。由于磨蝕和燒蝕作用,燒嘴使用一段時間其尖端部有可能出現裂縫、磨損和變形,致使物料流道變形擴大,從而改變霧化效果,影響工作特性。

③燒嘴尖回縮。燒嘴回縮本身并無大礙,設計中都允許有±10%的偏差,但該值的變化可以反映其他尺寸的變化。

總之,由于燒嘴自身的缺陷和工作環境的原因,燒嘴性能極易發生變化,明顯的癥狀就是燒嘴偏噴。發生偏噴時,一方面煤漿出燒嘴時就偏流,霧化效果極差,造成渣中可燃物升高,火炬偏到爐子一邊,使偏向部分的耐火磚沖刷磨蝕加快,嚴重時導致爐壁局部超溫,致使局部掛渣和偏向部分的氣化爐錐底積渣熔化,向渣口聚攏;另一方面,部分接觸氧氣較少的煤漿反應率低,造成區域溫度低,渣流動性不好,易在渣口聚集,這兩方面的因素都將導致渣口縮小且多呈不規則形狀。此外,燒嘴張角增大也會引起渣口堵。德士古燒嘴的張角有嚴格的要求,運行較長時間后,燒嘴磨損,張角增大,燃燒不好,高壓下帶向爐壁的灰渣就會增加,當渣積到一定的程度,在重力和氣體沖擊力的雙重影響下,積渣順著爐壁流向渣口,在渣口處聚積,渣口隨之變小。

(5)需要指出的是,渣口不暢或渣口堵究其原因就是氣化爐操作溫度不當。氣化爐溫度的控制原則,是在保證液態排渣的情況下盡可能維持較低的溫度,但是如果溫度過低,渣的流動性會變差,在錐形渣口處渣就會越積越多,導致渣口減小,氣體在燃燒室停留時間增長,氣體成分就會隨之改變。另一種情況是當氣化爐溫度突然升高時,爐壁掛渣和錐底積渣熔融使得渣口迅速收縮,氣化爐壓差PDI31306突增。這一點在我廠幾臺氣化爐烘爐和投料開車中都得到證實。

①在烘爐時,為防止積渣熔融聚集,一般嚴格控制爐膛溫度在1 150℃,長時間的恒溫致使氣化爐錐底積渣越來越多,但渣口變化不大,當燃料氣稍微增加,爐膛溫度略有上升時,渣口即刻縮小,有時甚至在幾分鐘內就堵死渣口,以至于不得不停止烘爐,人工砸渣口。

②如表1,開車投料時,由于投料成功后氧煤比調整較大,使得爐內溫度迅速升高,在氣流的帶動下氣化爐錐底在烘爐階段積聚的熔渣瞬間流動擠向渣口,導致渣口收縮,PDI31306增長,我廠甚至因渣口“堵死”投料后停車數次。

表1 A爐投料后渣口堵導致停車

4 渣口堵問題的應對措施

(1)因為煤質的不穩定性,操作中很難確定一個相對恒定的溫度,我們只有通過分析氣體成分等,根據經驗作出判斷。生產運行中如果發現CO、CO2曲線異常(氧煤比、煤漿相對穩定時),就要特別注意,尤其是當改變的趨勢與改變氧煤比的趨勢不同時:提高氧煤比,CO增大,CO2減少,CH4含量上升,就可以判斷渣口不暢,就要及時調整工況。這是因為氣體在燃燒室內的停留時間增長,導致氣體成分的異常變化。當然,渣口堵最直接的判斷就是氣化爐壓差顯示PDI31306的增長,尤其是在氧煤比增加,爐膛溫度增長時。需要指出的是,合成氣管線堵時PDI31306也會增長,但其增長是一個長時間緩慢積累的過程,且合成氣成分并不發生異常變化。渣口堵時具有一定延時的判斷依據是撈渣機電流和渣型渣量。

(2)應對措施。若出現渣口不暢或渣口堵,首先應該考慮降負荷以換取緩解癥狀爭取處理的時間,及時調整氧煤比,調整爐膛溫度,緩慢熔渣。這個過程不能太急,尤其是降負荷操作需緩慢精心,可參考合成氣在線分析數據和氣化爐爐壁溫度進行。而且,加氧要嚴格遵守多次少量的原則,避免造成渣口再次縮小,因為這時渣量較大。同時,應分析渣口收縮的具體原因,做好情況惡化準備,注意爐溫變化趨勢。如果發現及時,通過提高氧煤比,一般在8 h內就可恢復正常。渣口恢復正常,氣體成分也相對穩定了,可以適當減小氧煤比,再觀察幾小時,確認無反復跡象,恢復到正常操作溫度和負荷運行。渣口不暢聚堵時,現場主要注意監測爐壁溫度、拱頂溫度,必要時加大爐壁溫度、拱頂溫度監測頻率,防止爐壁、拱頂超溫燒紅燒穿,在爐壁溫度接近或達到設計高限時應果斷停車處理。中控注意一氧化碳及甲烷分析數據及趨勢,注意對氣化爐表面熱偶溫度的監視。操作中也常會在渣口不暢時伴隨“架渣”發生,這時操作上諸如破渣機正反轉、鎖渣斗反沖等將會耗用大量時間精力,更要注意熔渣速度和爐溫、氧煤比的精細控制。

對于烘爐和投料階段出現的渣口堵,理論上講可以參考上述過程在前一次停爐時處理規避(我廠提出該方案,但由于停爐基本上都是緊急停,故到目前為止其效果尚未得到證實)。即在計劃停車前4～5 h內降負荷,逐步略提氧煤比,以提高爐溫燒熔和拉薄爐壁掛渣,減少燃燒室錐部積渣,借氣化反應的壓差和氣體沖擊擴大渣口。

5 結 語

氣化爐渣口不暢問題對氣化系統的穩定運行影響較大,我廠氣化生產一直深受這方面的干擾,特別是烘爐和氣化爐投料時,我們也嘗試過采取措施解決該問題,但到目前為止效果不佳。希望通過本文的討論,我們能夠從操作方式和習慣上改進,以減少其發生概率,創造更大的經濟效益。