Texaco气化炉上升管与下降管间环隙堵塞的探讨

2018-07-17陈世亮王民亭

天然气化工—C1化学与化工 2018年3期

陈世亮，王民亭

（1.中国神华煤制油化工有限公司，北京 100011；2.陕西咸阳化学工业有限公司，陕西咸阳 712000）

Texaco水煤浆加压气化是洁净煤气化技术之一，具有碳转化率高、环境污染小、易自动控制等优点，设备已基本实现国产化，核心设备气化炉是整个装置的关键设备，其燃烧室与激冷室合为一体，二者之间通过激冷环和托砖板连接，激冷室主要由激冷环、下降管和上升管等组成[1-2]。气化炉激冷室托砖板超温、下降管与上升管结垢及其环隙堵塞等问题严重缩短了气化炉运行寿命，增大了检修频次，增加了运行成本，制约着企业降本增效的步伐。因此，探讨气化炉激冷室下降管与上升管结垢及其环隙堵塞的问题具有重要意义。

本文以气化装置气化炉托砖板超温、下降管与上升管结垢及其环隙堵塞的实际问题，对激冷水流量、激冷水含固量、水煤浆灰分、环隙宽度、激冷室液位、气化炉热负荷、烧嘴雾化效果对其影响进行了探讨，其结果为在实践应用中对此类异常问题的优化处理等提供参考依据。

1 德士古水煤浆加压气化工艺流程

德士古煤气化工艺流程图见图1，质量分数为62.5%的水煤浆和体积分数高于99.6%的氧气通过三流道烧嘴进行混合、雾化进入气化炉，在温度为1300～1450℃、压力为6.5MPa下，进行不完全氧化还原反应生成工艺气，工艺气及夹带的熔融态的渣经渣口、激冷环、下降管进入气化炉激冷室水浴，激冷水从下降管顶部的激冷环槽隙沿下降管内壁膜状向下流，与工艺气一起并流至激冷室水浴，传质传热后，工艺气被冷却到该压力下的饱和蒸汽温度后从水浴内沿下降管和上升管的环隙空间均匀鼓泡上升，对托砖板进行冷却后经折流板反向向下流动，出折流板后再次反向向上流出激冷室，通过文丘里管进入洗涤塔进一步增湿、除尘，最后离开气化装置；水煤气中夹带的熔渣冷却固化后沉积到激冷室底部，经破渣机破碎后通过锁斗系统收集排出系统。气化炉激冷室中黑水和碳洗塔中洗涤黑水去闪蒸系统进行处理，回收热量及灰水。

图1 德士古煤气化工艺流程图Fig.1 Schematic process flow diagram of Texaco coal gasification technology

2 气化炉运行概况

某600kt/a煤制甲醇项目采用3套气化炉（直径3.2m，高19.8m）以两开一备运行模式，激冷水过滤器一开一备，B气化炉在检修完投料运行后，B洗涤塔排黑堵塞，在生产负荷（水煤浆流量为80m3/h）、氧煤比（氧气标准体积流量与煤浆标准体积流量之比）、煤浆质量分数（平均为62.5%）等参数不变的情况下，满负荷运行5天左右，B气化炉托砖板T4热偶温度从248℃开始缓慢上涨（托砖板温度采用4个同平面、均匀分布的热偶检测，从燃烧室向激冷室看，逆时针方向依次为 T1、T2、T3、T4），激冷水流量从375m3/h缓慢下降（见图2），气化炉排黑从177m3/h缓慢下降。运行至15天时，为缓解托砖板温度上涨速率，疏通了B洗涤塔排黑，并投用备用激冷水过滤器，激冷水流量从330m3/h上涨到445m3/h，气化炉排黑从117m3/h上涨到225m3/h，但托砖板温度上涨速率增大，运行至第18天时，托砖板温度上涨至275℃，在之后的10h内上涨至317℃（10h内的热偶温度及气化炉液位变化见图3），被迫停炉检修；而同时运行的A气化炉负荷相同，洗涤塔排黑等正常，激冷水流量无明显下降（见图2），托砖板温度稳定在250℃，运行至第140天时，托砖板温度缓慢上升至261℃，并趋于稳定。

图2 温度及流量随时间的变化Fig.2 Temperature and flow rates vs time

B气化炉检修中发现（见表1），上升管与下降管之间的环隙出现不同程度的堵塞，托砖板、上升管及下降管均出现严重结垢现象，垢样呈灰黑色、层次清晰、硬度较大，密度为2598kg/m3；气化炉工艺气出口结垢更为严重，垢样呈灰黑色、层次不明显、松软；洗涤塔也出现严重结垢现象。

表1 气化炉激冷室环隙距离及结垢状态Table 1 Gap distance and scaling situation of quench chamber in gasifier

3 结果与讨论

气化炉正常运行过程中，1450℃高温工艺气及熔融态的灰渣源源不断地将热量经炉砖传递给气化炉托砖板，托砖板的热量由下降管与上升管间环隙来的240℃的工艺气带出，从而达到冷却降温的效果，并维持托砖板温度恒定。

3.1 激冷水含固量的影响

由激冷水泵从洗涤塔底部将含固量较低的水抽出，送入激冷环（激冷环下接下降管，下降管下端浸入液池中）作为激冷水，经过激冷环分配孔进入激冷环室，迅速降低激冷环表面温度，再经8mm宽的环形槽缝流出，沿下降管内壁呈膜状向下流动，同时与气化炉燃烧室来的1450℃的高温工艺气（成分主要有CO、CO2、H2、H2O和一定含量的灰分）并流接触，进行激烈的传质、传热过程，高温工艺气将热量传递给水膜，使水部分汽化，并进入工艺气主流，工艺气的温度急剧降低并增湿、除灰，这一降温过程主要在下降管的上半段完成，以辐射传热为主，进入激冷室底部液池前，工艺气温度降低到300℃左右[3]。进入黑水后，工艺气进一步被降温至240℃，再通过下降管下端的锯齿形成平稳气流，进入下降管与上升管间的环隙，与液池的黑水分离，再经折流板分离出部分液滴后流出气化炉，液滴落回液池。工艺气进入洗涤塔后再次进行传质、传热，增湿、除灰，工艺气中含灰量被洗涤至1mg/m3以下后出洗涤塔。

由图2可知，对于进料量相同的A、B气化炉，B气化炉激冷水流量比A气化炉激冷水流量高30～50m3/h，B气化炉排黑流量比A气化炉激冷水流量低35m3/h左右，B气化炉激冷水流量及排黑流量缓慢下降，托砖板温度缓慢上涨，而A气化炉托砖板温度稳定，这是由于B气化炉运行前15天，洗涤塔排黑堵塞，使洗涤塔中积聚的细灰无法排出，大量细灰随激冷水进入气化炉，导致激冷水过滤器逐渐结垢堵塞，激冷水流量缓慢降低，使气化炉液位不稳定，为维持气化炉液位，气化炉排黑流量逐渐减小，热平衡失衡，激冷室出现热量积累（B气化炉排黑温度较A气化炉高5～10℃，也能说明这一点），工艺气温度升高，液池中的黑水蒸发量增大，带水量增大，工艺气逐渐出现带灰现象，带入洗涤塔中使激冷水含固量进一步增大，如此恶性循环，工艺气带水带灰严重，导致工艺气流量增大，在下降管及上升管间环隙流通面积一定时，工艺气流速增大，工艺气中的液滴被甩向下降管外壁及上升管内壁，并逐渐形成连续液相，中心气体和周边液体并流流动而形成环隙流，流出下降管及上升管间环隙后，通过折流挡液板改变流动方向，液相在惯性作用下向下流回激冷室液池中，而工艺气再次改变流动方向经工艺气出口流出激冷室；气速更高时，周边的液体进入气相中成小液滴，被带出激冷室。

带水、带灰使含有 H3SiO4-、H4SiO4、HCO3-、Ca2+、Mg2+、Al3+等易成垢物质及颗粒物的连续液相按单分子硅酸→多聚硅酸→硅酸凝胶→硅质垢、析晶沉积的原理形成污垢[4-5]，且极易附着在下降管、上升管、激冷环、工艺气出口等管壁上。流速的升高使离子扩散系数增大，析晶污垢沉积的速率增大，垢层厚度增大，热阻较大的垢层使传热作用降低；流速对沉积的硬度较小的污垢的脱除作用能降低结垢速率，而对硬度较大的污垢的脱除作用较小；表面温度升高使得析晶化学反应常数增大，析晶垢的结垢速率增加。同时，表面温度增加，间接增加了液滴的温度，使得液滴中的微结晶增多，从而颗粒垢结垢速率增大。另外，污垢的附着强度随表面温度的上升而增大，使得污垢的脱除效果随表面温度的增加而减小[6]。所以，换热表面温度的增加，污垢热阻的增大，导致托砖板温度升高。

表1中，洗涤塔结垢较严重，塔板上堆积的大量垢片是由工艺气主体中大量的固体颗粒物被带到洗涤塔中结垢沉积所致。

3.2 激冷水流量的影响

高温工艺气的降温、增湿过程主要在下降管内完成，要避免下降管因高温所致的变形、烧穿，要求激冷水流量要保持足够，下降管烧穿会导致托砖板温度快速上涨。带水量随着激冷水流量的增大先减小后增大[7]。激冷水流量的大小决定了下降管内壁水膜的厚度，激冷水流量也决定了激冷室底部排黑流量的大小，激冷水流量偏小时，排黑流量随之减小，220℃的激冷水与工艺气换热后温度升高，部分激冷水蒸发后进入气相，排黑流量减小使热平衡失衡，激冷室出现热量积累现象，导致工艺气水浴降温效果变差，温度升高，引起工艺气对托砖板的降温效果降低，导致托砖板温度上涨。激冷水流量较大时，气相与液相相互扰动作用增强，气相对液膜的剪切力增大，液膜流动加快，激冷水雾化程度增大，液滴尺寸变小，利于其分散于气相，从而致使液滴夹带量增大[8]。

工艺气进入洗涤塔后再次进行传质、传热过程，引起激冷水温度升高，进而气化炉激冷室热量积累加剧，激冷室液池黑水与工艺气的传热方式由自然对流传热变为泡核沸腾传热，黑水蒸发量增大，导致气化炉排黑再次减小，黑水含固量增大，如此恶性循环，严重时导致传热效率急剧下降，传热方式转为膜状沸腾传热，这时气相中夹带大量的水膜造成激冷室出现带水现象；在逐渐增大激冷水流量后，热量积累现象消失，水汽比降低，带水量降低。

当气化炉在低负荷运行时，激冷水流量可以保持低流量运行（220m3/h以上）；气化炉在高负荷下运行时或者高炉温操作时，需要增大激冷水流量才能保证液膜的厚度，维持热平衡，否则高温将会造成下降管变形或穿孔，实践证明，保持激冷水流量在 350m3/h～400m3/h，对减少带水量、降低结垢速率有较好的效果。

3.3 水煤浆灰分的影响

气化炉运行至第3天时，水煤浆灰分质量分数由正常的(14±0.5)%开始升高，持续到第12天，灰分质量分数在15.6%～18.7%范围，同时提高炉温熔渣，导致热负荷增大，工艺气中含灰量升高，带水量增大，在工艺气増湿效果一定的情况下，激冷室含固量进一步增大，导致带灰现象加剧，甚至出现带渣现象，灰渣附着在上升管、下降管、激冷环及合成气出口处，使其结垢加剧。含灰量较大的工艺气进入洗涤塔，导致激冷水含固量增大，最终使得激冷水水质进一步恶化。

3.4 环隙宽度的影响

工艺气的带液量随着下降管与上升管间环隙的增加而减少，随着气流速度的增大而增大[7]。结合表1和图3可知，托砖板各点热偶温度的变化与清理前环隙宽度一致，在托砖板4个热偶下方，下降管下端至上升管集气罩水平距离相差较大，下降管与上升管同心度偏低，导致T4热偶下方环隙最窄（清理前251mm，清理后286mm），对应的托砖板温度最高；T2热偶下方环隙最宽（清理前331mm，清理后331mm），对应的托砖板温度最低。这是由于最窄的位置气体流速快，气体在环隙内停留时间短，降温效果降低，离开液面的工艺气动量较大，带液量较多，使下降管外壁及上升管内壁形成连续水膜，有利于垢层生成，结垢后环隙宽度进一步变小，定位块处凝液较多（环隙间同平面上均匀分布8块定位块），结垢更容易，旧垢成为新垢的晶核中心，使结垢速度增大，在激冷室水质较差的情况下，带灰量增大使定位块处垢层厚度进一步增大，如此循环，环隙宽度越来越小，工艺气流动阻力越来越大，部分工艺气从环隙外侧流出，对托砖板降温效果降低，对应的T4热偶温度升高，煤气从环隙外侧流出对渣水扰动作用加剧，导致细渣进入环隙，从而使环隙积渣堵塞。

图3中，在第4h前，托砖板4个热偶温度及工艺气温度均有小幅上涨，T2热偶温度上涨最明显，这些温度随洗涤塔液位升高而升高，随气化炉液位升高而降低，这是由于洗涤塔液位升高，激冷水温度升高，使气化炉热负荷增大，炉内渣水由泡状沸腾变为膜状沸腾，换热效果变差，合成气温度升高，对托砖板降温效果降低；而提高气化炉液位后，工艺气与液池中的黑水的换热时间增大，工艺气降温效果提高；同时，液位提高使得带水量增大，有利于托砖板温度降低，但也加剧了托砖板的结垢。T2热偶温度由于结垢少，比较灵敏，其他3个热偶结垢多，温度显示不灵敏，变化不大。在第5h时，气化炉液位提高到79%，环隙内的液位升高，气体对液体的扰动增强，产生的泡沫和水花增多，液滴夹带量增大，由于液体相对于气体的巨大质量惯性，使液体堵塞气体通道[9]，从而大部分工艺气从环隙外侧流过，这对渣水的扰动作用加剧，进入环隙的细渣增多，再与硅酸盐结合沉积凝固，从而环隙堵塞情况加剧，工艺气从外侧流过越来越多，工艺气对托砖板的降温效果越来越差，托砖板温度逐渐升高，带水带灰或带渣越来越严重，导致气化炉液位快速下降至34%，排黑流量降低。由于带水量大，出口工艺气温度逐渐下降，T2热偶下方的环隙未堵塞，工艺气温度较低，托砖板温度上升幅度不大，其他3个热偶下方环隙的工艺气从环隙外流出，与托砖板接触的工艺气大量减少，降温效果较差，使托砖板温度大幅上涨。

图3 热偶温度及液位随时间的变化Fig.3 Temperature and liquid level vs time

3.5 气化炉激冷室液位的影响

激冷室内液滴夹带量主要与气液分离空间高度、气速及静态液位等密切相关，带水量随着气速、静态液位的增大而增大，随着分离空间的减小而增大[10]；当静态液位高度恒定时，随气速增大，气液分离空间高度逐渐减小，液滴夹带量增大；液滴夹带量在气体出口处沿径向变化不大，贴近壁面处稍小，主要受气体回流流动的影响，液滴夹带量随液相物质表面张力减小而增大，随粘度增加而增加[11]。图3中，气化炉液位在38%～48%之间波动较大，托砖板温度缓慢上涨，这是由于液位较低时，使工艺气増湿、除灰效果降低，加剧带灰现象发生，会加剧下降管、上升管及托砖板的结垢，同时增大洗涤塔的含固量，引起进入激冷环的激冷水含固量增大，导致激冷环内结垢，流通面积减小，激冷水流量降低。激冷室液位较高时，相当于缩短了从液面到折流板之间的距离，使液面以上分离空间变小，大量液滴及颗粒物不能有效分离，附着在托砖板及工艺气出口处，使其出现结垢现象；液位非常高时（如超过70%），分离空间非常小，液相还未被分离便流出环隙，空间突然增大，气速变小，夹带的液滴、细灰或细渣附着在托砖板及周边位置上，大部分带出气化炉，使其结垢、积灰加剧，激冷室液位下降，导致工况恶化，托砖板温度快速上涨。

所以应该平衡二者之间关系，找出最佳控制液位；与此同时，系统压力的波动会引起工艺气流速的波动，会加剧气化炉带水问题，在实际生产中应保持系统压力的稳定，以维持气化炉的稳定运行。

3.6 气化炉热负荷的影响

正常运行时，气化炉温度应该控制在所用煤种灰熔点以上50℃左右。在激冷水流量、气化炉排黑流量偏小时，如果炉温偏低，气化反应速率降低，碳转化率降低，渣中可燃物增加，煤炭利用率降低，造成资源浪费，也会导致液池含固量增大，引起工艺气带灰；炉温偏高，气化炉激冷室内热流强度增加，热负荷增大，使激冷水蒸发量增大，工艺气流量增大，从而使气速增大，气体对液池内部的扰动加剧，激起的水花和泡沫增多，未被增湿的飞灰增多，加剧气化炉带水、带灰，加剧激冷室结垢[8]。所以控制合适的炉温对提高气化炉产气量、提高碳转化率、稳定托砖板温度等有着至关重要的作用。

3.7 烧嘴雾化效果的影响

检修中发现下降管平衡孔（激冷环下方均匀分布的4个孔）周围有大量炭黑，烧嘴氧气差压（氧气压力与气化炉压力之差）从1.2MPa缓慢下降至1.0MPa，气化炉温度高于灰熔点100℃以上，这表明煤浆气化反应不充分，进入激冷室的高温气体中含有大量残炭，这可能是由于烧嘴氧气压差降低，使得煤浆雾化效果降低，导致煤浆与氧气混合不均，反应不完全，含有一定量残炭的工艺气进入激冷室中，使黑水含固量增大，导致离开激冷室液池液面的工艺气带灰量增大。