浅析航天炉激冷室气液固三相流态化失衡的诱发因素及技改方向

王军伟

（河南晋开化工投资控股集团有限责任公司，河南 开封 475002）

0 引 言

航天炉正常运行时，熔渣和粗合成气经激冷环进入激冷室，在激冷室内高温熔渣与激冷水接触后迅速降温、粒化，并产生大量水蒸气，粗渣、粗合成气与黑水在激冷室中分离，实现粗合成气、液态水、固态熔渣的分离。分离出的粗合气经过文丘里洗涤塔洗涤，以达到回收热量、分离灰渣的目的，然后相对洁净的粗合成气送入后续工序；熔渣经破渣机断续排出，富含悬浮物及细灰的黑水则经外排管道进入后系统进行处理。

在激冷室内，激冷水分为两路，一路通过激冷环的小孔斜向45°喷出，起到保护激冷环的作用；另一路通过流道沿下降管流下形成水膜，起到平衡下降管内外壁温度、保护下降管不受高温烧蚀、平衡激冷室气液固三相流态化的作用。若航天炉激冷室气液固三相流态化失衡，其直接危害有：激冷环和下降管堵塞、变形、烧穿，激冷室内部因结垢有效容积降低，炉壁超温、变形、穿孔，从而导致系统运行周期缩短，检修频率与检修费用增加。以下就河南晋开化工投资控股集团有限责任公司（简称河南晋开）航天炉所用原料煤煤质特点，将理论与实际相结合，分析航天炉激冷室气液固三相流态化失衡的诱发因素，以期延长航天炉的运行周期，提高经济效益。

1 气液固三相流态化失衡的诱发因素及其理论依据

1.1 盐效应

弱电解质溶液中加入与之没有相同离子的强电解质时，由于溶液中离子总浓度增大，离子间相互牵制作用增强，使得弱电解质解离的阴、阳离子结合形成分子的机会减小，从而使弱电解质分子浓度减小、离子浓度相应增大，解离度增大，这种效应称为盐效应。当溶解度降低时，为盐析效应；反之则为盐溶效应。盐效应对气液、液液、固液相平衡的影响具体表现在如下5个方面：①盐的加入会使溶液饱和蒸气压降低，溶剂沸点升高；②盐与溶液中特定溶剂呈缔合状，导致溶液结构发生变化；③加盐后体系平衡气相中各组成发生变化；④盐的加入使溶液体系相互之间的溶解度发生变化；⑤盐的加入引起溶解的某种固体或气体溶质溶解度发生变化［1］。

1.2 稀溶液的蒸气压下降

含有难挥发性溶质的溶液，其蒸气压总是低于同温度纯溶剂的蒸气压，溶液中难挥发性溶质浓度愈大，溶剂的摩尔分数越小，其蒸气压下降越多。

1.3 激冷水水质

因洗涤塔底部的水含固量高，易造成激冷水系统的堵塞，而固体颗粒沉积堵塞激冷环管会造成激冷水流量下降，粗合成气及粗渣不能有效降温；激冷水中固含量高，也会因盐效应对激冷水沸点及激冷水产生饱和水蒸气的能力产生影响；激冷水硬度大、碱度大，易形成垢片堵塞激冷环的喷水口，使激冷环及下降管局部水膜缺损，导致高温粗合成气或熔渣直接与下降管接触而对其造成损伤。

1.4 激冷室内结垢

碳酸盐结垢：垢物成分以碳酸钙为主，也有少量的碳酸镁，据形成条件不同分为疏松海绵状和坚硬硬垢状，多形成于激冷环流道中。

硫酸盐结垢：垢物主要成分为硫酸钙，坚硬而致密，常沉积在下降管与上升管环隙中。

硅酸盐结垢：垢物主要成分为硅钙石（5CaO·5SiO2·H2O）或镁橄榄石（MgO·SiO2），其特性为硬度大、导热系数小，常沉积在激冷室下降管外壁上。

混合结垢：由钙和镁的碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐以及铁铝氧化物等组成，主要沉积在黑水管道，多为层叠状，非常坚硬。

1.5 原料煤煤质

原料煤煤质不同，其元素含量、灰成分、灰熔点等就不同，粉煤在航天炉炉膛内燃烧后，灰分中的游离Ca2＋、Mg2＋等的含量就不同，而游离Ca2＋沉积是影响激冷室气液固三相流态化的重要因素。

2 河南晋开航天炉所用原料煤煤质分析

河南晋开航天炉所用原料煤煤质分析数据如表1。可以看出，煤样灰成分中以CaO、Al2O3、SiO2为主，且原料煤灰熔点受Al2O3、SiO2含量的影响较大。因粉煤在航天炉炉膛内的燃烧时间非常短，灰分中会有一部分的游离Ca2＋以悬浮物形态存在，游离Ca2＋的沉积会对激冷室气液固三相流态化产生明显影响。

表1 河南晋开航天炉所用原料煤煤质分析数据

3 下降管处气液固三相流态化失衡的分析

正常流态化情况下，航天炉燃烧室下部连续排出的熔渣和粗合成气同激冷环流道在下降管内表面形成的激冷水膜接触，激冷水膜使流动的高温熔渣冷却、粒化而进入激冷室液面以下，高温灰渣中的游离Ca2＋进入水系统中形成悬浮物，高温熔渣冷却产生的蒸汽与粗合成气一起进入环隙，经破泡板后部分水回流，且因下降管外壁在激冷水水膜冷却下温度低于上升的粗合成气温度，粗合成气中的部分水蒸气会在下降管外壁冷凝回流，气流中夹带的大部分悬浮物及灰渣会随着冷凝形成的回流液返回激冷室，下降管外壁处在回流液的冷却下，热量及物料达到流态化平衡。而当下降管局部水膜变薄引起下降管外壁温度升高时，回流液量会减少，该区域的流态化平衡就会被打破。

当激冷环流道结垢后，会引起该流道处激冷水流量降低，该区域下降管内表面的水膜就会变薄而产生高温区域，下降管外侧的回流液中的游离Ca2＋与粗合成气中的酸性气（CO2）就会发生反应而形成结垢，因垢物（CaCO3）的导热性较差，结垢处在高温作用下缓慢产生不可逆变形，变形区域的材质也发生变化，严重时会导致下降管烧穿；且因下降管外壁部分区域温度高，回流液量变小，回流液带回激冷室中的悬浮物及灰渣的量也变少，趋于建立新的平衡，大量悬浮物及灰渣被带入粗合成气管道及文丘里洗涤塔中，悬浮物及灰渣在粗合成气管道内部结垢速度加快，引起粗合成气流通面积减小，粗合成气流速加快，大量悬浮物和灰渣又随粗合成气进入文丘里洗涤塔，洗涤塔内洗涤水水质持续变差，引起激冷水水质变差，如前所述，激冷水水质变差又会带来一系列的影响，如此形成恶性循环，导致航天炉的运行周期缩短。

4 下降管出口处气液固三相流态化失衡的分析

航天炉下降管出口处高温块状渣进入激冷室液面下，激冷室液面下的水汽化产生大量水蒸气，水蒸气随粗合成气通过下降管与上升管之间的环隙上升，粗渣经破渣机破碎后经渣锁斗排出，下降管排出的高温渣块冷却过程中连续产生的水蒸气产生的气泡在粗渣周围形成流态化保护层，该流态化的保护层随水蒸气的上升向液面周边扩散，熔渣表层中游离Ca2＋优先在激冷水中形成悬浮物随水蒸气泡向液面外围移动，随黑水经管道排至高压闪蒸罐；熔渣中游离Ca2＋在激冷水中形成悬浮物的量与熔渣的停留时间有关，如因排渣系统故障激冷室底部大量集渣，会延长熔渣在激冷室内的停留时间，游离Ca2＋在激冷水中形成悬浮物的量持续增多，下降管出口处气液固三相流态化就会失衡。

航天炉集渣状态下的炉况数据及水质分析（河南晋开航天炉排渣周期为30min，故取样周期为30min，取样位置为沉降槽溢流堰处）数据见表2。可以看出：激冷室内持续大量集渣时，粗渣周围流态化保护层被打破，下降管出口处气液固三相流态化就会失衡，熔渣表层大量游离Ca2＋在激冷水中形成悬浮物，黑水中悬浮物含量、碱度、硬度大幅上升，粗合成气夹带悬浮物量也明显增加，下降管与上升管环隙中形成大量结垢；集渣后渣口压差明显上升，航天炉负荷降低后渣口压差又开始下降；激冷室内持续大量集渣后，随着熔渣在激冷室停留时间的延长，带入激冷水中的热量也增多，黑水温度升高，航天炉负荷降低后黑水温度又有所下降。简言之，激冷室内部结垢可看作是热量在激冷室内部滞留的一种表现形式。

表2 航天炉集渣状态下的炉况数据及水质分析数据

5 技改方向

鉴于航天炉系统工况复杂、严苛，且影响因素较多，为避免因激冷室气液固三相流态化失衡影响气化炉的长周期、稳定运行，结合生产实际，笔者提出如下2个技改方向。

5.1 技改方向之一

原料煤煤种不变、负荷稳定的情况下，航天炉运行时带入水循环系统中游离Ca2＋的量也趋于稳定，航天炉正常运行时系统水温基本恒定，此时碳酸钙的溶解度实验数据见表3。可以看出：相同温度条件下，碳酸钙的溶解度随压力的升高而增大；而在相同压力条件下，碳酸钙的溶解度随温度的升高而减小［2］。

表3 碳酸钙溶解度实验数据

CO2在水中的溶解度实验数据见表4。可以看出，CO2在水中的溶解度随温度的升高而减小。而碳酸钙的溶度积因此，可以在最佳温度下通过空气中的CO2大量进入水中与Ca2＋形成碳酸钙而对Ca2＋予以脱除，据表3和表4的数据，碳酸钙在水中的最佳形成温度为50℃。

表4 CO2在水中的溶解度实验数据

针对游离Ca2＋在水中的富集，可用凉水塔将沉降槽溢流出来的灰水冷却至50℃，冷却的过程中空气中的CO2进入水中，与水中的Ca2＋反应生成碳酸钙结晶，经过沉淀池对凉水塔排出的灰水进行沉淀，再将碳酸钙结晶排出系统，清水则进入灰水槽，从而消除航天炉水循环系统存在的Ca2＋富集现象，缓解各部位结垢，以达到提高航天炉内件寿命、延缓系统结垢周期、提升系统运行周期、稳定后系统工况、提升综合经济效益的目的。

5.2 技改方向之二

激冷室气液固三相流态化平衡主要靠激冷水对下降管内外壁的冷却予以维持，激冷水水质及流量是维持流态化平衡的关键。生产中，激冷水过滤器对激冷水中较大的杂质进行过滤，以防堵塞激冷环出水口，但实际生产中航天炉停车后对激冷水过滤器进行隔离检查，发现激冷水过滤器下部沉淀区结垢严重，排污阀因结垢无法动作，激冷水过滤器内部滤板孔洞堵塞严重，即激冷水过滤器的作用大打折扣。

激冷水过滤器的正常排污步骤：在线切出→打开排污阀→排污至捞渣机→关闭排污阀→多次充液排放→确认激冷水过滤器内部干净→投用。实际操作中，激冷水过滤器投用一段时间后进出口阀门及排污阀因内部结垢动作困难，很难关到位，内漏风险很大，导致排污时危险系数大，对系统长周期运行不利。为此，需改进工况，可论证如下激冷水过滤器连续排污及增设补偿系统的可行性。

（1）激冷水过滤器连续排污系统流程：激冷水过滤器底部阀在开车期间常开，建水循环期间标定好激冷水过滤器连续排污的流量；污水排至激冷水排污二级闪蒸器减压，减压后的污水与絮凝剂泵送来的絮凝剂在混合器内充分混合后送至沉降槽，激冷水排污二级闪蒸器闪蒸出来的气体经冷却分离后送至火炬燃烧，分离出来的水亦排至沉降槽。

（2）激冷水（过滤器）补偿系统：因连续排污会引起进入激冷环的激冷水流量、压力下降，为满足正常生产所需，可通过新增激冷水补偿泵补水（加药）对激冷水过滤器处的激冷水流量及压力进行补偿，通过调节补偿系统的补水量及加药量有效保证送入激冷环的激冷水水质及流量。

（3）激冷水过滤器连续排污系统安全保障：为防止因补偿泵断流等突发状况对激冷水流量产生影响，将激冷水（过滤器）补偿系统与激冷水系统建立流量及压力联锁，紧急情况下可将本系统迅速切出，以保证航天炉的正常运行。