王武生，黃 勇，王忠臣，王 維，黨 昱，劉巧霞

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心，陜西 西安 710075）

陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司在加壓循環(huán)流化床煤氣化爐的基礎(chǔ)之上，將氣化爐頂部出口的粗合成氣引入裂解爐進(jìn)行深度裂解反應(yīng)，以期實(shí)現(xiàn)原料煤的深度轉(zhuǎn)化[1]，形成更高效的循環(huán)流化床煤炭加壓熱轉(zhuǎn)化技術(shù)[2]，并在陜西省興平市建成了年轉(zhuǎn)化粉煤量為萬噸級的雙循環(huán)流化床粉煤氣化中試裝置[3]。

該裝置內(nèi)的氣化爐為氣固循環(huán)流化床反應(yīng)器。旋風(fēng)分離器捕集的熱粉體在靜壓頭的推動下經(jīng)旋風(fēng)料腿底返回提升管[4]，并在提升管內(nèi)與氣化劑及原料粉體快速流化混合，經(jīng)提升管部分氣化反應(yīng)后再次進(jìn)入旋風(fēng)分離器，形成粉體循環(huán)流化[5]。過程中循環(huán)粉體在將原料粉體快速打散、防止顆粒團(tuán)絮結(jié)塊的同時(shí)[6]，還快速轉(zhuǎn)移了提升管內(nèi)大量的化學(xué)反應(yīng)熱，從而有效遏制提升管內(nèi)出現(xiàn)局部高溫點(diǎn)導(dǎo)致的粉體燒結(jié)[7-8]，在很大程度上消除了提升管堵塞的重大隱患[9]，可見平穩(wěn)可控的粉體流態(tài)化循環(huán)對于反應(yīng)過程的操控至關(guān)重要。

在某次試驗(yàn)烘爐升溫階段，該裝置曾因氣化爐異常飛溫而被迫停車應(yīng)急檢修。本文以該次試驗(yàn)過程的部分運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合停車排查情況進(jìn)行詳細(xì)分析，以期找到引發(fā)氣化爐異常飛溫的根本原因，并提出操控建議，從而有效避免氣化爐的非平穩(wěn)循環(huán)流化，為系統(tǒng)熱投料平穩(wěn)運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 氣化爐異常飛溫現(xiàn)象

該中試裝置氣化爐的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1[10-11]。為便于分析研究，氣化爐相應(yīng)部位的部分關(guān)鍵測溫點(diǎn)、測壓點(diǎn)及松動氣流量測點(diǎn)也在圖1 中標(biāo)記示意。

圖1 中試裝置內(nèi)氣化爐結(jié)構(gòu)及各測量點(diǎn)示意圖

在該裝置的某次試驗(yàn)烘爐期間，氣化爐提升管于2018 年7 月14 日15:48:00 開始出現(xiàn)整體飛溫的異常工況。提升管中部溫度T070及料封罐中下部溫度T074的運(yùn)行曲線見圖2。由圖2 可知，T070在15:48:00和15:53:00 的溫度分別為991 ℃和1 121 ℃，平均升溫速率達(dá)1 560 ℃/h，而T074在該時(shí)間內(nèi)的平均降溫速率達(dá)804 ℃/h。

圖2 提升管中部溫度（T070）及料封罐中下部溫度（T074）

2 飛溫原因探討及預(yù)防措施

2.1 飛溫的直接原因——床料循環(huán)量驟降

2.1.1 燃料及總煙氣量情況

7 月14 日15:45:00，通入氣化爐的總柴油、空氣及氧氣量分別為230 kg/h、2 080 m3/h 及110 m3/h，加上惰性松動氣，氣化爐出口總煙氣量約5 000 m3/h。截至15:53:00，以上相關(guān)操控參數(shù)均未改變，可見15:48:00開始?xì)饣癄t所表現(xiàn)出的飛溫異常并非入爐燃料負(fù)荷或者煙氣量突變所引發(fā)的。

2.1.2 提升管與立管之間溫差加大的原因分析

氣化爐提升管底部的高溫?zé)煔獗粊碜訨 型斜管的循環(huán)粉體混合降溫后，依次經(jīng)提升管以及兩級串聯(lián)旋風(fēng)除塵后離開氣化爐。被兩級串聯(lián)旋風(fēng)除塵捕集的粉體，依次經(jīng)立管及J 型斜管沿程散熱后再次返回提升管。

提升管飛溫期間氣化爐的部分運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 提升管飛溫期間氣化爐的部分運(yùn)行參數(shù)

由表1 可知，15:48:02—15:51:07，提升管表觀氣速U1穩(wěn)定在3.7 m/s，而提升管的壓差PD079卻由43 kPa 減小至12 kPa，表明提升管內(nèi)被帶入的可返回粉料量在急劇下降，即來自立管的粉體量在急劇下降，使得氣化爐提升管底部高溫?zé)煔馕茨鼙挥行Ы禍兀嵘苤胁繙囟萒070的急劇上漲即為佐證。同時(shí)，立管中下部溫度T237急劇下降，表明流經(jīng)該測溫點(diǎn)的熱粉體量在急劇減少。綜上可知，引發(fā)氣化爐提升管與立管之間溫差加大的直接原因是氣化爐內(nèi)床料循環(huán)量在驟降。

2.2 引發(fā)床料循環(huán)量驟降的因素排查

2.2.1 氣化爐立管架橋的可能性分析

立管架橋通常是影響粉體循環(huán)的一個(gè)重要因素。提升管飛溫期間立管的部分運(yùn)行參數(shù)見表2。

表2 提升管飛溫期間立管的部分運(yùn)行參數(shù)

由表2 可知，提升管飛溫期間，立管中下部壓差PD082與立管總壓差PD008同步減小，可見立管內(nèi)的粉體量在減少；此時(shí)立管最底部壓差PD100同步增加，則表明在通入該部位的松動氣之中，豎直向上流入立管中上部的氣量占比在提高，可見立管中上部通暢。此外，依據(jù)表2 及相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)核算可知，該階段立管底部表觀氣速在0.10 m/s～0.26 m/s 區(qū)間內(nèi)，可見立管底部也未出現(xiàn)架橋狀況。

2.2.2 J 型斜管架橋的可能性分析

提升管飛溫期間J 型斜管部分運(yùn)行參數(shù)見表3。

表3 提升管飛溫期間J 型斜管部分運(yùn)行參數(shù)

由表3 可知，提升管飛溫期間，J 型斜管的壓差PD092在逐漸減小，可見該段斜管內(nèi)的粉體量在下降。由表3 及相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)核算可知，該段斜管內(nèi)的表觀氣速在0.30 m/s～0.46 m/s 區(qū)間內(nèi)，且?guī)缀鯚o變化，表明該段斜管內(nèi)暢通，并未出現(xiàn)粉體架橋堵塞而使壓差PD092增大的現(xiàn)象。

2.2.3 粉體后移分析

提升管飛溫前后裂解爐部分運(yùn)行參數(shù)見表4。

表4 氣化爐提升管飛溫前后裂解爐部分運(yùn)行參數(shù)

由表4 可知，15:40:00—17:10:00，氣化爐下游的裂解爐提升段表觀氣速U4無明顯變化，而16:10:00之后裂解爐提升管壓差PD0401與裂解爐立管中下部壓差PD205有較顯著的增長，隨后裂解爐立管中上部壓差PD204也出現(xiàn)了正值并增長，說明裂解爐內(nèi)粉體量從16:10:00 開始有較明顯增加。

根據(jù)流化床內(nèi)粉體增加量隨床層壓差變化關(guān)系式Δm=ΔP×A/g[12-13]，結(jié)合裂解爐提升管及立管結(jié)構(gòu)尺寸可推算，16:10:00—17:10:00 裂解爐內(nèi)總粉體增加量為405 kg｛[(47-37)×0.302 5+(6.5+48.2-38.6)×0.126 7]×(π/4)×1 000/9.81=405 kg｝。

經(jīng)核查，該時(shí)間段內(nèi)裂解爐未啟動加砂，而在16:09:00 至16:23:00 期間，氣化爐累計(jì)在線加砂1.37 t。可見，隨著氣化爐加砂過程中粉體輸送氣的通入，加上氣化爐提升管飛溫異常后一旋、料封罐、立管的松動氣量均被大幅調(diào)增，立管頂部倒竄入二旋的氣量大幅增加，二旋腔體的流場被干擾并引發(fā)二次揚(yáng)塵[14-15]，顯著降低了旋風(fēng)除塵效率[16-17]，進(jìn)而導(dǎo)致至少405 kg 粉體被后移至裂解爐。

由表4 可知，16:10:00 之前裂解爐床層壓差并未隨15:48:00 開始的氣化爐循環(huán)異常而立刻上漲，說明氣化爐內(nèi)床料循環(huán)異常并未引發(fā)粉體后移，循環(huán)粉體依然在氣化爐內(nèi)。

2.2.4 積料部位分析

根據(jù)表1 中提升管壓差PD079以及表2 中立管總壓差PD008的減少情況，結(jié)合氣化爐提升管及立管結(jié)構(gòu)尺寸，可推算出15:48:02—15:51:07 氣化爐提升管及立管床料總丟失量為841 kg｛[(43-12)×0.142 9+(92.6-25.0)×0.090 0]×(π/4)×1 000/9.81=841 kg｝。

由2.2.3 節(jié)分析可知，15:48:02—15:51:07 氣化爐內(nèi)粉體并未后移，且該時(shí)間段內(nèi)也未啟動氣化爐排粗灰操作，因此氣化爐內(nèi)粉體總量維持恒定。經(jīng)核算，一旋錐部與一旋入口之間的腔體內(nèi)可堆積砂子約700 kg，一旋料腿可堆積砂子約500 kg，可見，所丟失的841 kg 床料很可能已被轉(zhuǎn)移并堆積至一旋腔體及料腿內(nèi)。

提升管飛溫期間一、二旋之間粉體通道部分運(yùn)行參數(shù)見表5。

表5 提升管飛溫期間一、二旋之間粉體通道的部分運(yùn)行參數(shù)

由表5 可知，15:48:02—15:51:07 兩級串聯(lián)旋風(fēng)總壓差PD110由5.0 kPa 漲至8.2 kPa，表明二旋入口氣流中粉塵濃度在增加。隨后，水平標(biāo)高位置高于料封罐排粉口的立管溫度T076在60 s 內(nèi)由864 ℃漲至914 ℃，表明被二旋捕集的粉塵量在增加。綜上，一旋腔體內(nèi)有較嚴(yán)重的積料現(xiàn)象。

同時(shí)，15:48:02—15:51:07 料封罐壓差PD107降低了近一半，可見，料封罐頂部至二旋的斜粉體通道暢通，且由一旋料腿經(jīng)料腿底部橫管段流入料封罐的熱粉體量在減少，即料封罐粉體來料通道不暢通，料封罐中下部的粉體溫度T074快速下跌佐證了這一點(diǎn)。

2.3 一旋至料封罐粉體通道流通受阻的因素排查

2.3.1 一旋底部橫管段的通暢性分析

由表5 可得，一旋底部橫管段壓差PD104由14.8 kPa快速降至1.9 kPa，可見該壓差的正壓側(cè)（一旋料腿底部）的壓力相對負(fù)壓側(cè)（料封罐頂部）在快速下降，而由表5 中料封罐頂部壓力P057相對穩(wěn)定可知，PD104的負(fù)壓側(cè)壓力相對穩(wěn)定，因此一旋料腿底部（PD104的正壓側(cè)）壓力在快速下降。

假定一旋料腿底部橫管段被堵，則進(jìn)入橫管段與一旋料腿的所有松動氣會通過一旋料腿向上進(jìn)入一旋腔體，有可能將一旋料腿吹空，進(jìn)而導(dǎo)致該料腿底部壓力快速下降。然而，核算可得該假定條件下一旋料腿內(nèi)最高表觀氣速只有0.27 m/s，而該工況下150 μm砂子床料的單顆粒帶出速度Ut約需要0.6 m/s[12]，因此在橫管段被堵塞的情況下，料腿內(nèi)粉體不會被吹空，料腿料位反而會隨著來料的累積而增高，最終引發(fā)料腿底部壓力上漲而不是下降。可見，原假定不成立，一旋底部橫管段暢通。綜上，引發(fā)一旋至二旋粉體通道流通受阻的部位在一旋錐部或一旋料腿。

2.3.2 一旋錐部架橋的可能性分析

假定一旋錐部架橋，則一旋料腿的來料量將會大幅下降甚至中斷，從而使得一旋料腿被吹空。通過對一旋料腿中上部松動氣（F097）及中下部松動氣流量（F096）的分析（見圖3），發(fā)現(xiàn)一旋料腿偏中上部松動氣自控調(diào)節(jié)閥FV097在給定開度的情況下，對應(yīng)流量F097卻在5 m3/h～14 m3/h 區(qū)間內(nèi)波動，說明該股松動氣下游各支線在吹氣進(jìn)入料腿偏中上部的過程中受到周期性阻礙，這很可能與該部位料腿內(nèi)粉體的節(jié)涌有關(guān)。由此可以斷定料腿內(nèi)有粉體，而非被吹空?？梢娫俣ú怀闪?，因此一旋錐部未出現(xiàn)粉體架橋。

圖3 一旋料腿中上部及中下部松動氣流量

2.3.3 一旋料腿底部粉體流通不暢的直接原因分析

綜上所述，提升管飛溫過程中一旋至二旋的粉體通道不通暢，而一旋底部與料封罐之間的橫管段、料封罐及其連通二旋的斜管均暢通，且一旋錐部架橋的可能性已被排除，可見粉體流通不暢的關(guān)鍵部位在一旋料腿。

考慮到在提升管飛溫過程中，一旋料腿底部偏上總松動氣流量（F097與F096之和）為22.6 m3/h，該部位料腿表觀氣速不足0.03 m/s，有偏流架橋的可能性，7 月15 日19:00:00，將該部位總松動氣流量提升至80 m3/h，然而7 月15 日19:28:00 一旋至二旋粉體通道再次出現(xiàn)粉體流通受阻的現(xiàn)象。可見，加大一旋料腿底部偏上的松動氣量并不能避免粉體循環(huán)異常。另外，在該裝置第二次試驗(yàn)期間，一旋料腿底部偏上并未配管通入松動氣，但氣化爐循環(huán)流化正常且投料運(yùn)行超過48 h。因此一旋料腿底部偏上的松動氣量并非引發(fā)一旋料腿粉體流通異常的關(guān)鍵因素。

在欠流化的高溫區(qū)域，當(dāng)床料中煤灰或者堿金屬含量偏高時(shí)，粉粒外表面可能被局部熔融進(jìn)而相互黏結(jié)[18]，最終有板結(jié)（結(jié)塊變硬）的風(fēng)險(xiǎn)[19]。然而在緊急停車檢修期間，一旋至二旋的粉體通道內(nèi)并未找到床料板結(jié)塊。

綜上，架橋部位在一旋料腿底部。盡管該部位有4 支二級松動氣管線通入，但是其匯總后的一級支路與通往料封罐的另一個(gè)一級支路受控于同一個(gè)流量控制閥，導(dǎo)致兩個(gè)一級支路之間存在明顯的相互搶氣現(xiàn)象。現(xiàn)場排查可知，該部位4 支二級松動氣管口已被堵塞，從而導(dǎo)致一旋料腿底部轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ù膊⒓軜騕20]，一旋料腿底部壓差值PD010由正值變?yōu)樨?fù)值進(jìn)一步印證了該處的流化惡化。隨后在裝置再啟動之前，通過重新分配一旋料腿底部松動氣管口氣量，所有被堵松動氣支路疏通。裝置再啟動之后，烘爐及投料期間反應(yīng)器表現(xiàn)出了良好的循環(huán)流化狀態(tài)，再次印證了一旋料腿底部松動氣供給的重要性。

2.4 氣化爐飛溫的預(yù)防措施

由2.3.3 節(jié)分析可知，引發(fā)氣化爐飛溫的根本原因在于一旋料腿底部粉體欠流化而架橋，可見在氣化爐加砂前，應(yīng)在總支線松動氣量有限的前提下，務(wù)必通過手閥調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)每個(gè)支路松動氣管口有松動氣通入，慎防部分管口被粉體堵塞，其中一旋料腿底部及二旋立管底部的松動氣量需要被重點(diǎn)關(guān)注。

在烘爐升溫期間，若氣化爐有飛溫跡象，應(yīng)在保持入爐總空氣量不變的情況下，快速適量減少燃料柴油噴入量，從而在實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)高溫點(diǎn)被有效遏制的同時(shí)，確保提升管氣速無大幅波動。而在氣化爐投料運(yùn)行期間，一旦提升管出現(xiàn)飛溫跡象，應(yīng)快速提高氣化劑中蒸汽與氧氣的流量比，即適量減少上游氧氣流量的同時(shí)，增加蒸汽通入量，慎防提升管因飛溫而被燒結(jié)的灰分堵塞。

3 結(jié)論和建議

雙循環(huán)流化床粉煤氣化中試裝置烘爐升溫期間，氣化爐提升管異常飛溫是由于一旋料腿底部粉體欠流化并架橋?qū)е路垠w流通不暢所致，保證循環(huán)流化床粉煤氣化爐關(guān)鍵部位的松動氣流量，尤其是一旋料腿底部以及二旋立管底部每條支線松動氣的適量供應(yīng)，是避免床料循環(huán)異常的關(guān)鍵。在商業(yè)化裝置設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮一旋料腿底部、立管底部以及料封罐底部等關(guān)鍵部位松動氣管口的設(shè)置，并以確保相關(guān)部位粉體能被持續(xù)流化為原則。