煤直接液化項目煤漿加熱爐結焦原因分析及對策

溫 俊 剛

（中國神華煤制油化工有限公司 鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

煤直接液化項目煤漿加熱爐結焦原因分析及對策

溫 俊 剛

（中國神華煤制油化工有限公司 鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

對煤直接液化項目煤漿加熱爐結焦原因進行了深入的分析，并根據(jù)實際情況制定了一系列針對性控制措施，可以有效的降低加熱爐結焦速度，提高加熱爐運行時間和效率。同時對加熱爐結焦后的多種處理方法進行了分析討論。

煤漿加熱爐；結焦；原因分析；控制措施；處理方法

煤炭直接液化是指通過加氫使煤中復雜的有機高分子結構直接轉化為低分子的液體燃料，轉化過程是在含煤粉、溶劑和催化劑的漿液系統(tǒng)中進行加氫、解聚，需要較高的壓力和溫度[1]。煤漿加熱爐主要是將煤粉和溶劑形成的煤漿、氫氣混合物進行加熱，達到煤炭液化起始反應所需的溫度，由于煤漿是煤粉和溶劑油的混合物，高溫下結焦傾向明顯，因此煤液化裝置若要實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、長周期、高負荷運行，煤漿加熱爐的高效運行至關重要。

1 煤漿加熱爐爐管結焦的原因分析

結焦是爐管內的油品溫度超過一定界限后發(fā)生熱裂解，變成游離碳，堆集到管內壁上的現(xiàn)象。結焦使管壁溫度急劇上升，加劇了爐管的腐蝕和高溫氧化，較易引起爐管鼓包、破裂，增大管內壓力降，使爐子操作性能惡化，有時甚至迫使裝置不得不提前停運[2]。

爐管結焦主要受兩大因素制約，一是焦炭的生成速度，二是焦層的脫落速度，結焦速度=焦炭生成速度-焦層脫落速度。其中焦炭生成速度主要受加熱溫度、管壁溫度、熱強度有關，并隨著其升高而加快結焦速度；焦層的脫落速度主要受管內流速、管內流態(tài)決定，其中流速越大脫落速度越快，紊流時脫落速度大于層流。

煤液化裝置由于煤漿本身含固（煤粉）較高（45%左右），在高加熱負荷下更容易發(fā)生結焦，因此如何減緩煤漿加熱爐結焦速度，延長操作時間，是煤液化裝置長周期運行需要解決的關鍵問題之一。

煤漿加熱爐爐管結焦的影響因素主要有：

1.1 加熱爐加熱溫差大

煤漿加熱爐將油煤漿和氫氣混合介質自 167 ℃加熱到366 ℃，升溫溫差近200 ℃，爐管表面熱強度較大，爐管壁溫最高達到450 ℃，與煤漿直接接觸易產(chǎn)生結焦傾向。

1.2 加熱爐運行負荷變化

由于運行負荷波動導致爐管內油煤漿流動速度波動頻繁，煤液化裝置設計運行負荷范圍為70%～100%，實際最低運行負荷甚至達到 50%，從而導致加熱爐爐管內油煤漿流速波動較頻繁，而在低負荷下爐管內油煤漿流速得不到保證，出現(xiàn)層流易導致煤粉、溶劑油、輕烴的分離，由于氣相一側排走結焦物的動能不足及氣相內膜傳熱系數(shù)比液相小，加速了爐管內結焦現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 加熱爐輻射室火嘴的燃燒狀態(tài)

正常燃氣火嘴火焰應為垂直狀態(tài)，爐管在爐膛內通過輻射傳熱得到加熱，如果火嘴出現(xiàn)堵塞、風道出現(xiàn)堵塞、一二次風量變化等容易導致火焰發(fā)生偏移直接與爐管接觸而使爐管局部溫度升高，容易導致爐管內部結焦從而引發(fā)連鎖反應。

1.4 加熱爐爐管流量的穩(wěn)定控制

煤液化裝置共有三臺煤漿加熱爐，每個加熱爐又分成兩爐膛四支爐管，每個爐管前均有調節(jié)閥控制流量，一旦控制不好出現(xiàn)偏流，流量低的爐管結焦速度成幾何倍數(shù)增大。

1.5 加熱爐事故狀態(tài)下的處理措施

爐管因前面進料泵故障等原因易出現(xiàn)斷料現(xiàn)象，煤漿容易在加熱爐爐管內出現(xiàn)沉積，此時如果不采取及時有效的處理措施，爐管在短時內就會出現(xiàn)結焦，影響加熱效率甚至堵塞爐管導致裝置被迫停車處理。

1.6 加熱爐操作員的操作技能高低

加熱爐爐管內壁溫測定、出口溫度測定、爐管壓差、流量均有相關的測量儀表反饋至DCS操作系統(tǒng)，操作員在日常操作過程中對相關的參數(shù)的敏感性、參數(shù)調整的預見性、采取調整手段的有效性均對加熱爐的運行周期有著至關重要的作用。

2 煤漿加熱爐爐管結焦主要控制措施

通過上述的原因分析，可以得知加熱爐爐管結焦的主要原因，通過采取對應的控制措施，可以有效降低爐管結焦的速度，延長爐管運行周期，保障煤液化裝置的長周期運行。

2.1 提高煤漿溫度，降低爐管加熱溫差

完善煤粉、各類溶劑油輸送管道的保溫伴熱，降低輸送過程的熱損失；保障煤漿罐中壓蒸汽加熱盤管正常運行，降低煤漿罐熱損；增加換熱措施提高溶劑油的供應溫度。通過上述措施，煤漿溫度由原設計的167 ℃提升至近180 ℃，可以有效的降低加熱爐的加熱負荷，降低爐膛、爐管溫度，降低結焦速度；制定工藝卡片，嚴格控制爐管壁溫不大于450 ℃。同時，為了提高傳熱系數(shù)，利用部分循環(huán)氫與煤漿一起進入加熱爐是必要的，這樣一方面提高了流動速度，改善了流動狀態(tài)，從而可提高傳熱系數(shù)[3]；另一方面使溶劑中有溶解氫，提供氫氣環(huán)境降低游離碳結合在一起引發(fā)結焦的可能性。

2.2 盡可能保障加熱爐高負荷運行

煤液化裝置設計最低負荷為70%，主要是按照整體的熱量平衡計算得出的，從煤液化裝置歷次運行周期的統(tǒng)計，負荷低于80%運行結焦趨向性明顯，因此在實際運行時應盡可能保障加熱爐也即整體煤液化裝置的運行負荷，保證加熱爐爐管內煤漿的湍流狀態(tài)，除了煤液化裝置自身煤粉輸送設備、煤漿配置設備、煤漿輸送設備的穩(wěn)定運行外，也要保障供氫裝置的運行穩(wěn)定確保氫氣滿足高負荷運行的需要。

2.3 加強加熱爐輻射室火嘴燃燒狀態(tài)的監(jiān)控

煤液化裝置加熱爐內設置有高溫監(jiān)測攝像頭，內操在日常操作中應作為重點監(jiān)控點進行監(jiān)測，同時外操在日常巡檢過程中也要對加熱爐輻射室火嘴的燃燒狀態(tài)進行重點監(jiān)測，及時調整一二次配風，發(fā)現(xiàn)火嘴偏移時應及時對火嘴進行清理，確保不發(fā)生火焰偏移造成局部溫度過熱。

2.4 加強加熱爐各分支爐管的流量控制

單臺加熱爐的四支爐管入口有分支調節(jié)閥，雖然沒有流量計，但是可以通過每支爐管的壁溫、加熱爐出口分支管的介質溫度判斷分支爐管流量，一般要求同爐膛兩支爐管出口介質溫度偏差不大于5 ℃，以確保每支爐管的流量均衡。

2.5 制定切實可行的應急預案

由于上游設備的不穩(wěn)定性，加熱爐發(fā)生斷料等事故也是時有發(fā)生，除了在運行工藝上每臺加熱爐設置兩臺同時運行的高壓進料泵，同時在加熱爐入口設置有兩臺高壓沖洗油泵用于事故應急，因此需要專門制定應急預案，從加熱爐的降溫、沖洗、故障設備的恢復、后續(xù)反應溫度的控制等方面編制操作預案，確保事故發(fā)生時操作員能有條不紊的進行工藝處理，確保加熱爐不發(fā)生超溫、結焦等惡性后果。

2.6 加強操作員的培訓

煤直接液化項目是一個新興產(chǎn)業(yè)，大部分操作員都是從大學畢業(yè)后逐漸培訓成長起來的，理論知識轉化為實際操作能力需要一個很長的過程，因此從操作員的入職理論培訓、生產(chǎn)裝置的專業(yè)操作培訓、一帶一的師徒培訓，甚至事故狀態(tài)的下應急培訓是每個操作員的必經(jīng)成長之路，只有通過不斷的培訓，使操作員逐漸的成熟，掌握駕馭工業(yè)裝置加熱爐運行控制的能力，才能保證加熱爐的安全穩(wěn)定連續(xù)運行。

3 煤漿加熱爐爐管結焦的處理方法

通過對煤漿加熱爐爐管結焦原因的分析，同時采取對應的控制措施可以有效降低爐管的結焦速度，但目前工藝條件下暫時無法徹底消除結焦現(xiàn)象，因此根據(jù)加熱爐具體運行狀況進行定期清焦是提高加熱爐運行效率的有效方法?，F(xiàn)將煤直接液化項目常用的蒸汽-空氣燒焦法、高壓水射流清焦法、機械清焦法進行介紹。

3.1 蒸汽-空氣燒焦法

3.1.1 蒸汽-空氣燒焦法的基本原理

蒸汽-空氣燒焦法是指爐管在高溫下通過通入空氣和蒸汽，使結焦物和空氣、蒸汽進行反應，使附著在爐管上的結焦物和氧氣發(fā)生氧化燃燒反應，并在蒸汽的沖刷下使結焦物的體積縮小、崩裂，隨蒸汽帶出爐管。空氣主要提供燒焦所需的氧氣，主要起“燒焦”作用；蒸汽作為熱載體可控制爐管溫度避免高溫造成爐管損壞，還與結焦物發(fā)生化學反應（C+H2O=CO+H2）而使結焦物進一步破碎，主要起“剝離”作用，同時由于其大體積、高流速可將反應剝離的灰、渣、焦塊等帶出爐管，實現(xiàn)清焦目的。蒸汽-空氣燒焦法工藝示意圖見圖1。

圖1 煤漿加熱爐爐管蒸汽-空氣燒焦法Fig.1 Steam-air decoking method of coal slurry heating furnace tube

3.1.2 蒸汽-空氣燒焦法主要操作要點

（1）加熱爐爐管前期的工藝處理，爐管在燒焦前要按照停車方案進行氮氣吹掃，確保將爐管內部的明油吹掃干凈。

（2）通過盲板等手段將燒焦加熱爐與工藝系統(tǒng)進行隔離，將爐管前蒸汽、空氣管道以及爐管后燒焦罐、冷卻水管道通過可轉向彎頭打通流程。

（3）加熱爐爐膛內均勻的點燃部分長明燈和主火嘴，保持爐膛溫度在200 ℃左右，通過蒸汽將爐管結焦物表面上的存油吹掃干凈，避免通空氣燒焦時因明油的直接燃燒造成爐管局部超溫。

（4）爐管內通蒸汽的情況下按照30 ℃/h左右的速度開始升溫，根據(jù)燒焦經(jīng)驗加熱爐爐管壁溫在380～400 ℃左右時，爐管表面結焦物開始發(fā)生脹縮崩裂脫落，此時可通過燒焦罐排水和爐管聲音進行判斷。

（5）一旦爐管壁結焦物發(fā)生脫落，停止升溫，間歇地減少和增加蒸汽流量，直至進行到不再產(chǎn)生剝離為止。

（6）現(xiàn)場確認焦塊不再剝離脫落后加熱爐繼續(xù)升溫，升溫速度控制15 ℃/h左右，爐管壁溫達到475 ℃后爐管開始配入100～150 Nm3/h的空氣，加熱爐爐管繼續(xù)升溫，直至發(fā)生明顯的燃燒反應，根據(jù)經(jīng)驗，管壁溫度在480～490 ℃左右時結焦物發(fā)生明顯的燃燒反應。

（7）結焦物出現(xiàn)明顯燃燒反應后，保持加熱爐瓦斯量、蒸汽量、空氣量不變，加熱爐爐管壁溫會在結焦物燃燒反應下快速上升，可以通過配風量控制升溫速度不大于 50 ℃/h，直至爐管壁溫不再上升為止，但要控制最高壁溫不超540 ℃（最高壁溫主要根據(jù)爐管材質、壁厚等因素確定），一旦超溫要及時降低空氣量。

（8）燒焦過程中蒸汽和空氣間斷停止，使燒焦和剝離反復進行，蒸汽量和風量也可以根據(jù)實際燒焦情況調整。

（9）燒焦結束后，加熱爐降溫直至熄火恢復正常工藝生產(chǎn)流程。

3.1.3 蒸汽-空氣燒焦法的操作注意事項

（1）要制定詳細的加熱爐燒焦操作方案。

（2）爐管壁和爐膛最高溫度要根據(jù)爐管材質和設計資料確定，嚴格避免燒焦過程超出設計溫度造成爐管損壞。

（3）燒焦作業(yè)過程要有專人負責，加強現(xiàn)場和中控室的溝通協(xié)調，及時調整各類操作參數(shù)。

（4）燒焦過程要通過蒸汽量控制焦粒大小，焦粒過小對彎頭磨損很厲害，過大則容易造成爐管堵塞，燒壞爐管。

（5）前期工藝處理要到位，爐管內部不得存油。

3.2 高壓水射流清焦法

高壓水射流清焦主要是將清洗水通過機械設備增壓到數(shù)百乃至數(shù)千個大氣壓力，然后通過特殊的噴頭（孔徑只有1～2 mm），以極高的速度（200～500 m/s）噴出的一股股能量高度集中的水流，爐管壁內結焦物在高速、高壓水的噴射下破碎、脫落，并在水流作用下被帶出爐管，高壓清洗噴頭在高壓水噴射的反作用力下可以不斷向爐管內部走動，可用高壓軟管旋轉推進系統(tǒng)強制高壓水射流管道旋轉來通過彎頭部位進行清洗。高壓水射流清焦示意圖見圖2。

3.3 機械清焦法

3.3.1 機械清焦的基本原理

圖2 高壓水射流清焦法Fig.2 High pressure water jet decoking method

機械清焦是采用不同類型和大小的清管器（PIG）作為清焦工具，一般是以水作為動力(水壓在2～4 MPa之間),推動清管器在爐管內往復運動,利用清管器上的螺釘和焦炭的摩擦,將爐管壁表面焦層、結垢物等從爐管壁上刮下來的過程，刮下來的焦塊再用水將其帶出爐管并過濾后收集。機械清焦法工藝流程示意圖見圖3。

圖3 機械清焦法Fig.3 Mechanical decoking method

增壓水泵主要提供清管器在爐管內往復運動的水流動力；過濾水箱主要過濾爐管內清出的結焦物，并作為增壓水泵循環(huán)用水的儲槽；清管發(fā)射器用于清管器的發(fā)射和回收；清管器具有很好的彈性，材質一般是合成樹脂，表面裝有螺釘，內部中空收縮率較大(可達15%～65%)，能夠很容易的穿過彎管、T 形管、U形管及短直徑彎管等，清管器有多種規(guī)格型號，一般適合50～300 mm的爐管，釘頭的形狀有方形、半圓頭、銼刀形等，使用的材質比結焦物硬、比爐管軟，其目的在于不損傷爐管的內壁面，一般根據(jù)爐管的材質來選擇清焦的釘頭。

通過機械清焦控制系統(tǒng)控制閥 1～4的啟閉順序，控制閥2開啟、閥4關閉、閥3開啟、閥1關閉，實現(xiàn)清管器正向運動；控制閥4開啟、閥2關閉、閥1開啟、閥3關閉，實現(xiàn)清管器反向運動，從而實現(xiàn)清管器在爐管內部往復運動，通過清管器表面的螺釘不斷與結焦物摩擦，從而將結焦物從爐管壁上剝離下來。

3.3.2 機械清焦法的主要操作要點

（1）加熱爐爐管按照停工方案進行停工隔離，并進行氮氣吹掃，將爐管內部的明油吹掃干凈，吹掃時可以初步判斷爐管內結焦嚴重程度。

（2）將爐管和機械清焦設備連接好形成閉合的水循環(huán)回路，用增壓水泵向爐管內充水，測定回路的水流量和水壓。

（3）在清管器發(fā)射器1內裝入和爐管內徑一樣的清焦測試球，利用水流將測試球通入爐管內，經(jīng)過循環(huán)清焦測試球被清管器發(fā)射器2回收，從回收清焦測試球的外觀來判斷爐管內的結焦情況。

（4）根據(jù)清焦測試球的狀態(tài)選擇第一個適合尺寸的清管器開始進行機械清焦。

（5）通過清管器多次往復運動將結焦物不斷剝離，根據(jù)清焦控制系統(tǒng)測定的壓力峰值變化情況判斷清焦效果，按照從小到大的順序重復使用一定數(shù)量的清管器進行清焦直至將結焦物全部清理完畢。

（6）在確定爐管清洗干凈后，最后放入一個大于爐管內徑5%的清管器，以保證100%的清焦效果[4]。

（7）將略大于爐管內徑的海綿球放入爐管內，用來清除掉所有的細碎焦和銹蝕，如果海綿球沒有被磨破，完好無損，則說明爐管已清焦干凈[5]。

3.4 清焦技術的選擇

上述三種清焦方法各有優(yōu)缺點和其適用范圍，蒸汽-空氣燒焦法工廠可以自己組織實施，不需專業(yè)的清焦隊伍，但爐管多次燒焦易導致爐管氧化降低爐管強度和使用壽命；高壓水射流清焦法操作簡單，清焦效果好，但對水質要求高，清焦水無法循環(huán)利用，后期處理費用高，并且受爐管彎頭影響無法實現(xiàn)長距離清焦；機械清焦法屬于純物理方法，動力水可以循環(huán)使用，清焦效率高，安全系數(shù)高，但要求爐管內部不能有熱偶等突出物，清焦球螺釘材質選擇不當容易造成爐管損傷，爐管彎頭多清焦球容易在彎頭處卡塞。由于煤直接液化項目煤漿加熱爐爐管較長（單根400多米），通過摸索、總結多年來的清焦經(jīng)驗，目前煤直接液化項目煤漿加熱爐停工清焦主要使用機械清焦法，若存在局部結焦過硬或過厚，初期可以使用高壓水力清焦進行配合，通過優(yōu)化調整，清焦用時由最初將近一個月（三臺加熱爐，12支爐管）下降到目前一周左右的合理時間。

4 結束語

煤漿加熱爐主要提供煤漿液化反應的起始溫度，加熱爐的高效運行是煤直接液化項目長周期、安全穩(wěn)定、高負荷運行的關鍵一環(huán)，本文通過總結煤漿加熱爐多年實際操作經(jīng)驗，重點對煤漿加熱爐結焦的原因進行了深入分析，并針對實際問題提出了具體的控制措施，有效降低了加熱爐結焦速度，提高了加熱爐運行時間和效率。同時對加熱爐結焦后的處理方法進行了分析討論。為其他類似加熱爐操作、清焦提供了經(jīng)驗參考。

［1］ 高晉生，張德祥. 煤液化技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2005：123-123．

［2］ 錢家麟. 管式加熱爐[M]. 第二版. 北京：中國石化出版社， 2003：641-645．

［3］ 舒歌平，史士東，李克健. 煤炭液化技術[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2003：121-121．

［4］ 簡建超，袁志祥. 一種新型爐管清焦技術在大型加熱爐上的應用[J]. 石油化工設計，2010，27（3）：22-24.

［5］ 張權輝，鄧新軍. 機械清焦在焦化加熱爐上的應用[J]. 石油化工設備技術, 2012, 33(4): 36-38．

Causes Analysis and Countermeasures of Coking in Coal Slurry Heating furnace of Direct Coal Liquefaction Project

WEN Jun-gang
（China Shenhua Coal-to-oil Chemical Co.Ltd Erdos Coal-to-oil Branch, Inner Mongolia Erdos 017209, China）

In-depth causes analysis of coking in coal slurry heating furnace of direct coal liquefaction project was carried out. According to the actual situation, a series of control measures were formulated to effectively reduce coking speed and increase the running time and efficiency of the heating furnace. At the same time, treatment methods of coking in coal slurry heating furnace were also discussed.

coal slurry heating furnace; coking; causes analysis; control measures; treatment method

TQ 530

A

1671-0460（2016）11-2710-04

2016-05-06

溫俊剛（1982-），男，河北省滄州市人，工程師，2005年畢業(yè)于河北工業(yè)大學化學工程與工藝專業(yè)，研究方向：煤直接液化生產(chǎn)管理工作。E-m ail：w enjungang@csclc.com。