淺析航天爐激冷室氣液固三相流態化失衡的誘發因素及技改方向

王軍偉

（河南晉開化工投資控股集團有限責任公司，河南 開封 475002）

0 引 言

航天爐正常運行時，熔渣和粗合成氣經激冷環進入激冷室，在激冷室內高溫熔渣與激冷水接觸后迅速降溫、粒化，并產生大量水蒸氣，粗渣、粗合成氣與黑水在激冷室中分離，實現粗合成氣、液態水、固態熔渣的分離。分離出的粗合氣經過文丘里洗滌塔洗滌，以達到回收熱量、分離灰渣的目的，然后相對潔凈的粗合成氣送入后續工序；熔渣經破渣機斷續排出，富含懸浮物及細灰的黑水則經外排管道進入后系統進行處理。

在激冷室內，激冷水分為兩路，一路通過激冷環的小孔斜向45°噴出，起到保護激冷環的作用；另一路通過流道沿下降管流下形成水膜，起到平衡下降管內外壁溫度、保護下降管不受高溫燒蝕、平衡激冷室氣液固三相流態化的作用。若航天爐激冷室氣液固三相流態化失衡，其直接危害有：激冷環和下降管堵塞、變形、燒穿，激冷室內部因結垢有效容積降低，爐壁超溫、變形、穿孔，從而導致系統運行周期縮短，檢修頻率與檢修費用增加。以下就河南晉開化工投資控股集團有限責任公司（簡稱河南晉開）航天爐所用原料煤煤質特點，將理論與實際相結合，分析航天爐激冷室氣液固三相流態化失衡的誘發因素，以期延長航天爐的運行周期，提高經濟效益。

1 氣液固三相流態化失衡的誘發因素及其理論依據

1.1 鹽效應

弱電解質溶液中加入與之沒有相同離子的強電解質時，由于溶液中離子總濃度增大，離子間相互牽制作用增強，使得弱電解質解離的陰、陽離子結合形成分子的機會減小，從而使弱電解質分子濃度減小、離子濃度相應增大，解離度增大，這種效應稱為鹽效應。當溶解度降低時，為鹽析效應；反之則為鹽溶效應。鹽效應對氣液、液液、固液相平衡的影響具體表現在如下5個方面：①鹽的加入會使溶液飽和蒸氣壓降低，溶劑沸點升高；②鹽與溶液中特定溶劑呈締合狀，導致溶液結構發生變化；③加鹽后體系平衡氣相中各組成發生變化；④鹽的加入使溶液體系相互之間的溶解度發生變化；⑤鹽的加入引起溶解的某種固體或氣體溶質溶解度發生變化［1］。

1.2 稀溶液的蒸氣壓下降

含有難揮發性溶質的溶液，其蒸氣壓總是低于同溫度純溶劑的蒸氣壓，溶液中難揮發性溶質濃度愈大，溶劑的摩爾分數越小，其蒸氣壓下降越多。

1.3 激冷水水質

因洗滌塔底部的水含固量高，易造成激冷水系統的堵塞，而固體顆粒沉積堵塞激冷環管會造成激冷水流量下降，粗合成氣及粗渣不能有效降溫；激冷水中固含量高，也會因鹽效應對激冷水沸點及激冷水產生飽和水蒸氣的能力產生影響；激冷水硬度大、堿度大，易形成垢片堵塞激冷環的噴水口，使激冷環及下降管局部水膜缺損，導致高溫粗合成氣或熔渣直接與下降管接觸而對其造成損傷。

1.4 激冷室內結垢

碳酸鹽結垢：垢物成分以碳酸鈣為主，也有少量的碳酸鎂，據形成條件不同分為疏松海綿狀和堅硬硬垢狀，多形成于激冷環流道中。

硫酸鹽結垢：垢物主要成分為硫酸鈣，堅硬而致密，常沉積在下降管與上升管環隙中。

硅酸鹽結垢：垢物主要成分為硅鈣石（5CaO·5SiO2·H2O）或鎂橄欖石（MgO·SiO2），其特性為硬度大、導熱系數小，常沉積在激冷室下降管外壁上。

混合結垢：由鈣和鎂的碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽以及鐵鋁氧化物等組成，主要沉積在黑水管道，多為層疊狀，非常堅硬。

1.5 原料煤煤質

原料煤煤質不同，其元素含量、灰成分、灰熔點等就不同，粉煤在航天爐爐膛內燃燒后，灰分中的游離Ca2＋、Mg2＋等的含量就不同，而游離Ca2＋沉積是影響激冷室氣液固三相流態化的重要因素。

2 河南晉開航天爐所用原料煤煤質分析

河南晉開航天爐所用原料煤煤質分析數據如表1。可以看出，煤樣灰成分中以CaO、Al2O3、SiO2為主，且原料煤灰熔點受Al2O3、SiO2含量的影響較大。因粉煤在航天爐爐膛內的燃燒時間非常短，灰分中會有一部分的游離Ca2＋以懸浮物形態存在，游離Ca2＋的沉積會對激冷室氣液固三相流態化產生明顯影響。

表1 河南晉開航天爐所用原料煤煤質分析數據

3 下降管處氣液固三相流態化失衡的分析

正常流態化情況下，航天爐燃燒室下部連續排出的熔渣和粗合成氣同激冷環流道在下降管內表面形成的激冷水膜接觸，激冷水膜使流動的高溫熔渣冷卻、粒化而進入激冷室液面以下，高溫灰渣中的游離Ca2＋進入水系統中形成懸浮物，高溫熔渣冷卻產生的蒸汽與粗合成氣一起進入環隙，經破泡板后部分水回流，且因下降管外壁在激冷水水膜冷卻下溫度低于上升的粗合成氣溫度，粗合成氣中的部分水蒸氣會在下降管外壁冷凝回流，氣流中夾帶的大部分懸浮物及灰渣會隨著冷凝形成的回流液返回激冷室，下降管外壁處在回流液的冷卻下，熱量及物料達到流態化平衡。而當下降管局部水膜變薄引起下降管外壁溫度升高時，回流液量會減少，該區域的流態化平衡就會被打破。

當激冷環流道結垢后，會引起該流道處激冷水流量降低，該區域下降管內表面的水膜就會變薄而產生高溫區域，下降管外側的回流液中的游離Ca2＋與粗合成氣中的酸性氣（CO2）就會發生反應而形成結垢，因垢物（CaCO3）的導熱性較差，結垢處在高溫作用下緩慢產生不可逆變形，變形區域的材質也發生變化，嚴重時會導致下降管燒穿；且因下降管外壁部分區域溫度高，回流液量變小，回流液帶回激冷室中的懸浮物及灰渣的量也變少，趨于建立新的平衡，大量懸浮物及灰渣被帶入粗合成氣管道及文丘里洗滌塔中，懸浮物及灰渣在粗合成氣管道內部結垢速度加快，引起粗合成氣流通面積減小，粗合成氣流速加快，大量懸浮物和灰渣又隨粗合成氣進入文丘里洗滌塔，洗滌塔內洗滌水水質持續變差，引起激冷水水質變差，如前所述，激冷水水質變差又會帶來一系列的影響，如此形成惡性循環，導致航天爐的運行周期縮短。

4 下降管出口處氣液固三相流態化失衡的分析

航天爐下降管出口處高溫塊狀渣進入激冷室液面下，激冷室液面下的水汽化產生大量水蒸氣，水蒸氣隨粗合成氣通過下降管與上升管之間的環隙上升，粗渣經破渣機破碎后經渣鎖斗排出，下降管排出的高溫渣塊冷卻過程中連續產生的水蒸氣產生的氣泡在粗渣周圍形成流態化保護層，該流態化的保護層隨水蒸氣的上升向液面周邊擴散，熔渣表層中游離Ca2＋優先在激冷水中形成懸浮物隨水蒸氣泡向液面外圍移動，隨黑水經管道排至高壓閃蒸罐；熔渣中游離Ca2＋在激冷水中形成懸浮物的量與熔渣的停留時間有關，如因排渣系統故障激冷室底部大量集渣，會延長熔渣在激冷室內的停留時間，游離Ca2＋在激冷水中形成懸浮物的量持續增多，下降管出口處氣液固三相流態化就會失衡。

航天爐集渣狀態下的爐況數據及水質分析（河南晉開航天爐排渣周期為30min，故取樣周期為30min，取樣位置為沉降槽溢流堰處）數據見表2。可以看出：激冷室內持續大量集渣時，粗渣周圍流態化保護層被打破，下降管出口處氣液固三相流態化就會失衡，熔渣表層大量游離Ca2＋在激冷水中形成懸浮物，黑水中懸浮物含量、堿度、硬度大幅上升，粗合成氣夾帶懸浮物量也明顯增加，下降管與上升管環隙中形成大量結垢；集渣后渣口壓差明顯上升，航天爐負荷降低后渣口壓差又開始下降；激冷室內持續大量集渣后，隨著熔渣在激冷室停留時間的延長，帶入激冷水中的熱量也增多，黑水溫度升高，航天爐負荷降低后黑水溫度又有所下降。簡言之，激冷室內部結垢可看作是熱量在激冷室內部滯留的一種表現形式。

表2 航天爐集渣狀態下的爐況數據及水質分析數據

5 技改方向

鑒于航天爐系統工況復雜、嚴苛，且影響因素較多，為避免因激冷室氣液固三相流態化失衡影響氣化爐的長周期、穩定運行，結合生產實際，筆者提出如下2個技改方向。

5.1 技改方向之一

原料煤煤種不變、負荷穩定的情況下，航天爐運行時帶入水循環系統中游離Ca2＋的量也趨于穩定，航天爐正常運行時系統水溫基本恒定，此時碳酸鈣的溶解度實驗數據見表3。可以看出：相同溫度條件下，碳酸鈣的溶解度隨壓力的升高而增大；而在相同壓力條件下，碳酸鈣的溶解度隨溫度的升高而減小［2］。

表3 碳酸鈣溶解度實驗數據

CO2在水中的溶解度實驗數據見表4。可以看出，CO2在水中的溶解度隨溫度的升高而減小。而碳酸鈣的溶度積因此，可以在最佳溫度下通過空氣中的CO2大量進入水中與Ca2＋形成碳酸鈣而對Ca2＋予以脫除，據表3和表4的數據，碳酸鈣在水中的最佳形成溫度為50℃。

表4 CO2在水中的溶解度實驗數據

針對游離Ca2＋在水中的富集，可用涼水塔將沉降槽溢流出來的灰水冷卻至50℃，冷卻的過程中空氣中的CO2進入水中，與水中的Ca2＋反應生成碳酸鈣結晶，經過沉淀池對涼水塔排出的灰水進行沉淀，再將碳酸鈣結晶排出系統，清水則進入灰水槽，從而消除航天爐水循環系統存在的Ca2＋富集現象，緩解各部位結垢，以達到提高航天爐內件壽命、延緩系統結垢周期、提升系統運行周期、穩定后系統工況、提升綜合經濟效益的目的。

5.2 技改方向之二

激冷室氣液固三相流態化平衡主要靠激冷水對下降管內外壁的冷卻予以維持，激冷水水質及流量是維持流態化平衡的關鍵。生產中，激冷水過濾器對激冷水中較大的雜質進行過濾，以防堵塞激冷環出水口，但實際生產中航天爐停車后對激冷水過濾器進行隔離檢查，發現激冷水過濾器下部沉淀區結垢嚴重，排污閥因結垢無法動作，激冷水過濾器內部濾板孔洞堵塞嚴重，即激冷水過濾器的作用大打折扣。

激冷水過濾器的正常排污步驟：在線切出→打開排污閥→排污至撈渣機→關閉排污閥→多次充液排放→確認激冷水過濾器內部干凈→投用。實際操作中，激冷水過濾器投用一段時間后進出口閥門及排污閥因內部結垢動作困難，很難關到位，內漏風險很大，導致排污時危險系數大，對系統長周期運行不利。為此，需改進工況，可論證如下激冷水過濾器連續排污及增設補償系統的可行性。

（1）激冷水過濾器連續排污系統流程：激冷水過濾器底部閥在開車期間常開，建水循環期間標定好激冷水過濾器連續排污的流量；污水排至激冷水排污二級閃蒸器減壓，減壓后的污水與絮凝劑泵送來的絮凝劑在混合器內充分混合后送至沉降槽，激冷水排污二級閃蒸器閃蒸出來的氣體經冷卻分離后送至火炬燃燒，分離出來的水亦排至沉降槽。

（2）激冷水（過濾器）補償系統：因連續排污會引起進入激冷環的激冷水流量、壓力下降，為滿足正常生產所需，可通過新增激冷水補償泵補水（加藥）對激冷水過濾器處的激冷水流量及壓力進行補償，通過調節補償系統的補水量及加藥量有效保證送入激冷環的激冷水水質及流量。

（3）激冷水過濾器連續排污系統安全保障：為防止因補償泵斷流等突發狀況對激冷水流量產生影響，將激冷水（過濾器）補償系統與激冷水系統建立流量及壓力聯鎖，緊急情況下可將本系統迅速切出，以保證航天爐的正常運行。