張 超

(安徽昊源化工集團(tuán)有限公司，安徽阜陽(yáng) 236025)

1 前言

航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)是中國(guó)航天科技集團(tuán)公司研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣流床粉煤加壓氣化技術(shù)，該技術(shù)試驗(yàn)裝置自2008年在安徽晉煤中能化工股份有限公司開(kāi)車投運(yùn)后，迅速在國(guó)內(nèi)煤化工行業(yè)得到推廣應(yīng)用。安徽昊源化工集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱昊源化工)航天爐裝置于2011年11月開(kāi)始建設(shè)，2013年4月13日1#氣化爐投入運(yùn)行，2014年4月23日2#氣化爐投入運(yùn)行，均一次性開(kāi)車成功，對(duì)昊源化工原料結(jié)構(gòu)調(diào)整及技術(shù)進(jìn)步起到了積極的推動(dòng)作用。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)技術(shù)人員良好的運(yùn)營(yíng)管理，保證了氣化爐裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，但氣化爐渣口壓差逐漸增高，直接威脅著裝置的安全生產(chǎn)運(yùn)行，給操作人員帶來(lái)了一定的壓力?，F(xiàn)就昊源化工2018年4月1日2#氣化爐因渣口壓差高，激冷室液位低造成緊急停車事故進(jìn)行分析，探討渣口壓差高的原因及防范措施。

2 渣口壓差的形成

航天爐渣口壓差是指氣化爐火檢測(cè)壓點(diǎn)與氣化爐合成氣出口管上的測(cè)壓點(diǎn)之間壓差17PT1054的測(cè)量值，即氣化爐爐膛壓力與氣化爐合成氣出口管道壓力的差值，是反映渣口是否堵渣的重要參數(shù)。正常情況下渣口壓差在10～40 kPa，堵渣的情況下壓差超過(guò)100 kPa。渣口壓差主要由四部分構(gòu)成，即渣口部分壓降、合成氣穿過(guò)水浴的阻力、下降管與上升管環(huán)隙通道的壓降和上升管外壁折流裝置到合成氣出口管道的壓降。正常生產(chǎn)情況下，水浴流阻、環(huán)隙通道的流阻及折流裝置的流阻數(shù)值均較小，壓差直接反映渣口壓差，但非正常情況下，則當(dāng)別論。

3 渣口壓差測(cè)量值高的原因分析

3.1 渣口堵渣，氣流通道截面積縮小，造成渣口壓差增高

一方面是氣化爐操作溫度不當(dāng)。氣化爐溫度的控制要求在保證連續(xù)液態(tài)排渣的情況下盡量保證相對(duì)較低的溫度，既防止?fàn)t膛溫度過(guò)高損壞設(shè)備，也防止進(jìn)氧量過(guò)大造成合成氣成分的變化。但如果爐膛氣化溫度低于渣流動(dòng)的溫度范圍，就可能造成渣的流動(dòng)性差，在氣化爐膛的錐形渣口越積越多，渣口縮小，氣體在燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間明顯增加，爐膛壓力增高，渣口壓差增大。

另一方面與氣化爐燒嘴氧氣通道旋流片的角度有一定的關(guān)系。當(dāng)旋流片的角度增大，高壓氧夾帶粉煤在爐膛的中上部高速旋流，造成氣化主反應(yīng)區(qū)上移，爐膛上部溫度較高，下部溫度偏低，熔融渣在自身重力作用下沿壁下流的過(guò)程中，因溫度偏低造成渣的流動(dòng)性較差，在渣口堆積，同時(shí)因燒嘴氧氣通道的旋流片角度大造成燒嘴噴射出的火焰長(zhǎng)度縮短，無(wú)法噴射到渣口，造成流動(dòng)的渣在渣口堆積，堵渣。

3.2 合成氣出口管口積灰堵塞，造成渣口壓差大

航天爐粉煤加壓氣化爐爐體合成氣出口管口處，增設(shè)了一套分離折流裝置，防止合成氣帶水、帶灰進(jìn)入合成氣管線。合成氣從折流裝置上部進(jìn)入，折流裝置底部有帶孔封板，激冷室灰水含灰量大，易造成合成氣夾帶灰水因折流而沉積在封板上，堵塞淚孔，越積越多，堵塞合成氣管道，造成壓差大。若出現(xiàn)此問(wèn)題，只能等到停車檢修時(shí)進(jìn)行清理改造，將下封板割除或?qū)⒄哿餮b置掉頭裝配。

3.3 下降管堵渣，造成渣口壓差大

3.3.1 激冷環(huán)的影響

激冷環(huán)是航天粉煤加壓氣化爐的主要內(nèi)件之一，其作用就是通過(guò)激冷環(huán)的水腔與下降管的內(nèi)壁設(shè)置環(huán)隙，激冷環(huán)水腔內(nèi)壁設(shè)置旋流導(dǎo)流片，使激冷水在壓力的作用下沿旋流導(dǎo)流片射向下降管內(nèi)壁，沿下降管內(nèi)壁旋流并在下降過(guò)程中在內(nèi)壁形成水膜，進(jìn)而保護(hù)下降管不被高溫合成工藝氣體及熔渣損壞；同時(shí)激冷環(huán)沿下降管環(huán)隙截面開(kāi)孔，利用激冷水的壓力向下降管中心區(qū)域噴水，對(duì)高溫合成氣進(jìn)行激冷，降低合成氣的溫度。若激冷環(huán)產(chǎn)生燒蝕、裂紋或孔洞加大、局部堵塞，就會(huì)造成在下降管內(nèi)壁形成的水膜不均勻或局部沒(méi)有水膜保護(hù)，下降管被燒穿或變形，給流動(dòng)的渣灰提供了附著的條件，在低溫下越積越多，造成局部堵渣。下降管積灰堵塞見(jiàn)圖1。因激冷環(huán)黑水介質(zhì)是來(lái)自洗滌塔的黑水，黑水中含有一定量的懸浮顆粒，且溫度為200 ℃左右，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行易使布水環(huán)隙堵塞，使這部分下降管得不到有效冷卻，長(zhǎng)時(shí)間高溫條件下逐漸形成裂紋甚至燒蝕，見(jiàn)圖2；當(dāng)黑水中的細(xì)灰顆粒含量較高時(shí)，對(duì)激冷環(huán)的沖刷磨損加劇，使其產(chǎn)生孔洞，激冷水會(huì)出現(xiàn)橫噴現(xiàn)象，最終造成下降管的水分布不均勻。在此工況下，下降管會(huì)逐漸有熔渣結(jié)疤產(chǎn)生高溫區(qū)，使下降管發(fā)生變形甚至撕裂，見(jiàn)圖3。

圖1 下降管積灰堵塞

圖2 激冷環(huán)激冷水導(dǎo)流片燒蝕

圖3 激冷環(huán)因灰堵無(wú)水冷卻浸潤(rùn)出現(xiàn)燒蝕

3.3.2 激冷水的影響

激冷水的量直接影響下降管內(nèi)壁液膜的厚度，當(dāng)氣化爐在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，合成氣的氣體流速減慢，激冷水量可以維持相對(duì)較低；當(dāng)氣化爐在高負(fù)荷下運(yùn)行或高爐溫條件下操作時(shí)，激冷水量一定要相對(duì)加大才能保證下降管內(nèi)壁液膜的厚度。否則，將會(huì)造成水膜因灰渣的高溫蒸發(fā)消失，熔融態(tài)灰渣與下降管直接接觸并粘結(jié)在下降管上，結(jié)渣逐漸填滿下降管進(jìn)而堵塞灰渣及工藝氣體通道。

3.3.3 煤質(zhì)的影響

航天爐對(duì)煤的灰含量和灰熔點(diǎn)有較高的要求，當(dāng)煤中灰分偏高、灰熔點(diǎn)適中時(shí)，容易掛渣，但氣化效率下降，同時(shí)渣量增加，會(huì)增大對(duì)下降管的磨損且可能在下降管上掛渣；煤的灰熔點(diǎn)增高時(shí)，即灰渣的流動(dòng)溫度增高，熔渣流動(dòng)緩慢極易堆積渣口或在下降管掛壁結(jié)渣，損壞下降管。實(shí)際生產(chǎn)操作中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)渣口壓差上升、合成氣成分分析異常、排渣出現(xiàn)異常等現(xiàn)象時(shí)才開(kāi)始進(jìn)行提溫操作已經(jīng)滯后。因?yàn)榇藭r(shí)僅提高了燃燒室溫度，并不能把相對(duì)低溫區(qū)下降管上的掛壁灰渣融化。

煤的黏溫特性對(duì)其燃燒后所形成的灰渣的流動(dòng)性影響很大，進(jìn)而影響氣化爐的排渣。煤的黏溫特性差，灰渣從渣口排出的過(guò)程中，隨著操作溫度的降低，煤的黏度上升很快，熔融灰渣的流動(dòng)性將減弱，加上渣口處的氣體流動(dòng)速度快，黏度高的液態(tài)灰渣會(huì)被拉成玻璃絲狀。這種玻璃絲相當(dāng)于黏結(jié)劑，粘在下降管上，使灰渣不能順暢排走，導(dǎo)致下降管內(nèi)壁掛渣，發(fā)生氣體偏流，進(jìn)而使下降管因結(jié)渣燒穿，嚴(yán)重時(shí)完全被堵死、變形甚至報(bào)廢。當(dāng)煤的黏溫特性良好時(shí)，有利于形成粗渣。在灰渣從渣口向下流動(dòng)的過(guò)程中，溫度逐漸下降，黏度變化較緩慢，有利于氣化爐的正常排渣。

3.3.4 焊接及裝配質(zhì)量的影響

航天氣化爐下降管和激冷環(huán)的材質(zhì)選用Incoloy825鎳基合金，屬高溫奧氏體組織，焊縫金屬在經(jīng)受焊接熱循環(huán)或高溫后，有晶粒長(zhǎng)大的傾向。采用ERNiCr-3型含鎳量較高的焊絲和氬弧焊工藝，評(píng)定焊縫的力學(xué)性能和金相組織符合要求，但由于激冷環(huán)附近的下降管一直處于高溫、磨蝕、沖刷的惡劣復(fù)雜工作環(huán)境，其焊接材質(zhì)、焊接方法、焊接質(zhì)量及安裝質(zhì)量都對(duì)下降管的使用壽命有著直接的影響，激冷環(huán)的布水孔堵塞也會(huì)造成下降管局部冷卻不好，使下降管產(chǎn)生局部鼓包、裂紋，嚴(yán)重時(shí)甚至燒穿[1]。此氣化爐停爐檢查發(fā)現(xiàn)焊接處發(fā)生了燒漏穿孔、下降管不平等現(xiàn)象。

3.3.5 操作溫度的影響

航天爐的操作需要一個(gè)合適的溫度。爐溫低時(shí)，熔渣的流動(dòng)性變差，易在下降管上掛壁并結(jié)渣。當(dāng)水流經(jīng)過(guò)掛渣時(shí)，被迫分流，水膜被破壞，致使下降管局部超溫變形。而且在掛渣處會(huì)聚集更多的熔渣，擴(kuò)大掛渣聚集面積，堵塞下降管工藝氣通道。當(dāng)下降管內(nèi)局部發(fā)生堵塞時(shí)，通過(guò)此處的合成工藝氣的流速會(huì)增大，加劇下降管因堵塞使熱應(yīng)力不均而造成損壞[2]。情況嚴(yán)重時(shí)，下降管會(huì)變形、鼓包、穿孔，甚至是爆裂。當(dāng)爐溫高時(shí)，熔渣的流動(dòng)性變強(qiáng)，氣化爐熱負(fù)荷大，出口合成氣溫度相應(yīng)變高。高溫合成工藝氣的溫度從1 400 ℃降至220 ℃左右時(shí)，在渣口向下1 m附近溫度下降最大，此段水膜變薄，極易造成下降管局部超溫，出現(xiàn)裂紋、鼓包甚至變形穿孔。過(guò)高的爐溫還會(huì)造成爐壁上的掛渣融落，增大了渣量，損壞下降管。因此，在下降管掛渣后應(yīng)盡快停車處理，防止進(jìn)一步損壞設(shè)備[3]。

3.4 下降管與升氣管之間的環(huán)隙堵渣，造成渣口壓差高

因航天爐下降管外壁上設(shè)置有檢漏氮?dú)夤?，滿布在下降管外壁上，也為灰渣附著提供了條件。當(dāng)灰渣里含有大量的玻璃絲時(shí)，說(shuō)明煤的黏溫特性較差，熔融渣在渣口因溫度降低造成渣的黏度增大，在高速氣流的作用下，形成玻璃絲。含大量玻璃絲的合成氣經(jīng)水浴后進(jìn)入激冷室，改變了水質(zhì)，造成了合成氣起泡帶水；激冷室內(nèi)的灰水及玻璃絲夾雜在一起，隨合成氣沿環(huán)隙流出，逐步在下降管外壁搭橋粘結(jié)，造成環(huán)隙通道變窄，壓差增大，嚴(yán)重時(shí)可以將整個(gè)環(huán)隙通道堵塞；導(dǎo)致合成氣沖破水浴，直接從上升管底部竄出，進(jìn)入合成氣出口管，造成激冷室液位較低，無(wú)法維持生產(chǎn)。昊源化工2018年4月1日2#氣化爐停車，曾出現(xiàn)此種情況，打開(kāi)氣化爐人孔，發(fā)現(xiàn)整個(gè)環(huán)隙全部堵死，激冷室積灰較多。拆除下降管清理后的積灰見(jiàn)圖4，嚴(yán)重影響上行氣流的通道，增加了灰渣沉積的附著點(diǎn)。

圖4 下降管外壁堆積的灰渣

4 渣口壓差高的現(xiàn)象及處理措施

4.1 渣口堵渣的現(xiàn)象及判斷處理

若因氣化爐爐膛底部溫度低于渣流動(dòng)溫度造成堵渣，此時(shí)合成氣有效氣成分會(huì)減少，因用二氧化碳輸煤，二氧化碳含量會(huì)增加，甲烷含量也會(huì)增加；同時(shí)濾餅內(nèi)的含碳量增高，濾餅量增多，渣量明顯減少。此時(shí)應(yīng)提高氧煤比，拉長(zhǎng)火焰，將渣口積渣熔融，熔融渣在氣流的沖擊作用下，渣口逐步增大，渣口壓差逐步恢復(fù)正常。同時(shí)觀察激冷水液位，保證激冷水液位穩(wěn)定，觀察濾餅及渣的狀態(tài)和數(shù)量的變化，觀察汽包出口盤管密度及產(chǎn)汽量的變化。通過(guò)一系列的手段反映爐膛溫度的變化情況，進(jìn)行有效控制。

若因燒嘴的變化而造成渣口堵渣，在氣化爐點(diǎn)火運(yùn)行期間就會(huì)發(fā)現(xiàn)渣口逐步升高，此時(shí)只能通過(guò)提高氧煤比，拉長(zhǎng)火焰長(zhǎng)度來(lái)處理。如有效，可適當(dāng)維持一定的氧煤比進(jìn)行正常生產(chǎn)，此時(shí)爐膛溫度偏高，合成氣成分較好，灰渣比相對(duì)較低。如果采取上述措施仍無(wú)好轉(zhuǎn)，最好是等待停車更換燒嘴。為預(yù)防因燒嘴自身改動(dòng)的原因造成爐況的不穩(wěn)，建議針對(duì)燒嘴建立運(yùn)行及更換臺(tái)賬，新燒嘴到貨后，立即對(duì)燒嘴的各類通道間隙、旋流片角度及系統(tǒng)長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，掌握基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)氣化爐運(yùn)行狀況來(lái)反映燒嘴設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的合理性。每一次更換新燒嘴均需進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)反復(fù)的比較運(yùn)行，找出適合該氣化爐的燒嘴數(shù)據(jù)，保證氣化爐穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行。

燒嘴氧通道旋流角度示意圖見(jiàn)圖5、圖6；燒嘴氧通道旋流角度改變后的示意圖見(jiàn)圖7、圖8。燒嘴氧通道旋流角度的改變直接影響爐膛流體的狀態(tài)和氣化反應(yīng)效率。

圖5 燒嘴氧通道旋流角度示意圖圖6 圖5中心放大圖

圖7 燒嘴氧通道旋流角度改變后示意圖圖8 圖7中心放大圖

4.2 下降管堵塞造成渣口壓差高的防范措施

4.2.1 工藝方面

(1) 從渣水處理系統(tǒng)開(kāi)始改善系統(tǒng)水質(zhì)

控制好閃蒸系統(tǒng)的真空度，保證閃蒸效果；絮凝劑、分散劑用量要嚴(yán)格控制，保證沉降、分散效果；選用高溫高壓下合適的灰水分散穩(wěn)定劑，可有效防止激冷環(huán)和激冷環(huán)進(jìn)水管道的結(jié)垢與腐蝕，避免發(fā)生垢堵而減少激冷水進(jìn)量，灰多對(duì)激冷環(huán)及管道內(nèi)壁磨蝕；對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的水盡可能地置換，盡量做到按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行排水和補(bǔ)充新鮮水，使水系統(tǒng)一直處于相對(duì)潔凈的狀態(tài)；控制水系統(tǒng)的pH，保證pH在合理的范圍，防止出現(xiàn)結(jié)垢。

(2) 嚴(yán)格控制原料煤質(zhì)量

控制氣化爐煤粉進(jìn)料的各項(xiàng)指標(biāo)，盡可能采用灰分少、灰熔點(diǎn)低、黏溫特性好的煤種，一旦煤種發(fā)生變化，應(yīng)及時(shí)通知?dú)饣到y(tǒng)，做好各單元的分析，使工藝人員及時(shí)了解煤種的變化情況；加強(qiáng)原料煤和煤粉灰熔點(diǎn)的分析次數(shù)，及時(shí)調(diào)整磨煤工藝操作參數(shù)；完善配煤工藝的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)建設(shè)，使配煤摻燒混合趨于科學(xué)規(guī)范化操作，穩(wěn)定配煤煤質(zhì)的灰熔點(diǎn)。

(3) 日常工藝操作要嚴(yán)格控制各參數(shù)

正常生產(chǎn)中，尤其是在高負(fù)荷、高溫的操作條件下，一定要保證激冷水的量，對(duì)激冷水過(guò)濾器要根據(jù)壓差及時(shí)切換；?？丛鼧佑欣谳o助判斷操作溫度及氣化爐運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)渣口壓差上漲，有拉絲的灰渣，要及時(shí)熔渣，防止下降管掛渣堵塞；優(yōu)化工藝操作，避免合成工藝氣帶灰?guī)?，惡化水洗塔水質(zhì)；氣化爐溫度要隨時(shí)通過(guò)合成氣的氣體成分和渣形、渣樣等現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)節(jié)；在確保氣化爐出口水汽比正常的前提下，增加氣化爐激冷水進(jìn)量和氣化爐黑水排放量，不僅可減少下降管掛渣機(jī)會(huì)，增加下降管的使用壽命，同時(shí)也加大了激冷室水的流動(dòng)量及置換量，防止了渣灰在激冷室內(nèi)的沉積，增加了管道中水的流速，減緩鈣、鎂離子在管道中的沉降速率及管道內(nèi)壁的結(jié)垢。

4.2.2 設(shè)備方面

(1) 加強(qiáng)氣化爐運(yùn)行的管理

氣化爐檢修后投用時(shí)，要仔細(xì)做好激冷環(huán)投用前的激冷水均布試驗(yàn)，并有詳細(xì)記錄；氣化爐停車后做好整個(gè)激冷水管線的沖洗與排污工作、激冷室內(nèi)的清堵及檢查工作；投運(yùn)燒嘴做好運(yùn)行時(shí)間記錄，定時(shí)更換工藝燒嘴，操作人員要密切注意燒嘴壓差參數(shù)變化情況，發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)要及時(shí)上報(bào)；對(duì)新裝配的燒嘴在安裝前要詳細(xì)檢查其環(huán)隙及同心度，保證尺寸合乎標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)激冷環(huán)和下降管的制造和安裝要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)停運(yùn)檢修爐要細(xì)致檢查激冷環(huán)和下降管的各項(xiàng)參數(shù)。

(2) 提高設(shè)備檢修質(zhì)量

每次檢修時(shí)都應(yīng)查看激冷環(huán)內(nèi)圈與下降管的環(huán)隙量，檢測(cè)下降管的垂直度，做好激冷水均布試驗(yàn)，保證下降管激冷水均勻布置到下降管面，確保無(wú)干區(qū)、無(wú)變形；下降管用材盡量選用大張板材卷制，以增大下降管一段與二段間的環(huán)焊縫與急冷環(huán)的距離。

4.3 下降管與升氣管之間的環(huán)隙堵渣，造成渣口壓差高的處理措施

4.3.1 從設(shè)備方面處理

(1)下降管外壁檢漏管設(shè)計(jì)理念非常好，但在實(shí)際工作中沒(méi)有起到應(yīng)有的作用，反而增加了環(huán)隙通道的阻力，同時(shí)增加了灰渣附著的支點(diǎn)，有害無(wú)益。為此，建議將氮?dú)鈾z漏系統(tǒng)的檢漏氮?dú)夤懿鸪?，保證下降管外壁光滑，可防止積灰。

(2)在升氣管環(huán)隙增設(shè)水噴淋系統(tǒng)，對(duì)上升氣流進(jìn)行噴淋洗滌，減少灰渣的附著力，克服堵渣。

(3)定期更換下降管和激冷環(huán)，保證激冷水浴效果，為裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行創(chuàng)造條件。

4.3.2 從工藝方面處理

出現(xiàn)此種情況可更換煤種，選擇黏溫特性較好的煤入爐，減少玻璃絲的生成；或更換燒嘴，調(diào)整燒嘴氧氣通道旋流片的角度，減小旋流強(qiáng)度，將氣化爐火焰拉長(zhǎng)，提高渣口溫度，防止在渣口凝結(jié)。

5 結(jié)語(yǔ)

氣化爐渣口壓差大的直接原因雖然是氣化爐積灰嚴(yán)重，但其是因激冷水水質(zhì)較差、含灰量大，造成激冷環(huán)局部堵塞，激冷環(huán)燒壞，下降管變形，積渣而引起的。渣口壓差是氣化爐操作的重要參數(shù)之一，需從生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)進(jìn)行有效控制，適時(shí)監(jiān)控煤種的變換、激冷室液位的變化、激冷水流量的變化、灰渣比例的變化、渣的狀態(tài)變化、合成氣成分等一系列的因素，根據(jù)生產(chǎn)操作情況及時(shí)調(diào)整工藝，保證渣口壓差在正常范圍內(nèi)。在設(shè)備檢修時(shí)，根據(jù)各部件的技術(shù)要求，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裝配，以保證檢修質(zhì)量和裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。