德士古气化炉带水问题探讨

樊君谊，张飞龙

（1.神华新疆化工有限公司，新疆 乌鲁木齐 831400；2.北京中科创新科技发展中心，北京 100049）

神华新疆化工有限公司的68万t/a煤基新材料特大型煤化工项目，是目前新疆第一个煤基新材料项目，该项目位于新疆乌鲁木齐市米东区，该项目年产45万t聚乙烯、27万t聚丙烯 （其中4万t属于回收再利用），并副产工业丙烷、混合碳四及碳五、硫磺、硫酸铵等高附加值产品。该项目的气化装置采用的是德士古水煤浆气化，装置包括6台棒磨机（五开一备），8台气化炉（五开三备），气化设计使用压力为6.5MPa，设计生产能力合成气（CO+H2，标态）为 53×104m3/h。

自原始投料以来，气化炉都不同程度的出现带水现象，严重影响了装置的运行，尤其随着压力和负荷的增加，这种带水现象越趋于严重，常常迫使该装置减负荷运行，甚至停车。

带水分为气化炉带水和洗涤塔带水，洗涤塔带水主要是由于气化炉带水导致洗涤塔液位升高波动，从而引起的带水现象，本文主要讨论气化炉带水。

所谓气化炉带水，即激冷室内液相的水被合成气大量夹带至后序的洗涤塔内，使得气化炉内的激冷室液位严重低于工艺要求值，而洗涤塔内液位严重超高，来不及排出，严重时洗涤塔内的水和合成气一并带入下游工序的变换炉[1]，使得变换的水难以排出，甚至水淹变换催化剂，不仅导致后工序停车，甚至使催化剂失活。而且在带水过程中合成气会将细灰带入变换炉，难以清除。出现这一现象后，工艺上通常采用加大高压灰水、激冷水循环供水，加大气化炉、洗涤塔底部大小黑水的排出量等措施来缓解系统工况的恶化，但始终未能奏效。

1 气化炉带水现象

（1）激冷水泵入口温度和气化炉激冷室底部大黑水出口温度越来越接近，甚至一样，激冷水进入激冷室内基本不换热，系统逐渐出现带水现象。

（2）气化炉支撑板边缘温度下降，合成气中夹带的大量小水滴会带走支撑板热量[2]，随着下降管与上升管之间环隙堵塞，有时两侧温度会出现偏差。

（3）气化炉液位急剧下降，洗涤塔液位居高不下，洗涤塔补水量逐步降为零，水系统失调[3]；

（4）气化炉底部大黑水出水量剧减，这是由于去闪蒸系统的黑水流量和气化炉激冷室的液位是设定的串级的，随着激冷室液位降低时，大黑水角阀会自动关小，导致大黑水出水量减少[4]。

（5）出洗涤塔合成气温度偏高，合成气量明显偏高，这是由于气化炉液位降低，高温合成气通过激冷水浴时间短，导致换热量少而引起的；同时当气化炉发生带水时，合成气夹带大量的水蒸气，而水蒸气中蕴含着大量的潜热，也造成了出口温度偏高[5]。

（6）文丘里压差变大，且波动频繁。激冷水带水后进入合成气管道内，同时也将一部分细灰带入合成气管道，由于有细灰的存在而影响了气流的通道，因而文丘里洗涤器压差增大且波动。

2 气化炉带水原因分析

2.1 气化炉负荷

气化炉负荷的高低对激冷室带水有很大影响。随着气化炉负荷的提高，其压力、气量也相应的增大，但气流通过的间隙未曾改变，负荷的增加会使合成气的流速不断增加，当气流对合成气中液滴的夹带能力超过其自身重力后，就会被带出激冷室，从而造成气化炉带水现象。

高温合成气在激冷室的激冷过程中属于二相流的沸腾传热过程。液体的过热程度取决于加热面的温度和饱和蒸汽温度之间的温度差，当温差较小时，液体仅出现轻微的沸腾现象，此时为对流传热；当温差增大时，传热系数与热流密度也随之增大，此时为泡核沸腾传热；当温差增大到某一临界值时，蒸汽泡生成增多，众多气泡汇成一片，在加热面上形成一层蒸汽膜，传热系数急剧下降，此时为膜状沸腾传热，此时气相中夹带大量的水膜造成激冷室出现带水问题[1]。随着气化炉负荷的增加，激冷室中热负荷强度增加。当达到临界值时，传热方式由泡核沸腾传热转为低效的膜状沸腾传热。随着传热能力下降，炉内气体随之带走大量的水。

本装置设计的85m3/h煤浆流量为满负荷条件，由于前期烧嘴压差达不到预期目标，拱顶温度过高，煤浆进入气化炉后反应不充分，残碳含量高，故通过增加负荷改变这一现象。目前实际的煤浆负荷最高可以达到98m3/h，合成气产量最高达到单炉能力的130%。随着负荷的增加，发现大部分气化炉出现带水的时间缩短。

2.2 气化炉炉温

在气化炉操作过程中，炉温的控制至关重要。一般来讲，较高的炉温有利于气化反应，提高气化炉反应速率、产气量、碳转化率等。但是当控制炉温偏高时，合成气的温度升高，增加了激冷室热负荷强度，同时激冷水中的饱和水蒸气也增加，总气量增加，气体流速也相应加快。

而炉温偏低时，气化反应速率降低，碳转化率降低，产气量下降，粗渣残碳含量高，浪费煤炭资源[6]，同时，较低的炉温容易造成气化炉锥底堵渣。

一般操作炉温应高于灰熔点50～150℃，φ(CH4)控制在(200～500)×10-6，正常状态下的粗渣大小在 5～8mm的占总渣量的7%～8%。本装置由于原煤的黏温特性不好，为了防止渣口及锁斗堵渣，在一段时间内，将φ(CH4)控制在200×10-6以内操作炉温后，发现气化炉运行出现带水的周期更短，有的运行10天之内，气化炉就因带水被迫停车。

2.3 原料煤的质量

原料煤灰分的黏温特性、反应活性、内水、灰熔点及主要特性，也至关重要，是造成本装置气化炉带水的根本原因。煤灰的黏温特性是造成气化炉带水的重要因素，合适的煤种，其煤灰的软化温度T2和流动温度T4应至少保持在30℃以上，通过对本装置原煤和煤浆槽煤浆灰分的灰熔点分析，T2与T4基本无温差，大多数只有2℃之差。通过对煤灰分析，发现其中含有的Fe2O3、Al2O3、CaO含量偏高，SiO2含量严重偏低。这一组分造成燃烧室燃烧后的灰渣落入激冷室后，所形成的细灰较多，有的甚至不能瞬间凝固，就被合成气带入下降管和上升管的环隙中，并粘结在环隙上。当前细渣含量比例偏高，粗细渣比例大概为2.5～3。图1为因气化炉带水被迫停车后气化炉上升管和下降管环隙堵塞图。

图1 气化炉下降管与上升管环隙堵塞

本装置采用的原料煤是新疆红沙泉和黑山混煤，其配比为7∶3～8∶2，其中黑山的原料煤的灰熔点波动范围较大，较低时为1150℃，较高时为1350℃，从而导致了气化炉操作温度的波动范围较大。

红沙泉煤的内水含量较大，成浆性较差，制成的煤浆粘度较大，为了维持煤浆粘度，只能适当降低煤浆浓度。

红沙泉煤的可磨指数低，反应活性大，黑山煤的可磨指数高，反应活性相对较低。红沙泉煤的可磨指数在110左右，黑山煤的可磨指数在40左右，两种煤在可磨指数上算是极配。为了保证黑山煤的粒度，棒磨机内加入的钢棒量较多，煤浆中细颗粒和粗颗粒较多，中间性颗粒太少。

2.4 氧气的调节，氧气压力、流量波动

为了保证煤浆进入气化炉内充分雾化，通常中心氧体积分数控制在15%～25%之间，中心氧含量过高，气化炉火焰延长，合成气进入激冷室温度会升高，所以在保证充分雾化的前提下应该尽量减少中心氧量。

氧气压力、流量的频繁波动也会造成气化炉带水，本装置的氧流量调节阀经常波动，氧压力、氧量波动直接导致气化炉内温度波动。

2.5 气化炉设备改造

对激冷室的改造可以增加激冷室的直径[7]，或加粗上升管的直径[8,9]，增加了环隙，降低了合成气流速，减少了对合成气中水团的做功。

在气化炉设计中，神华新疆化工有限公司采用的下降管较其他厂较长，故通过增加下降管底部的大锯齿数目，将下降管管口在原来的基础上上升200mm，在不规则的锯齿作用下，减少激冷室水中生成的气泡。现阶段已经改造完成，目前带水现象有所改善。

在激冷室还能增设破泡条，以减少激冷室水中生成的气泡，改变膜状传热。也能将上升管底部改成钟罩形状，可以改善原来的直通管的防堵效果。

由于系统水质较差，容易在气化炉激冷室内壁和大黑水管线上生成垢片，随着垢片的脱落，在高闪黑水入口角阀易被垢片堵塞，造成被迫减负荷或停车处理。可以将当前单阀配置为一开一备阀。

3 应对措施

（1）在操作时应以稳定运行为主，不能盲目增加生产负荷。气化炉调整负荷应遵循“少量多次”的原则平稳的加减负荷，这不仅能防止气化炉带水，而且对系统长周期、稳定运行也极为有利。

（2）德士古气化用煤虽说范围比较广，但要保证原料煤的成浆性要好，煤灰的黏温特性好，低灰分，灰熔点稳定等方面的指标。在使用配煤时，还要保证几种混煤的可磨指数接近，灰熔点接近等一些指标。

（3）炉温一般控制在煤灰熔点FT以上50～150℃为宜，不过也要根据煤灰的粘温特性来调节，保证燃烧室内壁能够达到“以渣抗渣”的功能，又能保证炉渣能在进入激冷室后迅速结渣成块，顺利排出气化炉。

（4）每次停车检修中，应联系仪表人员重点检查关键部位的调节阀和关键性仪表，比如氧气流量调节阀、大黑水流量计、激冷水流量计、支撑板边缘温度计等。

（5）当气化炉出现带水时，应该适当降低生产负荷、适当降低操作温度，以减少因为负荷和温度造成的带水现象，同时加大高压灰水补水量、加大激冷水量、加大气化炉锥底排黑量、加大洗涤塔底部排黑量，破坏造成气化炉带水条件的形成。在进行操作过程中，要保证洗涤塔液位不能过高，以免造成洗涤塔二次带水现象，同时气化炉液位尽量稳定且适当的降低其液位，但也要防止气化炉液位过低而跳车。带水非常严重时，还需要尽快停炉检修。

（6）严格控制灰水的工艺指标，保证水质稳定。尽可能的加大系统水的外排量和新鲜水的补水量。当气化炉生产负荷改变、气化炉异常时，要及时调节灰水系统的絮凝剂、阻垢分散剂的加入量。气化炉带水时，更应该保证高压灰水泵入口阻垢分散剂的加入量。以防止激冷室环隙内、大黑水管线结垢堵塞。

（7）保证锁斗排渣系统正常运行[4]，并根据原煤灰分合理控制收渣、排渣时间，避免激冷室液相中的含固量的增加，避免合成气将灰渣带入环隙及洗涤塔等后系统，同时也避免大黑水将粗渣带入闪蒸系统。

4 结论

（1）气化炉带水时，会有很多特征现象，早发现早纠正。

（2）造成气化炉带水的原因是多方面的，气化炉负荷、操作温度、原料煤、氧压及氧气流量、系统水质等，在日常操作中采取相应的防范措施，基本上杜绝了气化炉带水现象。即便是发生气化炉带水后，我们要根据实际情况判断导致带水的原因，进行针对性的调整，以保证整个系统长期稳定运行。

（3）当主原料煤无法改变时，尽可能的寻找适合的配煤。同时也可以通过合理的设备改造，如增大上升管直径、调整下降管高度及下部锯齿的数目和大小、增设气化炉去高闪角阀的备用角阀等，这些改造在一定程度上都可以减少气化炉带水。