粉煤氣化爐反應室漏水及應對措施研究

李文艷，郭小杰

(1.大同煤炭職業技術學院，山西 大同 037000；2.同煤廣發化學工業有限公司，山西 大同 037000)

殼牌粉煤加壓氣化爐工藝具有工藝指標先進、煤種適應性強、單臺爐投煤量大、安全系數高、冷煤氣效率高、環境友好等優點[1]。2001年以后，我國先后引進34臺投煤量為900～3 200t/d規模的殼牌粉煤氣化爐。隨著運行經驗的積累和問題導向性的技改，殼牌氣化爐A級連續運行達百天已常態化，單套爐每年平均在線率已超過300d。殼牌氣化爐用戶在商業運行過程中會發生燒嘴罩、燒嘴頭或者膜式水冷壁漏水的問題。精準判斷氣化爐是否漏水以及漏水部位，制定合理應急措施，避免非計劃停車，延長氣化爐在線運行周期。

1 氣化爐調和水系統和水汽系統工藝流程

調和水系統流程見圖1。氣化爐的4個煤燒嘴由調和水系統冷卻。冷卻水先經調和水泵升壓，再經調和水加熱器調溫后(6.07MPa(g)，210℃)，送至4個煤燒嘴環隙冷卻燒嘴頭(厚度為1.5mm)，出煤燒嘴的調和水返回調和水泵進口。調和水量不足時，需加入鍋爐給水補充(7.6MPa(g)，209℃)。為保證調和水水質，在除鹽水補水管線及調和水管線上分別設置了鍋爐給水過濾器、調和水過濾器。調和水加熱器用于補償調和水系統中的熱量損失。

圖1 調和水系統流程

高壓氮氣系統保證調和水緩沖罐壓力恒定。循環水過濾器用于過濾除去燒嘴調和水通道的結垢。水汽系統流程見圖2。

圖2 水汽系統流程

從界區來的中壓鍋爐給水(7.9MPa(g)，209℃)補入中壓汽包，保證汽包正常液位。汽包內鍋爐水經中壓循環水泵加壓后，分別供給氣化爐反應室水冷壁、輸氣管蒸發器、廢熱鍋爐蒸發器。中壓鍋爐水被加熱成水/汽混合物，重新循環回中壓汽包大室或小室，蒸汽與鍋爐水分離，產生中壓飽和蒸汽(4.5MPa(g)，271℃)。

汽包產生的中壓蒸汽經廢熱鍋爐過熱段過熱(4.5MPa(g)，400℃)，然后送至全廠中壓蒸汽管網。

2 燒嘴頭泄漏判定方法

2.1 分析燒嘴頭泄漏過程

2015年5月5日8∶01到5月7日6∶19期間，在氣化爐用煤質、氧氣負荷、爐溫等參數都穩定的前提下，粗合成氣組分中H2/CO比值的變化趨勢見圖3。

圖3 合成氣中H2/CO比值隨時間的變化趨勢

從圖3中可看出，合成氣中H2/CO變化趨勢圖呈現突變、升高過程。5月5日8∶01分，H2/CO比為0.335，5月6日1∶20分，H2/CO比為0.34，且開始逐漸升高，5月6日8∶59分，H2/CO比升高至0.412，并保持穩定，經7小時39分鐘后，比值升高了0.077。

煤炭氣化反應是受眾多因素制約且共同作用的結果，受氣化溫度、壓力、反應時間、進料穩定性及其理化特性的影響。因反應室溫度高(1 400～1 500℃)，漏入的水以水蒸氣狀態存在，促進CO+H2O=CO2+H2反應發生，合成氣中的CO2和H2含量增加，CO含量降低[2]；合成氣中H2/CO比值升高，可斷定氣化爐反應室有水進入，具體漏水位置仍需分析其他數據后才可知。水汽系差值隨時間變化的趨勢見圖4。

圖4 水汽系差值隨時間變化的趨勢

從圖4中可以看出，從2015年5月5日8∶01到5月7日6∶19期間，氣化爐水汽系統上水和外供蒸汽的差值(水汽差值)雖有波動，但未出現大幅度變化。模擬趨勢線較平穩，平均值為26.2kg/s。可判定氣化爐水汽系統無異常變化，即氣化爐反應室的水冷壁、燒嘴罩等水汽系統無泄漏。調和水罐液位隨時間變化的趨勢見圖5。

圖5 調和水罐液位隨時間變化的趨勢

從圖5中可以看出，5月5日8∶00至5月6日8∶00期間，調和水系統中調和水罐液位由62.1%降至58.4%，降低了3.7%。經每天6次現場巡檢，5月1日到5月15日檢查管線、設備、機泵等設施，無水外漏，但從調和水罐液位降低的現象可斷定，燒嘴頭處有水泄漏至氣化爐反應室并參與化學反應。

2.2 燒嘴頭泄漏原因及應對措施

2.2.1 泄漏原因

(1)氣化爐爐溫和煤種不匹配，導致液態渣流動性差、渣層變厚、漫過燒嘴罩遮擋火焰，引起火焰偏離方向，折射的火焰燒壞燒嘴頭部。

(2)煤線運行不穩定，主要表現為燒嘴經常跳停、粉煤密度和速度波動等。煤粉波動引起爐溫波動，進一步引起煤燒嘴周圍熱循環波動，加速燒嘴頭部熱疲勞損傷。

(3)氣化爐溫度越高，熱通量及溫差越大，加劇燒嘴頭部熱疲勞損傷及高溫腐蝕[3]。

(4)調和水罐壓力穩定，氣化爐壓力波動會導致調和水和氣化爐爐膛壓差波動，加速裂紋擴展速度。

2.2.2應對措施

為了穩定生產，可采取以下應急措施：①立即停止向燒嘴添加中壓蒸汽；②緩慢提高氧煤比，提高氣化爐反應室溫度，保持渣的流動性，從而避免堵渣；③降低調和水罐壓力，減少調和水和氣化爐壓差對漏點的影響；④密切監控漏水量。依據設計燒嘴添加的蒸汽量為11.08 t/h(最大值)，若漏水量超過該值，應作停車處理。

3 燒嘴罩泄漏判定方法

3.1 分析燒嘴罩泄漏過程

2019年3月8日6∶30，操作人員發現破渣機油壓不規則波動，現場渣樣存在部分大塊渣(約12cm左右)，大塊渣持續出現。水汽系差值隨時間變化的趨勢見圖6。

圖6 水汽系差值隨時間變化的趨勢

從圖6可看出，氣化爐水汽系統鍋爐給水進水和出蒸汽差值呈現突然升高的趨勢，均值由5.51 kg/s，上升至9.45kg/s。

儀表、現場管線確認完好，水汽差值增大，判定氣化爐水汽系統出現泄漏。水汽系統可能泄漏的位置為氣化爐反應室、輸氣管段、廢熱鍋爐。

手動分析氣化爐產合成氣中氫氣組分占比,3月5日～7日為22.08%，3月8日～10日為22.87%。3月8日前后，氣化爐產合成氣中氫氣組分占比平均值上升了0.79%。水汽系統泄漏的水參與了氣化反應，使合成氣中氫氣組分占比升高。經過分析，調和水罐液位保持穩定。

由以上分析可判定，氣化爐水汽系統泄漏部位為氣化爐反應室，依據殼牌氣化爐運行經驗可知反應室水冷壁設計渣保護，泄漏可能較小，本次泄漏部位為燒嘴罩。

3.2 燒嘴罩泄漏的原因及應急措施

3.2.1 燒嘴罩泄漏的原因

(1)氣化爐運行處于不合適的操作窗口(氧煤比持續偏低)，導致液態渣流動性差，渣層變厚，漫過燒嘴罩，遮擋火焰，引起火焰偏離方向，折射的火焰燒壞燒嘴罩。

(2)氧煤比控制不合適，若氧煤比持續偏高，表明氣化爐爐膛溫度持續升高，會導致燒嘴罩熱負荷過高，最終導致燒嘴罩水管壁高溫過氧燒蝕[4]。

(3)燒嘴罩安裝不規范。燒嘴頭和燒嘴罩同心匹配，二者安裝間隙必須滿足5～23mm的要求。

(4)汽包水質長期不合格，形成管道內腐蝕。殼牌氣化爐鍋爐給水控制指標：溶解氧小于7μg/L，電導率小于0.2μS/cm，SiO2含量小于20μg/L，pH值為9.5～10.5[5]。

3.2.2應急措施

(1)提高氣化爐反應室溫度，緩慢提高氧煤比，直到無大塊渣出現為止，保持高爐溫操作。

(2)為了防止廢熱鍋爐入口合成氣溫度超溫，導致廢熱鍋爐入口積灰，在提升氧煤比的同時，降低氣化爐負荷。

(3)保證煤線穩定，防止單條燒嘴跳停，避免出現短時間的低爐溫。

(4)提高氣化爐壓力，降低水汽系統中的汽包壓力，以減小汽包與氣化爐的壓力差對泄漏點處的影響。

4 結語

(1)合成氣中H2/CO比升高，可斷定氣化爐反應室有水泄漏進爐膛并參與化學反應，同時調和水罐液位降低，斷定燒嘴頭處有水泄漏至氣化爐反應室。

(2)氣化爐進料不穩定，氣化爐處于不合適的操作窗口，過高、過低的爐溫或氣化爐壓力過高都會導致燒嘴泄漏。

(3)燒嘴罩泄漏的判定方法為排除法，首先分析水汽系統的水汽差值，確認水汽系統漏水，結合合成氣中氫氣含量以及合成氣除灰系統壓差變化，排除氣化爐輸氣管段和廢熱鍋爐漏水。

(4)燒嘴頭和燒嘴罩泄漏的應急處置方法為提高爐溫，保證排渣正常；降低氣化爐負荷，防止廢鍋積灰；降低氣化爐和水汽系統或調和水系統的壓差，控制漏水量；保證氣化爐進料系統的穩定。