粉煤气化炉反应室漏水及应对措施研究

李文艳，郭小杰

(1.大同煤炭职业技术学院，山西 大同 037000；2.同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037000)

壳牌粉煤加压气化炉工艺具有工艺指标先进、煤种适应性强、单台炉投煤量大、安全系数高、冷煤气效率高、环境友好等优点[1]。2001年以后，我国先后引进34台投煤量为900～3 200t/d规模的壳牌粉煤气化炉。随着运行经验的积累和问题导向性的技改，壳牌气化炉A级连续运行达百天已常态化，单套炉每年平均在线率已超过300d。壳牌气化炉用户在商业运行过程中会发生烧嘴罩、烧嘴头或者膜式水冷壁漏水的问题。精准判断气化炉是否漏水以及漏水部位，制定合理应急措施，避免非计划停车，延长气化炉在线运行周期。

1 气化炉调和水系统和水汽系统工艺流程

调和水系统流程见图1。气化炉的4个煤烧嘴由调和水系统冷却。冷却水先经调和水泵升压，再经调和水加热器调温后(6.07MPa(g)，210℃)，送至4个煤烧嘴环隙冷却烧嘴头(厚度为1.5mm)，出煤烧嘴的调和水返回调和水泵进口。调和水量不足时，需加入锅炉给水补充(7.6MPa(g)，209℃)。为保证调和水水质，在除盐水补水管线及调和水管线上分别设置了锅炉给水过滤器、调和水过滤器。调和水加热器用于补偿调和水系统中的热量损失。

图1 调和水系统流程

高压氮气系统保证调和水缓冲罐压力恒定。循环水过滤器用于过滤除去烧嘴调和水通道的结垢。水汽系统流程见图2。

图2 水汽系统流程

从界区来的中压锅炉给水(7.9MPa(g)，209℃)补入中压汽包，保证汽包正常液位。汽包内锅炉水经中压循环水泵加压后，分别供给气化炉反应室水冷壁、输气管蒸发器、废热锅炉蒸发器。中压锅炉水被加热成水/汽混合物，重新循环回中压汽包大室或小室，蒸汽与锅炉水分离，产生中压饱和蒸汽(4.5MPa(g)，271℃)。

汽包产生的中压蒸汽经废热锅炉过热段过热(4.5MPa(g)，400℃)，然后送至全厂中压蒸汽管网。

2 烧嘴头泄漏判定方法

2.1 分析烧嘴头泄漏过程

2015年5月5日8∶01到5月7日6∶19期间，在气化炉用煤质、氧气负荷、炉温等参数都稳定的前提下，粗合成气组分中H2/CO比值的变化趋势见图3。

图3 合成气中H2/CO比值随时间的变化趋势

从图3中可看出，合成气中H2/CO变化趋势图呈现突变、升高过程。5月5日8∶01分，H2/CO比为0.335，5月6日1∶20分，H2/CO比为0.34，且开始逐渐升高，5月6日8∶59分，H2/CO比升高至0.412，并保持稳定，经7小时39分钟后，比值升高了0.077。

煤炭气化反应是受众多因素制约且共同作用的结果，受气化温度、压力、反应时间、进料稳定性及其理化特性的影响。因反应室温度高(1 400～1 500℃)，漏入的水以水蒸气状态存在，促进CO+H2O=CO2+H2反应发生，合成气中的CO2和H2含量增加，CO含量降低[2]；合成气中H2/CO比值升高，可断定气化炉反应室有水进入，具体漏水位置仍需分析其他数据后才可知。水汽系差值随时间变化的趋势见图4。

图4 水汽系差值随时间变化的趋势

从图4中可以看出，从2015年5月5日8∶01到5月7日6∶19期间，气化炉水汽系统上水和外供蒸汽的差值(水汽差值)虽有波动，但未出现大幅度变化。模拟趋势线较平稳，平均值为26.2kg/s。可判定气化炉水汽系统无异常变化，即气化炉反应室的水冷壁、烧嘴罩等水汽系统无泄漏。调和水罐液位随时间变化的趋势见图5。

图5 调和水罐液位随时间变化的趋势

从图5中可以看出，5月5日8∶00至5月6日8∶00期间，调和水系统中调和水罐液位由62.1%降至58.4%，降低了3.7%。经每天6次现场巡检，5月1日到5月15日检查管线、设备、机泵等设施，无水外漏，但从调和水罐液位降低的现象可断定，烧嘴头处有水泄漏至气化炉反应室并参与化学反应。

2.2 烧嘴头泄漏原因及应对措施

2.2.1 泄漏原因

(1)气化炉炉温和煤种不匹配，导致液态渣流动性差、渣层变厚、漫过烧嘴罩遮挡火焰，引起火焰偏离方向，折射的火焰烧坏烧嘴头部。

(2)煤线运行不稳定，主要表现为烧嘴经常跳停、粉煤密度和速度波动等。煤粉波动引起炉温波动，进一步引起煤烧嘴周围热循环波动，加速烧嘴头部热疲劳损伤。

(3)气化炉温度越高，热通量及温差越大，加剧烧嘴头部热疲劳损伤及高温腐蚀[3]。

(4)调和水罐压力稳定，气化炉压力波动会导致调和水和气化炉炉膛压差波动，加速裂纹扩展速度。

2.2.2应对措施

为了稳定生产，可采取以下应急措施：①立即停止向烧嘴添加中压蒸汽；②缓慢提高氧煤比，提高气化炉反应室温度，保持渣的流动性，从而避免堵渣；③降低调和水罐压力，减少调和水和气化炉压差对漏点的影响；④密切监控漏水量。依据设计烧嘴添加的蒸汽量为11.08 t/h(最大值)，若漏水量超过该值，应作停车处理。

3 烧嘴罩泄漏判定方法

3.1 分析烧嘴罩泄漏过程

2019年3月8日6∶30，操作人员发现破渣机油压不规则波动，现场渣样存在部分大块渣(约12cm左右)，大块渣持续出现。水汽系差值随时间变化的趋势见图6。

图6 水汽系差值随时间变化的趋势

从图6可看出，气化炉水汽系统锅炉给水进水和出蒸汽差值呈现突然升高的趋势，均值由5.51 kg/s，上升至9.45kg/s。

仪表、现场管线确认完好，水汽差值增大，判定气化炉水汽系统出现泄漏。水汽系统可能泄漏的位置为气化炉反应室、输气管段、废热锅炉。

手动分析气化炉产合成气中氢气组分占比,3月5日～7日为22.08%，3月8日～10日为22.87%。3月8日前后，气化炉产合成气中氢气组分占比平均值上升了0.79%。水汽系统泄漏的水参与了气化反应，使合成气中氢气组分占比升高。经过分析，调和水罐液位保持稳定。

由以上分析可判定，气化炉水汽系统泄漏部位为气化炉反应室，依据壳牌气化炉运行经验可知反应室水冷壁设计渣保护，泄漏可能较小，本次泄漏部位为烧嘴罩。

3.2 烧嘴罩泄漏的原因及应急措施

3.2.1 烧嘴罩泄漏的原因

(1)气化炉运行处于不合适的操作窗口(氧煤比持续偏低)，导致液态渣流动性差，渣层变厚，漫过烧嘴罩，遮挡火焰，引起火焰偏离方向，折射的火焰烧坏烧嘴罩。

(2)氧煤比控制不合适，若氧煤比持续偏高，表明气化炉炉膛温度持续升高，会导致烧嘴罩热负荷过高，最终导致烧嘴罩水管壁高温过氧烧蚀[4]。

(3)烧嘴罩安装不规范。烧嘴头和烧嘴罩同心匹配，二者安装间隙必须满足5～23mm的要求。

(4)汽包水质长期不合格，形成管道内腐蚀。壳牌气化炉锅炉给水控制指标：溶解氧小于7μg/L，电导率小于0.2μS/cm，SiO2含量小于20μg/L，pH值为9.5～10.5[5]。

3.2.2应急措施

(1)提高气化炉反应室温度，缓慢提高氧煤比，直到无大块渣出现为止，保持高炉温操作。

(2)为了防止废热锅炉入口合成气温度超温，导致废热锅炉入口积灰，在提升氧煤比的同时，降低气化炉负荷。

(3)保证煤线稳定，防止单条烧嘴跳停，避免出现短时间的低炉温。

(4)提高气化炉压力，降低水汽系统中的汽包压力，以减小汽包与气化炉的压力差对泄漏点处的影响。

4 结语

(1)合成气中H2/CO比升高，可断定气化炉反应室有水泄漏进炉膛并参与化学反应，同时调和水罐液位降低，断定烧嘴头处有水泄漏至气化炉反应室。

(2)气化炉进料不稳定，气化炉处于不合适的操作窗口，过高、过低的炉温或气化炉压力过高都会导致烧嘴泄漏。

(3)烧嘴罩泄漏的判定方法为排除法，首先分析水汽系统的水汽差值，确认水汽系统漏水，结合合成气中氢气含量以及合成气除灰系统压差变化，排除气化炉输气管段和废热锅炉漏水。

(4)烧嘴头和烧嘴罩泄漏的应急处置方法为提高炉温，保证排渣正常；降低气化炉负荷，防止废锅积灰；降低气化炉和水汽系统或调和水系统的压差，控制漏水量；保证气化炉进料系统的稳定。