流化床反應器床層波動現象分析

牛維維，楊 猛，李 斌，張 棟，何炳昊

（陜西延長石油（集團）碳氫高效利用技術研究中心，陜西西安710075）

近年來全球氣候惡劣，大氣污染嚴重，其中燃煤和不清潔用煤是大氣污染的主要來源之一，煤炭清潔高效利用是當前解決中國工業可持續發展和資源環境制約問題的關鍵。現階段，煤碳高效、清潔氣化技術成為了焦點。流化床技術常用于鍋爐發電、催化裂化、煤制油、煤氣化等多種裝置，中國已先后建成30 余套流化床煤氣化裝置，但大多數工業裝置能耗大，碳轉化率低［1～3］。

文中的中試裝置采用高倍率流化床反應器，具有對煤種適應范圍廣，尤其適用高階煤種氣化，燃燒效率高，處理能力大，高效清潔及節能環保，建設運行成本低等優點，經過多次實驗探索，實現了長周期穩定運行，可以為工業化推廣提供技術支撐。此技術解決了常規流化床氣化中殘留的焦油、甲烷含量高、碳轉化率偏低等問題，并且實現了污水零排放。此技術高倍率流化床建立及穩定運行是核心操作，床層維持穩定是操作難點，床層波動會使碳轉化率降低，甚至造成較為嚴重的反應器內結焦等問題。

流化床反應器剛開始流化時床層由固定床到流化床流型轉變［4］，隨著氣速不斷提高，突破臨界流化速度［5］，床層開始湍動，直至氣速達到固體顆粒帶出速度，此時氣體夾帶固體顆粒向上移動進入旋風分離器，粗合成氣從旋風分離器上口流出，固體顆粒被捕捉進入立管，而后通過返料腿進入反應器內燃燒反應，形成流化床。文中就高倍率流化床反應器床層波動現象分析并提出相應調整措施。

1 反應器介紹

反應器主要有原料混合區、提升管、內置旋風、外置旋風、密封罐、立管、J 型腿等7 個構件，見圖1。

圖1 反應器裝置示意圖

煤粉通過干燥CO2氣體輸送進反應器原料混合區與氣化劑燃燒反應，生成的粗合成氣夾帶煤粉顆粒通過提升管進入內置旋風分離器，粗合成氣與少量未捕捉下來的煤粉顆粒進入外置旋風分離器，捕捉下來的煤粉顆粒通過密封罐進入立管，外置旋風分離器繼續分離后合成氣從上部流出，粗顆粒進入立管，立管中固體顆粒通過J型腿返回反應器原料混合區運行。對于此反應器而言，其固體倍率高達50～100，屬于高倍率流化床反應器。

2 流化建立

（1）主流化氣的建立，通過開工預熱爐預熱煙氣（圖1 中主流化氣1）、混合區氣化劑通道（圖1 中主流化氣2、3、4）提供，主要用于流化床層中的固體顆粒流化，開工預熱爐通過柴油燃燒，熱氣進入氣化爐混合區預熱爐內砂子，混合區氣化通道通入加熱后的氮氣，用于爐內砂子流化。

（2）松動氣的建立。主要通過氣化爐密封罐、立管、J 型腿上松動氣提供（圖1 中松動氣1、2、3），用于旋風分離器分離下的固體顆粒的松動，便于堆積的固體顆粒層流動，形成固體。

（3）提高倍率。提高提升管氣速，調整時保留一定的流化場反應時間間隔；增加密封罐的松動氣氣量，保證密封罐內固體顆粒向立管移動，立管固體顆粒層能提供足夠的推動力；最后調整立管底部和J型腿松動氣氣量，增加立管向原料混合器的固體顆粒返料量。

（4）根據調整后氣化爐壓差、壓力、溫度變化情況，對流化氣和松動氣氣量優化調整，主流化氣調整依次調節2、3、4，松動氣依次調節3、2、1。

3 床層波動判斷

中試裝置氣化爐操作溫度950 ℃，操作壓力0.93 MPa，分析某次試驗混合區監控數據發現床層波動時氣化爐壓力、壓差、溫度會發生大波動，床層波動時間在4:28～4:33，收集數據見圖2～4。

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圖2 床層波動前后壓力變化

從圖2可以看出，床層波動期間原料混合區壓力PI-14084/PI-14086 從0.9 MPa 短時間內增加到1.9 MPa，PI-14089 從0.94 MPa 增加到1.67 MPa，然后逐漸恢復正常壓力；立管底部壓力PI-14087 從1.1MPa 增加到1.7 MPa，然后逐漸恢復正常壓力；氣化爐出口壓力PI-14088 正常是0.93 MPa，床層發生波動后先減小至0.7 MPa，后增大至1.5 MPa，然后恢復正常。正常工況下立管底部壓力比混合區壓力高0.2 MPa 左右，床層波動時立管底部壓力PI-14087比混合區壓力PI-14084低0.2～0.5 MPa。

由圖3可見，反應器床層波動期間氣化爐混合區壓差PDI-14002減小甚至出現負值，提升管壓差PDI-14079 先增大后減小；立管壓差PDI-14014 先增大后減小，立管底部壓差PDI-14082波動會出現負值；J型腿壓差PDI-14092減小甚至出現負值。

圖3 床層波動前后壓差變化

由圖4可見，反應器床層波動期間氣化爐溫度表現出明顯的波動，混合區溫度TI-14073 由940 ℃升高至998 ℃，上升了58 ℃；立管上部溫度TI-14076 溫度波動有滯后，從860 ℃升高至928 ℃，上 升 了68 ℃；J 型 腿 溫 度TI-14075 由920 ℃升高至1 025 ℃，上升了105℃。床層波動期間J型腿溫度變化最明顯。

圖4 床層波動前后溫度變化

4 影響因素

影響床層穩定的因素主要有5個。

（1）氣速。氣化爐提升管氣速低于帶出速度甚至低于臨界流化速度時就會出現床層弱流化甚至不流化，床層趨于固定床，若氣速高于操作氣速，大量固體物料后移，提升管固體物料減少，床層會出現大波動，碳轉化率降低，同時大量固體帶入后系統加大后系統負荷。

（2）氣量。氣量分配不合理，主流化氣和松動氣氣量分配不合理會使床層波動，床層流化不穩定引起傳質、傳熱效率變低，甚至立管料位坍塌，旋風失效［6］。

（3）熱載體。固體熱載體的存量不足或過量都會引起床層波動。固體顆粒過細不易被旋風分離器捕捉，立管沒有足夠的料位提供固體顆粒的推動力；固體顆粒過粗不易流化，氣化效率低。

（4）壓力。爐膛的壓力控制尤為重要，爐膛壓力波動嚴重，會引發混合區氣體倒竄進入立管，破壞立管料層，影響旋風分離器分離效果。

（5）氣體反竄。氣化爐混合區氣體夾帶煤粉反竄通過J型腿進入立管，破壞立管的固體顆粒堆積的料層，甚至進入旋風分離器，影響旋風分離效果。立管料位高度低于平衡點，系統沒有足夠的推動力，流化氣氣量調解不當，J 型腿返料速率與提升管氣速不匹配，系統壓力波動大，提升管壓力升高，高于立管靜壓力等都會引起氣體反竄［7］。

5 調整措施

5.1 控制壓力與氣速

控制氣化爐操作壓力0.93 MPa，提升管氣速4～6 m/s，壓力波動會引起床層波動，通過后系統背壓閥及時調整使壓力穩定。氣速過低，床層流化差，提升管易結焦；氣速過高，大量固體顆粒后移，旋風分離器效率降低，后系統負荷增加。

5.2 控制煤粉粒徑

控制氣化爐煤粉粒徑以0.3～0.5 mm 最佳，過細的煤粉會大量逃出內置旋風和外置旋風進入后除塵系統，加大除塵系統負荷，立管料位難以維持平衡，固體顆粒動力減弱，量不足，氣化爐提升管床層會發生波動；煤粉過粗會使提升管流化不暢，床層波動，碳轉化率降低。

5.3 控制立管料位

控制立管料位在平衡點附近，立管料位過高會降低旋風分離器分離效率，大量固體顆粒帶入后系統需要加大J 型腿、立管底部松動氣氣量，及時判斷氣化爐床層內固體顆粒存量，必要時加砂和排灰；立管料位過低，動力減弱，甚至出現氣體反竄，需增加立管料位高度，提高系統推動力，適當降低J 型腿、立管底部松動氣氣量，適當增加內旋底部、密封罐松動氣氣量。

6 結束語

（1）氣化爐預熱前加入熱載體石英砂量足夠，粒徑符合要求，提升管混合區氣化劑管線從上往下依次調節流化氣量，維持床層流化并穩定運行。

（2）嚴格把控煤粉粒徑0.3～0.5 mm，投煤后混合區流化氣緩慢切換為氣化劑，控制煤粉與氣化劑比例、操作壓力、提升管氣速。

（3）保證立管料位足夠，固體顆粒順暢，松動氣壓力充足，流量可控。

（4）立管返料量與氣速匹配，保證立管返料量和密封罐送料量一致，通過調節密封罐、立管底部、J型腿的松動氣量調節返料量。