循环流化床物料循环系统故障探究及预防措施

张启科，胡小斌，李生鹏，毛吉会

（陕西延长石油（集团）有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心，陕西 西安 710075）

循环流化床的物料循环系统问题最为常见，直接制约装置的安全、稳定和长周期运行。因此要对试验中循环流化床物料循环系统常见的气化炉结焦、旋风效率低、立管锥部压差频繁波动不稳定的流化状态、返料系统堵塞等问题进行探究，总结分析问题的根源，提出预防措施［1］。

KSY 中试装置循环流化床由燃烧室（混合区）、气固分离装置和固体颗粒返回装置组成，循环流化床具有传热传质强烈、温度分布均匀、单位设备的生产能力大、固体颗粒混合均匀、固体颗粒在床内的停留时间调节范围广、容易大型化等优点。物料循环系统是循环流化床气化炉燃烧系统中极其重要的部件，由混合区、旋风分离器、返料系统（J型料腿）和立管组成［2］。

旋风分离器的压力低于混合区的压力，作用是将烟气携带的大量物料经旋风分离器分离下来并通过返料系统从低压区送回至高压混合区循环反应，同时保证立管有足够高的料位形成静压能提供循环动力，既起到气体密封又将固体送回混合区，其中返料系统是循环流化床气化炉燃烧效率和运行调节重要部件，其工作的可靠性对循环流化床气化炉的安全经济运行具有重要影响［3~7］。

文中针对循环流化床物料循环系统常见运行问题进行探究，提出预防措施。经优化改进后，确保了中试装置试验的顺利开展，未出现上述任何运行问题，实现了循环流化床长周期稳定运行。

1 气化炉混合区结焦

1.1 结焦原因

（1）粉煤和气化剂未按照一定的配比进入循环流化床气化炉，分配不均匀，在一定压力、温度下反应生成高温合成气。氧气喷嘴射流速度低，氧气管线和混合区局部氧浓度过高，反应剧烈，产生的热量，无法及时上移，高温聚集形成高温点。

（2）气化炉内耐火衬里大量脱落，可能造成返料系统通道出现架桥或堵塞，循环灰中的碳含量过高、灰含量太少［1，3］和立管料位低，返料循环固体量减少、循环物料推动力不足和物料循环速率下降，容易形成气化炉下部混合区缺少半焦或可燃物块，局部瞬间反应后出现高温易结焦。结焦部位易发生在气化炉混合区、返料系统和立管内。

（3）气化炉锥部是1 个盲肠区，流化气只能在气化剂底部口进去，无法让锥部物料处于流化状态，锥部气速相对比较低，密相区浓度高，物料在锥部处于固定床状态出现堆积易结焦。

（4）可能是粉煤输送的破黏氧气流量不足，导致煤粉粘结在富氧区或加煤口附近，当粘结物形成足够大块时，流化瞬间从加煤口掉落，在气化炉混合区与氧气充分反应释放大量热量，形成局部高温，导致煤与砂子燃烧成块状物。煤种选择性偏差，煤种中铁含量过高会增加结渣的风险。

1.2 预防措施

（1）投煤前，控制系统氧含量≤0.5%。提负荷在较低温度下完成，负荷调整缓慢，遵循先加煤后加氧原则，若提升管上下温差增大，应降低进煤负荷或通过提高立管料位来增大循环速率，待温度均匀后缓慢提高进煤负荷。严格按照氧煤比、汽氧比控制参数，蒸汽量稍微过量，尝试将汽氧比从正常比例（0.93~1.4）/1（质量/体积）提高至（2.5~3.5）/1，蒸汽流量明显增加1倍多，稀释氧浓度进行气化反应。保证气化剂在炉内均匀分布，按照混合区上、中、下部=3：6：1 分配调节，在蒸氧比比例合适情况下，适当提高气化剂管线的氮气来保证氧气进入各喷嘴的射流气速大于25 m/s，最低不低于15 m/s，底部混合区氧气喷嘴气速不低于2 m/s。

（2）保证流化稳定，循环灰量适中，混合区温度控制适宜，让气化反应充分，来降低循环灰中碳含量，定时少量排粗灰，减少粗灰长时间的堆积，停车后及时清理炉子内的块状物。

（3）气化炉锥部物料浓度大，密相床固态流化，提高锥部流化预热氮气流量，建议盲肠区底部增加1路流化气，保证锥部床层气速＞0.5 m/s。

（4）为了减少煤粉的粘结性和出现挂壁现象，以提高输煤的破黏氧气，从粉煤输送气流量的3%提高到10%~12%，或者氧气：煤=0.05 kg：1 kg 比例计算，根据负荷调节变化进行选择性控制，避免气化炉超温情况发生。选择合适的煤种，适应循环流化床气化反应的煤种，保证煤的焦渣特征＜3，减少煤种的结焦元素。

2 旋风分离器效率低

2.1 产生因素

高温旋风分离器是循环流化床应用最广泛的气固分离装置［3］。影响高温分离器分离效果的因素很多，如设备的形状、结构、入口角度、入口气速、窜气率、操作压力、入口固/气质量比、颗粒浓度与粒径［3，4］、吹扫气量等。由于旋风分离器设计简单，依靠气源进入设备切线方向的离心力进行气固2 相分离，气体通过排气管上移，同时夹杂小颗粒固体，大颗粒固体则下落至立管形成料封［4，7］。在此期间立管气量和旋风分离器处的吹扫气量过大、旋风分离器内壁严重磨损、流化颗粒粒径过细、旋风入口设备设计夹角、立管物料反窜等因素易造成旋风效率下降，失去大量固体，造成立管的固体物料料位减少。

2.2 预防措施

（1）减少旋风分离器和立管的松动气流量，避免过多的气源进入旋风，影响旋风效果，循环灰量捕捉效果不佳，维持立管床层料位在90~120 kPa为宜，流化稳定运行。

（2）旋风分离器入口气速与设计角度适宜，一般按照设计要求气速进行旋风操作，旋风入口连接设备管道的设计夹角度在30°或60°为宜，避免45°设计，比较平缓易出现堆积情况，或者加入吹扫输送气［4］。

（3）检查旋风分离器内壁磨损情况，发现内壁磨损严重及时处理。制粉系统制出符合范围（300~400 μm）循环固体物料。

3 气化炉立管锥部不稳定的流化

3.1 立管锥部压差频繁波动的原因

（1）J型料腿至立管锥部压差区间段循环物料堆积，固体颗粒未充分流动，流化速率变慢，物料呈现间歇性返料情况，单股立管的松动气量过小未能充分松动立管物料。

（2）1级旋风分离器锥部至循环密封罐区间段循环物料堆积，固体颗粒未充分流动，流化速率变慢，物料呈现间歇性返料的情况。

（3）气化炉提升管在J型腿以下区间段流化气量偏小，气速偏低，有阻塞返料系统的大颗粒物块，导致该段物料密度大，J 型腿返料压头大，返料缓慢，造成立管锥部压差频繁波动。

（4）气化炉提升管、立管出现脱落的耐火衬里和结焦物块，大量耐火衬里脱落可能造成循环物料流化平衡状态破坏，掉落至提升管和立管锥部，会影响返料和排灰困难，出现压差频繁波动，容易引起气化炉结焦，装置被迫停车处理。

（5）由于升温时柴油燃烧不充分、投煤过程中石英砂中含有较高的结焦元素容易板结，造成流化紊乱并导致出现立管压差波动。

（6）返料系统返料速率低，立管料位低不足以形成推动力，形成立管物料反窜，造成流化波动。

（7）立管松动气流量过大，使立管物料处于过度流动状态，床层出现大气泡阻碍了立管顶部物料的下落，处于失流化状态。

3.2 预防措施

（1）给立管锥部改造增加多股松动气，适当提高立管锥部松动气流量，降低颗粒浓度，立管输送能力随之增大。原因是松动气缓解了气体压缩，使颗粒间隙扩大，减弱颗粒间及颗粒与管壁间作用力，降低了能量损耗，提高输送物料的推动力［5］。

（2）适当调节密封腿的松动气流量，增强气固2 相的相互作用而减弱颗粒间及颗粒与管壁间的作用力，从而有效预防颗粒失流化现象发生［5］。

（3）气化炉锥部流化气速提高将增大锥部预热氮气流量，气速在0.5 m/s 以上，利用J 型料腿和松动气阀来平稳操作，利用返料腿的松动气流量及分布来调节返回混合区的返料量，维持返料系统的正负压差。

（4）缓慢升温以避免耐火衬里脱落，停车后清理死区的大颗粒物块和耐火衬里。投煤后立管压差持续降低至联锁值会触发跳车，为防止混合区结焦和反窜，将混合区底部氧气流量切断，上部氧量切至阀门开度的2%或切断，根据工况手动增加蒸汽与氮气流量，控制炉温度恒定逐渐恢复正常。

（5）升温过程保证柴油与空气配比合适，充分燃烧，减少石英砂与柴油的粘结燃烧成块状物影响流化，同时选择优质的石英砂，减少结焦元素来预防气化反应燃烧成板结物情况的发生，严重时会出现结焦。

（6）提高物料的循环倍率，单股松动气作用范围有限，采用多股通气的方式可发挥协同作用，提高立管和返料系统输送气的有效压头，采用加煤或加砂来维持一定的立管料位高度来增大循环推动力，进而提高物料的循环倍率。

（7）当立管压差不规律、大幅度波动时，适当减少立管多股松动气流量，消除内部气泡与阻力，增加立管的下料量，使其消除过度流动状态。

4 结束语

预防气化炉混合区结焦要选择适宜煤种（焦渣特征＜3）、混合区锥部气速大于0.5 m/s、循环固体颗粒粒径范围（300~400 μm）、提高输煤的破黏氧气量、提高汽氧比至（2.5~3.5）/1、稳定的高倍率循环流化等措施。 中试装置对立管松动气改造后，探究立管锥部压差频繁波动的不稳定流化状态，采用多股松动气小气量尝试调节立管的不稳定流化状态，实现了循环流化床气化炉有效控制。