三流道单喷嘴多元料浆气化存在的问题及处理

赵伯平

（陕西煤化集团陕化公司化肥厂，陕西渭南 714100）

三流道单喷嘴多元料浆气化工艺与传统煤炭气化工艺相比，具有气化原料范围宽，气化炉结构简单，气化过程碳转化率高（由于受工艺烧嘴结构及气化原料在气化炉内平均停留时间，微观混合时间，宏观混合时间，煤浆雾化程度，气、固、液三相混合程度等因素的影响，碳转化率一般可达到95%～99%），操作弹性大，粗煤气质量好，可供选择的气化压力范围宽，气化过程污染少的优点。三流道单喷嘴多元料浆气化工艺在国内实现工业化以来，已有多套装置在不同的煤化工企业运行。各兄弟厂家的气化装置运行过程中出现了许多问题。这些问题可以分为两类，一类是气化工艺流程设计方面存在缺陷，一类是工程材料、工艺操作方面的问题。为了更好地使用此装置，使其在生产过程中长周期安全稳定运行，现对上述装置在运行过程暴露出的问题作如下分析，并提出解决问题的措施。

1 气化炉激冷室带水问题［1，2］

1.1 气化炉激冷室带水的原因

使用三流道单喷嘴多元料浆气化工艺的各兄弟厂家在试车的过程中，气化炉激冷室均出现不同程度的带水问题。即合成气将激冷室的水大量带到后序的洗涤塔，使激冷室液位逐渐下降，加大进水仍无济于事，有时甚至快到跳车的低限，这种现象随着压力与负荷的升高而加剧。查阅有关文献可知，激冷室内，在热流强度不高时，气液之间以自然对流的泡核沸腾方式传热，随着压力与负荷的增加，激冷室内热流强度增加。当达到某一临界值时，气液之间的传热方式转为低效的膜状沸腾传热。粗煤气将激冷室中的水大量带至后系统，对变换系统造成危害。为避免气化炉带水，必须保证一定的换热面积，使气化炉的实际热流强度远远小于临界热流强度。

1.2 气化炉激冷室带水问题的解决

为使气化炉平稳运行，避免气化炉出现严重带水现象，应从以下几个方面予以解决。

（1）在激冷室设计时，应考虑压力、投煤量的因素，加长激冷室尺寸，保证气液传热面积F，以及气液的分离空间。

（2）保证激冷水流量。

（3）保证锁斗的正常运行，避免激冷室液相含固量过高。

（4）使用液位流量串级控制回路，严格控制气化炉激冷室液位。

（5）在气化炉与文丘里洗涤器之间增设旋风分离器，并使用流量液位串级控制回路严格控制其液位，以除去粗煤气中夹带的液滴和固体颗粒。通过此种工艺流程的改进，可以使由洗涤塔来的气化炉激冷水中固体颗粒含量降低，进一步降低激冷室液相固体颗粒含量。

（6）在下降管与上升管间的环隙气流通道设置除沫部件。

2 激冷室下降管挂渣、激冷环局部堵塞、激冷室内件烧穿问题

2.1 原因分析

激冷室下降管挂渣、激冷环局部堵塞、激冷室内件烧穿的原因，一是气化炉渣口滴渣唇沿烧坏；二是激冷环局部堵塞，水分布不均匀，下降管内侧水膜被破坏而缺水；三是操作温度过低，熔渣粘度太高。

2.2 处理措施

（1）定期检查磨制料浆原料煤的灰熔点。

（2）在气化炉与文丘里洗涤器之间增设旋风分离器，并使用流量液位串级控制回路严格控制其液位，以除去粗煤气中夹带的液滴和固体颗粒。通过此种工艺流程的改进，可以使由洗涤塔来的气化炉激冷水中固体颗粒含量降低，保证有较清洁的激冷水进入激冷环，以避免激冷环堵塞，激冷室内件烧穿问题的出现。

（3）严格控制激冷水量及其温度，以保证灰渣与激冷水膜之间温差适宜，避免下降管挂渣。

（4）一旦发现渣口烧坏，立即停炉，清理激冷环，更换渣口耐火砖。

3 工艺烧嘴使用寿命短、料浆雾化效果差的问题［1，2］

工艺烧嘴是三流道单喷嘴多元料浆气化炉的核心部件，其功能有二：一是雾化料浆，二是与炉体匹配形成适宜的流场。以期达到延长物料在气化炉内的停留时间，延长炉内物料宏观混合时间、微观混合时间，提高炉内物料宏观混合程度、微观混合程度，从而获得较高的碳转换率的目的。

3.1 工艺烧嘴使用寿命不长、料浆雾化效果差的原因

（1）最初三流道单喷嘴多元料浆气化炉工艺烧嘴为三流道部分预混式喷嘴，中心流道及外流道走氧，中心氧流量约占入炉氧气总流量的15%，外流道氧流量约占入炉氧气总流量的85%。第二流道走料浆。中心流道与外流道下端面相距65～70mm，中心流道氧气与料浆形成预混，二流道出口氧气和料浆混合物的表观出口速率在20m／s以上，喷嘴磨损腐蚀严重。

（2）该工艺烧嘴采用盘管冷却方式，外流道头部为冷却腔室，分别与冷却水盘管进出口相连，如果烧嘴冷却水供应不足、波动过大，长期工作在高温环境中工艺烧嘴依然要遭受高温腐蚀。

（3）三流道单喷嘴气化炉工艺烧嘴尖端同轴度误差超标，环隙尺寸误差超过10%～15%，工艺烧嘴尖端龟裂、磨损、开裂，工艺烧嘴尖端回缩量超出偏差值±10%。

3.2 处理措施

（1）采用三流道外混预膜式单喷嘴工艺烧嘴。由于该工艺烧嘴三个流道的下端面基本在同一水平面上，可控料浆膜厚，料浆的雾化效果好于三流道预混式单喷嘴工艺烧嘴。

（2）喷嘴本体用高温下具有较高耐磨性的inconel600特种不锈钢，头部用哈氏合金制作，提高烧嘴在高温环境中抵抗磨损腐蚀的能力。

（3）开工前，做好工艺烧嘴尖端同轴度误差、环隙尺寸误差、工艺烧嘴尖端回缩量检测、调整工作。消除工艺烧嘴尖端出现的龟裂、磨损、开裂等缺陷。

（4）在装置试车及日常操作中，精心操作。保证工艺烧嘴冷却水流量稳定，水压稳定。工艺烧嘴冷却水流量调节幅度要小。缩短工艺烧嘴插入气化炉至投料成功的时间。

（5）在日常操作中，稳定气化炉操作压力，加减负荷时应缓慢进行。

4 燃烧反应室耐火砖使用寿命短的问题［3］

4.1 耐火砖使用寿命短的原因

（1）多元料浆与氧气混合物出喷口后的喷射角（亦称雾化角）决定了火焰的直径和长度。为了避免气流与火焰对气化炉内衬的直接冲刷，要求喷出火焰的直径必须小于气化炉炉膛直径，长度必须小于炉膛的有效高度。烧嘴外头出口处烧缩后，其内表面不再平直，变成了弧面，这样，在环隙减小、外环氧出口流速增大的同时，外环氧喷出方向亦发生了改变，出口角度大于正常的30°，引起煤浆雾化区域上移，且向四周喷射速度增大，燃烧的煤浆流直接冲蚀炉砖，出现如前所述的炉砖损坏。

（2）气化炉燃烧室耐火砖承受高温高压的同时，还要承受高温熔融煤灰的冲刷及侵蚀。

（3）用来制浆的原料煤灰熔点过高。

（4）气化炉操作温度过高。

（5）耐火砖质量差、耐火砖结构设计不合理、筑炉质量太差。

4.2 处理措施

（1）停炉检查工艺烧嘴环隙偏差、同轴度、回缩量误差，并修复。如果无法修复，可考虑更换工艺烧嘴。

（2）选用灰熔点较低的原料煤，适当降低气化炉操作温度。

（3）在气化炉壳体与耐火砖之间设置水夹套锅炉，降低向火面耐火砖表面温度，使高温熔融的灰渣在其表面均匀分布结渣，当渣层增厚到一定程度时，高温熔融灰渣与向火面耐火砖、夹套锅炉间的传热效率下降。熔融灰渣不会再被冷却粘结在耐火砖上，而在耐火砖表面形成的均匀渣层就可以保护向火面耐火砖免受高温熔融灰渣的冲刷及侵蚀。这样做，同时还扩大了气化原料煤的选择范围。

（4）使用高质量的耐火砖。

（5）改进耐火砖的结构设计，注重筑炉质量。

（6）烘炉时严格按照烘炉方案操作，保证烘炉质量，延长气化炉耐火砖的使用寿命。

5 黑水处理系统问题［3］

5.1 黑水处理系统出现问题的原因

三流道单喷嘴多元料浆气化工艺的一个特点是，工艺用水量较大，但约有三分之二的水是自身循环使用，因此，三流道单喷嘴多元料浆气化装置中都设计有一套黑水闪蒸冷却、固液沉降分离与灰水阻垢回用的工序。在实际运用中，各装置都遇到类似的问题，即管道、机泵结垢与激冷环堵塞，只是程度不同而已。这种现象的发生，轻者影响负荷，严重时则须停车。出现此类问题的主要原因有以下几个。

（1）制浆用原料煤的灰熔点过高，灰分含量偏高。

（2）助熔剂添加量过大。

（3）循环黑水碱度过大，分散剂、絮凝剂含量过低，造成循环黑水固体颗粒含量严重超标。

（4）工艺用水水质较差。

（5）工艺流程设计有问题。

5.2 措 施

（1）选用灰熔点较低，灰分含量较低的原料煤磨制煤浆。

（2）严格控制助熔剂用量。

（3）适时调节循环黑水碱度，做好分散剂、絮凝剂的配制及添加工作，降低循环黑水中固体颗粒的含量。

（4）改善工艺用水水质。

6 气化炉壳体局部过热问题［3］

6.1 气化炉壳体局部过热的原因

三流道单喷嘴多元料浆气化炉在试车初期，会出现局部过热现象。通常在以下部位出现过热现象：一是测温测压孔周围；二是拱顶与顶部喷嘴法兰缩口区域。分析其原因，主要是高温气在过热部位出现流动所致。造成拱顶高温气串动的原因，主要是在拱顶背衬砖后高铝质轻质保温浇铸层的施工出了问题，在该区域出现了空腔。

6.2 解决问题的措施

（1）将测温孔与测压孔用耐火保温棉填实，防止高温气串动；

（2）严把筑炉质量关，特别是拱顶保温层浇铸施工质量；

（3）进一步改进拱顶保温层设计；

（4）筑炉施工结束后，严格按照技术要求在15d内进行烘炉，以保证拱顶浇铸层的质量；

（5）设计时，不推荐在涡流较强的拱顶设置测压与测温孔。

［1］于遵宏，王辅臣.煤炭气化技术 ［M］.北京：化学工业出版社，2010，7.

［2］王旭宾.德士古煤气化装置运行状况及问题的探讨 ［J］.煤气与热力，1997，20（6）：6～9.

［3］王旭宾.德士古煤气化工程技术问题的探讨 ［J］.煤气与热力，2004，27（4）：197～199.