氣化爐渣口壓差高的原因及處理措施

趙伯平

(陜西陜化煤化工集團有限公司, 陜西渭南 714100)

1 氣化爐渣口壓差的定義

所謂的氣化爐渣口壓差指的是氣化爐燃燒室壓力與氣化爐激冷室合成氣出口壓力之差,其數值的變化在判斷氣化爐操作溫度變化時有一定的參考價值。 渣口流道的殘余截面積與初始截面積的比值被定義為渣口的有效截面積。為保證氣化爐順利排渣,渣口區域有效截面積應大于85%。渣口流道殘余截面積的變化情況可以通過氣化爐渣口壓差反映。因此,氣化爐渣口壓差是氣化爐正常運行過程中需要重點監測的重要工藝指標之一。

2 氣化爐渣口壓差測量

2.1 多元料漿氣化爐渣口壓差測量

多元料漿氣化爐渣口壓差的2個測壓儀表的變送器分別安裝在氣化爐燃燒室中部和氣化爐激冷室合成氣出口管線上。計算機計算上述2個測點的差值后將所得結果作為氣化爐渣口壓差測量值顯示在操作界面上,以供操作人員參考。

2.2 膜式水冷壁型多元料漿氣化爐工藝流程

2.2.1 膜式水冷壁型多元料漿氣化爐與多元料漿氣化爐的區別

膜式水冷壁型多元料漿氣化爐是在原多元料漿氣化爐的基礎上經過技術改造而成的,其與多元料漿氣化爐的主要區別體現在以下4點：

(1) 膜式水冷壁型多元料漿氣化爐使用的工藝燒嘴為設有點火裝置的頂置型四流道預膜式單噴嘴工藝燒嘴。多元料漿氣化爐使用的工藝燒嘴為沒有點火裝置的頂置型三流道預混式單噴嘴工藝燒嘴。

(2) 膜式水冷壁型多元料漿氣化爐的耐火襯里為膜式水冷壁,水冷壁與氣化爐之間形成的環腔通入流速恒定的高壓氮氣保護。多元料漿氣化爐的耐火襯里由高鉻耐火磚、隔熱磚、保溫材料組成。

(3) 膜式水冷壁型多元料漿氣化爐水煤漿投料后的工藝流程與多元料漿氣化爐工藝流程區別不大,黑灰水處理工藝流程與多元料漿氣化爐黑灰水處理工藝流程一致,未做改動。

(4) 膜式水冷壁型多元料漿氣化爐增設了水冷壁汽包,在氣化爐、碳洗塔的排黑管線上增設了快速切斷閥,以便在緊急狀態下(如系統斷電的狀態),快速切斷氣化爐、碳洗塔的排黑/灰水處理系統的管線,以防高壓串低壓的事故發生。膜式水冷壁型多元料漿氣化爐取消了多元料漿氣化爐原有的工藝燒嘴冷卻水系統,增設了鍋爐水循環系統;鍋爐水循環系統由鍋爐水循環泵、上盤管、主水冷壁、渣口盤管、水冷壁汽包及其進出口管線組成。膜式水冷壁型多元料漿氣化爐在氣化爐出口合成氣流程上取消了氣液分離器,在烘爐流程上取消了開工抽引設施,在激冷水流程上取消了黑水過濾器。

2.2.2 膜式水冷壁型多元料漿氣化爐烘爐工藝操作

膜式水冷壁型多元料漿氣化爐烘爐的工藝操作是通過啟動水冷壁汽包鍋爐水循環系統熱水循環和氣烘時燃料氣與純氧氣在氣化爐水冷壁反應段燃燒產生的熱煙氣共同作用來完成的。烘爐前,需要完成的準備工作為：

啟動氣化爐水冷壁汽包鍋爐水循環系統,打開汽包頂部排氣閥、鍋爐水循環泵進出口聯通閥(XV13080D)、水冷壁汽包液位調節閥(LV13081D),向汽包內緩慢補入常溫鍋爐水。打開鍋爐水循環泵進出口導淋閥排氣,待到鍋爐水循環泵進、出口導淋閥有水排出后,關閉鍋爐水循環泵進、出口導淋閥。待到汽包液位達到30%時,汽包液位調節閥投自動,關閉鍋爐水循環泵進出口聯通閥(XV13080D),啟動1臺鍋爐水循環泵。緩慢打開鍋爐水循環泵出口手動閥并調節其開度,使鍋爐水循環泵出口流量滿足工藝要求。緩慢打開鍋爐水循環泵出口至氣化爐主水冷壁手動閥并調節其開度,使鍋爐水去主水冷壁流量滿足工藝要求。緩慢打開鍋爐水循環泵出口至氣化爐上下水冷壁盤管手動閥并調節其開度,使鍋爐水流量滿足工藝要求。緩慢打開鍋爐水循環泵出口至火檢器及攝像槍冷卻水進出口手閥并調節其開度,使冷卻水流量滿足工藝要求。緩慢打開工藝燒嘴冷卻水進出口手閥并調節其開度,使進出工藝燒嘴冷卻水流量滿足工藝要求使工藝燒嘴冷卻水進出口流量差滿足要求。上述工作完成后,打開進水冷壁汽包蒸汽流量調節閥,開始氣烘。在氣烘過程中通過調節入汽包蒸汽流量來控制熱鍋爐水升溫速率,以達到烘爐曲線的要求。控制升溫速度為3 K/h,溫度升到150 ℃后,保溫8 h。當烘爐熱偶溫度到達150 ℃后,進行氣烘操作。

氣烘操作操作前,應完成氣化爐預熱水循環建立、系統置換、點火用氧氣和燃料氣閥門閥位確認、燃料氣系統管線設備低壓氮氣置換、氣化爐環腔保護高壓氮氣投用、火檢器及攝像槍氮氣吹掃工作,安全儀表系統(SIS)安全閥門調試合格。

上述工作完成后按以下步驟點火烘爐：

(1) 建立氣化爐預熱水循環(見圖1),并調節入爐激冷水體積流量為80 m3/h,控制氣化爐激冷室液位在40%左右,烘爐階段入爐激冷水體積流量逐步增加直至180 m3/h。

圖1 氣化爐預熱水循環

(2) 現場打開去氣化爐環腔低壓氮氣手閥和爐頂去爐內打壓氮氣手閥,用低壓氮氣置換氣化爐燃燒室、激冷室及出口管線,在碳洗塔出口取樣分析,氧氣體積分數小于0.5%為合格。置換合格后關閉各置換用低壓氮氣手閥。

(3) 確認氣化爐烘爐高溫熱偶已裝好,點火烘爐燃料氣調節閥、氧氣流量調節閥關閉,碳洗塔合成氣出口放空快速切斷閥(HV13005D)和2個放空壓力調節閥(PV13011D)全開。投用氣化爐環腔保護高壓氮氣,調節保護高壓氮氣流量至最適宜流量。火檢器、攝像槍的氮氣吹掃手閥打開,調節流量至最適宜流量。通知儀表人員給點火控制器送電,點火控制器切換至遠程狀態,火檢器和攝像槍通道閥門打開,視頻監控畫面顯示正常。

(4) 燃料氣系統管線設備低壓氮氣置換,打開燃料氣壓力調節閥前置換用低壓氮氣手閥,置換燃料氣緩沖罐及其進出口管線、燃料氣過濾器、入爐燃料氣管線及閥門,在烘爐燃料氣流量調節閥后導淋閥出口取樣分析,氧氣體積分數小于0.5%為合格。合格置換合格后關閉置換用低壓氮氣手閥。

(5) 點火初始化后,通過燃料氣壓力調節閥緩慢引燃料氣至燃料氣緩沖罐。單爐氧氣管線均壓后,打開入爐氧氣快速切斷閥(XV13007D)引入烘爐氧氣。

(6) 點火復位后,按照氧燃比(0.27左右)建立點火燃料和氧氣流量。

(7) 通知現場操作人員,全部撤離氣化框架后,按程序點火。

(8) 調節燃料氣流量、烘爐保護氮氣流量、氧氣流量,嚴格按規定升溫曲線升溫。

來自燃料氣緩沖管的燃料氣與來自單爐氧氣總管的氧氣經工藝燒嘴噴入氣化爐被點燃后,發生燃燒反應生成熱煙氣,與水冷壁鍋爐水系統熱水循環共同作用完成烘爐任務后,煙氣出氣化爐經碳洗塔水浴出碳洗塔,經碳洗塔合成氣出口放空快速切斷閥(HV13005D)和2個放空壓力調節閥(PV13011D)進入火炬管線送至火炬工段。

2.2.3 膜式水冷壁型多元料漿氣化爐水煤漿投料后工藝流程

來自空分工段壓力為 8．3 MPa、溫度為40 ℃的高純度氧氣與來自制漿工段壓力為7．8 MPa、溫度為40 ℃的水煤漿通過特制的工藝燒嘴噴入氣化爐內,在壓力為6.5 MPa、溫度為1 300～1 400 ℃條件下發生反應,生成粗水煤氣和熔融態的灰渣。粗水煤氣經激冷降溫、洗滌除塵后送往變換工段[1],熔融態灰渣激冷、固化、破碎后沉降在氣化爐錐底,經破渣機破碎后由鎖斗系統收集,定期排放到渣池,渣池中的灰渣經撈渣機撈出脫水后外運[2]。

保護工藝燒嘴受高溫腐蝕的功能由鍋爐水循環系統完成,同時設置鍋爐水水泵出口流量低于設定值泵自啟動聯鎖、工藝燒嘴進口流量低低(三選二)氣化裝置跳車聯鎖、工藝燒嘴進出口流量差高高(三選二)氣化裝置跳車聯鎖、工藝燒嘴冷卻系統故障(一選一)氣化裝置跳車聯鎖,以保證工藝燒嘴安全穩定運行。

在鎖斗集渣期間,鎖斗循環泵將鎖斗頂部較為清潔的灰水抽出,加壓后送回氣化爐,在氣化爐與鎖斗之間形成強制的灰黑水循環將氣化爐錐底的灰渣帶入鎖斗。

氣化爐及碳洗塔排出的黑水經3級閃蒸、降溫回收熱量后進入澄清槽沉降,澄清的灰水經除氧返回系統循環使用,沉降濃縮后的渣漿送往真空帶式過濾機系統脫水處理,濾餅外運[3];高壓閃蒸單元產生的閃蒸汽換熱降溫后,進入高壓閃蒸汽氣液分離器,氣液分離后產生的氣體送至變換工段汽提塔做汽提氣使用,液體返回除氧系統循環使用。低壓閃蒸單元產生的低壓閃蒸汽調節壓力后進入除氧系統做除氧熱源使用。真空閃蒸單元產生的真空閃蒸汽換熱降溫后,進入真空閃蒸汽氣液分離器。氣液分離產生的氣體由真空泵抽取至真空泵出口管線上的氣液分離器(V1406)氣液分離,氣液分離產生的氣體由該氣液分離器頂部放空管線放空。真空閃蒸汽氣液分離器底部排出的液體經真空閃蒸凝液泵加壓后送至除氧系統循環使用,真空泵出口管線上的氣液分離器底部排出液體排入灰水槽經除氧后循環使用[4]。

膜式水冷壁型多元料漿氣化爐燃燒室采用水冷壁結構,氣化爐內件本身就是1臺膜式水冷壁,其內表面有1層碳化硅耐火材料。氣化爐正常運行時,來自空分工段壓力為 8.3 MPa、溫度為40 ℃的高純度氧氣與來自制漿工段壓力為7.8 MPa溫度為40 ℃、質量分數為63.8%的水煤漿通過特制的單噴嘴工藝燒嘴噴入爐內,在壓力為6.5 MPa、溫度為1 300～1 400 ℃條件下,發生反應。氣化反應后殘余的部分灰分隨合成氣進入洗滌系統,剩余灰分則撞擊在壁面上形成渣層。由于水冷壁氣化爐外側采用了氮氣冷卻保護夾壁, 碳化硅耐火層表面溫度會低于煤灰的流動溫度,在耐火層上形成1層固態渣,而在固態渣的表面則是1層流動的液態渣層。形成的固態渣能夠對氣化爐水冷壁內側起保護作用,保護氣化爐水冷壁免受熔渣侵蝕,達到“以渣抗渣”的效果[5]。

氣化爐水冷壁系統、火檢器、攝像槍、燒嘴冷卻系統共用1套鍋爐水給水系統,來自界區外的高壓鍋爐水經汽包液位調節閥進入主水冷壁汽包,汽包中的鍋爐水通過鍋爐水循環泵分別送入氣化爐水冷壁系統、火檢器、攝像槍、燒嘴冷卻系統。

2.3 膜式水冷壁型多元料漿氣化爐渣口壓差測量

測量膜式水冷壁型多元料漿氣化爐渣口壓差的2個測壓儀表的變送器分別安裝在氣化爐燃燒室中部和氣化爐激冷室合成氣出口管線上。計算機計算上述2個測點的差值后將所得結果作為氣化爐渣口壓差測量值顯示在操作界面上,以供操作人員參考。

氣化爐投運若干天后,出現渣口壓差高的現象。采取提高氣化爐操作溫度、減小渣口盤管冷卻水等措施后,渣口壓差高的現象依然存在,無法消除。

經停爐檢查發現,氣化爐渣口流道無明顯縮小,氣化爐合成氣出口管堵塞嚴重。由此可見氣化爐原裝的渣口壓差測點無法準確反映氣化爐渣口區域流道變化。

研究決定,利用此次停車檢修的機會,在氣化爐激冷室氣相空間增設測壓點,計算機分別計算燃燒室壓力與激冷室氣相空間壓力差、燃燒室壓力與氣化爐激冷室合成氣出口管線壓力差,并將結果作為氣化爐渣口壓差測量值加以區別地顯示在操作界面上,以供操作人員準確判定渣口壓差高的原因,并采取適當工藝處理以降低渣口壓差高對氣化爐長周期滿負荷穩定運行的影響。

3 氣化爐渣口壓差高的原因分析

氣化爐渣口壓差高預示著渣口流道殘余截面積減小,反應產物粗合成氣流經渣口時所受到的阻力增加,反應產物在氣化爐燃燒室停留時間延長,致使氣化爐渣口區域反應產物濃度上漲[6-7]。在其他條件不變的情況下,氣化爐渣口壓差高會降低氣化反應的反應速率,降低粗合成氣中有效氣體含量。

氣化爐渣口壓差高高預示著渣口流道殘余截面積急劇減小。隨著渣口流道殘余截面積急劇減小,渣口區域有效截面積也會急劇減小。當渣口區域有效截面積小于85%時,氣化爐無法保證順利排渣。

當氣化爐渣口壓差達到設定的聯鎖值時,就會觸發氣化爐安全聯鎖停車觸發器,啟動氣化爐安全停車程序,執行停車操作。這會造成生產系統大幅波動,給企業帶來經濟損失。

3.1 多元料漿氣化爐渣口壓差高原因分析

經工程技術人員及氣化裝置操作人員分析討論研究后,一致認為多元料漿氣化爐渣口壓差高的原因主要有以下3點：

(1) 氣化爐正常運行時,原料煤的灰熔點升高后,操作員沒有及時調節氧煤比,導致氣化爐操作溫度沒有升高。當氣化爐渣口區域的氣流溫度低于原料煤灰渣的臨界黏度溫度時,粗合成氣攜帶的反應后殘余熔融態灰渣顆粒撞擊在渣口壁面上形成渣層。隨著氣化反應的進行,撞擊在渣口壁面的熔融態灰渣顆粒越來越多,在渣口壁面上形成渣層越來越厚,導致多元料漿氣化爐渣口壓差越來越高。氣化渣口壓差升高的速度極快。

(2) 氣化爐正常運行時,入爐氧氣流量、純度小幅度下降后,操作員沒有及時調節氧煤比,導致氣化爐操作溫度下降,氣化爐渣口區域的合成氣氣流溫度也隨之下降。在渣口壁面上形成的渣層表面溫度也隨合成氣的流出而下降,當渣層表面溫度小于灰渣流動溫度時,隨著氣化反應的進行,撞擊在渣口壁面的熔融態灰渣顆粒越來越多,在渣口壁面上形成的渣層越來越厚,導致多元料漿氣化。氣化渣口壓差升高的速度較快。

(3) 氣化爐底部渣口為不規則的“漏斗形 ”結構,渣層表面與高溫合成氣之間持續地發生對流和輻射換熱。底部收縮區域耐火磚被直接安放在托磚盤上,且耐火磚的厚度只有10 cm,此處徑向熱阻較小,熱流密度大;而托磚盤另一側則直接連接激冷環,當入爐激冷水溫度與氣化爐渣口區域溫度相差較大時,該區域傳熱進一步被強化,導致氣化爐渣口渣層表面溫度急劇下降。由于渣口為不規則的“漏斗形 ”結構,致使合成氣的流速下降,而合成氣所攜帶熔融態灰渣不斷地沉降在渣口灰渣層表面,使其厚度不斷增加,從而導致多元料漿氣化爐渣口壓差升高。氣化渣口壓差升高的速度相對較低。

3.2 膜式水冷壁型多元料漿氣化爐壓差高原因分析

膜式水冷壁型多元料漿氣化爐利用列管式水冷夾套來持續地帶走爐內熱量。由于壁面溫度低于灰渣流動溫度,氣化反應后殘余的部分灰分隨合成氣進入洗滌系統,剩余的灰分則撞擊在壁面上形成渣層。由于水冷壁氣化爐外側采用了水冷夾壁,導致碳化硅耐火層表面溫度會低于煤灰的流動溫度。 此時,在耐火層上會形成1層固態渣,而在固態渣的表面則是1層流動的液態渣層。水冷壁壁面的熱力學特征是影響熔渣流動特性的關鍵因素,壁面溫度直接決定了渣層的厚度分布?；谝陨侠碚?經工程技術人員及氣化裝置操作人員分析討論研究后,一致認為膜式水冷壁型多元料漿氣化爐渣口壓差高的原因有以下4點：

(1) 在氣化裝置水系統水質不變的條件下,高負荷生產會使氣化爐激冷室水域中含固量增大,高速流動的粗合成氣在穿過激冷室水浴后會攜帶大量的固體顆粒,合成氣所攜帶的固體顆粒一部分沉積于氣化爐合成氣出口管線,隨著運行時間的延長,合成氣的有效流通截面縮小,在氣量不變的條件下,氣化渣口壓差就會逐步升高。氣化渣口壓差升高的速度極慢。

(2) 氣化爐正常運行時,入爐氧氣流量、純度小幅度下降后,操作員沒有及時調節氧煤比,導致氣化爐操作溫度下降,氣化爐渣口區域熱流密度隨著氣化操作溫度的降低而降低。由于渣口碳化硅表面溫度隨操作溫度的變化規律與熱流密度一致,故氣化爐水冷壁渣口已固化渣層表面的溫度也會下降。在氣化爐操作溫度下降的初期,渣口區域徑向熱流密度大,渣口流道有效截面積大,渣口表面已固化渣層厚度較薄,渣層熱阻較小,渣層熔渣流動溫度下降較快。隨著氣化爐操作溫度的下降,渣口區域已固化渣層流動側熔渣逐步固化,渣口已固化渣層表面溫度持續降低。當渣口已固化渣層表面溫度低于灰渣流動溫度時,流經渣口的合成氣所攜帶的熔融態灰渣顆粒聚集沉降在渣口已固化渣層表面,導致渣口壁面渣層持續緩慢增厚,在其他條件不變情況下,氣化爐渣口壓差就會持續緩慢升高。氣化渣口壓差增高的速度較快。

(3) 氣化爐正常運行時,原料煤的灰熔點升高后,操作員沒有及時調節氧煤比,導致氣化爐操作溫度沒有升高。當氣化爐渣口區域徑向熱流密度、渣口壁面熱流密度沒有變化,導致渣口表面已固化渣層厚度快速增厚,煤灰流動溫度大于渣層表面溫度,流經渣口的合成氣所攜帶的熔融態灰渣顆?？焖倬奂两翟谠谝压袒鼘颖砻?導致渣口壁面渣層持續快速增厚。在其他條件不變情況下,氣化爐渣口壓差就會持續呈幾何級數增高。氣化爐渣口壓差增高的速度極快。

(4) 為了增加煤顆粒與氣化劑的接觸面積,保證較高的氣化效率,氣化爐采用的是射流進料。原料自氣化爐頂部通過噴嘴射入爐膛內部,在壓力為6.2 MPa、溫度為1 400 ℃的條件下,發生氣化反應。由于氣化爐內流速很快,內部流場通常表現為伴隨著強烈波動的旋流湍流場。氣化反應結束后殘余的礦物質部分在氣流的裹挾下被直接帶出爐外,剩余部分沉降在壁面形成固定渣層。原料的高速噴入使得原料入射不均勻,氣化爐內周向上氣化反應過后的煤灰顆粒并不呈現均勻的對稱分布,并且由于氣化爐內流場的復雜多變性,氣體旋流會裹挾著顆粒發生偏移,因此最終表現為渣口壁面局部區域渣層厚度的異常增厚或減薄,從而導致氣化爐渣口壓差增高。

4 處理措施

4.1 工藝方面

(1) 根據原料煤的灰熔點的變化,調節氧煤比,緩慢提高氣化爐的操作溫度。

(2) 根據入水煤漿濃度、 氧氣純度的變化,調節氧煤比,緩慢提高氣化爐操作溫度。

(3) 提高氣化爐系統灰水循環量,降低氣化爐激冷室水浴中固體顆粒的含量。

(4) 根據磨煤機生產負荷,調節磨煤機磨棒添加量及配比,使煤漿的固體顆粒的粒度分布更加合理。

(5) 提升氣化裝置循環灰水水質,降低入爐激冷水的固體懸浮物含量。

4.2 設備方面

(1) 在氣化爐激冷室上部空間合成氣出口設置氣液分離擋板,降低合成氣攜帶的固體顆粒的含量。

(2) 將氣化爐合成氣出口向爐內延升10～15 mm,減少合成氣攜帶反應殘余顆粒在氣化爐合成氣出口管線的沉積量。

(3) 在氣化爐激冷室上部空間合成氣出口設置環形噴淋沖洗噴嘴,形成噴淋水幕與上升合成氣逆流接觸,對出氣化爐合成氣進行二次降溫除塵。

(4) 在多元料漿氣化爐渣口處,激冷環與托磚盤之間設置隔熱層,增大熱阻,削弱激冷環與托磚盤的熱傳遞。

(5) 縮小氣化爐入爐激冷水溫度與氣化爐渣口區域溫差,弱化氣化爐渣口區域傳熱,減緩氣化爐渣口處固體渣層表面溫度的下降速率。

5 結語

本文介紹了多元料漿氣化爐和膜式水冷壁型多元料漿氣化爐渣口壓差測量的原理及方法,分析2種爐型渣口壓差高的原因,并從工藝及設備角度提出處理措施。文中所提及的處理措施有的已實施,有的還在做可行性研究。各氣化裝置所用氣化爐不盡相同,本文所提處理措施必然具有一定局限性,其處理效果如何,還有待生產實踐的進一步檢驗。