氣流床氣化爐積灰問(wèn)題及防控方法研究進(jìn)展

張鵬芳，徐躍芹，曹 松，黃根渝，李廣宇

（1.寧夏大學(xué) 省部共建煤炭高效利用與綠色化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021；2. 南京汽輪電機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210018）

氣流床氣化爐產(chǎn)生的合成氣溫度一般高于煤灰熔融性溫度150 ℃左右，以保證煤灰的流動(dòng)性。由于氣化爐結(jié)構(gòu)與煤種的原因，通常水煤漿氣化爐氣化溫度相對(duì)較低，干煤粉氣化爐氣化溫度較高。氣化爐產(chǎn)生的合成氣攜帶飛灰，需要冷卻后方能供下游使用，根據(jù)合成氣降溫的方式不同，氣流床氣化技術(shù)主要有廢鍋工藝和激冷工藝。廢鍋工藝是通過(guò)換熱器將高溫合成氣降溫，同時(shí)回收合成氣顯熱，產(chǎn)生高品質(zhì)蒸汽；激冷工藝是向高溫合成氣噴入激冷水，合成氣和激冷水混合后降溫。廢鍋工藝較激冷工藝能夠更充分利用合成氣顯熱，氣化爐熱效率更高，是煤氣化技術(shù)中先進(jìn)的技術(shù)之一。

我國(guó)引進(jìn)及自主開發(fā)了多項(xiàng)廢鍋工藝氣化技術(shù)，部分技術(shù)已成功工業(yè)應(yīng)用，在已投產(chǎn)的裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行過(guò)程中，各項(xiàng)技術(shù)均出現(xiàn)了積灰的問(wèn)題，主要是在合成氣降溫過(guò)程中，合成氣攜帶的飛灰會(huì)在氣化爐反應(yīng)區(qū)爐墻水冷壁或換熱器黏結(jié)，并隨著運(yùn)行時(shí)間不斷積累，甚至堵塞合成氣流通通道，造成設(shè)備停車。部分激冷加廢鍋工藝氣化爐運(yùn)行過(guò)程中在減溫段也曾出現(xiàn)積灰問(wèn)題[1]。氣化爐冷卻段積灰的問(wèn)題不同程度上影響了裝置的“安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)”運(yùn)行，甚至給部分企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，國(guó)內(nèi)多家企業(yè)及科研單位對(duì)此展開了深入的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，在理論和實(shí)踐方面均取得了較大的突破，但由于各類技術(shù)特點(diǎn)不同，部分裝置仍有嚴(yán)重的積灰問(wèn)題[2-3]。

本文總結(jié)了各類氣化技術(shù)工業(yè)裝置出現(xiàn)的積灰現(xiàn)象、對(duì)應(yīng)的機(jī)理研究以及對(duì)積灰防控的工程改造，并從機(jī)理上對(duì)不同種類積灰進(jìn)行了分類和理論分析，提出了積灰防控方法建議，為相應(yīng)的企業(yè)提供參考。同時(shí)，目前已有的研究對(duì)于合成氣中水蒸氣含量高引起積灰的機(jī)理尚不明確，本文提出了研究的思路。

1 不同氣流床氣化技術(shù)工業(yè)裝置出現(xiàn)的積灰現(xiàn)象及防控措施

1.1 殼牌煤氣化技術(shù)

殼牌煤氣化技術(shù)是我國(guó)最早引入的干煤粉廢鍋工藝氣化技術(shù)，已有30 余套工業(yè)裝置應(yīng)用。早期應(yīng)用該技術(shù)的多套工業(yè)裝置均出現(xiàn)了廢鍋積灰問(wèn)題，制約了氣化爐的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

殼牌氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。氣化爐反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的合成氣溫度在1500 ℃左右，攜帶了液態(tài)的飛灰在反應(yīng)區(qū)出口和從下游返回的200 ℃左右的激冷煤氣混合，激冷煤氣對(duì)合成氣及其攜帶的飛灰降溫后，在激冷段出口合成氣溫度降低至800 ℃左右，飛灰變?yōu)楣滔噙M(jìn)入合成氣冷卻器，繼續(xù)降溫至300 ℃進(jìn)入下游單元。運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合成氣溫度降低至800 ℃左右時(shí)，合成氣冷卻器入口會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的積灰現(xiàn)象，檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)合成氣冷卻器入口的蓋板以及縫隙中有大量積灰，積灰以蓋板為中心向四周擴(kuò)散（蓋板位于合成氣冷卻器上部）[5]，導(dǎo)致合成氣冷卻器出入口溫差降低，過(guò)熱蒸汽的溫度降低[6]。

圖1 殼牌氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)這類問(wèn)題，各工廠進(jìn)行了深入的研究，同時(shí)采取多種工程方法進(jìn)行改造，主要采取的措施有：（1）加大激冷煤氣流量，進(jìn)一步降低合成氣冷卻器入口溫度。工程實(shí)踐和分析結(jié)果普遍認(rèn)為，積灰的出現(xiàn)是因?yàn)楹铣蓺鈹y帶的飛灰冷卻不足，飛灰未完全固化，仍具有黏性，進(jìn)一步降低合成氣溫度能夠使飛灰有效地固化。大部分裝置通過(guò)大幅提高激冷煤氣流量（甚至提高至一倍以上），使合成氣冷卻器入口的合成氣溫度實(shí)際運(yùn)行控制值低于設(shè)計(jì)值100 ℃～200 ℃，收到了明顯的效果，但是激冷煤氣流量的增大大幅提高了設(shè)備的能耗和投資，同時(shí)合成氣冷卻器內(nèi)合成氣流速超出了設(shè)計(jì)值，使合成氣對(duì)設(shè)備的磨損嚴(yán)重，影響了設(shè)備的使用壽命[7]。（2）改變合成氣冷卻器入口反吹結(jié)構(gòu)。將合成氣冷卻器入口的水冷吹灰器轉(zhuǎn)變?yōu)楣苁酱祷移鳎祾叻秶?80 °擴(kuò)大到360 °；在蓋板頂部加裝中央吹灰器，對(duì)蓋板頂部進(jìn)行吹掃，減少蓋板頂部積灰的可能性[8]。（3）設(shè)置敲擊器，提高敲擊頻率。為了防止水冷壁積灰，殼牌氣化爐在激冷段和合成氣冷卻器設(shè)置了大量敲擊器來(lái)振動(dòng)除灰，理論上通過(guò)提高敲擊頻率可以緩解氣化爐合成氣冷卻段積灰，但過(guò)高的敲擊頻率會(huì)影響敲擊器的壽命[9]。（4）控制入爐煤指標(biāo)，或?qū)γ哼M(jìn)行摻配，降低煤灰黏性。嚴(yán)格控制入爐煤灰分中的堿金屬含量，灰分一般控制在2%以下，避免堿金屬含量高引進(jìn)積灰；利用高灰熔融性溫度煤和低灰熔融性溫度煤摻配，使入爐煤的灰熔融性溫度相對(duì)穩(wěn)定；通過(guò)調(diào)整控制氧煤比，使?fàn)t內(nèi)溫度穩(wěn)定，便于控制運(yùn)行參數(shù)[10]。

綜上，殼牌氣化爐運(yùn)行過(guò)程中，在煤灰中堿金屬等的作用下，可能形成共熔溫度在800 ℃以下的低熔點(diǎn)共熔物，由于合成氣冷卻器入口冷卻不足，故廢鍋積灰常發(fā)生于合成氣冷卻器入口，通過(guò)加大激冷氣量、加裝吹灰器、調(diào)整敲擊頻率等措施來(lái)防控積灰，取得了不錯(cuò)的效果，但是增加了裝置的能耗。

1.2 華能煤氣化技術(shù)

華能集團(tuán)是我國(guó)早期自主開發(fā)干煤粉氣化技術(shù)的企業(yè)之一，開發(fā)了兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)廢鍋工藝和激冷工藝，并在工業(yè)裝置進(jìn)行了應(yīng)用[11]。

1.2.1 廢鍋工藝

華能兩段式廢鍋氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。華能兩段式廢鍋工藝氣化技術(shù)與殼牌煤氣化技術(shù)的不同點(diǎn)是前者采用兩室兩段、分級(jí)氣化的方法，在氣化爐一段反應(yīng)區(qū)上部設(shè)置有二段反應(yīng)區(qū)，二段反應(yīng)區(qū)僅噴入煤粉和水蒸氣，在反應(yīng)的同時(shí)，能夠進(jìn)一步降低合成氣的溫度，在提高冷煤氣效率的同時(shí)，對(duì)合成氣進(jìn)行冷卻，降低了激冷煤氣的流量，二段反應(yīng)區(qū)出口合成氣溫度一般在1150 ℃～1200 ℃。兩段爐在設(shè)計(jì)的初期，吸取了殼牌氣化爐處理高溫積灰的經(jīng)驗(yàn)[5]，工業(yè)裝置運(yùn)行過(guò)程中的積灰問(wèn)題并不突出，但是也出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重積灰的事故。通過(guò)對(duì)廢鍋積灰較為嚴(yán)重的工況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣，發(fā)現(xiàn)從距煤氣導(dǎo)管4 m 處到廢鍋冷卻器入口存在積灰，導(dǎo)管中間積灰情況最為嚴(yán)重，通道大部分被堵塞，且積灰為疏松灰。

圖2 華能兩段式廢鍋氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖

華能兩段式廢鍋氣化爐在設(shè)計(jì)和工程改造過(guò)程中，為了抑制廢鍋積灰，主要采取的措施包括：（1）通過(guò)二段化學(xué)激冷，使煤氣溫度快速降低，以降低合成氣攜帶飛灰的黏性。氣化爐二段由于反應(yīng)溫度相對(duì)較低，碳轉(zhuǎn)化率相對(duì)較低，飛灰中含碳量較高，一般大于20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），由于飛灰中的碳不具有黏性，且顆粒分布與飛灰不同，實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，飛灰含碳對(duì)于飛灰黏結(jié)具有明顯的抑制作用，碳含量越高，抑制作用越明顯，具體體現(xiàn)在氣化爐合成氣冷卻器入口溫度控制在750 ℃～780 ℃時(shí)，積灰防控效果較好，但是當(dāng)二段不投煤時(shí)，在此溫度區(qū)間時(shí)氣化爐極易發(fā)生積灰。（2）組合式激冷方式，在二段化學(xué)激冷的同時(shí)，華能兩段式廢鍋氣化爐設(shè)計(jì)有合成氣激冷。通過(guò)組合式激冷，氣化爐煤氣冷卻器入口溫度控制在750 ℃～780 ℃，同時(shí)由于二段反應(yīng)率相對(duì)較低，增大了煤灰的顆粒粒徑和含碳量，能較好地抑制積灰。（3）開發(fā)新型吹灰器等。華能開發(fā)了新型的吹灰器，對(duì)積灰區(qū)域大面積吹掃，提高了吹灰效率，減少了積灰的可能性。

綜上，華能兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)廢鍋工藝在設(shè)計(jì)過(guò)程中，吸取了國(guó)外同類技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，相較于殼牌氣化技術(shù)，最大的不同點(diǎn)在于采用二段化學(xué)激冷，與此同時(shí)采用輻射廢鍋、冷煤氣激冷等措施，增加了飛灰冷卻的時(shí)間和飛灰含碳量，同時(shí)開發(fā)了新型吹灰器，技術(shù)有明顯進(jìn)步，取得了良好的積灰防控效果。

1.2.2 激冷工藝

華能兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)激冷工藝與廢鍋工藝的不同點(diǎn)在于其二段反應(yīng)區(qū)內(nèi)不噴煤粉和氧氣、出口不噴激冷煤氣，而是噴入減溫水，通過(guò)減溫水對(duì)高溫合成氣直接激冷，激冷后的煤氣進(jìn)入激冷罐進(jìn)一步降溫和除塵[1]。華能兩段式激冷氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。氣化爐下部布置反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)區(qū)溫度在1500 ℃左右，氣化后的高溫煤氣在氣化爐減溫水區(qū)域（二段反應(yīng)區(qū)）被噴入的減溫水降溫至700 ℃～800℃，通過(guò)返向室和導(dǎo)管進(jìn)入激冷罐，在激冷罐內(nèi)降溫除塵。實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，其氣化爐上部減溫水區(qū)域、煤氣導(dǎo)管段和激冷罐上部區(qū)域均出現(xiàn)了嚴(yán)重的積灰[12]。

圖3 華能兩段式激冷氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖

由于二段反應(yīng)區(qū)噴入了大量的減溫水，合成氣組分中水蒸氣含量高，在20%（體積分?jǐn)?shù)）以上，而且在減溫水和合成氣混合過(guò)程中，二段反應(yīng)區(qū)局部區(qū)域水蒸氣含量更高。積灰發(fā)生的主要位置均在水蒸氣含量高的區(qū)域，如減溫水噴入?yún)^(qū)域附近以及激冷罐上部區(qū)域。針對(duì)工業(yè)裝置出現(xiàn)的這一問(wèn)題，采取的改進(jìn)工作有保證減溫水霧化效果、加大減溫水噴入量、采用灰分較低的煤種、調(diào)整敲擊器工作時(shí)間和敲擊頻率等。

綜上，華能兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)激冷工藝積灰的機(jī)理為高含量水蒸氣引起的積灰，常發(fā)生于氣化爐上部減溫水區(qū)域、煤氣導(dǎo)管段和激冷罐上部，曾嘗試過(guò)控制關(guān)鍵區(qū)域溫度、調(diào)整煤質(zhì)、改造吹灰敲擊裝置等方法，但是效果不佳，尚無(wú)較好的解決措施。

1.3 德士古水煤漿氣化技術(shù)

德士古技術(shù)是一種水煤漿進(jìn)料方式的氣流床氣化技術(shù)，也同時(shí)開發(fā)了激冷和廢鍋兩種工藝，其中激冷工藝未出現(xiàn)積灰問(wèn)題，而廢鍋工藝積灰問(wèn)題較為嚴(yán)重。德士古廢鍋工藝氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。德士古廢鍋工藝氣化爐反應(yīng)區(qū)溫度在1500 ℃左右，高溫合成氣首先進(jìn)入輻射廢鍋進(jìn)行降溫后，再進(jìn)入對(duì)流廢鍋進(jìn)一步降溫。由于德士古采用了水煤漿進(jìn)料方式，煤進(jìn)入氣化爐的同時(shí)攜帶大量冷水，導(dǎo)致產(chǎn)生的合成氣中水蒸氣含量高，相對(duì)干煤粉氣化爐更易積灰。

圖4 德士古廢鍋工藝氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖

在德士古廢鍋工藝工業(yè)裝置運(yùn)行過(guò)程中，輻射廢鍋出現(xiàn)過(guò)結(jié)渣現(xiàn)象，對(duì)流廢鍋出現(xiàn)過(guò)積灰問(wèn)題[13]。為了解決該工程問(wèn)題，工廠采取了大量的措施：（1）改造輻射廢鍋內(nèi)部結(jié)構(gòu)。滴水檐位于輻射廢鍋和燃燒室喉管之間，通過(guò)調(diào)高滴水檐高度和減少水冷壁換熱器，增大灰渣的通道，避免灰渣噴濺到水冷壁上，有效降低了液態(tài)渣與水冷壁直接接觸的幾率，防止輻射廢鍋內(nèi)部發(fā)生結(jié)渣。（2）控制原料煤煤質(zhì)。使用灰分和灰熔融性溫度均較低的煤種可以有效降低結(jié)渣幾率[14]。（3）采用直接降溫法，引入激冷水系統(tǒng)。氣化爐產(chǎn)生的粗煤氣中的大量熱量在輻射廢鍋拐點(diǎn)處被激冷水吸收，降低了粗煤氣的溫度，進(jìn)而降低了對(duì)流廢鍋溫度。

綜上，德士古廢鍋工藝氣化爐在運(yùn)行過(guò)程中，由于液態(tài)的渣在下落時(shí)掃到受熱面，故其輻射廢鍋內(nèi)會(huì)發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象，工程上通過(guò)改造輻射廢鍋結(jié)構(gòu)有較明顯的效果；但由于合成氣水蒸氣含量較高，使對(duì)流廢鍋也易于積灰，工程上采取的防控措施效果不佳，且目前沒(méi)有較好的解決辦法，積灰發(fā)生后，會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備使用壽命和熱量回收效率。

1.4 E-gas 氣化技術(shù)

E-gas 氣化工藝屬于兩段式水煤漿氣化工藝，采用兩段進(jìn)料，在二段出口位置擴(kuò)徑從而形成了停留段，粗合成氣在此停留時(shí)間變長(zhǎng)，有助于粗合成氣完全反應(yīng)[15]。E-gas 氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。在E-gas氣化爐裝置運(yùn)行中，氣化爐二段反應(yīng)區(qū)激冷水噴嘴上部的2 m～3 m 處水蒸氣含量較高，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的積灰，同時(shí)合成氣冷卻器入口也曾發(fā)生積灰。

圖5 E-gas 氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖

為了解決上述問(wèn)題，工廠從運(yùn)行煤種出發(fā)，展開了大量的工作。某廠原設(shè)計(jì)煤種是神華煤，其灰熔融性溫度一般在1080 ℃～1170 ℃，E-gas 氣化爐二段反應(yīng)區(qū)上部積灰嚴(yán)重，曾嘗試運(yùn)行灰熔融性溫度相對(duì)較高（1300 ℃左右）的煤，對(duì)氣化爐上段的積灰有一定的抑制作用，但會(huì)給下游單元帶來(lái)超溫問(wèn)題。為了保證裝置運(yùn)行，該廠還以石油焦為原料進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了良好的效果，但是由于石油焦價(jià)格較高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高。

綜上，E-gas 氣化工藝積灰常發(fā)生于二段反應(yīng)區(qū)激冷水噴嘴上部，使用灰熔融性溫度相對(duì)較高的煤時(shí)，下游會(huì)發(fā)生超溫，采用石油焦作原料能夠避免二段反應(yīng)區(qū)積灰，但是會(huì)大幅增加了裝置的生產(chǎn)成本。

2 積灰機(jī)理研究進(jìn)展

針對(duì)各類氣化技術(shù)工業(yè)裝置出現(xiàn)的氣化爐合成氣冷卻段積灰問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量的研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果及本課題組長(zhǎng)期的研究，發(fā)現(xiàn)引起氣化爐合成氣冷卻段積灰的原因主要分為低熔點(diǎn)共熔物在高溫下引起的積灰和高水蒸氣含量引起的積灰兩類。

2.1 低熔點(diǎn)共熔物在高溫下的積灰

高溫積灰是指煤灰中的無(wú)機(jī)礦物在氣化過(guò)程中會(huì)形成低熔點(diǎn)的共熔物，在煤氣冷卻過(guò)程中由于冷卻溫度不足，灰顆粒具有黏性引起的積灰，此類積灰和煤灰中的硅鋁酸鹽、黃鐵礦、堿金屬等組分均有關(guān)系，同時(shí)灰的表面粗糙度和飛灰含碳量也會(huì)對(duì)灰顆粒被捕捉及灰顆粒黏結(jié)沉積有明顯的影響。

殼牌和華能兩段式氣化爐廢鍋流程工業(yè)裝置生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中先后出現(xiàn)過(guò)大量積灰問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)其過(guò)程機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，部分學(xué)者[16-18]認(rèn)為積灰與飛灰的粒度有關(guān)。馬飛[16]通過(guò)對(duì)沉積飛灰進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)小顆粒灰能夠黏結(jié)大顆粒灰，形成球形顆粒群，并逐漸形成積灰，同時(shí)通過(guò)對(duì)劉二煤和云南煤氣化后的飛灰進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在邊界區(qū)粒徑較小的飛灰顆粒由于管壁與顆粒間存在較強(qiáng)的熱泳力作用，在管壁表面進(jìn)行黏附；B.KREUTZKAM 等[17]指出煤在燃燒過(guò)程中破碎成各種粒度大小的飛灰, 這些飛灰的粒度對(duì)沉積有著重要的影響；盛新等[18]針對(duì)殼牌氣化爐不同煤種產(chǎn)生的飛灰樣品，釆用XRF、SEM-EDX、激光粒度分析儀進(jìn)行分析對(duì)比，認(rèn)為飛灰的粒度是影響飛灰沉積的主要原因。部分研究者[19-20]認(rèn)為飛灰的產(chǎn)生與粒度分布有關(guān)。X.P.LI 等[19]利用軟件模擬研究飛灰沉積粒度分布，結(jié)果表明在低氣速下，隨著飛灰粒徑的增大，沉積在管壁上的飛灰量也有所增加；趙清良等[20]研究飛灰沉積行為，發(fā)現(xiàn)飛灰粒度分布區(qū)間寬可能是飛灰沉積質(zhì)量大的原因。部分學(xué)者[21-24]認(rèn)為積灰與飛灰組分有關(guān)。蘭澤全等[21]的研究結(jié)果表明，Na、Fe、Ca 是導(dǎo)致飛灰沉積的重要礦物元素，沉積灰粒在傳熱面上的黏附和增長(zhǎng)特性取決于能否與傳熱表面間形成強(qiáng)黏結(jié)力以及這種能力的大小；M.J.F.LLORENTE等[22]發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加石灰、高嶺土、白云石等能夠降低灰的熔點(diǎn)；在還原性氣氛下, 飛灰礦物質(zhì)中大部分的Na、K、Ca 和Fe 都以硅鋁酸鹽的形式形成了低熔點(diǎn)共熔物，在1000 ℃都已發(fā)生熔融[23]；梅樂(lè)[24]認(rèn)為飛灰黏附是含鐵礦物的生成引起的。此外，K.RIETEMA[25]則認(rèn)為飛灰顆粒之間的作用力與接觸面積有關(guān)。

筆者課題組通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究和對(duì)工業(yè)裝置灰渣樣品的對(duì)比研究[26]，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究成果，認(rèn)為工業(yè)裝置高溫積灰是由煤灰低熔點(diǎn)共熔物、磁珠和酸性氣體與堿金屬的化合物中的一種或幾種引起的。由文獻(xiàn)[27]中K2O-SiO2-Al2O3三相圖可知，K2O-SiO2-FeO 有低溫共熔區(qū)，當(dāng)K2O 和FeO 含量高時(shí)，低熔點(diǎn)共熔物的共熔溫度最低在800 ℃以下。煤灰中鐵的礦物形態(tài)主要是黃鐵礦，在氣化過(guò)程中被加熱后會(huì)形成Fe-O-S 的低溫共熔物，其鐵含量高，具有磁性，能夠吸附小顆粒，例如飛灰，該物質(zhì)又被稱作磁珠[28]。在氣化過(guò)程中，煤灰中的堿金屬會(huì)揮發(fā)到氣相中，在冷卻過(guò)程中又會(huì)通過(guò)反應(yīng)重新進(jìn)入固相，從而提高了固相中的堿金屬含量。本課題組預(yù)測(cè)氣化爐廢鍋流程高溫積灰的過(guò)程如下：正常情況下，F(xiàn)e 和Ca 從煤灰中遷移過(guò)來(lái)，酸性氣體和堿金屬反應(yīng)，生成的化合物與SiO2-Al2O3-CaO 的共熔物會(huì)融合，提高共熔物的堿金屬含量，此類共熔物和Fe-O-S 共熔物會(huì)進(jìn)一步融合，如果酸性氣體和堿金屬反應(yīng)加劇，K2O·2SiO2和FeO 比例達(dá)到一定值后，形成的磁珠最低液相溫度僅有800 ℃，且易于吸附細(xì)小顆粒，會(huì)形成積灰的黏性底層。

2.2 高水蒸氣含量引發(fā)的積灰

高水蒸氣含量積灰是指當(dāng)煤氣中水蒸氣含量高時(shí)，會(huì)引起一系列的物理化學(xué)變化，使飛灰易于向爐壁表面沉積，工程實(shí)踐表明，當(dāng)煤氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)高于5%時(shí)，在煤氣降溫的過(guò)程中，易于發(fā)生積灰。

鄒家富等[1]在工業(yè)裝置開展的運(yùn)行試驗(yàn)表明，當(dāng)合成氣中水蒸氣含量高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的廢鍋積灰，積灰會(huì)在合成氣冷卻的全過(guò)程發(fā)生，低溫受熱面也會(huì)有大量的灰黏結(jié)。M.BLASING 等[29]研究了熱解氣氛對(duì)煤中Na 遷移的影響，結(jié)果表明反應(yīng)氣氛中含有水蒸氣時(shí)Na 的釋放率增加。X.J.LI 等[30]研究發(fā)現(xiàn)不同氣氛會(huì)影響堿金屬的富集形態(tài)，揮發(fā)的Na 在CO2氣氛下會(huì)形成不易揮發(fā)的Na2CO3，而在水蒸氣氣氛下則會(huì)形成易揮發(fā)的NaOH。

水蒸氣含量高引起的飛灰黏結(jié)與廢鍋低熔點(diǎn)共熔物高溫積灰的機(jī)理及表象不同，對(duì)其研究較少且無(wú)相對(duì)一致的結(jié)論。需要研究掌握氣化過(guò)程中水蒸氣對(duì)堿金屬遷移的影響機(jī)制，分析飛灰黏結(jié)過(guò)程中水蒸氣含量升高促進(jìn)的反應(yīng)，才能夠明確水蒸氣促進(jìn)廢鍋積灰的過(guò)程機(jī)理。

由于水蒸氣促進(jìn)積灰的機(jī)理尚不明確，對(duì)應(yīng)工業(yè)裝置出現(xiàn)的問(wèn)題依然十分突出，且尚無(wú)有效的防控措施，嚴(yán)重影響了工業(yè)裝置的“安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)”運(yùn)行，因此，需要對(duì)上述機(jī)理進(jìn)行更深入的研究。

本課題組經(jīng)初步調(diào)研分析，認(rèn)為高含量水蒸氣引起積灰的機(jī)理與堿金屬、水蒸氣、煤灰組分等均可能有關(guān)系。筆者課題組已搭建氣化與灰黏結(jié)電爐模擬實(shí)驗(yàn)裝置（見圖6），該實(shí)驗(yàn)裝置由配氣系統(tǒng)、水蒸氣發(fā)生系統(tǒng)、給粉系統(tǒng)、氣化反應(yīng)系統(tǒng)等構(gòu)成，可以控制氣化過(guò)程中的氣體組分、給粉速率、氧煤比、蒸汽煤比、燃燒溫度等，反應(yīng)系統(tǒng)中的高溫剛玉管溫度最高可達(dá)1600 ℃，接近氣化爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)的溫度。筆者將進(jìn)一步開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)高含量水蒸氣引起積灰的機(jī)理進(jìn)行逐步探究。

圖6 氣化與灰黏結(jié)電爐模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

3 結(jié)語(yǔ)及展望

3.1 國(guó)內(nèi)大部分氣流床氣化裝置均出現(xiàn)過(guò)積灰問(wèn)題，其中殼牌氣化技術(shù)、華能兩段爐廢鍋工藝氣化技術(shù)出現(xiàn)積灰的主要原因是低熔點(diǎn)共熔物在高溫下引起的積灰，而德士古氣化爐、E-gas 氣化爐、華能兩段爐激冷工藝氣化技術(shù)出現(xiàn)積灰主要是由合成氣中高含量水蒸氣引起的。目前對(duì)低熔點(diǎn)共熔物在高溫下的積灰研究較多，但對(duì)高含量水蒸氣引起的積灰研究較少，且無(wú)相對(duì)一致的結(jié)論。

3.2 高溫積灰是由低熔點(diǎn)共熔物、磁珠和酸性氣體與堿金屬的化合物引起的，當(dāng)鐵含量較高且堿金屬富集時(shí)，會(huì)形成共熔溫度低于800 ℃的低熔點(diǎn)共熔物，當(dāng)冷卻不足時(shí)，灰顆粒會(huì)在合成氣冷卻器上黏結(jié)沉積。目前工程上采用加大冷卻、加強(qiáng)吹灰等措施，起到了良好的效果。

3.3 工業(yè)裝置運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，高水蒸氣含量會(huì)引起氣化爐合成氣冷卻段積灰，但其積灰機(jī)理尚不明確，對(duì)應(yīng)工業(yè)裝置存在的問(wèn)題依然突出，尚無(wú)有效的防控措施。需通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M工業(yè)過(guò)程，收集積灰樣品，逐步研究堿金屬、水蒸氣、煤灰組分等對(duì)積灰的影響以及涉及到的反應(yīng)，方能掌握積灰機(jī)理。

3.4 隨著我國(guó)對(duì)進(jìn)口技術(shù)的不斷改進(jìn)及自主開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，部分工業(yè)裝置出現(xiàn)的積灰問(wèn)題得到了有效的抑制。但是，現(xiàn)有工業(yè)裝置采取的部分積灰防控措施增加了裝置能耗，降低了設(shè)備使用壽命，需要進(jìn)一步提升技術(shù)水平。同時(shí)，合成氣中水蒸氣含量高引起的積灰所涉及的機(jī)理尚不明確，需要對(duì)積灰過(guò)程進(jìn)行更深入的研究，才有望提出新的工程解決方案。