多喷嘴对置式半废锅气化炉的探讨

2023-01-14齐高华张瑞波路明

当代化工研究 2022年23期

＊齐高华张瑞波路明

（兖州煤业榆林能化有限公司陕西 719000）

1.项目实施背景

多喷嘴对置式半废锅气化炉是兖矿集团与华东理工大学共同研发的具有自主知识产权的新型煤气化技术，是在原激冷式气化炉的燃烧室和激冷室中间增加辐射废锅[1]。废锅段外壳与炉体一体焊接，内侧水冷壁管通过上下水冷器分别与燃烧室和激冷室相连，此两处连接为管道嵌入式连接，接触面缝隙处填塞盘根、岩棉等材料，此种结构可消除高温给水冷壁带来的热膨胀，同时能有效将水冷壁管内外进行隔离，防止高温合成气的窜入。

水冷壁锅炉水通过下部集合管供给，汽水混合物通过上部集合管收集，辐射屏用锅炉水和汽水混合物分别通过管道供给和回收，最后和集合管收集的汽水混合物共同返回至汽包，在汽包内分离出过饱和水分后送至后续工段进行过热，过热后蒸汽并入管网。径向管屏水冷壁有利于增强辐射传热与湍流，为提高换热效率，在水冷壁管内侧布置多组辐射屏，以进一步提高合成气降温速率和热回收率。由于废锅段结构简单、气体流速小、换热面积大、换热面导热系数大，能够最大限度的回收合成气中的显热，产生高温高压蒸汽。

出废锅段的合成气通过下水冷器进入激冷室，在激冷室继续冷却、洗涤和增湿后送至渣水工段进行处理。

多喷嘴对置式半废锅气化炉是我国自主创新、自主知识产权的煤气化技术，于2020年12月10日在兖州煤业榆林能化有限公司一次性投料成功。自投料以来，通过工艺优化及技术改造，先后解决了上下水冷器窜气、下渣口堵渣、托转盘温度高、水冷壁大面积挂渣、蒸汽衰减速度快等10余项问题，实现连续稳定运行73天。

半废锅气化炉的高效运行，填补了国内半废锅气化炉领域的空白，同时性能超过了国外类似装置，标志着我国在半废锅气化技术方面达到国际领先水平。半废锅气化炉的高效运行，可降低公用工程锅炉的运行负荷，尤其是对新建项目，可减少项目建设能耗指标的占用，同时减少公用工程锅炉的投资，降低产品的能耗指标，增强企业的盈利能力，迎合了国家产业政策，对煤化工行业的发展具有较大的积极作用[2]。

生产中由于负荷的调整、煤质的变化、炉温的高低、投料方式的不同，都会对半废锅气化炉的稳定运行带来不同的影响。

图1 多喷嘴对置式半废锅气化炉简图

2.运行过程分析

(1)负荷的影响

①水冷壁壁管的磨损量与速度的三次方成正比，废锅段气体流速增加1倍，磨损量增加7倍。因此半废锅气化炉在投料前需保证水冷壁管外侧耐磨层的完好性，因为耐磨层既可以降低高温合成气对壁管的高温侵蚀，还能减少灰渣的固体冲蚀，延长水冷壁的使用寿命。检修中，严禁用清水进行冲洗，防止壁管的氧化生锈，同时破损的耐磨层应进行修复，若无法修复，在运行初期不宜维持过高负荷，尤其是不要超过设计值，以减小飞灰和熔渣对辐射屏和水冷壁的侵蚀和冲蚀。

②灰和熔渣对水冷壁的磨损，以冲击角度30°～50°部位磨损最为严重。实际检查中发现，水冷壁上部约1/3的部分，外侧仅有约5mm厚积灰，无硬渣附着在积灰外侧。根据上水冷器至废锅段流通面积急剧增大的情况，同时结合炉内检查情况，虽然水冷壁受冲击最严重的部位为水冷壁上部，但运行初期该部位也会附着一薄层积灰，即使频繁调整气化炉负荷，也不会对水冷壁造成冲击，从而保证了水冷壁的使用寿命。

③由于上水冷器的尺寸较小，出水冷器进入废锅的合成气快速扩散，在此处形成负压区，易形成涡流产生卷吸。尤其在高负荷下，被合成气撕裂的细小熔渣和飞灰极易被卷吸到顶部水冷壁，经过换热后发生粘附，但由于顶部换热量占整体换热量比例较小，此处发生挂灰对附产蒸汽量基本无影响。

④正常负荷时，经过上水冷器的高温合成气流速可达15～20m/s，熔融态的渣在气流和重力作用下极易发生断裂，分裂成粒径较小的熔渣，而熔渣的粒径大小与温降速率成反比，直径小于5mm细小的熔渣能够快速冷却并完全凝固，形成固态渣后顺利进入激冷室。当负荷降低时，气量较少、流速降低，出水冷器的气流对熔融态渣的影响较弱，进入废锅段的熔渣粒径变大。随着粒径的增加，熔渣表面和中心温度升高，当表面温度达到或接近熔渣的临界温度TCV时，熔渣无法凝固，极易堵塞下渣口，对系统稳定运行带来较大隐患。

(2)炉温的影响

①炉温过高时，进入废锅段熔渣温度升高，经过换热后熔渣温度也随之升高，上渣口处熔渣黏度虽然降低，但经过换热后到达水冷壁中下部高于临界温度的熔渣比例上升，在废锅段撞击水冷壁和辐射屏后粘附的比例和概率均有所增加，水冷壁挂渣的速度加快。熔渣温度的升高，对壁管的侵蚀作用也增大，缩短炉管的使用寿命，影响废锅段的安全运行，因此运行时应控制炉温在合理范围内。

②炉温较高时，进入废锅段和落至下渣口熔渣温度也随之升高，当落至下渣口处熔渣无法完全冷却时，首先在下渣口粘附堆积，造成下渣口的堵塞；同时较多高温熔渣的粘附，加大了对耐火材料的侵蚀速率，缩短耐火材料的使用寿命；其次，下渣口的堵塞，导致气流速度增加，炉内压力升高，当渣口熔渣快速掉落时，易引起压差大幅度波动，影响燃烧室稳定运行；再次，当下渣口处耐火材料侵蚀严重，同时下渣口堵塞，炉内压力升高、渣口压差波动大时，极易造成下渣口水冷器密封材料的损坏。一旦水冷器密封材料损坏并出现漏点，夹层保护气将失去密封性能，高温合成气窜入炉体与水冷壁夹层，托转盘与炉体温度快速上升，威胁炉体安全，同时窜入的合成气携带大量飞灰和细小熔渣，增大下一步检修的清理工作量。

③经过废锅段换热后的合成气温度远低于煤的灰熔点和熔渣的临界温度，粘附并凝固在下渣口上的积渣无法通过炉温调整进行消融，因此运行时应维持操作条件的稳定，保持废锅段的换热效率，维持高产汽量，以有效降低合成气和熔渣温度，进而减少熔渣在渣口处的堆积。

(3)灰分的影响

携带大量飞灰和熔渣的合成气进入辐射废锅后，粒径较小的飞灰和细渣由于跟随性较好更容易沉积在废锅壁面，形成内侧飞灰层，待灰层累积到一定厚度后，表面附着力增强，液态熔渣开始粘附在灰尘外侧，与低温的水冷壁管换热后冷却凝固。

灰分高的煤种出燃烧室的合成气中飞灰含量高，在废锅段飞灰粘附速率应当比低灰分煤块，但我司半废锅气化炉在12%和8%两种灰分工况下，废锅段副产蒸汽衰减速度和水冷壁上飞灰及积渣厚度基本无变化，由此可知，灰分在小于12%情况下，灰分高低对废锅段副产蒸汽无影响，这也增大了半废锅气化炉对煤种的选择性，同时减小运输等因素带来的影响。

(4)热膨胀影响

废锅段支撑设置在气化炉本体上，而在运行中炉体与废锅段温度差在400℃以上，外加废锅段25m的长度，造成运行中炉体与废锅段产生相对位移较大，极易造成水冷器处密封材料的损坏，因此在检修密封时应预留出膨胀空间，同时在系统运行过程中，两对烧嘴投料应留出足够时间，使密封材料缓慢受热膨胀，减少急速温升对密封处耐火材料带来的损害。

(5)夹层气的影响

气化炉炉体与水冷壁之间的夹层，通入比炉膛压力稍高的低温新鲜气，进入夹层的新鲜气通过上下水冷器密封处缝隙由背火侧进入向火侧。此保护气一是防止水冷壁向火侧热合成气窜进夹层，造成炉体超温，二是随着气体的流动带走鳍片和托砖盘上的热量，防止鳍片和托砖盘超温，保证其机械性能。

保护气压力较大时，气体流速加快，带走较多的热量，对系统稳定运行起到较好的保护作用。但在运行中夹层气压力与炉内压力压差过大时（超过1.0MPa），保护气会对水冷器密封材料过度冲刷，造成泄露增大，严重时无法维持水冷壁内外压差，进而系统被迫停车。

(6)耐磨层的影响

为减小合成气中熔渣对废锅段的冲刷，锅炉水管表面喷涂一层耐磨材料。由于耐磨层导热系数远低于锅炉水管的导热系数，故耐磨层的厚度直接影响废锅的整体换热效率，同时耐磨层与金属的结合力较弱、膨胀系数差别较大，喷涂时厚度不宜过后，防止运行中或开停车期间出现大面积脱落，进而堵塞渣口，影响系统正常运行。

耐磨层的表面光滑度也对换热效率有着较大的影响，光滑度越好，飞灰越难附着，废锅换热效率越高，蒸汽衰减速度也越慢。

3.半废锅气化炉的优点

（1）多喷嘴对置式半废锅气化炉是兖矿集团与华东理工大学共同研发的具有自主知识产权的新型煤气化技术，本技术与引进气化技术相比，节约专利实施许可费约2000万元，同时所有相关设备及板材均为国产化制作，制作及运输周期短、整体费用低。

（2）经济效益好。废锅气化炉和激冷气化炉一样，具有有效气成分高、碳转化率高、耐火砖寿命长等优点，同等煤耗的情况下，有效气量大、产品产量大、经济效益更好。我司运行的2000t/d半废锅气化炉，在一个运行周期内，按平均副产9.0MPa蒸汽75t/h计，在经过背压和抽凝两套机组，每小时可额外发电9464kWh，实现效益3785.6万元/年（年运行时间8000h计）。

（3）废锅段对煤灰的黏温特性无要求。半废锅气化炉燃烧室与废锅段串联连接，出燃烧室高温合成气在废锅段仅进行换热，不参与化学反应，故废锅段对煤灰黏温特性无具体要求，和激冷气化炉一样，只需满足燃烧室内熔渣黏度小于25Pa·s即可。

（4）废锅段温度低，废锅运行稳定。与全废锅流程相比，经过上水冷器的初步换热，进入废锅段合成气温度下降约100℃，尤其是出废锅段合成气温度，最低可降至800℃以下，消除了废锅气化炉结垢、爆管、连接管断裂等问题，延长了管材的使用寿命。

（5）夹层运行稳定，未出现超温的情况。水冷壁主要通过上下水冷器将热合成气有效隔离，由于水冷器结构简单，密封材料填压充实，另有抓钉和压板压固，实现了密封处的稳固耐用，既解决了水冷壁的热膨胀问题，又能有效阻止合成气的窜入，实现了环隙的稳定运行。

我司半废锅气化炉在运行初期多次出现水冷器密封泄露的情况，后经过技术改造，通过改变密封型式和材料，大大增加了密封的性能。从改造完到现在已实现连续运行190天未泄露，从根本上解决了该问题。

（6）一次性投资及运行成本降低。经过废锅段的换热，进入激冷室的合成气温度较低，在激冷室对合成气冷却、洗涤和增湿的激冷水量要小，这也导致气化炉激冷室、黑水循环泵以及渣水处理工段的旋风分离器、水洗塔、高温热水泵规格相比激冷流程都有所降低，一方面减少了设备的一次性投资，同时降低了运行成本。

（7）改变辐射屏结构，减小废锅初期衰减速率。水冷壁管由10mm宽鳍片连接，组成环形结构围绕在外侧，此处合成气流速较慢，且流向与水冷壁平行，同时管与管之间间隙较大，故水冷壁结渣相比辐射屏较少。辐射屏每组管道之间相互紧贴，无鳍片连接，导致两管之间间隙过小，尤其是在废锅内流场偏流时，辐射屏管道间的较小间隙极易粘附飞灰和熔渣，且粘附的速率较快，同时辐射屏换热量占整个废锅段换热量的50%，这也是废锅运行初期蒸汽衰减较快的原因。后期辐射屏与水冷壁挂渣达到一定厚度时，熔渣厚度的小幅增加对换热效率影响较小，副产蒸汽量会趋于平稳。

上述问题，可参照水冷壁锅炉水管，在辐射屏管道之间增加鳍片，或加大管道间间隙，减小此处对飞灰的粘附力，或加大管道间间隙，让辐射屏两侧合成气形成对流，减少飞灰的附着，进而延迟蒸汽衰减速率。

（8）系统的长周期、高效运行。我司半废锅气化炉，经过对水冷器密封的改造，实现了夹层的稳定运行；废锅段的低温运行，杜绝了锅炉水管爆管、连接管断裂等问题；上水冷器处合成气温度高、气体流速大，下水冷器处熔渣温度低，解决了渣口堵渣的问题；废锅段的结渣，副产蒸汽虽有衰减，但后期会维持一定量不在变化，且不影响燃烧室和气化炉的整体正常运行。通过技术改造和工艺调整，我司半废锅气化炉运行情况得到极大改善，在230天的运行时间内，实现了连续稳定运行73天的成绩，尤其是2022年3月18日投料至28日10日间，副产蒸汽连续稳定在115t/h以上，且未出现衰减情况，在第10天由于其它原因系统停车再次投料后，副产蒸汽虽开始出现衰减，但第16天仍达100t/h，达到设计值的105%，真正实现了半废锅气化炉的高效、稳定、长周期运行（蒸汽量均为每小时平均值）。