水煤浆气化炉上升管与下降管环隙堵塞的探讨研究

刘 强，冯志超

（中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江 鹤岗 154100）

中海石油华鹤煤化有限公司（以下简称“华鹤公司”）气化装置以煤和氧气为原料，为后续合成工段提供以CO 和H2为主要成分的粗煤气，是华鹤公司的核心装置。气化装置采用美国GE 公司水煤浆气化工艺专利技术，主要包括煤浆制备、气化、渣水处理三个工段，现有三台气化炉，配套三套闪蒸系统，正常运行过程中两开一备。2015 年4 月一次投料成功，5 月产出合格尿素。自2017 年开始，气化炉运行至50 天左右，出现了激冷室液位持续上涨，支撑板温度不同程度升高等现象，经历几次停车检查后，确认为上升管与下降管环隙堵塞，导致检修频率高、劳动强度大，同时也带来了一定的安全风险，严重制约了气化炉的安全、稳定、长周期运行。华鹤公司对此进行了原因分析，并采取了针对性的改进措施。改进后，2021 年下半年，气化炉运行至50 天后，极少发生环隙堵塞导致的气化炉高液位、支撑板温度超温等问题。本文结合华鹤公司实际运行情况，对气化炉上升管与下降管环隙堵塞的原因进行分析，并提出相应的控制措施。

1 水煤浆气化工艺流程

质量分数为65%～66%的水煤浆与氧气（纯度＞99.6%）经过三流式工艺烧嘴混合后进入气化炉，在压力6.5 MPa（G）、温度1 350 ℃左右的条件下进行气化反应，生成以CO+H2为主要成分的粗合成气，合成气在激冷室经过冷却洗涤后，经过文丘里洗涤器进入洗涤塔再次进行洗涤，最后经过塔盘水洗涤后送至后系统；气化炉和洗涤塔内黑水经过四级闪蒸后在系统内循环。

2 气化炉上升管与下降管环隙堵塞现象

2.1 气化炉液位缓慢上涨

尤其是气化炉运行至后期，激冷室液位由正常的40%～50%缓慢上涨至80%以上，甚至稳定在95%左右，在其他参数未有明显异常的情况下可继续维持运行，运行期间间断性发生气化炉因合成气带水、激冷室液位突降现象降至30%左右趋于稳定后又继续缓慢上涨至高液位。

2.2 支撑板温度升高

气化炉四个支撑板温度均出现上涨，由正常运行时的250 ℃左右最高上涨至350 ℃左右，其他参数无明显异常。

对气化炉上升管与下降管环隙垢片取样进行分析，结果见表1。从表1 分析结果来看，垢片主要成分为铝、硅、钙等物质的氧化物。

表1 气化炉上升管与下降管环隙垢片分析结果 %

3 堵塞原因分析

3.1 原料煤煤质问题

华鹤公司所使用的原料煤由黑龙江龙煤集团鹤岗分公司提供（以下简称龙煤），期间夹杂不同区域的地方小煤矿提供的原料煤（以下简称地煤）进行掺烧，导致水煤浆灰分及灰熔融性温度波动较大，且灰分异常偏高，最高时水煤浆灰分接近22%。进入2021 年下半年，华鹤公司所使用的原料煤发生较大变化，在加大助熔剂情况下，同等温度时的煤灰黏度仍明显增高，此时气化炉燃烧后产生的灰渣呈块状，最大直径达10 cm 左右，大量的细灰被块状渣包裹，进入激冷室水浴后直接进入锁斗系统排出，使得粗煤气带灰减少，延缓了气化炉上升管和下降管环隙的堵塞速度，这也验证了2021 年下半年以来环隙很少发生堵塞情况的原因。华鹤公司气化部B 气化炉自2021 年8 月4 日投料，已经运行240 d，气化炉液位和支撑板温度仍旧十分稳定，环隙未发生明显堵塞，目前仍在运行。结合该情况判断，煤质黏温特性对气化炉上升管和下降管环隙堵塞有着十分明显的影响。

3.2 烧嘴压差波动频繁

华鹤公司气化部前期所使用工艺烧嘴为低压差烧嘴，正常运行时烧嘴压差在400 kPa 左右，但烧嘴压差波动频繁，最低时为0，导致烧嘴雾化效果不佳，使煤浆在气化炉燃烧室内与氧气接触面积变小，可能存在部分煤浆没有参与氧化反应，随着粗煤气和粗渣进入激冷室进行冷却和洗涤，致使激冷室内部水质变差，导致粗煤气和水汽夹带着大量细灰一起向上去合成气管线，随着气化炉的运行，积累在上升管和下降管环隙处的灰渣越来越多，最终导致环隙堵塞。当上升管与下降管环隙发生严重堵塞后，粗煤气在上升管外围去合成气管线量增加，大量灰渣包裹在支撑板底部，导致高温气体在上升管外围相对停留时间长，支撑板热电偶散热效果下降，从而引起气化炉支撑板温度升高[1]。

3.3 系统水质问题

华鹤公司所使用的原料煤灰分较高且变化频繁，经现场沉降实验，发现当煤质发生变化引起水质变化时，现有的絮凝剂不能达到絮凝效果，灰水浊度和硬度均偏高且波动较大，水质情况较差，经与药剂厂家技术人员共同实验、研究，现场配置了三种不同分子量的絮凝剂，供不同煤质选择性使用。同时，现场所使用的分散剂阻垢效果不佳，导致管线结垢严重，激冷水量运行至后期低至180 m3/h，远低于正常运行时的250 m3/h，系统水循环量低，进一步导致水质变差，上升管与下降管的堵塞也越来越严重。

3.4 工艺操作方面

因设备问题，灰水加热器运行至后期换热效果变差，基本无热交换，导致进入洗涤塔的高压灰水温度较低，合成气水气比较低，最低至0.85，采用多种工艺参数调整仍旧无法满足后系统要求，在此情况下，只能减小气化炉与洗涤塔黑水排放量，长此以往，系统水质持续变差，气化炉带水量增加，加速了上升管与下降管的堵塞，造成气化炉无法长周期运行。

4 应对措施

4.1 加强原料煤煤质的管控

加大对煤质的分析频率，每日对水煤浆灰分和灰熔融性温度进行分析，根据煤质变化情况及时调整助熔剂添加量，在灰熔融性温度能够满足系统运行要求的情况下，尽量减少助熔剂的加入量，这是因为华鹤公司所使用的助熔剂为石灰石粉，在原料煤灰分较高的情况下，加入过量的石灰石会进一步加大水煤浆中的灰分，导致进入水系统的细灰增加，间接加快了气化炉上升管和下降管环隙的堵塞速度。

同时在进行煤炭混配使用时，应针对不同配比和石灰石加入量进行成浆性实验，确定最佳配比，控制煤浆的灰分和灰熔融性温度在工艺指标要求范围内。

4.2 解决烧嘴压差波动问题

借鉴行业内经验，经与北京航天石化技术装备工程有限公司共同研究，对现有烧嘴进行改造，改造后烧嘴压差较以往明显提高，正常运行时烧嘴压差在550 kPa 左右，且抗干扰能力增强，烧嘴压差极少波动，波动时范围也较小且持续时间短，一般在2 min以内，不需要工艺调整干扰即可自行恢复。

4.3 改善系统水质

经与药剂驻厂技术服务人员反复实验，根据系统水循环量计算分散剂及絮凝剂加入量，最终确定最佳加入量，以系统低压灰水循环量为300 m3/h 计算，分散剂每日加入量为1 t，絮凝剂每日加入量为29 kg，并根据不同煤质选用不同分子量的絮凝剂，以保证絮凝效果。同时对分散剂选型进行优化，增加除垢性能，提升阻垢能力，保证系统水质。

控制闪蒸系统压力，高闪压力控制在0.80 MPa～0.85 MPa，低闪压力控制在0.20 MPa～0.25 MPa，第一真空闪蒸系统压力控制在-65 kPa～-60 kPa，第二真空闪蒸系统压力控制在-75 kPa～-70 kPa。尤其是真空闪蒸系统的负压要保持，以保证闪蒸效果，有效去除水中酸性气体，降低黑水温度，浓缩黑水含固量，保证黑水在澄清槽内有效絮凝。

加大气化炉和洗涤塔黑水排放，在以往的操作中，气化炉运行至50 天后，为满足后系统要求，提高水气比，气化炉黑水排放量控制在75 m3/h 左右，洗涤塔黑水排放量控制在20 m3/h 左右，造成系统水质越来越差，浊度、硬度、碱度、悬浮物等参数明显超标，严重制约气化炉的长周期运行。以当前煤质和工况，黑水排放量不足会造成气化炉上升管和下降管环隙堵塞加剧，目前华鹤公司气化炉黑水排放量控制在85 m3/h～90 m3/h，洗涤塔黑水排放量控制在50 m3/h 以上，运行两个多月，管线结垢减缓，气化炉上升管和下降管环隙堵塞情况显著改善，目前B 炉已经运行240 d，未发生气化炉上升管和下降管环隙堵塞现象。

4.4 优化工艺参数

严格控制各项工艺参数，根据黏温曲线选择合适的操作温度，避免操作温度过高导致黑水中夹杂大量细灰难以去除。通过细微调整氧煤比，控制温度改变渣样形态，将细灰包裹在粗渣内部，避免大量飞灰进入水系统而加速气化炉上升管和下降管环隙堵塞。

尽量避免气化炉长期在低负荷状态下运行，以利于气化炉激冷室内气体流动的稳定性和避免气化炉气体大量夹带液体[2]，亦可增强工艺气对气化炉上升管和下降管环隙垢片的冲击力和剪切力，能够有效减缓气化炉上升管和下降管环隙堵塞速率。

保证系统平稳，避免系统负荷、压力等大幅度波动后系统发生严重带水现象加速气化炉上升管和下降管环隙的堵塞。

5 结 语

经过以上几个方面的分析和提出的应对措施，逐步优化系统参数，改善系统运行环境，华鹤公司气化炉上升管和下降管环隙堵塞问题得到明显的改善，运行周期较以往有了大幅度的延长，减少了备炉检修次数，节约备品备件，降低安全风险，提高经济效益，实现了气化炉的长期稳定运行。

随着气化炉运行周期的不断延长，势必要面对更多新的难题，华鹤公司将继续以问题为导向，确保气化炉的“安、稳、长、满、优”运行。