一种煤粉气化炉运行问题的探讨与分析

张辉 景寿堂（国能集团宁夏煤业公司煤制油分公司气化厂 银川750411）

1 装置流程

现有工艺流程及装备如图1所示。

煤粉制备单元制备的煤粉通过煤粉加压输送单元的设备，以高压氮气或高压二氧化碳作为载气输送至气化炉与输送主烧嘴，与送至主烧嘴的氧气在主烧嘴端部进行混合，在点火烧嘴已点燃火焰的作用下，在气化炉燃烧室内发生不完全燃烧，产生主要成分为CO+H2的煤气[1]，也称为合成气，同时生成少量熔渣。合成气与熔渣通过下降管离开燃烧室进入气化炉激冷室液面以下。合成气离开下降管后，通过激冷室激冷水的水浴洗涤及降温，之后沿下降管外壁与气化炉炉壁所形成的环隙鼓泡上升，离开环隙后，通过与激冷室顶部连接的合成气管线输送至文丘里洗涤系统，经文丘里系统洗涤降温后去合成气洗涤塔，进一步除尘降温后送至变换工序；被合成气及熔渣污染及升温的激冷水变成黑水，被送至闪蒸系统进行闪蒸处理；熔渣通过气化炉激冷室激冷水的冷却形成固态渣，沉降在激冷室底部，经破渣机破碎后通过渣锁斗排出。

合成气进入文丘里洗涤系统后，在加入一级文丘里洗涤器的高压循环水洗涤后一同进入一级文丘里分离罐进行气液分离，气液分离后的液相通过管线进入合成气洗涤塔；气液分离后合成气进入二级文丘里洗涤器[2]，在加入二级文丘里洗涤器高压循环水的洗涤后一同进入合成气洗涤塔。合成气洗涤塔进水有高压循环水、高温凝液、汽提凝液、脱盐水、一级文丘里分离罐洗涤水、二级文丘里洗涤水。合成气洗涤塔腰部出水通过激冷水泵送至气化炉激冷室做激冷水用，合成气洗涤塔底部出水送往闪蒸系统进行闪蒸处理。

图1 现有工艺流程及装备图

2 气化炉带水带渣的现象及危害

2.1 气化炉带水的异常现象

在设备运行过程中，气化炉出现带水现象时，将产生以下异常现象：

（1）气化炉激冷室的液位降低，黑水去闪蒸系统的调节阀开度自动减小，其中该调节阀起着调节激冷室液位的作用[3]；

（2）合成气温度上涨偏高；

（3）系统压差上涨且波动较大，一级文丘里分离罐液位上涨严重，一级文丘里分离罐底部液位调节阀开大；

（4）合成气洗涤塔液位上涨，合成气洗涤塔液位调节阀开度减小；

（5）闪蒸系统中闪罐液位调节阀开度关小，中闪罐压力调节阀开度自动减小；

（6）向黑水管线窜气导致黑水管线温度上涨；

（7）合成气洗涤塔压差容易上涨及容易出现合成气向变换系统带水。

2.2 气化炉带水的危害

（1）合成气温度容易出现上涨而导致跳车；

（2）易向黑水管线窜合成气而导致管线变形爆裂；

（3）合成气洗涤塔内部水质脏，易导致合成气洗涤塔塔盘堵塞；

（4）系统水质变差，系统管线及设备容易结垢；

（5）气化炉炉壁易接触高温合成气，导致气化炉炉壁高温变形爆裂。

2.3 气化炉向后系统带渣的现象及危害

图2 优化工艺流程及设备图

（1）一级文丘里洗涤器前后压差上涨；

（2）激冷水流量调节阀开大，激冷水流量减小；

（3）激冷水过滤器及激冷环前后压差上涨；

（4）合成气洗涤塔底部开路排放管线磨损严重；

（5）沉降槽向过滤机输送泥浆量波动严重，过滤机滤饼经常性带有粗渣。

2.4 气化炉向后系统带渣的危害

（1）一级文丘里分离罐底部堵渣严重；

（2）出气化炉至闪蒸系统黑水管线磨损严重，导致黑水管线爆裂；

（3）闪蒸系统管线及附属阀门经常性磨穿泄漏；

（4）系统仪表根部管线及温度表套筒易结垢，造成仪表显示不准；

（5）激冷水泵、闪蒸泵、泥浆泵叶轮磨损严重；

（6）中、低、真闪缓冲件及角阀短接经常性磨穿；

（7）激冷水泵频繁出现清滤网；

（8）开路排放管线及附属流量计磨损严重，导致磨穿泄漏；

（9）沉降槽底部和泥浆管线经常性堵。

3 气化炉向后系统带水带渣分析

3.1 气化炉合成气向文丘里洗涤系统带水带渣过程分析

燃烧室发生煤和氧气的不完全燃烧后，所生成的合成气与进入下降管的激冷水发生了热传质，合成气被冷却，激冷水被加热，部分激冷水与被加热后生成了饱和蒸汽进入合成气中[4-5]。合成气离开下降管后，在下降管外壁和气化炉壁所形成的环隙间通过激冷水所形成的液层鼓泡上升，在此上升过程中由于气体流速快而夹带了一部分激冷水离开液面，这部分水中的一部分由于在上升过程中由于撞击环隙壁而失去动能或被降温而回到激冷水液面，一部分而悬浮于环隙中，一部分最终被合成气带入文丘里洗涤系统，最终进入合成气洗涤塔中作为激冷水送至气化炉，合成气洗涤塔底部沉淀后的渣水通过开路排放管线进入闪蒸系统。在这一过程中带水伴随着带渣。

3.2 气化炉合成气向后系统带水带渣理论分析

由于合成气在激冷水液层中穿行过程是一种气、液、渣的分散系，并伴随着热传质的过程，特别复杂，现仅从两方面进行分析。

（1）借鉴气流输送理论，从气体流速方面考虑。合成气所夹带的水滴及渣粒，与合成气的密度相差较远，这一点接近了气流床的特点，从而合成气中所夹带的小水滴和渣粒会以流化状态被带出气化炉，这其中合成气气流速度起到了很关键的作用。

（2）从热传质角度考虑，根据流体沸腾传热理论，在高温合成气以一定流速流动过程中会将部分水滴加热到沸腾状态从而产生泡核，当热量达到一定值时，会将高效的泡核沸腾转化成低效的膜状沸腾，这将会在气相中夹带大量水沫。水沫密度远低于液体，所以气体所带走水沫的能量会大大降低，从而发生以夜沫夹带方式带走大量的水。这种夜沫夹带的带水方式也经常出现在合成气洗涤塔带水方式中。

3.3 气化炉黑水向黑水闪蒸系统带渣过程分析

气化炉燃烧室所生成的合成气以较快流速进入激冷室液面以下，此时由于合成气的流速惯性冲击到激冷室的渣沉降层，对激冷室液面以下所沉淀的渣有所扰动，使得本该沉降的渣粒混合在激冷水中，使得激冷室水质浑浊伴随渣粒，这部分渣颗粒一部分被合成气带至文丘里系统，一部分通过黑水管线带入闪蒸系统。还有一部分渣粒进入激冷室液面时，由于被合成气的扰动直接进入黑水管线。从而这两部分进入黑水管线的渣粒被送入沉降槽，最终被过滤机过滤后混合在渣饼中。

4 合成气带水带渣问题及黑水带渣问题的处理措施

根据上述分析，对工艺及设备整改措施如图2所示。

（1）增大下降管直径减小合成气的流速，减小对激冷室液位的冲击，从而对激冷室液位升高及稳定有很好的效果。这一措施已得到实践验证。

（2）增大气化炉激冷室直径，以扩大下降管外壁与激冷室内壁所形成的环隙，从而以此种方式降低合成上升流速，减小合成气所带水的动能，从源头上抑制合成气带水的问题。扩大激冷室直径也可以增大气液分离空间，从而使更多的小水滴形成大水滴沉降到激冷室液面。

（3）将一级文丘里分离罐水通过加压方式送至激冷室中，从而减小合成气洗涤塔的渣粒来源。

（4）加长气化炉激冷室长度，以增大下降管与激冷室底部的距离，从而减小合成气对激冷室渣沉淀层的干扰。

（5）加大激冷水用量，同时加大去黑水闪蒸系统的闪蒸量，对激冷室水质置换起到帮助。这当然对合成气洗涤塔的供水量有了新要求。

5 结语

气化炉激冷室向后系统带水带渣问题对气化炉安、稳、长、满、优运行影响很大，同时对现场低标准影响很大，对系统水质影响极为严重，水质不是趋于中性，而是经常性的呈现酸性。气化炉带水带渣的主要原因在于系统的热负荷过高，而激冷室的设计处理量偏小所造成的。因此通过增大下降管和气化炉直径、加长气化炉激冷室长度可以有效解决气化炉的带水带渣问题，从而降低管线及设备的堵塞及磨损、有效改变系统水质、降低系统管线及设备的结垢，达到系统安、稳、长、满、优的运行目的。