氣化爐激冷水系統的優化

劉 霄，張 龍

（陜煤集團 榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719000）

0 引 言

在粉煤氣化的流程中，激冷水系統對于降低粗合成氣的溫度，維持一定的氣液比均起著非常重要的作用。

激冷室里充有一定液位的冷卻水，來自粉煤加料罐內的粉煤與經氧氣預熱器預熱后的氧氣在氣化爐高溫、高壓條件下迅速反應，反應產生的高溫粗合成氣經渣口進入氣化爐激冷室內，先經激冷環，由激冷環小孔斜向噴出的水幕激冷，然后，沿下降管進入激冷室內進行水浴。

在下降過程中，高溫合成氣與下降管內壁的水膜并流接觸，進行傳熱與傳質，高溫合成氣將熱量傳遞給水膜，使水部分汽化進入合成氣主流，將合成氣的溫度急劇降低并增濕。

激冷室液位到合成氣出口的空間為汽水分離空間，若汽水分離不充分，產生合成氣帶水現象，大量灰分隨著合成氣夾帶的水進入到洗滌塔內，影響了洗滌塔的水質，以及合成氣的清潔度。洗滌塔水質的惡化影響了氣化爐激冷環上的激冷水水質，長期運行會加劇氣化爐激冷水管線結垢。

合成氣在激冷室內初步洗滌除灰，降溫后通過導氣管、分離擋板進入下游的洗滌系統。熔渣在激冷室中與水直接接觸冷卻，迅速固化為不規則的固體小渣粒，并沉降在激冷室下部的渣池中，隨后進入粗渣收集排放系統。

激冷室中的飛灰和細渣懸浮在激冷水中，隨黑水排放進入灰水處理系統。由于粗合成氣的溫度較高，容易將激冷室的下降管燒穿。

為了避免下降管被燒穿，同時，對維持一定氣液比的粗合成氣進行除灰、降溫，保證氣化爐和后續凈化工段安全、平穩的運行，激冷水的添加就變得極其重要。

1 激冷水系統

激冷水系統的流程如圖1 所示。

由圖1 可以看出，來自洗滌塔的洗滌水經激冷水泵加壓后分為兩路：

（1） 一路進入文丘里洗滌器中，進一步增濕、增重粗合成氣中的固體小顆粒，從而促進粗合成氣中顆粒的分離。

（2） 另一路經激冷水過濾器、激冷環進入氣化爐激冷室。

激冷水量的大小對粗合成氣的溫度、含固量以及激冷室的下降管有著直接的影響。

當激冷水量過低時，無法對粗合成氣進行充分的降溫，將會造成氣化系統溫度升高，甚至有燒壞下降管的可能；當激冷水量過高時，會造成激冷室的液位增高，從而影響激冷室上部氣液分離的空間，容易造成合成氣嚴重帶水。

激冷水流量不僅取決于激冷水泵的效率，還與激冷水過濾器、激冷環、激冷室的結構有著重要的相關性。

激冷水水質差，會影響激冷水過濾器的使用壽命，激冷水中大于濾網孔徑的固體渣塊，會堵塞激冷水過濾器的濾網；激冷水中含有大量的Ca2+、Mg2+離子會造成激冷環噴淋孔部分結垢，堵塞激冷環，從而影響系統的穩定運行。

本文主要對激冷水系統中的激冷水過濾器、渣口、激冷環、下降管的結構進行分析及優化，為激冷水系統長時間穩定運行提供一點思考。

2 不同氣化爐激冷水系統結構及運行的優化

2.1 激冷水過濾器運行優化

激冷水過濾器的作用是過濾激冷水，防止垢片進入激冷環后引起激冷水分布不均勻。但由于盲區的存在，激冷水過濾器的切換，極易使盲區形成的垢片進入激冷環中。

從航天爐的運行經驗來看，每次開車時，當第1 臺投用的激冷水過濾器壓差＞50 KPa 時，應注意觀察激冷水泵電流的變化。

一旦出現有影響激冷水流量和氣化爐液位的跡象，在保持第1 臺激冷水過濾器使用狀態不變的情況下，再平穩地投入備用的過濾器，一般2 臺激冷水過濾器可使用超過6 個月。

激冷水過濾器一開一備投用時，系統運行只能維持1 個月就應切換備用的激冷水過濾器，且頻繁切換激冷水過濾器，可能會導致因激冷水流量的不穩定，而發生氣化爐停車的事故。

所以，在投用激冷水過濾器時，最好的選擇是2 臺激冷水過濾器都同時投用，這樣對于系統長周期的運行更有效。

2.2 優化渣口結構

粉煤在高溫的氣化爐內迅速發生氣化反應，生成以CO+H2為主的粗合成氣和熔融狀態的渣。由于粉煤燒嘴氧氣流道與氣化爐垂直方向成一定的角度，產生的合成氣會在爐內形成旋轉的氣流，而熔渣會在旋轉氣流產生的離心力的作用下被甩到與水冷壁直接接觸，碰到溫度較低的水冷壁發生沉淀并固化。

隨著渣層厚度的增加，固態渣層熱阻增大，最終固態渣層表面與水冷壁冷卻水溫差加大，使渣層表面的固態渣和液態渣形成動態平衡狀態，液態渣的粘性會隨著溫度的降低而增大，在重力的作用下通過渣口進入激冷室內。

氣化爐渣口呈錐形過渡結構，燃燒室內的氣液固三相會以噴射形式通過渣口，由于噴射氣流的流速快，易發生合成氣偏流，氣流會直接沖向下降管壁，破壞其表面的水膜，進而發生下降管燒損現象。

本段主要從設備結構分析，期望通過優化渣口結構，減緩由于氣流偏噴造成激冷內件燒損的后果。

氣化爐渣口的錐形過渡結構如圖2 所示。

某爐型通過改變渣口盤管結構形式，為了區別于傳統水冷壁盤管和渣口盤管的對接形式，渣口盤管設置渣壩，可有效保護下渣過程中對渣口盤管的沖刷，同時，在煤質波動時可起到一定的保護和緩沖作用。

某爐型渣口盤管結構形式如圖3 所示。

圖3 某爐型渣口結構Fig.3 Slag mouth structure of a certain furnace

渣口結構的優化，不僅對改變渣口流場和改善高溫介質的溫度場的分布有著重要的意義，而且可以進一步降低粗合成氣對渣口底部耐火材料的沖刷，延長渣口盤管的使用壽命。

某公司技術改造前后的渣口溫度場分布如圖4所示。

圖4 某公司技術改造前后的渣口溫度場分布Fig.4 Temperature field distribution of slag mouth before and after technical transformation of a certain company

左邊為某公司渣口優化前喇叭口倒錐面盤管渣口結構的其溫度場分布，右邊為某公司渣口結構優化后的階梯式渣口結構的溫度場分布。

從圖4 可以看出，優化的渣口結構溫度場分布更為均勻，無明顯的擴散現象，這樣可以有效降低粗合成氣流的偏噴次數。

2.3 優化激冷環結構

在氣化爐燃燒室內反應產生的粗合成氣（溫度為1 400 ℃），經渣口進入激冷室內進行水浴降溫、除灰。

激冷室內的激冷水經激冷環分配，一路經其流道側壁開孔進入內側，起到保護激冷環的作用；另一路沿環與下降管之間縫隙均勻地向下流出，在下降管壁上形成一層水膜，保護下降管的作用。

由于激冷水具有含固量高、硬度和堿度偏大等特點，容易引起水中雜質的沉積，造成結團，從而堵塞激冷環，使得粗合成氣不能得到有效冷卻，導致下降管被燒穿。因此，對激冷水的質量應嚴格控制。

激冷環三維結構如圖5 所示。

圖5 激冷環三維結構Fig.5 Three-dimensional structure of chilling ring

在一些化工廠實踐探索分析中，采取的方法是擴大激冷環的半徑和增加開孔的數量。這樣，一方面明顯的降低了激冷水對激冷環的沖刷，并且使得激冷水在激冷環的環形圈內更加均勻旋轉流動；另一方面，有效降低了由于灰水中粒徑較小的細灰造成激冷環射流孔部位的結垢，從而增加了激冷環的運行周期。

2.4 優化分離擋板

上升管的頂部，當合成氣和渣經過激冷室水浴后，渣溶解在水里，而合成氣經過上升管和下降管環部空隙、折流板和出口擋板后，通過管道進入洗滌塔。

擋板有如下的作用：

（1） 進一步防止合成氣帶水、帶灰。

（2） 分離合成氣中的不飽和水分。

（3） 防止結在下降管或支撐板上的灰渣脫落被合成氣帶出。

航天爐在長期運行過程中，水浴后的合成氣經分離擋板折流后，很容易造成附近管線的堵塞。從運行經驗來看，減少1~2 塊折流擋板個數，改變水浴后的合成氣折流角度，能有效的降低合成氣出口管線堵塞的現象。

某爐型的設計有專門的折流通道，合成氣出口擋板呈120°的角度，充分考慮到了合成氣帶水、帶灰量嚴重對出口管線的堵塞現象。

2.5 優化下降管

在氣化爐激冷水系統內，下降管一般焊接在激冷環基座上。粉煤氣化產生的高溫粗合成氣、殘碳、激冷水經下降管進行初步的冷卻、除灰后，沿下降管進入激冷室內，進行水浴降溫、除灰。

下降管的損壞一般有以下幾種類型：

（1） 由于激冷水量不足，造成下降管水膜分布不均勻，尤其是在下降管溫度下降較快的上部和中部，一旦金屬長期暴露在外，就會出現下降管鼓包的現象。

（2） 由于氣化爐內出現富氧現象，粉煤氣化產生的粗合成氣與氧氣進行二次反應，形成爆炸性氣體，在氣化爐內產生強烈震動，使得下降管隨著大幅度的震動，從而產生下降管褶皺現象。

（3） 下降管出現空洞的現象，由于煤灰的粘度隨著溫度的降低而增大，經過渣口盤管冷卻后的煤灰的粘度增大，造成渣口出現大量積聚的煤灰，使得渣口直徑變小。燃燒室與激冷室之間連接的部位相當于一個縮頸管，當渣口變小時，產生的粗合成氣的氣速就會變大，形成的高速的粗合成氣夾帶著煤中的殘余物沖刷著下降管，造成了下降管的生洞破損。

此外，由于下降管焊接在激冷環的基座上，若激冷環發生被堵的現象，也會導致下降管水膜分布不均勻，最終，高溫粗合成氣會與局部沒水膜的下降管進行直接接觸，從而造成了下降管的生洞破損。

某爐型下降管設計結構如圖6 所示。

圖6 某爐型下降管設計結構Fig.6 Design structure of downcomer of a certain furnace

由圖6 可以看出，某爐型在下降管的設計結構方面：

（1） 在激冷環下方50 mm 處的下降管上，增加一路高壓灰水來補充激冷水。

（2） 通過擴大直徑（D=1 420 mm） 來降低對下降管的沖刷。

某爐型的下降管位于渣口外側（渣口直徑為800 mm），渣口處的熔渣會隨著氣流沿下降管進入激冷室內，減少了熔渣沖刷下降管，延長了下降管的使用壽命。

3 結 語

氣化爐的激冷系統對氣化爐的穩定運行起著至關重要的作用，影響激冷系統的因素是多方面的。從激冷水的過濾器、渣口、激冷環、分離擋板、下降管5 個方面的結構優化展開討論，得出以下幾點結論：

（1） 2 臺激冷水過濾器同時投用時，可有效降低因頻繁切換激冷水過濾器而可能導致激冷水流量不穩定，從而引起氣化爐事故的停車現象，這樣對于系統長周期穩定運行更有效。

（2） 渣口結構優化成階梯式，并在渣口結構處設置渣壩，可有效降低粗合成氣流偏噴次數。

（3） 增大激冷環的半徑和增加其開孔數，可減少激冷水對激冷環的沖刷。

（4） 改變渣水分離擋板的角度，能有效的降低合成氣出口管線堵塞的現象。

（5） 增大下降管的直徑，可降低粗合成氣對下降管的沖刷。