WHG干粉煤氣化爐長周期運行研究

侯劉濤

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司二期(以下簡稱龍宇煤化工)氣化項目是以煤為原料，采用中國五環工程有限公司與河南能源化工集團公司自主創新設計、具有自主知識產權的五環爐(WHG) 干粉煤氣化工藝技術，運用將煤轉化為合成氣的煤氣化生產裝置。兩臺五環爐分別于2016年12月8日(0系列)和2017年12月8日(1系列)一次投料試車成功，實現了兩臺五環爐同時運行的模式，兩臺五環爐自投料試車以來，運行中出現激冷罐頂部積灰、濕洗塔壓差高、水冷壁管泄漏等問題，經過多次技改達到了良好運行水平，至2020年底，實現五環爐A級安全穩定運行288d，最高運行負荷為102%。

1 工藝流程

龍宇煤化工二期煤氣化裝置采用兩臺五環爐，單臺爐煤氣的公稱生產能力為 69 090 Nm3/h(以CO+H2計)，主要生產原料為煤和氧氣，其中，煤來自原料煤貯運系統，氧氣來自空分裝置。該裝置共分8個單元，分別是磨煤與干燥系統、粉煤加壓及輸送系統、氣化與水汽系統、渣水處理系統、濕洗系統、黑水處理系統、一氧化碳變換系統和公用工程部分。

五環爐工藝流程如下：將粒度小于13mm的原料煤與一定比例的石灰石經過磨煤與干燥系統碾磨成合格的煤粉，經過粉煤加壓及輸送系統輸送至煤粉給料罐，再經過4條煤粉管線與空分裝置送來的高壓氧氣同時配入少量過熱蒸汽混合后，經煤燒嘴噴入氣化爐生成粗合成氣，其主要成分為(CO+H2)。氣化爐正常運行時，爐體內溫度為1 400～1 700 ℃，攜帶飛灰的高溫粗合成氣在激冷段初次激冷后，送往激冷罐被再次冷卻降溫至約190℃，并被洗滌除灰，然后進入濕洗系統，經文丘里洗滌器和濕洗塔進一步降溫、洗滌除灰，合成氣溫度降低至180～190℃后，被送往變換裝置；流動的熔融液態渣經過渣水處理系統送往渣場；來自激冷罐和洗滌塔的含灰排放水經黑水處理系統后，濾餅送出界區，濾液經澄清后循環使用；粗煤氣通過變換裝置調整組分中CO和H2的含量，以滿足下游用戶的需要。

2 生產運行中存在的問題及整改措施

2.1 激冷罐的問題及改進措施

(1)激冷罐頂部積灰。粗合成氣通過輸氣彎管向激冷罐輸送時，激冷罐頂部積灰，出現合成氣通道縮小(最低時僅為原有通道的15%)和氣化爐膜式壁因合成氣偏吹損壞等情況(見圖1)。

圖1 改造前激冷罐頂部的積灰情況

改造措施如下：經初步分析，發現造成問題的主要原因為激冷段入口口徑大、合成氣流速低及激冷段頂部水汽大等。根據原因分析，為加大激冷罐頂部合成氣流速，對激冷罐頂部輸氣管道進行改造。通過激冷罐入口膜式壁上增加縮口，使原尺寸為φ999mm的口徑縮口至φ500mm(采用8mm N08825鋼板制作)后，合成氣的流速增大。觀察改造后的運行效果，發現該改造有效緩解和降低積灰程度，避免因激冷罐頂部積灰而出現裝置停車的現象，有利于裝置長周期穩定運行。

(2)激冷罐積泥結垢。在運行中和裝置停車檢修檢查時，發現激冷罐積泥結垢嚴重(見圖2)，部分管道表面結垢，管道有效管徑縮小，嚴重影響裝置穩定運行。

圖2 改造前激冷罐的積泥情況

原因分析如下：一方面，裝置運行中出現激冷水過濾器壓差高、濾筒孔有灰塊結垢堵塞現象，影響激冷罐激冷水流量，進而影響整個激冷罐的水平衡；另一方面，激冷罐噴頭(孔徑16mm和6mm)長時間運行后，易出現結垢堵塞，使激冷罐內部的噴淋水流量降低，為維持激冷罐液位，必須減少黑水外排，致使激冷罐水平衡被打破，大量灰泥積存于激冷罐內，裝置不得不停車清理。

采取如下改造措施：增加DN200的副線至激冷罐激冷水流量計前(見圖3)，從而保證去激冷罐激冷水的流量；同時，在激冷水分布方形盒上開DN50的孔(見圖4)，通過在上升管與下降管之間的環隙中開孔，進入下降管內部，加DN50彎頭貼著內壁噴水，彎頭朝下向左旋安裝易形成旋膜。改造后，在水質較好、煤質穩定、灰含量低的情況下，兩個系列激冷水量能夠穩定在350m3/h，可以滿足正常水平衡要求，可有效降低激冷罐積泥結垢對裝置穩定運行的影響。

圖3 激冷水改造后

圖4 激冷罐改造后的激冷水分布

2.2 閃蒸系統灰水角閥振動及改進措施

在裝置運行中發現，黑水處理系統閃蒸裝置的部分設備因系統壓降較大，激冷罐底錐到中壓閃蒸罐的壓力從3.8MPa降至0.6MPa，因壓差較大，導致灰水角閥和中壓閃蒸罐沖擊振動大，造成緩沖裝置內部及連接的陶瓷短節內部陶瓷脫落，給生產運行造成極大隱患。

通過在閃蒸緩沖裝置安裝阻尼器，減小振動。洗滌塔底部灰水管線和激冷罐底錐的灰水管線流量均能夠達到設計流量，激冷罐液位進水和出水達到平衡，滿足氣化爐100%負荷運行的需要。

2.3 濕洗塔塔盤結垢及應對措施

在裝置運行過程中，兩個系列濕洗塔塔板均出現了結垢堵塞、塔板壓差上漲及液泛現象。由于濕洗塔塔板結垢、洗滌效果差、出現液泛現象，使合成氣帶液至變換系統，給整個裝置穩定、長周期運行帶來較大風險。

濕洗塔塔盤結垢的主要原因為塔板的抗堵能力不足、激冷罐洗滌效果差、帶入濕洗塔的灰較多和高壓洗滌水水質不好等。

改造措施如下：通過對0系列濕洗塔3、4層塔盤溢流堰進行開孔、降低高度；增大溢流堰與塔板之間的間隙，以加快灰水在塔板的流動，減少灰水在塔板的停留時間，從而緩解結垢的速率；1系列濕洗塔改造塔盤結構形式，改用立體傳質高效塔板(見圖5)。

圖5 高效立體傳質塔板

通過改造實現裝置連續運行288d，濕洗塔系統沒有再出現明顯的壓差上漲及液泛情況，解決了濕洗塔塔盤結垢問題，為裝置高負荷、長周期、穩定運行創造條件。

2.4 水冷壁管泄漏及對應措施

兩臺五環爐自運行以來，已出現4次激冷罐上方水冷壁管泄漏的問題，激冷罐上方彎頭處泄漏(見圖6)。激冷罐上方水冷壁泄漏的問題嚴重影響了五環爐的穩定運行。

圖6 激冷罐上方水冷壁管泄漏

改進措施如下：①穩定氣化爐操作，避免氣化爐溫度及壓力出現大幅度波動；②避免水汽系統壓力出現大幅度波動；③將汽包壓力控制在4.2MPa左右，既保證水汽系統與氣化爐的壓差，又避免將汽包壓力控制過高；④氣化爐正常運行時，控制液位不要過高，降低水冷壁處粗煤氣中水汽的含量，從而減輕腐蝕效果。

具體對設備局部結構進行的改造方案如下：對激冷罐上方易腐蝕的15CrMo材質水冷壁管表面堆焊N08825(見圖7)；并對干濕交界的空間用保溫棉塞實，減少碳鋼表面因干濕接觸而造成的腐蝕，從根本上解決管道腐蝕帶來的泄漏等相關問題。

圖7 堆焊后的水冷壁管線

2.5 煤質問題及應對措施

煤質問題是五環爐能否長周期、穩定運行的關鍵問題之一。自五環爐運行以來，非計劃停車半數以上都與煤質的不穩定有直接或間接的關系，煤質對五環爐工況的影響，突出表現在煤質灰分和灰熔點兩方面。

五環爐所用原煤的理想灰分為不大于20%(w)，灰分過高會造成濕洗塔塔盤結垢加快、激冷罐積泥及其排放水管線結垢或堵塞等相關問題，同時會造成五環爐水耗增加、分散劑和絮凝劑等輔材用量增加，影響氣化爐的長周期、穩定運行。五環爐入爐煤的灰熔點應控制在1 340～1 375℃，原煤煤質不穩或摻配不均都會造成原煤的黏溫特性變化較大，導致氣化爐結渣或燒嘴罩處掛渣。五環爐運行4年來，因燒嘴罩泄漏而導致停車數次，每次煤燒嘴罩都有不同程度的燒蝕，嚴重制約了五環爐的長周期穩定運行。

主要采取了如下改進措施：①穩定煤源，煤種最好控制在4個以內，采用兩元配煤，減少使用多元配煤；②實現精準配煤；③避免頻繁更換煤種或者配比，造成氣化爐工況波動；④穩定氣化爐操作，在煤種更換或者配比更換時，提前預判工況，并做好應對；⑤減少短時間內對系統負荷進行大幅調整。

3 結語

通過對龍宇煤化工二期煤氣化裝置五環爐運行中出現的問題進行原因分析，采取了一系列技術改造、優化配煤穩定煤源等措施，實現五環爐288d連續安全穩定運行的記錄，為五環爐的穩定運行提供了寶貴經驗。