航天爐渣口壓差超量程運行經(jīng)驗總結(jié)

張恩光，孫流強，杜書昌，程曉姣

(新鄉(xiāng)中新化工有限責任公司， 河南新鄉(xiāng) 453800)

航天爐煤氣化工藝是我國自主研發(fā)的粉煤加壓氣化技術(shù)，發(fā)展至今，已擁有成熟的設(shè)計基礎(chǔ)和豐富的運行經(jīng)驗。該工藝采用干粉進料、液態(tài)排渣的方式，對于入爐煤煤種的適應(yīng)性較強。目前，已有超過68臺航天爐投入運行，如何提高其運行周期，是每家航天煤氣化用戶面臨的難題。

1 航天爐工藝流程

粉煤和氧氣/蒸汽混合氣經(jīng)粉煤燒嘴噴入氣化爐中混合，進行部分氧化反應(yīng)，在4.0 MPa、1 400～1 700 ℃的條件下進行，反應(yīng)生成合成氣，其主要成分為CO、H2、CO2、H2O以及少量的H2S、COS、N2、Ar、CH4等。未反應(yīng)的呈熔融狀態(tài)的灰渣與粗合成氣一起進入均布激冷水的激冷環(huán)冷卻并飽和，后經(jīng)上升管到達折流板進行氣水分離，分離后的合成氣由激冷室上部的出口管線引至文丘里和合成氣洗滌塔進一步洗滌?；以患だ浜笱叵陆倒苓M入激冷室的水浴中冷卻。熔融狀態(tài)的灰渣經(jīng)過冷卻固化，落入激冷室底部，經(jīng)破渣機破碎成細渣后排入渣鎖斗。

2 渣口壓差判斷

作為重要監(jiān)控工藝指標，渣口壓差反應(yīng)氣化爐爐膛壓力與合成氣出口壓力之差，由航天爐渣口壓差表實際測量。當該值升高時，操作人員應(yīng)引起注意，及時分析判斷其是否為真實值，并根據(jù)不同工況做出相應(yīng)的處理[1]。

實際生產(chǎn)中，渣口、激冷環(huán)、下降管、合成氣出口均出現(xiàn)不同程度的堵渣現(xiàn)象。由此可見，判斷堵渣位置對工況的調(diào)整起到至關(guān)重要的作用。為便于觀察渣口實際情況，可將氣化爐激冷室現(xiàn)場液位計更換為遠傳壓力表，以此作為激冷室壓力參考點，同時根據(jù)爐膛壓力與文丘里前壓力計算差值進行判斷。當渣口壓差表數(shù)值升高時，觀察爐膛壓力、激冷室壓力、合成氣出口壓力、文丘里前合成氣壓力等各表實際讀數(shù)，從而判斷堵塞位置。

(1) 由爐膛壓力和激冷室壓力差值判斷渣口是否堵渣。

(2) 由激冷室壓力和合成氣出口壓力差值判斷合成氣出口是否堵渣。

(3) 激冷環(huán)或下降管處堵渣，其最直接的判斷方法為：當渣口壓差升高后，如出現(xiàn)斷崖式下降則為激冷環(huán)或下降管處堵渣。正常渣口堵渣后，通過升高爐溫，壓差會逐步緩慢下降，而非驟降。

3 原因分析

(1) 隨著入爐煤種煤質(zhì)發(fā)生變化而引起其灰熔點升高，在工況不變的情況下，氣化爐的操作溫度降低，導致渣流動性變差[2]。渣口處的溫度相比爐膛處的溫度低，熔融狀態(tài)的渣流經(jīng)渣口時會堆積，引起氣化爐渣口變小，氣體在燃燒室內(nèi)停留時間延長，單位時間內(nèi)離開氣化爐的氣量減少，導致渣口壓差升高。

(2) 爐壓高，爐溫熱區(qū)上移，渣口處溫度低，渣的流動性變差，渣口壓差增大。

(3) 激冷環(huán)堵塞導致激冷孔無水噴出，液態(tài)渣在激冷環(huán)處形成掛壁，導致渣口縮小[3]。

(4) 激冷環(huán)環(huán)隙堵塞時，在下降管上形成的水膜偏薄，當燃燒室熔渣流下來時，水膜瞬間汽化，高溫熔渣得不到徹底降溫，黏流態(tài)的熔渣便會在下降管上黏結(jié)。隨著激冷水流量波動，下降管內(nèi)壁熔渣變厚，導致下降管堵塞[4]。合成氣出口通道受阻，爐壓升高，壓差增大。

(5) 入爐煤灰成分的黏溫特性差，液態(tài)渣在流動過程中，隨著溫度降低，其黏度直線上升，灰渣流動性減弱，易形成掛渣而堵塞渣口。

4 經(jīng)驗總結(jié)

2020年11月15日，氣化爐渣口出現(xiàn)壓差超量程(壓差表量程為0～200 kPa)，堅持運行42 d后，壓差最高達250 kPa。因激冷水流量持續(xù)下降，渣口壓差波動為緩慢升高后斷崖式下降，初步判斷為激冷環(huán)處堵渣。激冷環(huán)處為低溫區(qū)，距離爐膛高溫區(qū)較遠，采取高溫熔渣的方法風險較大(參照某裝置激冷環(huán)掛渣燒穿外殼事故經(jīng)驗分析)，存在燒壞激冷環(huán)和下降管的風險。一旦出現(xiàn)此情況，輕則合成氣出口溫度超溫，氣化爐被迫停車；重則燒壞合成氣管道和氣化爐外壁，釀成嚴重事故。

在氣化爐負荷穩(wěn)定為15 500 m3/h、渣口壓差波動范圍為70～250 kPa、爐溫正?？刂频那疤嵯?，除正常監(jiān)控合成氣出口溫度外，現(xiàn)場針對氣化爐爐壁、合成氣出口管道進行巡檢測溫，防止出現(xiàn)超溫燒壞設(shè)備情況。2020年12月27日，因外部問題，氣化爐停車檢修。

4.1 停爐前，爐況異常情況

氣化爐停車檢修前，合成氣出口未出現(xiàn)超溫現(xiàn)象?，F(xiàn)場渣樣多為粗、細拉絲并存的顆粒狀渣。氣化爐合成氣帶水嚴重(激冷室液位提不上，洗滌塔外排排不及)，激冷室液位逐漸下降導致頻繁鎖閥，被迫將氣化爐外排閥位逐漸收小。合成氣中有效氣質(zhì)量分數(shù)從91%逐步降低至81%，CO2含量逐步升高，CO含量逐步降低。

停爐前期，氣化爐激冷室液位逐步升高，開大外排水仍不能降低液位，高閃壓力出現(xiàn)短暫超壓情況。

4.2 停爐后，氣化爐內(nèi)部情況

停車后，檢查氣化爐，發(fā)現(xiàn)爐膛內(nèi)部漏點較多，有一處大漏點出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象(見圖1)。激冷環(huán)處掛渣嚴重，外環(huán)管大部分被堵死，激冷環(huán)和下降管焊縫處有多處鼓包變形。渣口處僅有一足球大小出口(見圖2)。下降管內(nèi)、外壁均嚴重結(jié)垢，均有厚度為10 cm的年輪狀渣層。上升管和下降管環(huán)隙至合成氣出口僅有4處小通道(見圖3)。合成氣出口折流板內(nèi)部已嚴重堵塞。破渣機無積垢現(xiàn)象，渣鎖斗循環(huán)泵出口管道暢通，外排黑水管道堵塞近80%(見圖4)。激冷室內(nèi)結(jié)垢積灰十分嚴重(見圖5)。

圖1 爐膛內(nèi)部漏點處結(jié)渣情況

圖2 渣口情況

清理激冷環(huán)和下降管時，僅發(fā)現(xiàn)激冷環(huán)外環(huán)管有10 cm燒損，除下降管多處鼓包外，其余正常。此次未燒壞的原因是激冷環(huán)環(huán)隙未出現(xiàn)堵塞，下降管受水膜保護，其內(nèi)壁積垢嚴重，一定程度上避免了下降管受高溫合成氣沖刷。

4.3 渣口壓差超量程后運行分析

結(jié)合檢修停爐前工況，此次氣化爐工況惡化的主要原因有：

(1) 氣化爐開車前期，因用煤緊張，摻配了灰分較大的煤種，導致入爐煤種波動較大、爐溫控制不合適。加之激冷環(huán)前期未進行徹底疏通，入爐煤燃燒不完全，水質(zhì)持續(xù)惡化，激冷孔堵塞后，液態(tài)渣在激冷環(huán)處形成掛壁，進而縮小了渣口。

圖3 下降管、上升管環(huán)隙處結(jié)垢情況

圖5 激冷室環(huán)形空間內(nèi)結(jié)垢情況

(2) 渣口收縮后，爐壓隨之升高，氣化爐熱負荷區(qū)上移。由于爐膛上部掛渣比較困難，爐膛垮渣嚴重燒壞盤管，導致結(jié)渣。爐膛內(nèi)漏點較多，可判斷氣化爐在渣口壓差超量程時，合成氣阻力增大，爐壓升高，熱區(qū)上移，火焰剛性變差。

(3) 由于燃燒不充分，合成氣帶灰嚴重，系統(tǒng)水質(zhì)持續(xù)惡化，下降管和上升管內(nèi)外壁結(jié)垢嚴重，導致下降管內(nèi)及下降管、上升管之間環(huán)隙通徑變小。合成氣通道變小后，流速加快，合成氣帶水嚴重。水質(zhì)惡化引起的激冷水量減小及氣化爐系統(tǒng)外排水量持續(xù)降低，導致氣化爐水質(zhì)差，合成氣帶灰至洗滌塔，形成惡性循環(huán)。

觀察上升管內(nèi)部環(huán)隙、激冷室環(huán)形空間內(nèi)積垢的拉絲渣樣，黏度高的液態(tài)灰渣在渣口處被吹成玻璃絲狀，起黏結(jié)劑作用，使細灰黏附在上升管和激冷室內(nèi)部，造成環(huán)隙堵塞。因上升管內(nèi)出口受阻，部分合成氣則從上升管外部引至合成氣出口，引起激冷室內(nèi)部嚴重積灰，進而導致液位波動上漲。高閃壓力波動可能導致合成氣通過氣化爐外排管道串氣至高閃，表現(xiàn)為洗滌塔出口合成氣量減少、氣化爐外排水流量大幅度波動、火炬火焰變大等現(xiàn)象。

5 結(jié)語

目前，渣口壓差升高雖不是氣化爐正常運行的主要制約因素，但其帶來的爐壓升高以及爐膛熱負荷區(qū)上移導致掛渣困難、拉絲狀渣黏附堵塞管道等問題需引起重視。為保證氣化爐長周期運行，要對煤質(zhì)進行管控，提前做好相應(yīng)措施，應(yīng)對灰分波動帶來的深層次變化。