五環(huán)干粉煤氣化爐激冷罐運(yùn)行問題分析及技改優(yōu)化

楊國(guó)帥，宋 強(qiáng)

（河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600）

1 五環(huán)爐煤氣化工藝概述

河南龍宇煤化工有限公司二期年產(chǎn)40萬(wàn)t醋酸和20萬(wàn)t乙二醇項(xiàng)目煤氣化裝置采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的兩臺(tái)五環(huán)干粉煤氣化爐。工藝流程為：來自煤場(chǎng)的煤與石灰經(jīng)石研磨、干燥后，粒徑5 μm～90 μm的煤粉經(jīng)加壓和進(jìn)料（鎖斗）系統(tǒng)，在N2/CO2的推力下被連續(xù)送入氣化爐煤燒嘴。干煤粉和純氧在氣化爐內(nèi)急劇反應(yīng)生成粗煤氣和灰、渣，反應(yīng)溫度1 400℃～1 600℃，反應(yīng)壓力3.9 MPa。煤中大部分的灰分以熔融渣的形式經(jīng)氣化爐底部排出，在渣池中激冷分散成小顆粒，再通過渣鎖斗排出，運(yùn)往渣場(chǎng)。上行的粗煤氣被來自激冷氣壓縮機(jī)的激冷合成氣冷卻至約650℃后，依次通過激冷段、氣體返回室和輸氣管，在激冷罐內(nèi)冷卻到190℃～200℃。出激冷罐的粗煤氣在濕洗塔進(jìn)一步降溫至170℃～190℃，含塵質(zhì)量濃度降至小于1 mg/m3。激冷罐、濕洗塔排放的氣化廢水送至黑水處理裝置，經(jīng)三級(jí)閃蒸濃縮、加絮凝劑澄清后的溢流灰水循環(huán)使用，經(jīng)除氧器、減濕器回收閃蒸氣的熱量后，被高壓灰水泵送回濕洗塔循環(huán)利用。沉淀后高濃度的黑水送至板框壓濾機(jī)壓出煤泥，濾液循環(huán)至澄清槽。出濕洗塔的合成氣進(jìn)一氧化碳變換系統(tǒng)調(diào)整氫碳比后，送下游凈化裝置。

2 激冷罐系統(tǒng)流程

出輸氣管約650℃的高溫粗煤氣進(jìn)入水浴式激冷器——激冷罐內(nèi)，在激冷罐內(nèi)中心內(nèi)筒和激冷水直接接觸進(jìn)行降膜蒸發(fā)冷卻、水浴洗滌除塵，再經(jīng)上升管上行混合后出激冷罐，粗煤氣溫度降至190℃～200℃，粗煤氣中夾帶的大量細(xì)飛灰被初步洗滌脫除，而富含大量水汽的粗煤氣進(jìn)入濕洗塔進(jìn)行二次除灰降溫。激冷水由濕洗塔底部的激冷水泵提供，正常流量控制在350 m3/h～400 m3/h。濕洗塔的補(bǔ)水來源有變換冷凝液、中壓鍋爐水、來自高壓灰水泵的除氧灰水。水浴洗滌后產(chǎn)生的黑水分兩股去閃蒸系統(tǒng)：一股是激冷罐底錐的黑水，流過DN150的管道，約占排水總流量的35%，其固含量相對(duì)較高；一股是激冷罐中下部的灰水，流過DN300的管道，約占總流量的65%，其固含量相對(duì)較低，生產(chǎn)中可以根據(jù)需要進(jìn)行流量分配調(diào)整，使灰水在激冷罐底錐位置形成自流狀態(tài)。

3 故障現(xiàn)象及原因分析

3.1 激冷罐入口結(jié)垢

粗煤氣攜帶大量的飛灰進(jìn)入激冷罐下降管，在此和激冷水直接接觸，存在一段干濕兩相過渡區(qū)域，從而給積灰創(chuàng)造了條件。五環(huán)爐在滿負(fù)荷運(yùn)行30 d左右時(shí)，在所用煤質(zhì)灰分低（≤23%），操作平穩(wěn)的情況下，高溫干燥的飛灰與水汽結(jié)合而黏性增大，在干濕過渡區(qū)域緩慢積灰、堵塞通道（見圖1），造成氣化爐壓力和總壓差上漲、激冷氣量下降，嚴(yán)重影響負(fù)荷提升和安全運(yùn)行。結(jié)垢最嚴(yán)重時(shí)，下降管入口通道僅為原通道設(shè)計(jì)值的15%。

圖1 激冷罐入口堵塞圖

3.2 水冷壁泄漏

下降管及其上方的水冷壁所處工作環(huán)境惡劣，進(jìn)行著氣、液、固三相間的傳熱傳質(zhì)，并且流動(dòng)過程復(fù)雜迅速。粗煤氣在短時(shí)間、短距離內(nèi)從650℃降到220℃左右，高低溫的變化、濕度的變化、粗煤氣中的酸性氣體長(zhǎng)期腐蝕[1]，這些綜合因素導(dǎo)致此處水冷壁發(fā)生泄漏（見圖2）。五環(huán)爐自試車運(yùn)行以來，出現(xiàn)過5次激冷罐上方水冷壁泄漏現(xiàn)象，影響氣化水汽系統(tǒng)的安全運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)汽包補(bǔ)水量和產(chǎn)汽量偏差大，導(dǎo)致壓力和液位不易控制而被迫停車。停車后，必須進(jìn)入激冷罐內(nèi)部對(duì)該處的水冷壁減薄部位進(jìn)行焊接處理或局部更換。

圖2 水冷壁彎頭泄漏圖

3.3 激冷水量不足

激冷水量的大小可通過流量計(jì)和激冷水泵的電流直觀判斷。造成激冷水量不足的主要原因和現(xiàn)象有：激冷水泵過濾器堵塞，電流下降；激冷水過濾器積泥，壓差緩慢上漲；激冷水進(jìn)水管、分布環(huán)及噴頭結(jié)垢等（見圖3）。一旦激冷水量不足，將造成濕洗塔液位上漲，不得不降低濕洗塔的鍋爐水和來自除氧器的灰水量，進(jìn)而加速了水質(zhì)惡化和激冷水系統(tǒng)的結(jié)垢，也造成合成氣洗滌不干凈，將飛灰?guī)е料掠巫儞Q系統(tǒng)，給催化劑的安全運(yùn)行帶來很大隱患。停車后，需用高壓水清洗噴頭和激冷環(huán)內(nèi)部，檢修難度較大。針對(duì)激冷水量不足的問題，曾采取臨時(shí)措施：從高壓灰水泵出口配管引除氧灰水至激冷罐；間斷地投入事故激冷水（鍋爐水），對(duì)激冷水管線進(jìn)行沖洗和補(bǔ)充激冷罐液位，但此舉大大地增加了運(yùn)行成本。

圖3 激冷水管線堵塞結(jié)垢圖

3.4 液位波動(dòng)

激冷罐液位的影響因素有激冷水量、氣化爐負(fù)荷、氣化爐壓力、灰水排出量、底錐積泥、帶液等[2-3]。激冷罐總共設(shè)置三個(gè)雙法蘭壓差式遠(yuǎn)傳液位計(jì)，采用低低三取二參與氣化爐跳車聯(lián)鎖。氣化爐投用煤燒嘴和負(fù)荷提升時(shí)期，隨著壓力和負(fù)荷上漲，需要及時(shí)增加激冷水量以提高激冷罐液位至正?？刂埔何坏?5%～50%。開車初期，煤線不穩(wěn)定造成的煤線的跳車、投運(yùn)，通過氣化爐壓力和帶液量引起液位忽高忽低的波動(dòng)；隨著溫度的提高，下降管和上升管垢片脫落，會(huì)在閃蒸系統(tǒng)角閥處造成阻塞，使底部流量波動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致液位的波動(dòng)。運(yùn)行中隨著底錐和激冷罐內(nèi)壁積泥現(xiàn)象的加劇，一方面造成黑水排水量出現(xiàn)波動(dòng)，水平衡被打破，導(dǎo)致粗煤氣間斷帶液，并伴隨著激冷罐液位的突然性降低；另一方面造成液位計(jì)下部取壓管路及測(cè)量膜盒積存泥垢，導(dǎo)致三個(gè)液位計(jì)偏差較大甚至全部失真，使得工藝操作失去參考，液位過低將造成高溫粗煤氣不經(jīng)過水浴而穿透，存在很大的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。另外，粗煤氣中H2的滲透性、烘爐熱備的高溫環(huán)境、開工抽引置換的真空環(huán)境等都可能導(dǎo)致膜盒氫化、膨脹變形、破裂[4]，使液位測(cè)量不準(zhǔn)確。

3.5 黑水管線堵塞

氣化爐負(fù)荷和溫度的變化、煤種的改變、粗煤氣的沖刷等綜合作用會(huì)引起下降管、上升管垢片的脫落，容易在黑水管線富集，引起角閥卡澀或者管線堵塞，尤其在底部管線表現(xiàn)明顯。隨著長(zhǎng)周期運(yùn)行，激冷罐底錐內(nèi)壁不可避免地進(jìn)行著積泥、沉淀，如果兩股水量調(diào)整不合理，會(huì)加劇積泥和結(jié)垢速率，具體表現(xiàn)是底錐測(cè)量壁溫逐漸下降。嚴(yán)重時(shí)，粗煤氣將黑水大量帶液至濕洗塔，激冷水泵又將黑水送至激冷罐，這種惡性循環(huán)將導(dǎo)致濕洗塔液位持續(xù)升高、激冷罐液位持續(xù)降低而無法控制，最后激冷罐底錐完全堵塞，氣化爐被迫降低負(fù)荷以緩解帶液或者停車處理。單臺(tái)五環(huán)爐曾出現(xiàn)底部DN150管線完全堵塞的情況，只能通過側(cè)部DN300管線排放黑水維持水平衡，在此情況下氣化爐堅(jiān)持運(yùn)行了60余天。

4 改進(jìn)和優(yōu)化措施

4.1 激冷罐入口結(jié)垢問題的解決

針對(duì)激冷罐入口結(jié)垢問題，采取以下優(yōu)化措施：通過與原設(shè)計(jì)單位溝通和測(cè)算，在輸氣管水冷壁下方焊接縮口（選用耐高溫、耐煤氣腐蝕的鎳基合金N08825材質(zhì)），使得原來Φ999 mm的通道縮徑至Φ500 mm，在煤氣流量不變的情況下，流速與直徑的平方成反比，減少直徑大大地增大了粗煤氣流速；同時(shí)對(duì)錐筒內(nèi)表面進(jìn)行拋光處理，避免因粗糙度大造成掛灰結(jié)垢，有效地解決了下降管入口結(jié)垢問題，避免了裝置因該處結(jié)垢堵塞而停車。

4.2 水冷壁泄漏的改造

針對(duì)水冷壁泄漏問題，采取以下優(yōu)化措施：（1）將激冷罐上方水冷壁管材質(zhì)進(jìn)行升級(jí)改造，管道升級(jí)為15CrMoG并堆焊625材質(zhì)，180 °回轉(zhuǎn)彎頭升級(jí)為825材質(zhì)。材質(zhì)升級(jí)后能有效控制管道腐蝕量，為五環(huán)爐長(zhǎng)周期運(yùn)行提供保障。（2）將容易受濕氣侵?jǐn)_腐蝕的盲區(qū)塞保溫棉，減少水汽接觸，延緩水冷壁管的腐蝕。

4.3 激冷水量不足的改進(jìn)

針對(duì)激冷水量不足問題，采取以下優(yōu)化措施：（1）激冷水泵一開一備，若出現(xiàn)機(jī)泵打量不好的情況，在線進(jìn)行隔離清理過濾器。若是激冷水管線出現(xiàn)積泥或者堵塞，在短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行兩臺(tái)激冷水泵，觀察激冷水量的變化。（2）在激冷水泵去激冷水過濾器的DN300管線上增加DN200副線至激冷水流量計(jì)前，副線設(shè)置一個(gè)手閥，從而可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)過濾器的短路。運(yùn)行中若出現(xiàn)過濾器壓差高，可逐步開大副線手閥開度，從而保證激冷水流量。（3）為避免激冷噴頭堵塞引起的流量降低的問題，在激冷罐內(nèi)部的8根DN100進(jìn)水管上引出16個(gè)DN50的（每根上面2個(gè)）管線，通過上升管與下降管之間的環(huán)隙開孔進(jìn)入下降管內(nèi)部，再加上DN50、彎曲半徑為1.5D的彎頭貼著內(nèi)壁向下噴水，有效地緩解了激冷水量不足的問題。（4）為解決激冷環(huán)絲堵頭過短，灰渣結(jié)垢黏附在上面，檢修時(shí)不易拆卸的問題，將絲堵堵頭的長(zhǎng)度增加[5]，方便拆卸后清理疏通激冷環(huán)進(jìn)水孔，保證了激冷水的分布效果。（5）做好水質(zhì)日常監(jiān)測(cè)和管控，澄清沉降后回收的灰水濁度控制在小于60 NTU，濕洗塔黑水濁度控制在小于600 NTU。

4.4 液位波動(dòng)問題的優(yōu)化

針對(duì)液位波動(dòng)問題，采取以下優(yōu)化措施：（1）開車初期，在氣化爐氧含量置換合格后，點(diǎn)火前將液位提高至35%左右，避免負(fù)荷提升過程中激冷水量增加不及時(shí)或機(jī)泵汽蝕等故障使液位過低，導(dǎo)致高溫粗煤氣穿透造成下降管、上升管變形燒壞。（2）熱備和開工抽引階段，關(guān)閉遠(yuǎn)傳液位計(jì)根部手閥，以現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)作為主要參考，待點(diǎn)火后再投用遠(yuǎn)傳液位計(jì)，減少真空環(huán)境對(duì)膜盒的影響。（3）在膜盒與法蘭連接處上管路引入一股干凈的沖洗水（采用5.5 MPa的除鹽水），以沖洗管路和保證膜盒整潔，同時(shí)避免壓力過高對(duì)膜盒造成沖蝕。儀表人員每周至少?zèng)_洗一次，沖洗時(shí)間不低于10 min；現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)每周沖洗兩次，同時(shí)巡檢人員做好現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)傳液位計(jì)的核對(duì)。

4.5 黑水管線堵塞的處理

針對(duì)黑水管線堵塞問題，采取以下優(yōu)化措施：（1）開車期間，兩股黑水排水管線的角閥均保持全開閥位，隨著負(fù)荷、壓力的提升，優(yōu)先收小側(cè)部管線的閥位，避免垢片脫落堵塞底部管線。現(xiàn)場(chǎng)安排專人在出現(xiàn)管線不暢時(shí)，及時(shí)地敲擊彎頭部位，同時(shí)調(diào)整角閥閥位以疏通管線。（2）生產(chǎn)運(yùn)行中，保持一定的黑水循環(huán)、置換排放量，激冷罐底部黑水管線閥位維持在80%以上、側(cè)部黑水管線閥位維持在25%以上、濕洗塔底部黑水管線閥位維持在60%以上，以保證充分的黑水置換，減緩管線的結(jié)垢。（3）在黑水管線水平段增加可拆卸短節(jié)，每次停車檢查結(jié)垢情況，并將管線徹底清理干凈。（4）在激冷罐至中壓閃蒸罐黑水管線上增加DN25的沖洗水管線，減緩煤泥在管線中間堆積，管線排堵時(shí)也可投用沖洗水。沖洗水來自閃蒸高壓灰水泵提供的循環(huán)灰水，避免增加污水排放量。

4.6 煤質(zhì)及爐溫的控制

煤質(zhì)尤其是灰分的控制，對(duì)減緩濕洗塔塔盤、激冷罐等處的結(jié)垢速率非常重要。因此要加強(qiáng)原料煤質(zhì)量管控，做到兩種煤種的精準(zhǔn)摻配，控制入爐煤粉的灰分小于21%；尋求合適的單一煤種，減小灰分的波動(dòng)；在煤質(zhì)較穩(wěn)定時(shí)，溫和地調(diào)整氧煤比，避免爐溫的大幅度波動(dòng)導(dǎo)致粗煤氣帶液量變化，影響水平衡；根據(jù)氣化爐負(fù)荷，在保證激冷段出口粗煤氣溫度的情況下，激冷比（激冷氣量與粗煤氣產(chǎn)量比值）控制在不高于1.5，避免系統(tǒng)高溫循環(huán)氣量過大造成與其負(fù)荷不匹配的激冷罐帶液，不利于黑水的排出置換。

4.7 水質(zhì)的控制

五環(huán)爐的灰水大循環(huán)是煤氣化系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，肩負(fù)著粗煤氣的洗滌、降溫，提供飽和水汽等任務(wù)，經(jīng)過前期的實(shí)踐，總結(jié)如下：（1）閃蒸灰水系統(tǒng)分散劑添加質(zhì)量濃度為150 g/m3，能較有效地緩解管道及設(shè)備結(jié)垢。（2）停車檢修期間對(duì)垢樣的高溫灼燒分析表明，濕洗塔塔盤、除氧器、激冷罐等處垢樣的成分以氧化鈣、氧化鐵居多，因此濕洗塔pH值宜控制在6.0～6.5，偏酸性環(huán)境可以減緩鈣鎂離子的結(jié)垢。濕洗塔接收變換冷凝液的氨氮質(zhì)量濃度要求小于50 mg/L。（3）通過調(diào)整絮凝劑的添加量，保證沉降后循環(huán)灰水的濁度小于60 NTU，在此基礎(chǔ)上，堅(jiān)持“低氣化爐負(fù)荷、適當(dāng)大的循環(huán)灰水量”的原則，確保粗煤氣的充分洗滌，也可減緩細(xì)灰在系統(tǒng)內(nèi)富集和結(jié)垢。（4）適時(shí)控制原煤中石灰石添加量，使?jié)裣此幒谒傆捕瓤刂圃?50 mg/L以下，避免硬度過高加速濕洗塔塔盤的結(jié)垢。

5 結(jié) 語(yǔ)

激冷罐是五環(huán)干粉煤氣化爐的核心組成部分之一，其操作工況壓力大、溫度高，內(nèi)件較多且復(fù)雜，生產(chǎn)中其液位控制、減緩積泥和結(jié)垢是工藝操作的難點(diǎn)。激冷罐在德士古水煤漿氣化、航天爐干粉煤氣化等裝置均有應(yīng)用，長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐為其操作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。河南龍宇煤化工有限公司通過對(duì)兩臺(tái)五環(huán)爐激冷罐自試車以來運(yùn)行中出現(xiàn)的相關(guān)問題進(jìn)行研究、討論、技術(shù)改造，目前單臺(tái)五環(huán)爐最長(zhǎng)運(yùn)行周期已達(dá)到A級(jí)288 d，希望本文所總結(jié)的激冷罐在運(yùn)行期間存在的問題及應(yīng)對(duì)措施可為其他相關(guān)裝置提供借鑒。