張 超

(安徽昊源化工集團有限公司，安徽阜陽 236025)

1 前言

航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)是中國航天科技集團公司研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的氣流床粉煤加壓氣化技術(shù)，該技術(shù)試驗裝置自2008年在安徽晉煤中能化工股份有限公司開車投運后，迅速在國內(nèi)煤化工行業(yè)得到推廣應(yīng)用。安徽昊源化工集團有限公司(簡稱昊源化工)航天爐裝置于2011年11月開始建設(shè)，2013年4月13日1#氣化爐投入運行，2014年4月23日2#氣化爐投入運行，均一次性開車成功，對昊源化工原料結(jié)構(gòu)調(diào)整及技術(shù)進步起到了積極的推動作用。經(jīng)過生產(chǎn)技術(shù)人員良好的運營管理，保證了氣化爐裝置的長周期運行，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)運行，給操作人員帶來了一定的壓力。現(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壓點與氣化爐合成氣出口管上的測壓點之間壓差17PT1054的測量值，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較低的溫度，既防止?fàn)t膛溫度過高損壞設(shè)備，也防止進氧量過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的溫度范圍，就可能造成渣的流動性差，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程中，因溫度偏低造成渣的流動性較差，在渣口堆積，同時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度縮短，無法噴射到渣口，造成流動的渣在渣口堆積，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、帶灰進入合成氣管線。合成氣從折流裝置上部進入，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)此問題，只能等到停車檢修時進行清理改造，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)壁旋流并在下降過程中在內(nèi)壁形成水膜，進而保護下降管不被高溫合成工藝氣體及熔渣損壞；同時激冷環(huán)沿下降管環(huán)隙截面開孔，利用激冷水的壓力向下降管中心區(qū)域噴水，對高溫合成氣進行激冷，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，就會造成在下降管內(nèi)壁形成的水膜不均勻或局部沒有水膜保護，下降管被燒穿或變形，給流動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。下降管積灰堵塞見圖1。因激冷環(huán)黑水介質(zhì)是來自洗滌塔的黑水，黑水中含有一定量的懸浮顆粒，且溫度為200 ℃左右，長時間運行易使布水環(huán)隙堵塞，使這部分下降管得不到有效冷卻，長時間高溫條件下逐漸形成裂紋甚至燒蝕，見圖2；當(dāng)黑水中的細灰顆粒含量較高時，對激冷環(huán)的沖刷磨損加劇，使其產(chǎn)生孔洞，激冷水會出現(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)因灰堵無水冷卻浸潤出現(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)荷下運行時，合成氣的氣體流速減慢，激冷水量可以維持相對較低；當(dāng)氣化爐在高負(fù)荷下運行或高爐溫條件下操作時，激冷水量一定要相對加大才能保證下降管內(nèi)壁液膜的厚度。否則，將會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

航天爐對煤的灰含量和灰熔點有較高的要求，當(dāng)煤中灰分偏高、灰熔點適中時，容易掛渣，但氣化效率下降，同時渣量增加，會增大對下降管的磨損且可能在下降管上掛渣；煤的灰熔點增高時，即灰渣的流動溫度增高，熔渣流動緩慢極易堆積渣口或在下降管掛壁結(jié)渣，損壞下降管。實際生產(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)象時才開始進行提溫操作已經(jīng)滯后。因為此時僅提高了燃燒室溫度，并不能把相對低溫區(qū)下降管上的掛壁灰渣融化。

煤的黏溫特性對其燃燒后所形成的灰渣的流動性影響很大，進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，熔融灰渣的流動性將減弱，加上渣口處的氣體流動速度快，黏度高的液態(tài)灰渣會被拉成玻璃絲狀。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，進而使下降管因結(jié)渣燒穿，嚴(yán)重時完全被堵死、變形甚至報廢。當(dāng)煤的黏溫特性良好時，有利于形成粗渣。在灰渣從渣口向下流動的過程中，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，有晶粒長大的傾向。采用ERNiCr-3型含鎳量較高的焊絲和氬弧焊工藝，評定焊縫的力學(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合適的溫度。爐溫低時，熔渣的流動性變差，易在下降管上掛壁并結(jié)渣。當(dāng)水流經(jīng)過掛渣時，被迫分流，水膜被破壞，致使下降管局部超溫變形。而且在掛渣處會聚集更多的熔渣，擴大掛渣聚集面積，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，通過此處的合成工藝氣的流速會增大，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，下降管會變形、鼓包、穿孔，甚至是爆裂。當(dāng)爐溫高時，熔渣的流動性變強，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，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。過高的爐溫還會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)置有檢漏氮氣管，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，說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)重時可以將整個環(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，進入合成氣出口管，造成激冷室液位較低，無法維持生產(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，打開氣化爐人孔，發(fā)現(xiàn)整個環(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。

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溫度造成堵渣，此時合成氣有效氣成分會減少，因用二氧化碳輸煤，二氧化碳含量會增加，甲烷含量也會增加；同時濾餅內(nèi)的含碳量增高，濾餅量增多，渣量明顯減少。此時應(yīng)提高氧煤比，拉長火焰，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。通過一系列的手段反映爐膛溫度的變化情況，進行有效控制。

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

燒嘴氧通道旋流角度示意圖見圖5、圖6；燒嘴氧通道旋流角度改變后的示意圖見圖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)進水管道的結(jié)垢與腐蝕，避免發(fā)生垢堵而減少激冷水進量，灰多對激冷環(huán)及管道內(nèi)壁磨蝕；對系統(tǒng)內(nèi)的水盡可能地置換，盡量做到按設(shè)計要求進行排水和補充新鮮水，使水系統(tǒng)一直處于相對潔凈的狀態(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

控制氣化爐煤粉進料的各項指標(biāo)，盡可能采用灰分少、灰熔點低、黏溫特性好的煤種，一旦煤種發(fā)生變化，應(yīng)及時通知氣化系統(tǒng)，做好各單元的分析，使工藝人員及時了解煤種的變化情況；加強原料煤和煤粉灰熔點的分析次數(shù)，及時調(diào)整磨煤工藝操作參數(shù)；完善配煤工藝的數(shù)據(jù)庫系統(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。

(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，對激冷水過濾器要根據(jù)壓差及時切換；?？丛鼧佑欣谳o助判斷操作溫度及氣化爐運行情況，發(fā)現(xiàn)渣口壓差上漲，有拉絲的灰渣，要及時熔渣，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)；氣化爐溫度要隨時通過合成氣的氣體成分和渣形、渣樣等現(xiàn)象進行調(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量和氣化爐黑水排放量，不僅可減少下降管掛渣機會，增加下降管的使用壽命，同時也加大了激冷室水的流動量及置換量，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) 加強氣化爐運行的管理

氣化爐檢修后投用時，要仔細做好激冷環(huán)投用前的激冷水均布試驗，并有詳細記錄；氣化爐停車后做好整個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；投運燒嘴做好運行時間記錄，定時更換工藝燒嘴，操作人員要密切注意燒嘴壓差參數(shù)變化情況，發(fā)生較大波動時要及時上報；對新裝配的燒嘴在安裝前要詳細檢查其環(huán)隙及同心度，保證尺寸合乎標(biāo)準(zhǔn)；對激冷環(huán)和下降管的制造和安裝要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，符合設(shè)計要求，對停運檢修爐要細致檢查激冷環(huán)和下降管的各項參數(shù)。

(2) 提高設(shè)備檢修質(zhì)量

每次檢修時都應(yīng)查看激冷環(huán)內(nèi)圈與下降管的環(huán)隙量，檢測下降管的垂直度，做好激冷水均布試驗，保證下降管激冷水均勻布置到下降管面，確保無干區(qū)、無變形；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)計理念非常好，但在實際工作中沒有起到應(yīng)有的作用，反而增加了環(huán)隙通道的阻力，同時增加了灰渣附著的支點，有害無益。為此，建議將氮氣檢漏系統(tǒng)的檢漏氮氣管拆除，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)，對上升氣流進行噴淋洗滌，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，為裝置的長周期運行創(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，減小旋流強度，將氣化爐火焰拉長，提高渣口溫度，防止在渣口凝結(jié)。

5 結(jié)語

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)進行有效控制，適時監(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，根據(jù)各部件的技術(shù)要求，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)進行裝配，以保證檢修質(zhì)量和裝置的長周期運行。