航天炉渣口堵渣原因分析及处理措施

摘 要：气化炉渣口堵渣是生产过程中经常遇到的异常状况，对气化炉的安全稳定运行影响较大。根据航天炉的实际运行经验及渣口堵渣的实际处理方法，研究引起渣口堵渣的原因及相应的处理措施，对航天炉粉煤加压气化装置的安全稳定运行有一定的指导意义。

关键词：航天炉；渣口压差；黏温特性；堵渣；处理措施

河南某化工企业气化装置采用HT-L航天炉粉煤气化工艺，该技术是由中国航天科技集团公司下属航天长征化学工程股份有限公司拥有的专利技术，吸收了当今世界先进煤气化技术的优点，采用“粉煤+水激冷”流程，自主研发了气化炉、气化燃烧器等关键设备，形成了具有自主知识产权的煤气化成套技术。但在气化装置运行过程中由于多种原因，出现多次渣口堵渣的异常状况，结合企业的实际操作经验，对渣口堵渣的原因及处理措施进行探讨。

1 渣口压差介绍

气化炉渣口压差是指气化炉炉膛压力（17PA1068）与气化炉合成气出口压力（17PIA1009）之间的差值（17PDIA1054） 。渣口压差是气化炉控制中的一个重要指标，是监测渣口是否堵渣的重要参数。气化炉满负荷运行时（氧量30000Nm3/h），渣口压差在25～35kPa之间。在生产过程中，由于多方面原因，渣口压差会经常性发生波动，渣口压差最大值会超过200kPa，从而严重影响到气化炉的正常运行。

渣口压差测量值由三部分组成；

①渣口部位的压降：该部位的压差是实际渣口压差，就是渣口上部燃烧室与渣口下部的激冷室之间的压差，在正常情况下，此部分压差小于5kPa。

②合成气穿过激冷室水浴的流阻：该流阻近似等于激冷室液位产生的压差，正常情况下，该部分压差占渣口压差显示值的主要部分。

③合成气出气化炉通道的压降：在负荷一定情况下，该压差由合成气在设备内部通道的阻力决定，通常情况下是固定不变的。

2 渣口压差波动原因及处理措施

①气化炉负荷调整速率过快，燃烧室中产生的合成气气量变化较快，致使燃烧室压力与后续压力的压差波动，从而造成渣口压差显示值波动。对于这种情况，渣口压差显示值与气化炉的负荷成正比，渣口压差波动值一般在5 kPa以内，负荷稳定后，渣口压差就恢复正常。

②激冷室液位波动较大造成渣口压差显示值波动：激冷室液位压差是渣口压差显示值组成的一部分，由于激冷水流量波动、激冷室带水严重、激冷室积渣、操作不当等原因造成激冷室液位的波动，渣口压差显示值也会跟随波动。激冷室液位的控制对气化炉运行至关重要，激冷室液位是气化炉运行的重要工艺参数，在检修过程中对激冷水系统要严格控制检修质量，保证该系统清洁通畅、稳定可靠。

③测量仪表失效：气化炉上使用的渣口压差测量值不是渣口压差的实际值，对于渣口堵塞判断有一定的影响，有可能造成判断失误或者延误处理。可根据气化炉压力和气化炉合成气出口压力计算压差值。

④渣口处轻微堵渣造成渣口压差波动：主要原因是气化炉操作过程中氧煤比调节不合适、煤质变化分析数据不及时、气化炉操作温度过低、原料煤质操作窗口较小等原因。一般通过适当提高气化炉操作温度就可以处理该状况。气化炉渣口压差波动，长时间处理不了，造成堵塞的情况将在下文进行介绍。

3 渣口堵渣的表现和原因分析

3.1 渣口堵渣的表现有以下现象

气化炉渣口压差长时间波动，并且有不断上涨的趋势；合成气中甲烷含量没有变化，但是二氧化碳含量呈现持续下降趋势，并且提高氧煤比操作，二氧化碳含量没有明显上升趋势；粗渣中有大渣块出现，并且伴有玻璃丝渣；破渣机油压有不同程度的波动。以上现象有三个同时出现，就可以判断为渣口堵塞。

3.2 渣口堵渣的原因

①气化炉氧煤比控制不当，长时间处于低温操作，粉煤灰大部分没有熔化，只有少量熔渣顺着渣层下流。在锥形渣口部位温度较低，一部分熔渣在锥形渣口处黏度变大，流动性变差，并且合成气中夹带的大量没有熔化的粉煤在此处凝结。长时间运行后在锥形部位出现了大量的堵渣，并进一步延伸至渣口部位，形成渣口堵渣。因为正常情况下，渣口尺寸要大于气化炉出口合成气管道内径，渣口没有节流效果，所以当渣口初期开始堵塞缩小时，渣口压差测量值基本没有变化。当渣口继续堵塞后，渣口尺寸逐步缩小，当渣口起到节流作用后，渣口压差就会明显增大，但是此时渣口堵渣就比较严重了，这也是渣口堵塞较难早期发现，不能及早处理的原因。

②煤质波动较大，黏温特性曲线操作窗口较小的原因。航天炉属于气流床气化技术，液态排渣，煤灰的黏温特性曲线是气化炉操作的重要依据。气化炉液态排渣要求灰渣的黏度应在5～25Pa·s，灰渣在此范围对应的温度范围称为操作窗口，一般气化炉适宜煤种的操作窗口应该大于100℃。煤的灰渣黏度为25Pa·s时对应的温度称为临界温度，气化炉的操作温度应该远离临界温度，气化炉在正常操作过程中，一般要求操作温度高于灰熔点50～100℃。如果所用煤种操作窗口较小，操作稍有偏差就会造成渣口堵渣。

③烧嘴物料通道异常，造成气化炉内部反应流场破坏。烧嘴的核心目的是把氧气和粉煤加速进入到气化炉，在气化炉内部形成流场，使氧气和粉煤快速充分反应。流场的合理性决定了气化转化率和效率，烧嘴的结构在气化炉反应流场形成中占主导地位。烧嘴粉煤通道长时间运行磨损，通道中粉煤流速下降，火焰上移，下部温度变低，渣口位置熔渣流动性逐渐变差，造成渣口堵渣；烧嘴粉煤通道有异物堵塞造成粉煤分布不均，粉煤进入气化炉后，在反应流场中有些区域氧煤比高，有些区域较低，最终混合形成流动性较差的熔渣堵塞渣口。一般烧嘴通道内部堵塞的异物为原料煤中的纤维、塑料以及粉煤输送设备中的烧结金属破裂碎片或者内件固定用的螺栓螺母等；另外烧嘴氧气通道的旋流角度选择对流场影响也较大，氧气喷出烧嘴的流速在70m/s左右，粉煤喷出烧嘴的流速在15m/s左右，氧气的速度远远高于粉煤的速度，氧气旋流角度对流场的影响高于粉煤的影响。氧气旋流角度较大，则流场反应不充分，如果氧气旋流角度过小，则会使火焰上移，上部气化炉炉膛超温，致使操作人员降低氧煤比，而下部温度偏低，熔渣黏度变大，容易堵塞渣口。所以选择一种经过广泛實际运行验证的烧嘴，对气化炉的稳定运行至关重要。

④水冷壁盘管泄漏造成熔渣凝固堵塞渣口。航天气化炉水冷壁采用盘管结构，盘管外壁向火侧涂有5mm左右厚度的耐火料，耐火料外层又有固渣层，这些保护措施目的都是为了保护盘管。如果原始开车过程中初始渣层熔点低、渣层蓬松，在后期运行过程中，渣层就会脱落，尤其在气化炉炉膛中上部高温区更明显。渣层脱落后，耐火料在气流冲刷下，盘管会暴露出来，造成盘管出现裂纹，甚至烧穿。一般控制盘管内部循环锅炉水压力比气化炉炉膛压力高0.8 MPa左右，所以盘管泄漏后，盘管内部的锅炉水就进入到炉膛内部。锅炉水温度在270℃左右，炉膛温度在1300℃以上，锅炉水进入炉膛后形成激冷，液态渣在盘管泄漏部位大量凝固，尤其是渣口盘管泄漏后引起渣口堵塞较为常见。

⑤气化炉负荷与炉压不匹配，造成火焰偏短，长期运行下造成渣口堵渣。气化炉的负荷（入炉氧量）与气化炉的压力是有严格的对应关系的，这是保证流场合理的重要措施。但是往往在实际生产中，为了追求高负荷，气化装置合成气外送调节阀处于全开状态，气化炉的压力由后系统控制，造成气化炉负荷与压力不匹配。

⑥气化炉高负荷紧急停车时，炉壁上大量的熔渣急剧降温，在渣口处凝固，堵塞渣口。这种情况停车后没有明显变现，如果停车后不检查气化炉渣口，在下次开车后就会出现渣口堵塞的症状。

4 渣口堵塞的处理措施

4.1 提高氧煤比提升炉温

通常先降负荷，降低灰渣量，减少渣口排渣负担，然后逐步提高氧煤比，提高炉膛整体温度。

如表1所示，该公司A炉渣口堵渣，首先采用降负荷措施，渣口压差并没有下降，而是持续上升。随后保持入炉煤量不变，缓慢提高氧量，提高炉温。在此过程，合成气CH4含量控制在150-500ppm，主盘管密度550-700kg/m3（根据煤质具体情况而定），盘管水冷壁蒸汽产量5～15t/h，插入式测温点温度不超1000℃，预埋式测温点温度不超800℃。约1小时后渣口压差降低，接近正常水平。在操作过程中一定要缓慢提高氧量，平稳操作，防止炉膛固渣熔化反而使情况恶化。

4.2 降炉压拉伸火焰

联系后系统降压，拉伸气化炉燃烧火焰，缓慢提高氧煤比，提高锥形渣口处温度，利用高温液态渣和高温合成气流冲击渣口进行清堵。如果渣口压差在100 kPa以上的情况，可将气化炉减负荷后，从系统中切出，合成气从火炬放空。此种方法效果明显，时间较短，一般2～3小时就可以熔解渣口堵塞。

4.3 渣口恢復正常判断依据

合成气成分变化（如下图所示），CO2含量升高；渣口压差仪表17PDIA1054显示正常；熔渣过程中破渣机油压波动，然后长时间没有出现波动；粗渣大块渣明显减少，球状和丝状渣增多。

蓝线A：渣口压差显示值；

橙线B：合成气中CO2含量；白线C：合成气中CO含量

5 渣口堵塞的预防措施

5.1 加强原料煤控制

可靠的原料煤煤质是气化炉稳定经济运行的基础，决定了气化炉的操作温度、排渣性及关键设备的长周期使用等，尤其是采用不同煤种的原料煤掺配作为气化原料，其质量控制更为重要。一般要选择灰熔点较低，粘温特性曲线平缓的煤种。在煤质发生变化时，要提前做好原煤分析，计算新煤种的入炉时间，根据煤质调整气化炉控制参数。

5.2 气化炉操作要稳定

气化炉加减负荷幅度要合理，严禁大幅度快速加减负荷；加负荷时，先加煤后加氧，减负荷时，先减氧后减煤；严格按照气化炉负荷表控制炉压与负荷，防止对应参数产生较大偏离。

5.3 控制原煤和粉煤中的异物

原料煤中的编织袋、木块等异物在入原（下转第182页）（上接第179页）料煤仓前设置除杂装置；磨煤系统纤维分离器定期检查清理；输煤系统有烧结金属部位的操作要防止超压，造成烧结金属破裂，碎块进入粉煤系统，最终堵塞烧嘴粉煤通道；利用停车机会检查锁斗内件固定螺栓等，最好满焊加固；袋式过滤器折流挡板设计为加厚防磨型，并且支撑加固。

5.4 烧嘴定期检查

烧嘴的设计使用周期为6个月，实际运行中最长已经达到14个月。即使烧嘴使用没有到检修周期，但是有检修窗口时，要对烧嘴拆开检查粉煤通道磨损情况，检查是否堵塞异物，如果堵塞异物可以进行人工清理。

6 结语

渣口堵塞对气化装置运行的稳定性和经济性影响很大，尤其在大型煤化工项目中，如果出现非计划停车，一般需要十几个小时才能恢复正常，开停车一次损失至少几百万元，所以对气化炉渣口要深入进行研究。在生产过程中渣口出现异常，应该全面准确判断原因，对症处理，能够得到事半功倍的效果。另外航天长征化学工程股份公司对航天炉的渣口尺寸也在进行逐步优化，最终使粉煤在炉膛内反应时间加长，碳转化率提高，并且实现渣口抗波动能力提高。

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[5]郭宝贵，等.一种精确测量气化炉渣口压差的装置：中国，201520117884.9[P].2015.

作者简介：

郭伟（1982- ），男，汉族，河南南阳人，本科，助理工程师。