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        Shell煤氣化爐渣屏結(jié)渣原因研究

        2021-09-03 06:03:36郭肖選張家超
        氮肥與合成氣 2021年9期
        關(guān)鍵詞:黏溫結(jié)渣熔渣

        郭肖選,張家超

        (河南龍宇煤化工有限公司,河南永城 476600)

        對此,國內(nèi)學者和同類裝置的技術(shù)人員均有研究。淡樹林[1]分析了Shell煤氣化爐內(nèi)流場特征對堵渣的影響;吳昌保等[2]從氣化爐結(jié)構(gòu)、煤質(zhì)等原因分析氣化爐堵渣的主要原因;張建法等[3]采用糖漿模擬的方法研究Shell煤氣化爐渣池內(nèi)熔渣流動特征。本文主要是從煤質(zhì)的黏溫特性進行分析,探討堵渣的原因及解決措施。

        1 氣固兩相流動特性

        Shell煤氣化爐的4個煤燒嘴與氣化爐軸線呈4.5°夾角,煤燒嘴噴出的煤粉因錯位而形成旋流場,在燒嘴截面中心造成負壓旋流渦。有部分沒有受到負壓影響的流體進入氣化爐上部,經(jīng)換熱后離開氣化爐。煤燒嘴中心噴出的煤粉與燒嘴套管噴出的氧氣混合燃燒,燃燒后的顆粒被氣體攜帶著運動,顆粒的運行軌跡見圖1。

        圖1 氣化爐軸截面流線分布

        顆粒從煤燒嘴中噴出后,在氣流曳力的作用下呈螺旋狀上下運動,在Shell煤氣化爐中表現(xiàn)出明顯的旋轉(zhuǎn)特性。由于煤燒嘴附近存在負壓旋流和卷吸,大部分向下旋轉(zhuǎn)的顆粒會返回燒嘴附近。一些不受卷吸影響的顆粒在重力作用下繼續(xù)向下移動,大部分顆粒會與壁面接觸形成固體渣層,少量顆粒經(jīng)過渣口時不與壁面接觸而沉積。進入渣口后,部分流體向下旋轉(zhuǎn)后又向上旋轉(zhuǎn),最后進入氣化爐合成氣冷卻器側(cè)。

        流體在氣化爐的運行過程中,一些顆粒在流動時會與氣化爐水冷壁接觸而發(fā)生沉積。經(jīng)過一系列變化,在水冷壁上形成渣層,見圖2。

        圖2 顆粒沉積與渣層形成過程

        首先,煤粉中的無機鹽吸附在氣化爐水冷壁上,然后,外表面高黏度的灰粒被氣流夾帶,沉積在氣化爐表面,形成固體結(jié)渣層。隨著固體結(jié)渣層不斷增厚,壁面熱阻升高,導致固體結(jié)渣層表面溫度升高,最終超過相變溫度,形成流動的液體結(jié)渣層,實現(xiàn)了流失的液態(tài)渣與沉積顆粒的動態(tài)平衡。

        流動狀態(tài)的液態(tài)渣在進入渣口后發(fā)生破裂形成渣絲或渣滴,因其密度比較大,并不會因氣化爐中心的氣流曳力返回氣化爐,而是受重力作用向下流動;部分液態(tài)渣在旋流作用下,與渣屏接觸并吸附其上;在渣屏上的渣經(jīng)過不斷沉積最后形成了較厚的固態(tài)渣層。當固態(tài)渣層達到一定厚度時,因自身重力大于渣層與渣屏的黏附力,導致固態(tài)渣層脫落,堵塞渣池底錐,氣化裝置被迫停車。渣屏結(jié)渣示意圖見圖3。

        圖3 渣屏結(jié)渣示意圖

        2 渣屏結(jié)渣

        2.1 渣屏環(huán)形空間溫度上升

        由于渣屏耐火材料表面掛渣后,渣屏的厚度增加、傳熱系數(shù)下降,渣屏環(huán)形空間的熱量無法被帶走,導致渣屏環(huán)形空間(13TI-0038AB)溫度波動,最高可達到380 ℃,最低為160 ℃,見圖4。

        圖4 13TI-0038AB運行期間溫度波動范圍

        2.2 破渣機油壓波動

        13TI-0038AB渣屏上黏附的渣達到一定厚度時,渣層自身重力會大于渣層與渣屏的黏附力,導致渣塊脫落,表現(xiàn)為破渣機油壓(14PI-0401)波動,見圖5。

        圖5 14PI-0401運行期間油壓波動趨勢圖

        2.3 排渣不暢

        渣塊脫落后,由于渣鎖斗(V-1403)屬于間歇式收料,會導致渣塊在渣收集罐(V-1402)或V-1403底部堆積,再次排查時會造成下渣不暢。V-1402下渣不暢主要表現(xiàn)在V-1403壓力降低、排水增壓泵(P-1402)流量降低。V-1403下渣不暢主要表現(xiàn)為V-1403液位不降低、撈渣機電流不上升等。

        首先將高純錫樣品加工至儀器分析要求的尺寸;用車床刨光處理樣品分析面使其待測面光滑平整(能完全遮擋住樣品盒中激發(fā)孔并保證無縫隙露出);用硝酸和超純水配制出5%稀硝酸,將待測樣品進行泡洗后再用超純水反復清洗,之后在干凈環(huán)境用普通氬氣將其吹干。

        2.4 渣樣顆粒度較大

        觀察長皮帶上的渣樣,直徑為15~20 mm的顆粒渣較多,且經(jīng)常出現(xiàn)直徑為50~80 mm的較大塊狀渣,見圖6。

        圖6 現(xiàn)場渣樣的顆粒度較大

        2.5 渣屏渣脫落堵塞渣池

        煤氣化裝置停車后,氣化爐溫度整體降低,偶爾會有渣塊堵塞V-1402底錐。在人工排堵時,V-1403中更多的冷氮氣進入渣池,沖擊渣屏上的渣,導致整體脫落,造成渣池底錐堵塞,見圖7。

        圖7 渣脫落堵塞V-1401底錐

        3 原因分析

        煤灰的黏溫特性是Shell煤氣化爐的一項重要指標,正常排渣黏度是5~10 Pa·s,最高不能超過25 Pa·s。液態(tài)渣在重力作用下停止流動的黏度為100 Pa·s 。

        3.1 降溫速率的影響

        降溫速率對黏溫特性中的臨界黏度影響較為明顯,當降溫速率由15 K/min降至5 K/min時,臨界黏度溫度由1 400 ℃升至1 490 ℃。主要是由于降溫速率較大時,停留時間變短,降溫過程中形成的晶體沒有足夠的時間長大,減小了對黏度的影響(見圖8)。

        圖8 不同降溫速率下的黏溫特性變化

        降溫速率對熔渣的影響還可以從熱力學角度考慮。當降溫速率較大時,熔渣的熱力學路徑為S形,由液相轉(zhuǎn)化為過冷液體,隨后轉(zhuǎn)化為玻璃體;反之,當降溫速率較小時,其熱力學路徑為C形,由液相轉(zhuǎn)化為固液混合的多相,當溫度低于轉(zhuǎn)換溫度時開始形成晶體[4]。

        通過對本Shell煤氣化裝置入爐煤的煤樣進行黏溫曲線分析(見圖9),由數(shù)據(jù)分析得出入爐煤的黏溫特性較差結(jié)論(見表1)。

        表1 熔渣的黏溫數(shù)據(jù)

        圖9 熔渣的黏溫曲線

        由于入爐煤的黏溫特性較差,為防止氣化爐溫度過低導致渣的黏度過大,需提高氣化爐爐溫,以降低渣口附近熔渣的黏度。而受渣池噴淋水的影響,渣口下方空間的溫度降速過大,且與渣口上方的空間溫度差別較大。李文等[5]針對降溫速率對煤灰黏溫特性的影響研究表明:當熔渣進入渣口下方時,由于降溫速度過快,熔渣沒有足夠時間長大,熔渣會隨著氣化爐旋流黏附在渣屏上,之后會逐漸形成晶體,當積累到一定厚度或受氣化爐壓力波動等因素影響時,渣塊脫落,嚴重時氣化爐停車。

        3.2 操作負荷的影響

        根據(jù)張建法[3]的方法,模擬黏度不變時,隨著操作負荷的增加,黏附率或沉積率先升高后又緩慢降低,在100%負荷時渣屏上的黏附率或沉積率最大。試驗表明:渣屏上的液態(tài)渣沉積率會隨著操作負荷的上升而上升。其原因是操作負荷增大會使渣口區(qū)的旋轉(zhuǎn)氣流強度增大,進而使熔渣沉積率上升。

        通過實踐證明,隨著操作負荷的降低,渣系統(tǒng)負荷也會降低,進而渣池的整體溫度降低。所以,負荷的降低也無法避免渣屏結(jié)渣。

        4 優(yōu)化操作建議

        4.1 通過配煤優(yōu)化入爐煤黏溫特性

        對進入Shell煤氣化爐的原料煤分別取樣分析其黏溫特性,根據(jù)各原料煤的黏溫特性進行配煤,使原料煤的黏溫特性盡量靠近玻璃渣或塑形渣。嚴禁使用高溫下黏度變化劇烈的煤種,此類煤種的流動性在很窄的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出巨大差異,導致氣化爐堵渣。

        配煤時,需注意:(1) 配煤的兩種煤其灰分差保證在10%以內(nèi),以防止因配煤不均導致灰組分波動,出現(xiàn)工況波動;(2) 配煤時需考慮盡量保證入爐煤的灰組分足夠低,既減輕冷卻器側(cè)磨損又減輕灰組分的大幅波動;(3) 配煤后保證入爐煤的灰熔點在1 340~1 400 ℃之間;(4) 灰組分中硅鋁比大于1.8,且Al2O3質(zhì)量分數(shù)不超過25%。

        4.2 提高渣池噴淋水溫度

        在煤種暫時無法改變時,關(guān)閉渣池噴淋水冷卻器循環(huán)水調(diào)節(jié)閥,渣池噴淋水溫度控制在40 ℃以上,以提高渣池的空間溫度。同時,降低渣口以下渣池的降溫速率,以減輕渣屏結(jié)渣。

        5 結(jié)語

        渣屏結(jié)渣是眾多Shell煤氣化裝置經(jīng)常遇到的難題,雖然通過煤灰熔融特性的4個特征溫度可以粗略地判斷煤灰熔融后的流動性,但對于采用液態(tài)排渣的氣化爐是遠遠不夠的,因此在配煤時要參考煤種的黏溫特性。

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