五环干粉煤气化炉激冷罐运行问题分析及技改优化

杨国帅，宋 强

（河南龙宇煤化工有限公司，河南 永城 476600）

1 五环炉煤气化工艺概述

河南龙宇煤化工有限公司二期年产40万t醋酸和20万t乙二醇项目煤气化装置采用国内首创的两台五环干粉煤气化炉。工艺流程为：来自煤场的煤与石灰经石研磨、干燥后，粒径5 μm～90 μm的煤粉经加压和进料（锁斗）系统，在N2/CO2的推力下被连续送入气化炉煤烧嘴。干煤粉和纯氧在气化炉内急剧反应生成粗煤气和灰、渣，反应温度1 400℃～1 600℃，反应压力3.9 MPa。煤中大部分的灰分以熔融渣的形式经气化炉底部排出，在渣池中激冷分散成小颗粒，再通过渣锁斗排出，运往渣场。上行的粗煤气被来自激冷气压缩机的激冷合成气冷却至约650℃后，依次通过激冷段、气体返回室和输气管，在激冷罐内冷却到190℃～200℃。出激冷罐的粗煤气在湿洗塔进一步降温至170℃～190℃，含尘质量浓度降至小于1 mg/m3。激冷罐、湿洗塔排放的气化废水送至黑水处理装置，经三级闪蒸浓缩、加絮凝剂澄清后的溢流灰水循环使用，经除氧器、减湿器回收闪蒸气的热量后，被高压灰水泵送回湿洗塔循环利用。沉淀后高浓度的黑水送至板框压滤机压出煤泥，滤液循环至澄清槽。出湿洗塔的合成气进一氧化碳变换系统调整氢碳比后，送下游净化装置。

2 激冷罐系统流程

出输气管约650℃的高温粗煤气进入水浴式激冷器——激冷罐内，在激冷罐内中心内筒和激冷水直接接触进行降膜蒸发冷却、水浴洗涤除尘，再经上升管上行混合后出激冷罐，粗煤气温度降至190℃～200℃，粗煤气中夹带的大量细飞灰被初步洗涤脱除，而富含大量水汽的粗煤气进入湿洗塔进行二次除灰降温。激冷水由湿洗塔底部的激冷水泵提供，正常流量控制在350 m3/h～400 m3/h。湿洗塔的补水来源有变换冷凝液、中压锅炉水、来自高压灰水泵的除氧灰水。水浴洗涤后产生的黑水分两股去闪蒸系统：一股是激冷罐底锥的黑水，流过DN150的管道，约占排水总流量的35%，其固含量相对较高；一股是激冷罐中下部的灰水，流过DN300的管道，约占总流量的65%，其固含量相对较低，生产中可以根据需要进行流量分配调整，使灰水在激冷罐底锥位置形成自流状态。

3 故障现象及原因分析

3.1 激冷罐入口结垢

粗煤气携带大量的飞灰进入激冷罐下降管，在此和激冷水直接接触，存在一段干湿两相过渡区域，从而给积灰创造了条件。五环炉在满负荷运行30 d左右时，在所用煤质灰分低（≤23%），操作平稳的情况下，高温干燥的飞灰与水汽结合而黏性增大，在干湿过渡区域缓慢积灰、堵塞通道（见图1），造成气化炉压力和总压差上涨、激冷气量下降，严重影响负荷提升和安全运行。结垢最严重时，下降管入口通道仅为原通道设计值的15%。

图1 激冷罐入口堵塞图

3.2 水冷壁泄漏

下降管及其上方的水冷壁所处工作环境恶劣，进行着气、液、固三相间的传热传质，并且流动过程复杂迅速。粗煤气在短时间、短距离内从650℃降到220℃左右，高低温的变化、湿度的变化、粗煤气中的酸性气体长期腐蚀[1]，这些综合因素导致此处水冷壁发生泄漏（见图2）。五环炉自试车运行以来，出现过5次激冷罐上方水冷壁泄漏现象，影响气化水汽系统的安全运行，严重时汽包补水量和产汽量偏差大，导致压力和液位不易控制而被迫停车。停车后，必须进入激冷罐内部对该处的水冷壁减薄部位进行焊接处理或局部更换。

图2 水冷壁弯头泄漏图

3.3 激冷水量不足

激冷水量的大小可通过流量计和激冷水泵的电流直观判断。造成激冷水量不足的主要原因和现象有：激冷水泵过滤器堵塞，电流下降；激冷水过滤器积泥，压差缓慢上涨；激冷水进水管、分布环及喷头结垢等（见图3）。一旦激冷水量不足，将造成湿洗塔液位上涨，不得不降低湿洗塔的锅炉水和来自除氧器的灰水量，进而加速了水质恶化和激冷水系统的结垢，也造成合成气洗涤不干净，将飞灰带至下游变换系统，给催化剂的安全运行带来很大隐患。停车后，需用高压水清洗喷头和激冷环内部，检修难度较大。针对激冷水量不足的问题，曾采取临时措施：从高压灰水泵出口配管引除氧灰水至激冷罐；间断地投入事故激冷水（锅炉水），对激冷水管线进行冲洗和补充激冷罐液位，但此举大大地增加了运行成本。

图3 激冷水管线堵塞结垢图

3.4 液位波动

激冷罐液位的影响因素有激冷水量、气化炉负荷、气化炉压力、灰水排出量、底锥积泥、带液等[2-3]。激冷罐总共设置三个双法兰压差式远传液位计，采用低低三取二参与气化炉跳车联锁。气化炉投用煤烧嘴和负荷提升时期，随着压力和负荷上涨，需要及时增加激冷水量以提高激冷罐液位至正常控制液位的45%～50%。开车初期，煤线不稳定造成的煤线的跳车、投运，通过气化炉压力和带液量引起液位忽高忽低的波动；随着温度的提高，下降管和上升管垢片脱落，会在闪蒸系统角阀处造成阻塞，使底部流量波动进而导致液位的波动。运行中随着底锥和激冷罐内壁积泥现象的加剧，一方面造成黑水排水量出现波动，水平衡被打破，导致粗煤气间断带液，并伴随着激冷罐液位的突然性降低；另一方面造成液位计下部取压管路及测量膜盒积存泥垢，导致三个液位计偏差较大甚至全部失真，使得工艺操作失去参考，液位过低将造成高温粗煤气不经过水浴而穿透，存在很大的安全运行风险。另外，粗煤气中H2的渗透性、烘炉热备的高温环境、开工抽引置换的真空环境等都可能导致膜盒氢化、膨胀变形、破裂[4]，使液位测量不准确。

3.5 黑水管线堵塞

气化炉负荷和温度的变化、煤种的改变、粗煤气的冲刷等综合作用会引起下降管、上升管垢片的脱落，容易在黑水管线富集，引起角阀卡涩或者管线堵塞，尤其在底部管线表现明显。随着长周期运行，激冷罐底锥内壁不可避免地进行着积泥、沉淀，如果两股水量调整不合理，会加剧积泥和结垢速率，具体表现是底锥测量壁温逐渐下降。严重时，粗煤气将黑水大量带液至湿洗塔，激冷水泵又将黑水送至激冷罐，这种恶性循环将导致湿洗塔液位持续升高、激冷罐液位持续降低而无法控制，最后激冷罐底锥完全堵塞，气化炉被迫降低负荷以缓解带液或者停车处理。单台五环炉曾出现底部DN150管线完全堵塞的情况，只能通过侧部DN300管线排放黑水维持水平衡，在此情况下气化炉坚持运行了60余天。

4 改进和优化措施

4.1 激冷罐入口结垢问题的解决

针对激冷罐入口结垢问题，采取以下优化措施：通过与原设计单位沟通和测算，在输气管水冷壁下方焊接缩口（选用耐高温、耐煤气腐蚀的镍基合金N08825材质），使得原来Φ999 mm的通道缩径至Φ500 mm，在煤气流量不变的情况下，流速与直径的平方成反比，减少直径大大地增大了粗煤气流速；同时对锥筒内表面进行抛光处理，避免因粗糙度大造成挂灰结垢，有效地解决了下降管入口结垢问题，避免了装置因该处结垢堵塞而停车。

4.2 水冷壁泄漏的改造

针对水冷壁泄漏问题，采取以下优化措施：（1）将激冷罐上方水冷壁管材质进行升级改造，管道升级为15CrMoG并堆焊625材质，180 °回转弯头升级为825材质。材质升级后能有效控制管道腐蚀量，为五环炉长周期运行提供保障。（2）将容易受湿气侵扰腐蚀的盲区塞保温棉，减少水汽接触，延缓水冷壁管的腐蚀。

4.3 激冷水量不足的改进

针对激冷水量不足问题，采取以下优化措施：（1）激冷水泵一开一备，若出现机泵打量不好的情况，在线进行隔离清理过滤器。若是激冷水管线出现积泥或者堵塞，在短时间内运行两台激冷水泵，观察激冷水量的变化。（2）在激冷水泵去激冷水过滤器的DN300管线上增加DN200副线至激冷水流量计前，副线设置一个手阀，从而可根据需要实现过滤器的短路。运行中若出现过滤器压差高，可逐步开大副线手阀开度，从而保证激冷水流量。（3）为避免激冷喷头堵塞引起的流量降低的问题，在激冷罐内部的8根DN100进水管上引出16个DN50的（每根上面2个）管线，通过上升管与下降管之间的环隙开孔进入下降管内部，再加上DN50、弯曲半径为1.5D的弯头贴着内壁向下喷水，有效地缓解了激冷水量不足的问题。（4）为解决激冷环丝堵头过短，灰渣结垢黏附在上面，检修时不易拆卸的问题，将丝堵堵头的长度增加[5]，方便拆卸后清理疏通激冷环进水孔，保证了激冷水的分布效果。（5）做好水质日常监测和管控，澄清沉降后回收的灰水浊度控制在小于60 NTU，湿洗塔黑水浊度控制在小于600 NTU。

4.4 液位波动问题的优化

针对液位波动问题，采取以下优化措施：（1）开车初期，在气化炉氧含量置换合格后，点火前将液位提高至35%左右，避免负荷提升过程中激冷水量增加不及时或机泵汽蚀等故障使液位过低，导致高温粗煤气穿透造成下降管、上升管变形烧坏。（2）热备和开工抽引阶段，关闭远传液位计根部手阀，以现场液位计作为主要参考，待点火后再投用远传液位计，减少真空环境对膜盒的影响。（3）在膜盒与法兰连接处上管路引入一股干净的冲洗水（采用5.5 MPa的除盐水），以冲洗管路和保证膜盒整洁，同时避免压力过高对膜盒造成冲蚀。仪表人员每周至少冲洗一次，冲洗时间不低于10 min；现场液位计每周冲洗两次，同时巡检人员做好现场和远传液位计的核对。

4.5 黑水管线堵塞的处理

针对黑水管线堵塞问题，采取以下优化措施：（1）开车期间，两股黑水排水管线的角阀均保持全开阀位，随着负荷、压力的提升，优先收小侧部管线的阀位，避免垢片脱落堵塞底部管线。现场安排专人在出现管线不畅时，及时地敲击弯头部位，同时调整角阀阀位以疏通管线。（2）生产运行中，保持一定的黑水循环、置换排放量，激冷罐底部黑水管线阀位维持在80%以上、侧部黑水管线阀位维持在25%以上、湿洗塔底部黑水管线阀位维持在60%以上，以保证充分的黑水置换，减缓管线的结垢。（3）在黑水管线水平段增加可拆卸短节，每次停车检查结垢情况，并将管线彻底清理干净。（4）在激冷罐至中压闪蒸罐黑水管线上增加DN25的冲洗水管线，减缓煤泥在管线中间堆积，管线排堵时也可投用冲洗水。冲洗水来自闪蒸高压灰水泵提供的循环灰水，避免增加污水排放量。

4.6 煤质及炉温的控制

煤质尤其是灰分的控制，对减缓湿洗塔塔盘、激冷罐等处的结垢速率非常重要。因此要加强原料煤质量管控，做到两种煤种的精准掺配，控制入炉煤粉的灰分小于21%；寻求合适的单一煤种，减小灰分的波动；在煤质较稳定时，温和地调整氧煤比，避免炉温的大幅度波动导致粗煤气带液量变化，影响水平衡；根据气化炉负荷，在保证激冷段出口粗煤气温度的情况下，激冷比（激冷气量与粗煤气产量比值）控制在不高于1.5，避免系统高温循环气量过大造成与其负荷不匹配的激冷罐带液，不利于黑水的排出置换。

4.7 水质的控制

五环炉的灰水大循环是煤气化系统运行的基础，肩负着粗煤气的洗涤、降温，提供饱和水汽等任务，经过前期的实践，总结如下：（1）闪蒸灰水系统分散剂添加质量浓度为150 g/m3，能较有效地缓解管道及设备结垢。（2）停车检修期间对垢样的高温灼烧分析表明，湿洗塔塔盘、除氧器、激冷罐等处垢样的成分以氧化钙、氧化铁居多，因此湿洗塔pH值宜控制在6.0～6.5，偏酸性环境可以减缓钙镁离子的结垢。湿洗塔接收变换冷凝液的氨氮质量浓度要求小于50 mg/L。（3）通过调整絮凝剂的添加量，保证沉降后循环灰水的浊度小于60 NTU，在此基础上，坚持“低气化炉负荷、适当大的循环灰水量”的原则，确保粗煤气的充分洗涤，也可减缓细灰在系统内富集和结垢。（4）适时控制原煤中石灰石添加量，使湿洗塔处黑水总硬度控制在150 mg/L以下，避免硬度过高加速湿洗塔塔盘的结垢。

5 结 语

激冷罐是五环干粉煤气化炉的核心组成部分之一，其操作工况压力大、温度高，内件较多且复杂，生产中其液位控制、减缓积泥和结垢是工艺操作的难点。激冷罐在德士古水煤浆气化、航天炉干粉煤气化等装置均有应用，长期的生产实践为其操作提供了宝贵的经验。河南龙宇煤化工有限公司通过对两台五环炉激冷罐自试车以来运行中出现的相关问题进行研究、讨论、技术改造，目前单台五环炉最长运行周期已达到A级288 d，希望本文所总结的激冷罐在运行期间存在的问题及应对措施可为其他相关装置提供借鉴。