GE 德士古水煤漿氣化爐帶水分析

劉曉兵

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100）

水煤漿和氧氣在德士古工藝燒嘴中充分混合霧化后進入氣化爐的燃燒室內，在大約6.5MPa（G）、1350℃條件下進行氣化燃燒反應。生成粗合成氣和熔渣進入激冷室進行傳熱傳質，洗滌后粗合成氣沿上升管、下降管環隙進入合成氣管道，然后，經文丘里洗滌器、洗滌塔再次洗滌后送至變換系統，大部分的熔渣經激冷水冷卻固化后經過破渣機破碎后進入鎖斗，后經鎖斗系統循環定期排至渣池。在這個操作過程中，很容易發生激冷室合成氣帶水問題，進而影響水煤氣的質量。

氣化爐帶水現象主要有兩種方式，一種是高溫合成氣在激冷室內進行傳熱傳質形成飽和水汽進入洗滌塔，這種情況為正常帶水；另一種則是氣化爐合成氣流夾帶著大量水團進入洗滌塔，這種非正常帶水會影響合成氣質量，本文主要討論非正常帶水現象。

1 氣化爐合成氣帶水現象

（1）氣化爐液位大幅度下降，有時會瞬間降低20%左右；此時，降低氣化爐排黑量氣化爐液位反而會不增而降。

（2）文丘里洗滌器壓差增大且大幅波動；由于合成氣中大量帶水，經過文丘里洗滌器時氣流通道變小導致阻力變大，從而導致壓差變大，同時，激冷水入文丘里洗滌器量減少，導致文丘里洗滌效果變差。

（3）洗滌塔液位升高，出洗滌塔合成氣溫度升高1 ～3℃，合成氣流量大幅波動；由于合成氣將氣化爐內水液大量帶入洗滌塔，洗滌塔液位逐步增高，洗滌塔補水量逐漸降低，水系統失調，洗滌效果變差，不能進行有效的傳熱傳質。

2 氣化爐帶水現象原因分析及相對措施

合成氣在激冷室內洗滌過程中水的形式主要有以下幾種形式：在高速氣流的作用下水液獲得一定的動能，沿下降管和上升管環隙向上運動，但由于自身重力作用會發生沉降，一部分水液由于動能較低，上升一段距離后落下；一部分水經過上升管頂部折流擋板時被折擋落下；最后，一部分水則被帶出氣化爐進入合成氣管道。下面從氣化爐帶水能力大小和傳熱、傳質兩方面進行分析。

（1）氣化爐帶水能力大小分析。借鑒氣流輸送理論，從帶出速度的角度對氣化爐帶水能力的大小進行分析：假設氣化爐帶水為直徑為d=3mm 的液滴，則：

式中，p 為氣體密度；ps為液滴密度；g 為重力加速度；ξ 為阻力系數；u 為沉降速度。

本單位正常生產時，氣化爐負荷38m3/h，合成氣產氣量約為130000Nm3/h，水汽比約為1.1，氣體組分如表1。

表1

經 計 算：ρs ≈780×103kg/m3；ρ ≈29×103kg/m3；ξ ≈0.44；代入公式可得：u ≈1.53m/s。

A ≈0.315m2；u1≈3.15m/s；由此可以看出，u1遠大于u，說明氣化爐正常運行時帶水能力較強。

u1-u 值的大小反應了氣化爐帶水能力的大小；通過分析可以看出，決定氣化爐帶水能力大小的主要影響因素為合成氣量V 和上升管下降管環隙面積A。V 越大，A 越小，氣化爐帶水能力越強。GE 德士古水煤漿氣化爐在生產時，由于生產需要，一般會使氣化爐處于高負荷的狀態，在這個過程中，操作溫度和壓力都比較高，氣體流量也相對較大，但是，氣體之間通過的空隙并沒有發生改變，氣體流速的增加會使氣化爐帶水；其次，對氣化爐的負荷值增減過大也會引起操作過程帶水現象。此時，可以通過以下方法進行改善：①增大上升管的直徑；則上升管、下降管環隙面積A 增大，在氣體流量V 不變的情況下，氣體流速u1將會降低，氣化爐帶水能力減弱，這種方法能夠有效地控制氣化爐帶水問題。②調整激冷室結構尺寸，增大激冷室液面至上升管頂部距離；這樣一部分夾帶的水由于重力的作用，動能較小的水滴能夠再次落回到激冷室，減少了合成氣帶出激冷室的水量。同理，氣化爐帶水嚴重時，可以采取加大排黑量降低氣化爐液位，此時，激冷室液面離上升管頂部距離同樣變大，這樣就可以緩解氣化爐帶水問題。

（2）傳熱、傳質分析。合成氣洗滌屬于兩相流沸騰傳熱。決定傳熱形式的主要因素為過熱度△t 的大小，△t=t1-ts；即激冷水的主體溫度與所處壓力下對應的飽和溫度的差值；過熱度較小時，氣液沸騰為核狀沸騰，此階段沸騰傳熱系數較大；隨著傳熱度的增大，加熱面上的汽化核心數大大增加，以致于氣泡產生的速度大于其脫離壁面的速度，氣泡在加熱面附近形成氣膜，由于氣體的導熱率小，傳熱系數急劇下降，此時，傳熱由高效的核狀沸騰轉為低效的膜狀沸騰。同時，由于水沫的密度遠遠小于液滴的密度，根據氣化爐帶水能力公式可以看出，ps降低，u 降低，則u1-u 值將變大，即氣化爐帶水能力增加。所以，當氣化爐出現帶水情況時，可以通過加大氣化爐排黑量，降低激冷水溫度，從而降低過熱度，使沸騰傳熱由低效的膜狀沸騰再次轉為高效的核狀沸騰，同時，降低氣化爐帶水能力，從而使氣化爐液位上升。

在氣化爐操作的過程中，對爐內溫度的控制顯得尤為重要。控制較高的操作溫度，能夠加速氣化反應速率，提高碳轉換率和產氣量。但應將爐溫控制在一定范圍不可過高，避免氣化爐帶水。在生產操作過程中，在滿足水汽比的情況下，應適當加大系統水循環和加大氣化爐排黑量，降低氣化爐內熱流強度，確保爐內進行高效的泡核沸騰，減少氣化爐帶水。

在實際的操作中，氣化爐帶水問題一直都很難避免，因此，可以在合成氣出口處增設一水氣分離器，讓分離器將氣體中的水分進行有效分離，并依靠位差再次回到氣化爐的激冷室中。這樣不僅能夠有效解決氣化爐帶水問題，還能夠減輕氣化爐激冷室對水量的需求壓力，能夠減少激冷水泵輸送過程的動能消耗。可見，增設氣水分離裝置，對改善設備內的水質、消除合成氣帶水以及穩定氣化爐和洗滌塔的操作都具有十分重要的意義。

3 結語

GE 德士古水煤漿氣化爐在實際的操作中很容易出現帶水現象，因此，就需要相關的技術人員在實際的工作中對出現帶水問題進行細致的分析，找出相關的原因，并結合實際的操作，采取積極的措施進行預防和改善，進而使氣化爐能夠生產出更加高效、高質量的水煤氣，加快該行業的快速進步和實現可持續發展。