李天波，孔令法，王 赟，馬風(fēng)福

(國能寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤制油分公司，銀川 750411)

近些年來，隨著我國煤化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，煤氣化技術(shù)不斷被創(chuàng)新和開發(fā)。以國產(chǎn)干煤粉加壓氣流床技術(shù)為代表的神寧爐、航天爐等技術(shù)逐漸成熟。干煤粉加壓氣流床技術(shù)因具備對原料煤的適應(yīng)范圍廣、有效氣組分含量高、投資少、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞[1]。

氣流床氣化爐按照功能劃分為燃燒室和激冷室2個(gè)部分，其工作原理是煤粉和氧氣在氣化爐的燃燒室內(nèi)燃燒，進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生合成氣。燃燒室的底部通過下降管與氣化爐下方的激冷室連通，高溫的合成氣、燃燒產(chǎn)生的灰渣及飛灰均會(huì)通過下降管進(jìn)入激冷室內(nèi)。激冷室內(nèi)部保持一定的液面并沒過下降管，在下降管的上部還設(shè)置有激冷環(huán)，激冷水通過激冷環(huán)噴出沿著下降管流下，激冷水對高溫的合成氣、燃燒產(chǎn)生的灰渣及飛灰進(jìn)行噴淋、洗滌、降溫?；以帮w灰經(jīng)洗滌冷卻后在燃燒勢能和重力的作用下逐漸沉降至激冷室的底部，最終排出激冷室，合成氣沿下降管進(jìn)入激冷室底部水浴，經(jīng)過洗滌、降溫后溢出水面輸送至氣化爐后系統(tǒng)。

氣化爐帶水是指合成氣在氣化爐激冷室冷卻分離的過程中，將大量液態(tài)水帶出氣化爐。氣流床氣化爐帶水問題一直是不可回避的技術(shù)問題，是制約煤氣化裝置優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的瓶頸之一。氣化爐帶水的同時(shí)常伴隨著合成氣帶灰和帶渣問題。氣化爐帶水會(huì)造成洗滌塔液位上漲過快，洗滌塔水質(zhì)惡化，氣化爐出口粗煤氣管線、文丘里結(jié)垢加速，氣化爐運(yùn)行周期短，氣化爐檢修周期長，檢修費(fèi)用增加等問題。筆者從氣化爐激冷室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工藝流程、工藝操作等因素入手，分析氣流床氣化爐帶水的危害，找出氣化爐帶水原因，并提出相應(yīng)的應(yīng)對措施，與同行交流。

1 氣化爐工藝過程

氣化爐燃燒室內(nèi)加壓煤粉與氧氣發(fā)生燃燒產(chǎn)生的高溫粗煤氣、少量未燃燒的煤粉、飛灰和部分液態(tài)熔渣一起并流通過下降管進(jìn)入激冷室。下降管頂部的激冷環(huán)噴出一定流量的激冷水與高溫粗煤氣發(fā)生熱量傳遞，在熱量傳遞過程中，一部分激冷水發(fā)生相變汽化為水蒸氣后與高溫粗煤氣混合，使粗煤氣溫度降低。另一部分激冷水受重力作用沿下降管流下，在下降管內(nèi)壁形成保護(hù)水膜，防止高溫粗煤氣灼燒下降管。高溫粗煤氣攜帶一定的動(dòng)能沿著下降管進(jìn)入激冷室水浴，經(jīng)過冷卻、洗滌后溢出激冷室水面，激冷室還設(shè)置有數(shù)層破泡條，用來減少粗煤氣霧沫夾帶。

粗煤氣在溢出激冷室液面時(shí)會(huì)夾帶部分液態(tài)水，液態(tài)水在沖破激冷水液面有3種不同的運(yùn)動(dòng)形式:(1) 粗煤氣通過激冷室水浴后變成氣泡被破泡條鋸齒破裂，氣泡變成液態(tài)水落入激冷室；(2) 部分液態(tài)水在上升過程中不斷與激冷室內(nèi)壁、氣化爐下渣口支撐板、折流板碰撞后受到重力流到激冷室液面；(3) 部分粗煤氣攜帶液態(tài)水逃逸出激冷室[2]。

2 氣化爐帶水現(xiàn)象

(1) 氣化爐激冷室液位快速下降，氣化爐激冷室出口工藝氣溫度下降，同時(shí)洗滌塔液位升高，塔盤壓差上漲，系統(tǒng)外補(bǔ)水添加量降低，系統(tǒng)水平衡失衡[3]。

(2) 氣化爐激冷室液位快速下降，閃蒸角閥開度減少，激冷室排黑水閃蒸出水量減少，閃蒸壓力降低。

(3) 氣化系統(tǒng)壓差呈上漲趨勢，激冷水系統(tǒng)結(jié)垢加快，激冷水泵清理濾網(wǎng)次數(shù)及頻率加大，激冷水流量出現(xiàn)波動(dòng)。

(4) 氣化爐激冷室液位計(jì)顯示不準(zhǔn)，系統(tǒng)壓差大幅波動(dòng)，氣化爐運(yùn)行負(fù)荷受到影響，裝置無法運(yùn)行。

3 氣化爐帶水原因分析

3.1 激冷室及關(guān)鍵內(nèi)件的影響

氣流床氣化爐激冷室的空間下降管的尺寸、破泡條的分布，均會(huì)影響激冷室內(nèi)液相干擾、霧沫夾帶情況，氣化爐原始設(shè)計(jì)必須保證下降管和激冷室的尺寸和匹配度。國內(nèi)一些專家對激冷室內(nèi)件對氣化爐帶水影響進(jìn)行研究，馬寶國[4]對下降管組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬計(jì)算，認(rèn)為合理的激冷室空間下降管尺寸對氣化爐帶水影響較大。某些國內(nèi)技術(shù)先進(jìn)企業(yè)對激冷室內(nèi)件對氣化爐帶水影響進(jìn)行了流場模擬，對內(nèi)件與氣化爐的匹配度進(jìn)行了技術(shù)改造，取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

國內(nèi)某知名企業(yè)對內(nèi)件與氣化爐的匹配對氣化爐帶水的影響進(jìn)行了模擬。當(dāng)激冷室尺寸確定后，下降管的直徑對氣化爐帶水的影響見圖1。氣化爐負(fù)荷一定時(shí)，合成氣通過激冷室水浴，不同尺寸的下降管在流場模擬時(shí)表現(xiàn)出帶水情況不同。模擬顯示出下降管整體擴(kuò)徑和局部擴(kuò)徑結(jié)構(gòu)的外環(huán)腔鼓泡區(qū)域液含率較為均勻，且存在激冷室頂部能夠維持較穩(wěn)定的氣-液相界面，液沫夾帶量少，氣化爐帶水量少且均勻。

當(dāng)激冷室的尺寸、下降管的直徑確定后，破泡條對氣化爐帶水的模擬見圖2、圖3。由圖2、圖3可得：破泡條能起到破碎氣泡和減弱液體夾帶的作用。

3.2 氣化爐負(fù)荷的影響

氣化爐負(fù)荷會(huì)直接影響氣化爐帶水。當(dāng)外界條件不變時(shí)提升氣化爐負(fù)荷，通過下降管的通氣量和氣流流速會(huì)變大，氣體通過鼓泡后穿過激冷室液面的流速顯著提升。流速超過一定數(shù)值之后，就會(huì)把液態(tài)水帶出激冷室，產(chǎn)生帶水問題。在激冷室中高溫粗煤氣會(huì)引發(fā)沸騰傳熱。蒸汽溫度和加熱面的溫差決定了液體的過熱程度：如果溫差較小，那么液面只會(huì)輕微沸騰，這種情況屬于對流傳熱；如果溫差較大，相應(yīng)的熱流密度和傳熱系數(shù)也會(huì)提升，就會(huì)發(fā)生泡核沸騰傳熱；如果溫差擴(kuò)大至臨界值，蒸汽泡的數(shù)量明顯增多，構(gòu)成傳熱系數(shù)較低的蒸汽膜，這種情況屬于膜狀沸騰傳熱，會(huì)引發(fā)激冷室嚴(yán)重帶水。由此可見，如果氣化爐負(fù)荷比較大，熱負(fù)荷強(qiáng)度升高，激冷室中的泡核沸騰傳熱會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟罘序v傳熱模式，傳熱效率顯著降低，同時(shí)會(huì)帶走較多的水[5]。

圖1 不同直徑下降管的流場模擬

圖2 帶有破泡條激冷室內(nèi)部夾帶情況

圖3 無破泡條激冷室內(nèi)部夾帶情況

3.3 氣化爐爐溫控制的影響

氣流床氣化爐本質(zhì)上是原料和氣化劑進(jìn)行燃燒和氣化的場所，是整個(gè)煤氣化系統(tǒng)的核心，關(guān)系著最終產(chǎn)出合成氣的質(zhì)量。在氣流床氣化爐內(nèi)部，同時(shí)存在著流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等一系列復(fù)雜而劇烈的物理化學(xué)變化，而這些問題制約著氣化爐的爐溫控制。其中GSP干煤粉氣化爐燃燒室出口合成氣溫度達(dá)到1 350～1 500 ℃(見圖4)，Texaco氣化爐燃燒室出口合成氣溫度達(dá)到1 250～1 570 ℃(見圖5)。燃燒室中心溫度達(dá)到2 000 ℃時(shí)，如果操作不當(dāng)而引起爐溫大幅波動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致燃燒室出口合成氣溫度大幅度變化。氣流床氣化爐合成氣、渣、飛灰與激冷水正向換熱，在激冷水量保持穩(wěn)定的情況下，爐溫大幅波動(dòng)將影響換熱，直接影響到合成氣帶水[6]。因此，氣化爐在控制爐溫的過程中,操作人員必須時(shí)刻掌握煤的灰熔點(diǎn)，以及撈渣機(jī)電流、合成氣中CH4和CO2含量、殘?zhí)苛康戎饕獏?shù)來進(jìn)行綜合判斷氣化爐爐溫。

圖4 GSP氣化爐燃燒室流場模擬

圖5 Texaco 氣化爐燃燒室流場模擬

3.4 煤質(zhì)的影響

原料煤的灰熔點(diǎn)、內(nèi)水、反應(yīng)活性、黏溫特性也是影響氣化爐帶水的重要因素。煤灰的黏溫特性直接影響生產(chǎn)效果，煤灰的流動(dòng)溫度和軟化溫度都需要符合要求。如果煤灰中的 Fe2O3、Al2O3、CaO含量比較高，那么會(huì)形成較多的細(xì)灰；灰渣在激冷水中的溶解性也不同，容易導(dǎo)致激冷室水浴的密度發(fā)生變化，引起氣化爐帶水[5]。為保證氣化爐液態(tài)排渣，氣化爐運(yùn)行爐溫一般比煤的灰熔點(diǎn)高100～150K。但是一般大型的煤化工項(xiàng)目都需要幾個(gè)煤礦配煤供應(yīng)原料，這樣就會(huì)導(dǎo)致原煤煤質(zhì)發(fā)生變化，爐溫控制處于動(dòng)態(tài)調(diào)整的過程。

3.5 氣化爐激冷室液位控制問題

氣化爐運(yùn)行時(shí)激冷室液位控制要保證上不帶水、下不竄氣。激冷室液位控制低，激冷室液面以上氣-液分離空間加大，有利于緩解氣化爐帶水，同時(shí)激冷室液位會(huì)降低粗煤氣洗滌、降溫效果，部分飛灰會(huì)帶向后系統(tǒng)，加劇系統(tǒng)結(jié)垢。氣化爐激冷室液位控制過高會(huì)加速氣化爐帶水。實(shí)際運(yùn)行中氣化爐負(fù)荷變化、系統(tǒng)壓力調(diào)整、爐溫控制時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生變化，氣化爐激冷室液位控制不是定值，需要靠一些操作經(jīng)驗(yàn)找到一個(gè)液位控制最佳區(qū)間才能保證氣化優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。

4 解決措施

4.1 優(yōu)化激冷室及關(guān)鍵內(nèi)件

(1) 擴(kuò)大氣化爐激冷室有效空間。增加激冷室液面上部的分離區(qū)域，許多夾帶水在溢出激冷室液面后上升，上升過程中動(dòng)能轉(zhuǎn)換為重力勢能，激冷室有效空間越大，合成氣帶出的水越少。激冷室是氣化爐的重要部件，屬于耐高溫、高壓設(shè)備，制造材料昂貴，因此必須在良好分離效果和材料成本之間尋找到最佳點(diǎn)，使得投資減少。該措施必須在氣化爐處于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)確定。

(2) 增加下降管的直徑和長度。下降管的直徑?jīng)Q定著合成氣溢出水面處的氣流速度，在液面張力一定的情況下，氣流速度決定著液態(tài)水能在激冷室液面以上運(yùn)行多遠(yuǎn)距離，是氣化爐帶水的核心因素。下降管的長度與合成氣在下降管的降溫有關(guān)，下降管長度、合成氣通過下降管流速會(huì)引起氣化爐帶水、帶灰等問題[7]。因此，下降管的配置與氣化爐帶水關(guān)系密切，具體配置還與激冷室、下渣口尺寸等有關(guān)。

(3) 對氣化爐激冷室破泡條設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)。破泡條設(shè)置的層數(shù)、形狀、數(shù)量對氣化爐帶水情況都會(huì)有影響，在氣化爐運(yùn)行幾個(gè)周期后觀察破泡條、激冷室爐壁、下降管外壁、氣化爐拱頂掛渣情況，找出最優(yōu)設(shè)計(jì)。

4.2 合理控制激冷室液位

氣化爐液位控制在整個(gè)氣化爐工藝運(yùn)行中的作用尤為重要，液位控制過高和過低都會(huì)對氣化爐運(yùn)行存在著嚴(yán)重的影響，田進(jìn)虎等[8]研究了氣化爐液位控制對氣化爐運(yùn)行的影響。結(jié)果表明：氣流床氣化爐激冷室內(nèi)部工況復(fù)雜，氣、液、固三相流對激冷室液位計(jì)的準(zhǔn)確運(yùn)行影響較大，氣化爐液位準(zhǔn)確監(jiān)測為煤氣化技術(shù)需要攻克的難題，所以需要對其進(jìn)行嚴(yán)格管理，保證激冷室液位控制有利于氣化爐優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。

4.3 建立氣化爐水系統(tǒng)平衡計(jì)算

設(shè)計(jì)氣化爐水平衡計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)時(shí)對氣化爐水平衡進(jìn)行監(jiān)控，用水平衡指導(dǎo)崗位操作，保證裝置操作更加標(biāo)準(zhǔn)化。

5 結(jié)語

氣化爐合成氣帶水是氣化爐優(yōu)質(zhì)、長周期運(yùn)行的制約條件，但是氣化爐帶水又是伴隨著氣化爐運(yùn)行出現(xiàn)的，不能消除。某些有設(shè)計(jì)缺陷氣流床氣化爐輕微帶水反而對裝置運(yùn)行是有利的，運(yùn)行過程中必須全面評估，取其有利裝置運(yùn)行的方面加以利用。氣化爐引發(fā)帶水問題的原因還是多元化的，可能是系統(tǒng)水質(zhì)、氧氣壓力、原煤煤質(zhì)、爐溫操作控制、氣化爐負(fù)荷方面的問題。在實(shí)際操作中需要建立有效預(yù)防措施，指定一些運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，出現(xiàn)異常問題時(shí)，需要及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷原因，進(jìn)行針對性調(diào)整，以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。