航天爐渣口堵渣原因分析及處理措施

摘 要：氣化爐渣口堵渣是生產過程中經常遇到的異常狀況，對氣化爐的安全穩定運行影響較大。根據航天爐的實際運行經驗及渣口堵渣的實際處理方法，研究引起渣口堵渣的原因及相應的處理措施，對航天爐粉煤加壓氣化裝置的安全穩定運行有一定的指導意義。

關鍵詞：航天爐；渣口壓差；黏溫特性；堵渣；處理措施

河南某化工企業氣化裝置采用HT-L航天爐粉煤氣化工藝，該技術是由中國航天科技集團公司下屬航天長征化學工程股份有限公司擁有的專利技術，吸收了當今世界先進煤氣化技術的優點，采用“粉煤+水激冷”流程，自主研發了氣化爐、氣化燃燒器等關鍵設備，形成了具有自主知識產權的煤氣化成套技術。但在氣化裝置運行過程中由于多種原因，出現多次渣口堵渣的異常狀況，結合企業的實際操作經驗，對渣口堵渣的原因及處理措施進行探討。

1 渣口壓差介紹

氣化爐渣口壓差是指氣化爐爐膛壓力（17PA1068）與氣化爐合成氣出口壓力（17PIA1009）之間的差值（17PDIA1054） 。渣口壓差是氣化爐控制中的一個重要指標，是監測渣口是否堵渣的重要參數。氣化爐滿負荷運行時（氧量30000Nm3/h），渣口壓差在25～35kPa之間。在生產過程中，由于多方面原因，渣口壓差會經常性發生波動，渣口壓差最大值會超過200kPa，從而嚴重影響到氣化爐的正常運行。

渣口壓差測量值由三部分組成；

①渣口部位的壓降：該部位的壓差是實際渣口壓差，就是渣口上部燃燒室與渣口下部的激冷室之間的壓差，在正常情況下，此部分壓差小于5kPa。

②合成氣穿過激冷室水浴的流阻：該流阻近似等于激冷室液位產生的壓差，正常情況下，該部分壓差占渣口壓差顯示值的主要部分。

③合成氣出氣化爐通道的壓降：在負荷一定情況下，該壓差由合成氣在設備內部通道的阻力決定，通常情況下是固定不變的。

2 渣口壓差波動原因及處理措施

①氣化爐負荷調整速率過快，燃燒室中產生的合成氣氣量變化較快，致使燃燒室壓力與后續壓力的壓差波動，從而造成渣口壓差顯示值波動。對于這種情況，渣口壓差顯示值與氣化爐的負荷成正比，渣口壓差波動值一般在5 kPa以內，負荷穩定后，渣口壓差就恢復正常。

②激冷室液位波動較大造成渣口壓差顯示值波動：激冷室液位壓差是渣口壓差顯示值組成的一部分，由于激冷水流量波動、激冷室帶水嚴重、激冷室積渣、操作不當等原因造成激冷室液位的波動，渣口壓差顯示值也會跟隨波動。激冷室液位的控制對氣化爐運行至關重要，激冷室液位是氣化爐運行的重要工藝參數，在檢修過程中對激冷水系統要嚴格控制檢修質量，保證該系統清潔通暢、穩定可靠。

③測量儀表失效：氣化爐上使用的渣口壓差測量值不是渣口壓差的實際值，對于渣口堵塞判斷有一定的影響，有可能造成判斷失誤或者延誤處理。可根據氣化爐壓力和氣化爐合成氣出口壓力計算壓差值。

④渣口處輕微堵渣造成渣口壓差波動：主要原因是氣化爐操作過程中氧煤比調節不合適、煤質變化分析數據不及時、氣化爐操作溫度過低、原料煤質操作窗口較小等原因。一般通過適當提高氣化爐操作溫度就可以處理該狀況。氣化爐渣口壓差波動，長時間處理不了，造成堵塞的情況將在下文進行介紹。

3 渣口堵渣的表現和原因分析

3.1 渣口堵渣的表現有以下現象

氣化爐渣口壓差長時間波動，并且有不斷上漲的趨勢；合成氣中甲烷含量沒有變化，但是二氧化碳含量呈現持續下降趨勢，并且提高氧煤比操作，二氧化碳含量沒有明顯上升趨勢；粗渣中有大渣塊出現，并且伴有玻璃絲渣；破渣機油壓有不同程度的波動。以上現象有三個同時出現，就可以判斷為渣口堵塞。

3.2 渣口堵渣的原因

①氣化爐氧煤比控制不當，長時間處于低溫操作，粉煤灰大部分沒有熔化，只有少量熔渣順著渣層下流。在錐形渣口部位溫度較低，一部分熔渣在錐形渣口處黏度變大，流動性變差，并且合成氣中夾帶的大量沒有熔化的粉煤在此處凝結。長時間運行后在錐形部位出現了大量的堵渣，并進一步延伸至渣口部位，形成渣口堵渣。因為正常情況下，渣口尺寸要大于氣化爐出口合成氣管道內徑，渣口沒有節流效果，所以當渣口初期開始堵塞縮小時，渣口壓差測量值基本沒有變化。當渣口繼續堵塞后，渣口尺寸逐步縮小，當渣口起到節流作用后，渣口壓差就會明顯增大，但是此時渣口堵渣就比較嚴重了，這也是渣口堵塞較難早期發現，不能及早處理的原因。

②煤質波動較大，黏溫特性曲線操作窗口較小的原因。航天爐屬于氣流床氣化技術，液態排渣，煤灰的黏溫特性曲線是氣化爐操作的重要依據。氣化爐液態排渣要求灰渣的黏度應在5～25Pa·s，灰渣在此范圍對應的溫度范圍稱為操作窗口，一般氣化爐適宜煤種的操作窗口應該大于100℃。煤的灰渣黏度為25Pa·s時對應的溫度稱為臨界溫度，氣化爐的操作溫度應該遠離臨界溫度，氣化爐在正常操作過程中，一般要求操作溫度高于灰熔點50～100℃。如果所用煤種操作窗口較小，操作稍有偏差就會造成渣口堵渣。

③燒嘴物料通道異常，造成氣化爐內部反應流場破壞。燒嘴的核心目的是把氧氣和粉煤加速進入到氣化爐，在氣化爐內部形成流場，使氧氣和粉煤快速充分反應。流場的合理性決定了氣化轉化率和效率，燒嘴的結構在氣化爐反應流場形成中占主導地位。燒嘴粉煤通道長時間運行磨損，通道中粉煤流速下降，火焰上移，下部溫度變低，渣口位置熔渣流動性逐漸變差，造成渣口堵渣；燒嘴粉煤通道有異物堵塞造成粉煤分布不均，粉煤進入氣化爐后，在反應流場中有些區域氧煤比高，有些區域較低，最終混合形成流動性較差的熔渣堵塞渣口。一般燒嘴通道內部堵塞的異物為原料煤中的纖維、塑料以及粉煤輸送設備中的燒結金屬破裂碎片或者內件固定用的螺栓螺母等；另外燒嘴氧氣通道的旋流角度選擇對流場影響也較大，氧氣噴出燒嘴的流速在70m/s左右，粉煤噴出燒嘴的流速在15m/s左右，氧氣的速度遠遠高于粉煤的速度，氧氣旋流角度對流場的影響高于粉煤的影響。氧氣旋流角度較大，則流場反應不充分，如果氧氣旋流角度過小，則會使火焰上移，上部氣化爐爐膛超溫，致使操作人員降低氧煤比，而下部溫度偏低，熔渣黏度變大，容易堵塞渣口。所以選擇一種經過廣泛實際運行驗證的燒嘴，對氣化爐的穩定運行至關重要。

④水冷壁盤管泄漏造成熔渣凝固堵塞渣口。航天氣化爐水冷壁采用盤管結構，盤管外壁向火側涂有5mm左右厚度的耐火料，耐火料外層又有固渣層，這些保護措施目的都是為了保護盤管。如果原始開車過程中初始渣層熔點低、渣層蓬松，在后期運行過程中，渣層就會脫落，尤其在氣化爐爐膛中上部高溫區更明顯。渣層脫落后，耐火料在氣流沖刷下，盤管會暴露出來，造成盤管出現裂紋，甚至燒穿。一般控制盤管內部循環鍋爐水壓力比氣化爐爐膛壓力高0.8 MPa左右，所以盤管泄漏后，盤管內部的鍋爐水就進入到爐膛內部。鍋爐水溫度在270℃左右，爐膛溫度在1300℃以上，鍋爐水進入爐膛后形成激冷，液態渣在盤管泄漏部位大量凝固，尤其是渣口盤管泄漏后引起渣口堵塞較為常見。

⑤氣化爐負荷與爐壓不匹配，造成火焰偏短，長期運行下造成渣口堵渣。氣化爐的負荷（入爐氧量）與氣化爐的壓力是有嚴格的對應關系的，這是保證流場合理的重要措施。但是往往在實際生產中，為了追求高負荷，氣化裝置合成氣外送調節閥處于全開狀態，氣化爐的壓力由后系統控制，造成氣化爐負荷與壓力不匹配。

⑥氣化爐高負荷緊急停車時，爐壁上大量的熔渣急劇降溫，在渣口處凝固，堵塞渣口。這種情況停車后沒有明顯變現，如果停車后不檢查氣化爐渣口，在下次開車后就會出現渣口堵塞的癥狀。

4 渣口堵塞的處理措施

4.1 提高氧煤比提升爐溫

通常先降負荷，降低灰渣量，減少渣口排渣負擔，然后逐步提高氧煤比，提高爐膛整體溫度。

如表1所示，該公司A爐渣口堵渣，首先采用降負荷措施，渣口壓差并沒有下降，而是持續上升。隨后保持入爐煤量不變，緩慢提高氧量，提高爐溫。在此過程，合成氣CH4含量控制在150-500ppm，主盤管密度550-700kg/m3（根據煤質具體情況而定），盤管水冷壁蒸汽產量5～15t/h，插入式測溫點溫度不超1000℃，預埋式測溫點溫度不超800℃。約1小時后渣口壓差降低，接近正常水平。在操作過程中一定要緩慢提高氧量，平穩操作，防止爐膛固渣熔化反而使情況惡化。

4.2 降爐壓拉伸火焰

聯系后系統降壓，拉伸氣化爐燃燒火焰，緩慢提高氧煤比，提高錐形渣口處溫度，利用高溫液態渣和高溫合成氣流沖擊渣口進行清堵。如果渣口壓差在100 kPa以上的情況，可將氣化爐減負荷后，從系統中切出，合成氣從火炬放空。此種方法效果明顯，時間較短，一般2～3小時就可以熔解渣口堵塞。

4.3 渣口恢復正常判斷依據

合成氣成分變化（如下圖所示），CO2含量升高；渣口壓差儀表17PDIA1054顯示正常；熔渣過程中破渣機油壓波動，然后長時間沒有出現波動；粗渣大塊渣明顯減少，球狀和絲狀渣增多。

藍線A：渣口壓差顯示值；

橙線B：合成氣中CO2含量；白線C：合成氣中CO含量

5 渣口堵塞的預防措施

5.1 加強原料煤控制

可靠的原料煤煤質是氣化爐穩定經濟運行的基礎，決定了氣化爐的操作溫度、排渣性及關鍵設備的長周期使用等，尤其是采用不同煤種的原料煤摻配作為氣化原料，其質量控制更為重要。一般要選擇灰熔點較低，粘溫特性曲線平緩的煤種。在煤質發生變化時，要提前做好原煤分析，計算新煤種的入爐時間，根據煤質調整氣化爐控制參數。

5.2 氣化爐操作要穩定

氣化爐加減負荷幅度要合理，嚴禁大幅度快速加減負荷；加負荷時，先加煤后加氧，減負荷時，先減氧后減煤；嚴格按照氣化爐負荷表控制爐壓與負荷，防止對應參數產生較大偏離。

5.3 控制原煤和粉煤中的異物

原料煤中的編織袋、木塊等異物在入原（下轉第182頁）（上接第179頁）料煤倉前設置除雜裝置；磨煤系統纖維分離器定期檢查清理；輸煤系統有燒結金屬部位的操作要防止超壓，造成燒結金屬破裂，碎塊進入粉煤系統，最終堵塞燒嘴粉煤通道；利用停車機會檢查鎖斗內件固定螺栓等，最好滿焊加固；袋式過濾器折流擋板設計為加厚防磨型，并且支撐加固。

5.4 燒嘴定期檢查

燒嘴的設計使用周期為6個月，實際運行中最長已經達到14個月。即使燒嘴使用沒有到檢修周期，但是有檢修窗口時，要對燒嘴拆開檢查粉煤通道磨損情況，檢查是否堵塞異物，如果堵塞異物可以進行人工清理。

6 結語

渣口堵塞對氣化裝置運行的穩定性和經濟性影響很大，尤其在大型煤化工項目中，如果出現非計劃停車，一般需要十幾個小時才能恢復正常，開停車一次損失至少幾百萬元，所以對氣化爐渣口要深入進行研究。在生產過程中渣口出現異常，應該全面準確判斷原因，對癥處理，能夠得到事半功倍的效果。另外航天長征化學工程股份公司對航天爐的渣口尺寸也在進行逐步優化，最終使粉煤在爐膛內反應時間加長，碳轉化率提高，并且實現渣口抗波動能力提高。

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作者簡介：

郭偉（1982- ），男，漢族，河南南陽人，本科，助理工程師。