航天炉渣口压差超量程运行经验总结

2022-03-09张恩光孙流强杜书昌程晓姣

氮肥与合成气 2022年3期

张恩光，孙流强，杜书昌，程晓姣

(新乡中新化工有限责任公司，河南新乡 453800)

航天炉煤气化工艺是我国自主研发的粉煤加压气化技术，发展至今，已拥有成熟的设计基础和丰富的运行经验。该工艺采用干粉进料、液态排渣的方式，对于入炉煤煤种的适应性较强。目前，已有超过68台航天炉投入运行，如何提高其运行周期，是每家航天煤气化用户面临的难题。

1 航天炉工艺流程

粉煤和氧气/蒸汽混合气经粉煤烧嘴喷入气化炉中混合，进行部分氧化反应，在4.0 MPa、1 400～1 700 ℃的条件下进行，反应生成合成气，其主要成分为CO、H2、CO2、H2O以及少量的H2S、COS、N2、Ar、CH4等。未反应的呈熔融状态的灰渣与粗合成气一起进入均布激冷水的激冷环冷却并饱和，后经上升管到达折流板进行气水分离，分离后的合成气由激冷室上部的出口管线引至文丘里和合成气洗涤塔进一步洗涤。灰渣被激冷后沿下降管进入激冷室的水浴中冷却。熔融状态的灰渣经过冷却固化，落入激冷室底部，经破渣机破碎成细渣后排入渣锁斗。

2 渣口压差判断

作为重要监控工艺指标，渣口压差反应气化炉炉膛压力与合成气出口压力之差，由航天炉渣口压差表实际测量。当该值升高时，操作人员应引起注意，及时分析判断其是否为真实值，并根据不同工况做出相应的处理[1]。

实际生产中，渣口、激冷环、下降管、合成气出口均出现不同程度的堵渣现象。由此可见，判断堵渣位置对工况的调整起到至关重要的作用。为便于观察渣口实际情况，可将气化炉激冷室现场液位计更换为远传压力表，以此作为激冷室压力参考点，同时根据炉膛压力与文丘里前压力计算差值进行判断。当渣口压差表数值升高时，观察炉膛压力、激冷室压力、合成气出口压力、文丘里前合成气压力等各表实际读数，从而判断堵塞位置。

(1) 由炉膛压力和激冷室压力差值判断渣口是否堵渣。

(2) 由激冷室压力和合成气出口压力差值判断合成气出口是否堵渣。

(3) 激冷环或下降管处堵渣，其最直接的判断方法为：当渣口压差升高后，如出现断崖式下降则为激冷环或下降管处堵渣。正常渣口堵渣后，通过升高炉温，压差会逐步缓慢下降，而非骤降。

3 原因分析

(1) 随着入炉煤种煤质发生变化而引起其灰熔点升高，在工况不变的情况下，气化炉的操作温度降低，导致渣流动性变差[2]。渣口处的温度相比炉膛处的温度低，熔融状态的渣流经渣口时会堆积，引起气化炉渣口变小，气体在燃烧室内停留时间延长，单位时间内离开气化炉的气量减少，导致渣口压差升高。

(2) 炉压高，炉温热区上移，渣口处温度低，渣的流动性变差，渣口压差增大。

(3) 激冷环堵塞导致激冷孔无水喷出，液态渣在激冷环处形成挂壁，导致渣口缩小[3]。

(4) 激冷环环隙堵塞时，在下降管上形成的水膜偏薄，当燃烧室熔渣流下来时，水膜瞬间汽化，高温熔渣得不到彻底降温，黏流态的熔渣便会在下降管上黏结。随着激冷水流量波动，下降管内壁熔渣变厚，导致下降管堵塞[4]。合成气出口通道受阻，炉压升高，压差增大。

(5) 入炉煤灰成分的黏温特性差，液态渣在流动过程中，随着温度降低，其黏度直线上升，灰渣流动性减弱，易形成挂渣而堵塞渣口。

4 经验总结

2020年11月15日，气化炉渣口出现压差超量程(压差表量程为0～200 kPa)，坚持运行42 d后，压差最高达250 kPa。因激冷水流量持续下降，渣口压差波动为缓慢升高后断崖式下降，初步判断为激冷环处堵渣。激冷环处为低温区，距离炉膛高温区较远，采取高温熔渣的方法风险较大(参照某装置激冷环挂渣烧穿外壳事故经验分析)，存在烧坏激冷环和下降管的风险。一旦出现此情况，轻则合成气出口温度超温，气化炉被迫停车；重则烧坏合成气管道和气化炉外壁，酿成严重事故。

在气化炉负荷稳定为15 500 m3/h、渣口压差波动范围为70～250 kPa、炉温正常控制的前提下，除正常监控合成气出口温度外，现场针对气化炉炉壁、合成气出口管道进行巡检测温，防止出现超温烧坏设备情况。2020年12月27日，因外部问题，气化炉停车检修。

4.1 停炉前，炉况异常情况

气化炉停车检修前，合成气出口未出现超温现象。现场渣样多为粗、细拉丝并存的颗粒状渣。气化炉合成气带水严重(激冷室液位提不上，洗涤塔外排排不及)，激冷室液位逐渐下降导致频繁锁阀，被迫将气化炉外排阀位逐渐收小。合成气中有效气质量分数从91%逐步降低至81%，CO2含量逐步升高，CO含量逐步降低。

停炉前期，气化炉激冷室液位逐步升高，开大外排水仍不能降低液位，高闪压力出现短暂超压情况。

4.2 停炉后，气化炉内部情况

停车后，检查气化炉，发现炉膛内部漏点较多，有一处大漏点出现结渣现象(见图1)。激冷环处挂渣严重，外环管大部分被堵死，激冷环和下降管焊缝处有多处鼓包变形。渣口处仅有一足球大小出口(见图2)。下降管内、外壁均严重结垢，均有厚度为10 cm的年轮状渣层。上升管和下降管环隙至合成气出口仅有4处小通道(见图3)。合成气出口折流板内部已严重堵塞。破渣机无积垢现象，渣锁斗循环泵出口管道畅通，外排黑水管道堵塞近80%(见图4)。激冷室内结垢积灰十分严重(见图5)。

图1 炉膛内部漏点处结渣情况

图2 渣口情况

清理激冷环和下降管时，仅发现激冷环外环管有10 cm烧损，除下降管多处鼓包外，其余正常。此次未烧坏的原因是激冷环环隙未出现堵塞，下降管受水膜保护，其内壁积垢严重，一定程度上避免了下降管受高温合成气冲刷。

4.3 渣口压差超量程后运行分析

结合检修停炉前工况，此次气化炉工况恶化的主要原因有：

(1) 气化炉开车前期，因用煤紧张，掺配了灰分较大的煤种，导致入炉煤种波动较大、炉温控制不合适。加之激冷环前期未进行彻底疏通，入炉煤燃烧不完全，水质持续恶化，激冷孔堵塞后，液态渣在激冷环处形成挂壁，进而缩小了渣口。

图3 下降管、上升管环隙处结垢情况

图5 激冷室环形空间内结垢情况

(2) 渣口收缩后，炉压随之升高，气化炉热负荷区上移。由于炉膛上部挂渣比较困难，炉膛垮渣严重烧坏盘管，导致结渣。炉膛内漏点较多，可判断气化炉在渣口压差超量程时，合成气阻力增大，炉压升高，热区上移，火焰刚性变差。

(3) 由于燃烧不充分，合成气带灰严重，系统水质持续恶化，下降管和上升管内外壁结垢严重，导致下降管内及下降管、上升管之间环隙通径变小。合成气通道变小后，流速加快，合成气带水严重。水质恶化引起的激冷水量减小及气化炉系统外排水量持续降低，导致气化炉水质差，合成气带灰至洗涤塔，形成恶性循环。

观察上升管内部环隙、激冷室环形空间内积垢的拉丝渣样，黏度高的液态灰渣在渣口处被吹成玻璃丝状，起黏结剂作用，使细灰黏附在上升管和激冷室内部，造成环隙堵塞。因上升管内出口受阻，部分合成气则从上升管外部引至合成气出口，引起激冷室内部严重积灰，进而导致液位波动上涨。高闪压力波动可能导致合成气通过气化炉外排管道串气至高闪，表现为洗涤塔出口合成气量减少、气化炉外排水流量大幅度波动、火炬火焰变大等现象。