水煤漿氣化爐上升管與下降管環(huán)隙堵塞的探討研究

劉 強(qiáng)，馮志超

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100）

中海石油華鶴煤化有限公司（以下簡稱“華鶴公司”）氣化裝置以煤和氧氣為原料，為后續(xù)合成工段提供以CO 和H2為主要成分的粗煤氣，是華鶴公司的核心裝置。氣化裝置采用美國GE 公司水煤漿氣化工藝專利技術(shù)，主要包括煤漿制備、氣化、渣水處理三個(gè)工段，現(xiàn)有三臺(tái)氣化爐，配套三套閃蒸系統(tǒng)，正常運(yùn)行過程中兩開一備。2015 年4 月一次投料成功，5 月產(chǎn)出合格尿素。自2017 年開始，氣化爐運(yùn)行至50 天左右，出現(xiàn)了激冷室液位持續(xù)上漲，支撐板溫度不同程度升高等現(xiàn)象，經(jīng)歷幾次停車檢查后，確認(rèn)為上升管與下降管環(huán)隙堵塞，導(dǎo)致檢修頻率高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)也帶來了一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重制約了氣化爐的安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。華鶴公司對(duì)此進(jìn)行了原因分析，并采取了針對(duì)性的改進(jìn)措施。改進(jìn)后，2021 年下半年，氣化爐運(yùn)行至50 天后，極少發(fā)生環(huán)隙堵塞導(dǎo)致的氣化爐高液位、支撐板溫度超溫等問題。本文結(jié)合華鶴公司實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)氣化爐上升管與下降管環(huán)隙堵塞的原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的控制措施。

1 水煤漿氣化工藝流程

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～66%的水煤漿與氧氣（純度＞99.6%）經(jīng)過三流式工藝燒嘴混合后進(jìn)入氣化爐，在壓力6.5 MPa（G）、溫度1 350 ℃左右的條件下進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成以CO+H2為主要成分的粗合成氣，合成氣在激冷室經(jīng)過冷卻洗滌后，經(jīng)過文丘里洗滌器進(jìn)入洗滌塔再次進(jìn)行洗滌，最后經(jīng)過塔盤水洗滌后送至后系統(tǒng)；氣化爐和洗滌塔內(nèi)黑水經(jīng)過四級(jí)閃蒸后在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。

2 氣化爐上升管與下降管環(huán)隙堵塞現(xiàn)象

2.1 氣化爐液位緩慢上漲

尤其是氣化爐運(yùn)行至后期，激冷室液位由正常的40%～50%緩慢上漲至80%以上，甚至穩(wěn)定在95%左右，在其他參數(shù)未有明顯異常的情況下可繼續(xù)維持運(yùn)行，運(yùn)行期間間斷性發(fā)生氣化爐因合成氣帶水、激冷室液位突降現(xiàn)象降至30%左右趨于穩(wěn)定后又繼續(xù)緩慢上漲至高液位。

2.2 支撐板溫度升高

氣化爐四個(gè)支撐板溫度均出現(xiàn)上漲，由正常運(yùn)行時(shí)的250 ℃左右最高上漲至350 ℃左右，其他參數(shù)無明顯異常。

對(duì)氣化爐上升管與下降管環(huán)隙垢片取樣進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。從表1 分析結(jié)果來看，垢片主要成分為鋁、硅、鈣等物質(zhì)的氧化物。

表1 氣化爐上升管與下降管環(huán)隙垢片分析結(jié)果 %

3 堵塞原因分析

3.1 原料煤煤質(zhì)問題

華鶴公司所使用的原料煤由黑龍江龍煤集團(tuán)鶴崗分公司提供（以下簡稱龍煤），期間夾雜不同區(qū)域的地方小煤礦提供的原料煤（以下簡稱地煤）進(jìn)行摻燒，導(dǎo)致水煤漿灰分及灰熔融性溫度波動(dòng)較大，且灰分異常偏高，最高時(shí)水煤漿灰分接近22%。進(jìn)入2021 年下半年，華鶴公司所使用的原料煤發(fā)生較大變化，在加大助熔劑情況下，同等溫度時(shí)的煤灰黏度仍明顯增高，此時(shí)氣化爐燃燒后產(chǎn)生的灰渣呈塊狀，最大直徑達(dá)10 cm 左右，大量的細(xì)灰被塊狀渣包裹，進(jìn)入激冷室水浴后直接進(jìn)入鎖斗系統(tǒng)排出，使得粗煤氣帶灰減少，延緩了氣化爐上升管和下降管環(huán)隙的堵塞速度，這也驗(yàn)證了2021 年下半年以來環(huán)隙很少發(fā)生堵塞情況的原因。華鶴公司氣化部B 氣化爐自2021 年8 月4 日投料，已經(jīng)運(yùn)行240 d，氣化爐液位和支撐板溫度仍舊十分穩(wěn)定，環(huán)隙未發(fā)生明顯堵塞，目前仍在運(yùn)行。結(jié)合該情況判斷，煤質(zhì)黏溫特性對(duì)氣化爐上升管和下降管環(huán)隙堵塞有著十分明顯的影響。

3.2 燒嘴壓差波動(dòng)頻繁

華鶴公司氣化部前期所使用工藝燒嘴為低壓差燒嘴，正常運(yùn)行時(shí)燒嘴壓差在400 kPa 左右，但燒嘴壓差波動(dòng)頻繁，最低時(shí)為0，導(dǎo)致燒嘴霧化效果不佳，使煤漿在氣化爐燃燒室內(nèi)與氧氣接觸面積變小，可能存在部分煤漿沒有參與氧化反應(yīng)，隨著粗煤氣和粗渣進(jìn)入激冷室進(jìn)行冷卻和洗滌，致使激冷室內(nèi)部水質(zhì)變差，導(dǎo)致粗煤氣和水汽夾帶著大量細(xì)灰一起向上去合成氣管線，隨著氣化爐的運(yùn)行，積累在上升管和下降管環(huán)隙處的灰渣越來越多，最終導(dǎo)致環(huán)隙堵塞。當(dāng)上升管與下降管環(huán)隙發(fā)生嚴(yán)重堵塞后，粗煤氣在上升管外圍去合成氣管線量增加，大量灰渣包裹在支撐板底部，導(dǎo)致高溫氣體在上升管外圍相對(duì)停留時(shí)間長，支撐板熱電偶散熱效果下降，從而引起氣化爐支撐板溫度升高[1]。

3.3 系統(tǒng)水質(zhì)問題

華鶴公司所使用的原料煤灰分較高且變化頻繁，經(jīng)現(xiàn)場沉降實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤質(zhì)發(fā)生變化引起水質(zhì)變化時(shí)，現(xiàn)有的絮凝劑不能達(dá)到絮凝效果，灰水濁度和硬度均偏高且波動(dòng)較大，水質(zhì)情況較差，經(jīng)與藥劑廠家技術(shù)人員共同實(shí)驗(yàn)、研究，現(xiàn)場配置了三種不同分子量的絮凝劑，供不同煤質(zhì)選擇性使用。同時(shí)，現(xiàn)場所使用的分散劑阻垢效果不佳，導(dǎo)致管線結(jié)垢嚴(yán)重，激冷水量運(yùn)行至后期低至180 m3/h，遠(yuǎn)低于正常運(yùn)行時(shí)的250 m3/h，系統(tǒng)水循環(huán)量低，進(jìn)一步導(dǎo)致水質(zhì)變差，上升管與下降管的堵塞也越來越嚴(yán)重。

3.4 工藝操作方面

因設(shè)備問題，灰水加熱器運(yùn)行至后期換熱效果變差，基本無熱交換，導(dǎo)致進(jìn)入洗滌塔的高壓灰水溫度較低，合成氣水氣比較低，最低至0.85，采用多種工藝參數(shù)調(diào)整仍舊無法滿足后系統(tǒng)要求，在此情況下，只能減小氣化爐與洗滌塔黑水排放量，長此以往，系統(tǒng)水質(zhì)持續(xù)變差，氣化爐帶水量增加，加速了上升管與下降管的堵塞，造成氣化爐無法長周期運(yùn)行。

4 應(yīng)對(duì)措施

4.1 加強(qiáng)原料煤煤質(zhì)的管控

加大對(duì)煤質(zhì)的分析頻率，每日對(duì)水煤漿灰分和灰熔融性溫度進(jìn)行分析，根據(jù)煤質(zhì)變化情況及時(shí)調(diào)整助熔劑添加量，在灰熔融性溫度能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求的情況下，盡量減少助熔劑的加入量，這是因?yàn)槿A鶴公司所使用的助熔劑為石灰石粉，在原料煤灰分較高的情況下，加入過量的石灰石會(huì)進(jìn)一步加大水煤漿中的灰分，導(dǎo)致進(jìn)入水系統(tǒng)的細(xì)灰增加，間接加快了氣化爐上升管和下降管環(huán)隙的堵塞速度。

同時(shí)在進(jìn)行煤炭混配使用時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同配比和石灰石加入量進(jìn)行成漿性實(shí)驗(yàn)，確定最佳配比，控制煤漿的灰分和灰熔融性溫度在工藝指標(biāo)要求范圍內(nèi)。

4.2 解決燒嘴壓差波動(dòng)問題

借鑒行業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)與北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司共同研究，對(duì)現(xiàn)有燒嘴進(jìn)行改造，改造后燒嘴壓差較以往明顯提高，正常運(yùn)行時(shí)燒嘴壓差在550 kPa 左右，且抗干擾能力增強(qiáng)，燒嘴壓差極少波動(dòng)，波動(dòng)時(shí)范圍也較小且持續(xù)時(shí)間短，一般在2 min以內(nèi)，不需要工藝調(diào)整干擾即可自行恢復(fù)。

4.3 改善系統(tǒng)水質(zhì)

經(jīng)與藥劑駐廠技術(shù)服務(wù)人員反復(fù)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)系統(tǒng)水循環(huán)量計(jì)算分散劑及絮凝劑加入量，最終確定最佳加入量，以系統(tǒng)低壓灰水循環(huán)量為300 m3/h 計(jì)算，分散劑每日加入量為1 t，絮凝劑每日加入量為29 kg，并根據(jù)不同煤質(zhì)選用不同分子量的絮凝劑，以保證絮凝效果。同時(shí)對(duì)分散劑選型進(jìn)行優(yōu)化，增加除垢性能，提升阻垢能力，保證系統(tǒng)水質(zhì)。

控制閃蒸系統(tǒng)壓力，高閃壓力控制在0.80 MPa～0.85 MPa，低閃壓力控制在0.20 MPa～0.25 MPa，第一真空閃蒸系統(tǒng)壓力控制在-65 kPa～-60 kPa，第二真空閃蒸系統(tǒng)壓力控制在-75 kPa～-70 kPa。尤其是真空閃蒸系統(tǒng)的負(fù)壓要保持，以保證閃蒸效果，有效去除水中酸性氣體，降低黑水溫度，濃縮黑水含固量，保證黑水在澄清槽內(nèi)有效絮凝。

加大氣化爐和洗滌塔黑水排放，在以往的操作中，氣化爐運(yùn)行至50 天后，為滿足后系統(tǒng)要求，提高水氣比，氣化爐黑水排放量控制在75 m3/h 左右，洗滌塔黑水排放量控制在20 m3/h 左右，造成系統(tǒng)水質(zhì)越來越差，濁度、硬度、堿度、懸浮物等參數(shù)明顯超標(biāo)，嚴(yán)重制約氣化爐的長周期運(yùn)行。以當(dāng)前煤質(zhì)和工況，黑水排放量不足會(huì)造成氣化爐上升管和下降管環(huán)隙堵塞加劇，目前華鶴公司氣化爐黑水排放量控制在85 m3/h～90 m3/h，洗滌塔黑水排放量控制在50 m3/h 以上，運(yùn)行兩個(gè)多月，管線結(jié)垢減緩，氣化爐上升管和下降管環(huán)隙堵塞情況顯著改善，目前B 爐已經(jīng)運(yùn)行240 d，未發(fā)生氣化爐上升管和下降管環(huán)隙堵塞現(xiàn)象。

4.4 優(yōu)化工藝參數(shù)

嚴(yán)格控制各項(xiàng)工藝參數(shù)，根據(jù)黏溫曲線選擇合適的操作溫度，避免操作溫度過高導(dǎo)致黑水中夾雜大量細(xì)灰難以去除。通過細(xì)微調(diào)整氧煤比，控制溫度改變?cè)鼧有螒B(tài)，將細(xì)灰包裹在粗渣內(nèi)部，避免大量飛灰進(jìn)入水系統(tǒng)而加速氣化爐上升管和下降管環(huán)隙堵塞。

盡量避免氣化爐長期在低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，以利于氣化爐激冷室內(nèi)氣體流動(dòng)的穩(wěn)定性和避免氣化爐氣體大量夾帶液體[2]，亦可增強(qiáng)工藝氣對(duì)氣化爐上升管和下降管環(huán)隙垢片的沖擊力和剪切力，能夠有效減緩氣化爐上升管和下降管環(huán)隙堵塞速率。

保證系統(tǒng)平穩(wěn)，避免系統(tǒng)負(fù)荷、壓力等大幅度波動(dòng)后系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重帶水現(xiàn)象加速氣化爐上升管和下降管環(huán)隙的堵塞。

5 結(jié) 語

經(jīng)過以上幾個(gè)方面的分析和提出的應(yīng)對(duì)措施，逐步優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，改善系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，華鶴公司氣化爐上升管和下降管環(huán)隙堵塞問題得到明顯的改善，運(yùn)行周期較以往有了大幅度的延長，減少了備爐檢修次數(shù)，節(jié)約備品備件，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了氣化爐的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

隨著氣化爐運(yùn)行周期的不斷延長，勢(shì)必要面對(duì)更多新的難題，華鶴公司將繼續(xù)以問題為導(dǎo)向，確保氣化爐的“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運(yùn)行。