多元料浆气化工艺渣口堵的分析与处理

2011-03-05陈文超

化工设计通讯 2011年4期

陈文超

(皖北煤电淮化集团合成氨厂,安徽淮南 232038)

1 流程及反应概述

我厂采用的是多元料浆加压气化工艺,以灰分17%左右、灰熔点低于1 400℃的河南义马煤为原料,制得浓度在58%～62%的多元料浆。加压的多元料浆和氧气经三元流道工艺烧嘴喷入气化炉以后,多元料浆被高效雾化成细小的煤粒,与氧气在气化炉内于1 300～1 400℃的高温下进行复杂的氧化还原反应,产生煤气,同时生成少量的熔渣。合成气与熔渣出气化炉燃烧室以后,在下降管的引导下进入到激冷室的液面以下,为了保护下降管,在下降管的上端设置了激冷环,用来分布供应到气化炉激冷室的激冷水,使激冷水以液膜的形式分布在下降管的内表面。在下降的过程中,合成气和熔渣与下降管内壁上的水膜进行传热传质,熔渣被冷却固化后沉降到气化炉激冷室的底部,经锁斗收集后排出;合成气被冷却,温度降低,部分激冷水被蒸发并以饱和水蒸气的形式进入到合成气气相主体中。吸收了饱和水蒸气的合成气出下降管以后,在浮力和气流的推力作用下沿下降管与上升管之间的环隙鼓泡上升,离开上升管后经激冷室上部的折流板折流,从气化炉激冷室的合成气出口排出,再经文丘里洗涤器进一步增湿后进入洗涤塔洗涤掉合成气中的少量灰分,送变换工序。洗涤塔的补充水有三路:一路是由文丘里加入的高压灰水,另两路是冷凝液和高温灰水,分别由洗涤塔的塔盘供水流量调节阀和洗涤塔的液位调节阀加入。洗涤塔内的部分工艺水经洗涤塔循环泵加压后送到气化炉的激冷环作冷却水用,气化炉和洗涤塔各有部分黑水排放到三级黑水闪蒸系统,以便进一步处理,将系统中的大部分酸性气体分离出来,并回收热量补充到系统当中来维持系统的热平衡,同时浓缩黑水。浓缩的黑水进入沉降槽进一步沉降分离,上层含固量低于200×10-6的清液经处理后返回系统再利用。

在高温、高压下进行的气化反应,生成以CO+H2为主要成分的粗合成气。在气化炉内进行的反应相当复杂,一般认为气化分三步进行。

(1)煤的裂解和挥发分的燃烧。水煤浆和氧气进入高温气化炉后,水迅速蒸发为水蒸气。煤粉发生热裂解并释放出挥发分。裂解产物及挥发分在高温、高氧浓度下迅速完全燃烧,同时煤粉变成煤焦,放出大量的反应热。因此,合成气中不含焦油、酚类和高分子烃类。这个过程相当短促。

(2)燃烧及气化反应。煤裂解后生成的煤焦一方面和剩余的氧气发生燃烧反应,生成CO、CO2等气体,放出反应热;另一方面,煤焦又和水蒸气、CO2等发生化学反应,生成CO、H2。

(3)气化反应。经过前面两步的反应,气化炉中的氧气已完全消耗。这时主要进行的是煤焦、甲烷等与水蒸气、CO2发生的气化反应,生成CO和H2。

—般认为气化炉中主要进行以下化学反应:

炉内反应时间很短(一般为7 s),且是富氧环境,故系统热负荷高。反应产生的流动态熔融渣大部分随气流经渣口进激冷室降温排出,另一部分附着在耐火砖表面,形成膜状并动态维持一定厚度,在温度较高时则会因为流动性增强流向渣口排出。氧气供应和料浆质量的变化对反应影响大。在原料变化时,气化炉温度变动明显。

2 渣口堵现象和危害

在气化操作中,有时由于煤质的变动和多元料浆浓度的变化,有时因为供氧的增加,甚至因为高压煤浆泵打量不正常,烧嘴偏喷等干扰炉温的稳定,经常出现炉温短时间内急剧增长,操作温度从正常的1300℃左右蹿升超过1400℃,有时甚至超过1 500、1 600℃,直至烧坏热电偶,这也是气化炉热偶通常只能使用1～2周的原因。伴随温度变化的是气化炉与激冷室压差显示PDI31306变化。正常情况下操作稳定时, PDI31306为20～30 kPa或在上下范围内波动,当炉温蹿升并超过某一值时(由灰熔点决定), PDI31306显示值在数分钟紧跟着增长起来,严重时直接涨至显示高限,并使得从燃烧室排出的灰渣减少从而使锁渣斗收渣曲线发生变化。长期低温下运行的气化炉积渣,在合成气的作用下缓慢聚集,迫使渣口收缩时也会导致渣口堵;另一个极端情况是破渣机上面发生渣“架桥”,长时间处理不掉,造成渣在下降管内堆积,显示气化炉压差增大。

渣口堵时显著变化的是合成气成分,我厂设计正常情况下合成气中有效其成分约占78%,其中,H234.3%、CO 43.4%,CO2含量为21.5%。当渣口聚堵时,可以通过在线分析数据观察到CO含量上升,CH4含量上升,CO2含量下降。当症状稍微缓和或渣口稍大后,CO、CH4含量出现下降,同时CO2含量上升。根据气化炉内主要反应,该过程可以理解为,由于炉温升高渣口收缩,致使煤的裂解反应[CmHnSr+(m-n/4+r/2)C+rH2S -Q]增加,CH4含量上升;同时,高温有利于CO2还原反应(-Q)和非均相水煤气反应(C++CO-Q),CO含量上升,CO2含量下降。随着问题的缓解,系统反应温度降低,反应恢复到之前的状态,合成气相关组分含量恢复正常,所以处理完整个渣口堵问题后,合成气分析曲线表现为CH4、CO同步先波峰再波谷的趋势,CO2则是先波谷再波峰的曲线。另外,当气化炉压差增大渣口堵时,中控可以监测到捞渣机电流持续偏低,现场检查渣型渣量均有异常:渣量减少,渣有明显拉丝现象。综合上述现象,控制人员应该结合渣口堵发生的机理判断、处理。

3 渣口堵的原因分析

发生渣口堵有两种情况:一是长期低温操作,渣流动性差积累较多,在渣口越积越多,逐渐使得渣口缩小;一是炉温超过合理的操作温度,即远超过原料煤种灰熔点FT,从而造成炉壁挂渣及气化炉锥底积渣熔融聚集在渣口附近,导致渣口缩小。发生的原因可能有以下几个方面的因素。

(1)炉温低,灰渣流动性不好。主要是整体炉温小于所需操作温度,长时间在低温下操作,流动性不好的渣在炉壁和燃烧室锥底积累,当累积到一定程度时,在重力和气体冲击力的双重影响下,积渣顺着炉壁流向渣口,在渣口处聚积,渣口随之变小。

(2)煤质差,灰分高、灰熔点高。由于操作要求略高于灰熔点30～50℃,灰分高灰熔点高时温度很难把握,而且灰分高时灰渣含量较平时大,如若温度稍低,就会影响排渣,使得渣流动变慢,易在渣口聚集,造成渣口不畅。另一个原因是煤质的变动,往往表现在两个方面:一是拿低灰熔点的煤种代替高灰熔点的煤种参与反应时,由于对煤浆性质了解不够,仍在原炉温下操作,导致熔融态的渣不易挂渣,同时流向渣口发生堵渣现象;一是用高灰熔点的煤种代替低灰熔点的煤种时,由于炉温的提高,致使炉壁上原有的低灰熔点挂渣和气化炉锥底积渣瞬间熔融同时流向渣口。对于煤质变动,只要了解煤质就可以预防渣口堵。在煤质变动时,做到升温降温缓慢进行,以维持炉壁挂渣的动态平衡即可。

(3)炉温突然升高积渣熔融聚集,包括氧煤比提高、煤浆泵不打量、煤浆浓度降低等原因。

①料浆浓度降低。当料将浓度降低时,虽然气化炉进水增多,维持炉温所需氧气量相对而言应该增加,但实际需氧量总体上讲仍旧是降低的,此时若仍保持原氧煤比操作,势必发生“过氧”,从而导致炉温升高,炉壁挂渣及气化炉锥底积渣熔融变薄,渣口聚渣增多。

②高压煤浆泵打量不正常。通常表现为高压煤浆泵一缸或多缸不打量,致使进入气化炉的料浆瞬间减少,即使进氧量不增加,也会出现“过氧”,从而导致炉温升高,炉壁挂渣和气化炉锥底积渣熔融变薄,渣口聚渣增多,渣口收缩。

③氧煤比提高。当人为正常或者不正常地提高氧煤比时,容易造成炉温升高,加速熔融态的渣向渣口聚集。

(4)烧嘴偏喷。这是多元料浆气化工艺使用顶置喷嘴亟待解决的问题。采用特殊材料制作的烧嘴工作在6.5 MPa、1 400℃高温的恶劣工况下,由于煤浆固体颗粒的冲刷和气化炉内返混流场的烧蚀,每运行一段时间都会发生不同程度的变形损伤,表现为以下。

①烧嘴同心度偏离。由于中心定位翼片的变形位移等因素,烧嘴同心度发生偏移,影响其工作特性。

②烧嘴尖端部受损。由于磨蚀和烧蚀作用,烧嘴使用一段时间其尖端部有可能出现裂缝、磨损和变形,致使物料流道变形扩大,从而改变雾化效果,影响工作特性。

③烧嘴尖回缩。烧嘴回缩本身并无大碍,设计中都允许有±10%的偏差,但该值的变化可以反映其他尺寸的变化。

总之,由于烧嘴自身的缺陷和工作环境的原因,烧嘴性能极易发生变化,明显的症状就是烧嘴偏喷。发生偏喷时,一方面煤浆出烧嘴时就偏流,雾化效果极差,造成渣中可燃物升高,火炬偏到炉子一边,使偏向部分的耐火砖冲刷磨蚀加快,严重时导致炉壁局部超温,致使局部挂渣和偏向部分的气化炉锥底积渣熔化,向渣口聚拢;另一方面,部分接触氧气较少的煤浆反应率低,造成区域温度低,渣流动性不好,易在渣口聚集,这两方面的因素都将导致渣口缩小且多呈不规则形状。此外,烧嘴张角增大也会引起渣口堵。德士古烧嘴的张角有严格的要求,运行较长时间后,烧嘴磨损,张角增大,燃烧不好,高压下带向炉壁的灰渣就会增加,当渣积到一定的程度,在重力和气体冲击力的双重影响下,积渣顺着炉壁流向渣口,在渣口处聚积,渣口随之变小。

(5)需要指出的是,渣口不畅或渣口堵究其原因就是气化炉操作温度不当。气化炉温度的控制原则,是在保证液态排渣的情况下尽可能维持较低的温度,但是如果温度过低,渣的流动性会变差,在锥形渣口处渣就会越积越多,导致渣口减小,气体在燃烧室停留时间增长,气体成分就会随之改变。另一种情况是当气化炉温度突然升高时,炉壁挂渣和锥底积渣熔融使得渣口迅速收缩,气化炉压差PDI31306突增。这一点在我厂几台气化炉烘炉和投料开车中都得到证实。

①在烘炉时,为防止积渣熔融聚集,一般严格控制炉膛温度在1 150℃,长时间的恒温致使气化炉锥底积渣越来越多,但渣口变化不大,当燃料气稍微增加,炉膛温度略有上升时,渣口即刻缩小,有时甚至在几分钟内就堵死渣口,以至于不得不停止烘炉,人工砸渣口。

②如表1,开车投料时,由于投料成功后氧煤比调整较大,使得炉内温度迅速升高,在气流的带动下气化炉锥底在烘炉阶段积聚的熔渣瞬间流动挤向渣口,导致渣口收缩,PDI31306增长,我厂甚至因渣口“堵死”投料后停车数次。

表1 A炉投料后渣口堵导致停车

4 渣口堵问题的应对措施

(1)因为煤质的不稳定性,操作中很难确定一个相对恒定的温度,我们只有通过分析气体成分等,根据经验作出判断。生产运行中如果发现CO、CO2曲线异常(氧煤比、煤浆相对稳定时),就要特别注意,尤其是当改变的趋势与改变氧煤比的趋势不同时:提高氧煤比,CO增大,CO2减少,CH4含量上升,就可以判断渣口不畅,就要及时调整工况。这是因为气体在燃烧室内的停留时间增长,导致气体成分的异常变化。当然,渣口堵最直接的判断就是气化炉压差显示PDI31306的增长,尤其是在氧煤比增加,炉膛温度增长时。需要指出的是,合成气管线堵时PDI31306也会增长,但其增长是一个长时间缓慢积累的过程,且合成气成分并不发生异常变化。渣口堵时具有一定延时的判断依据是捞渣机电流和渣型渣量。

(2)应对措施。若出现渣口不畅或渣口堵,首先应该考虑降负荷以换取缓解症状争取处理的时间,及时调整氧煤比,调整炉膛温度,缓慢熔渣。这个过程不能太急,尤其是降负荷操作需缓慢精心,可参考合成气在线分析数据和气化炉炉壁温度进行。而且,加氧要严格遵守多次少量的原则,避免造成渣口再次缩小,因为这时渣量较大。同时,应分析渣口收缩的具体原因,做好情况恶化准备,注意炉温变化趋势。如果发现及时,通过提高氧煤比,一般在8 h内就可恢复正常。渣口恢复正常,气体成分也相对稳定了,可以适当减小氧煤比,再观察几小时,确认无反复迹象,恢复到正常操作温度和负荷运行。渣口不畅聚堵时,现场主要注意监测炉壁温度、拱顶温度,必要时加大炉壁温度、拱顶温度监测频率,防止炉壁、拱顶超温烧红烧穿,在炉壁温度接近或达到设计高限时应果断停车处理。中控注意一氧化碳及甲烷分析数据及趋势,注意对气化炉表面热偶温度的监视。操作中也常会在渣口不畅时伴随“架渣”发生,这时操作上诸如破渣机正反转、锁渣斗反冲等将会耗用大量时间精力,更要注意熔渣速度和炉温、氧煤比的精细控制。

对于烘炉和投料阶段出现的渣口堵,理论上讲可以参考上述过程在前一次停炉时处理规避(我厂提出该方案,但由于停炉基本上都是紧急停,故到目前为止其效果尚未得到证实)。即在计划停车前4～5 h内降负荷,逐步略提氧煤比,以提高炉温烧熔和拉薄炉壁挂渣,减少燃烧室锥部积渣,借气化反应的压差和气体冲击扩大渣口。