水煤浆气化炉上升管与下降管之间堵塞的原因分析和预防措施

吴晓晨

（中煤陕西榆林能源化工有限公司，陕西 榆林719000）

中煤陕西榆林能源化工有限公司（简称榆能化公司）180万t/a甲醇装置采用GE水煤浆加压气化技术（燃烧室直径3 200 mm，激冷室直径3 800 mm），甲醇作为中间产品，用于生产30万t/a聚乙烯和30万t/a聚丙烯，装置共设置8台气化炉。2014年6月水煤浆气化炉一次性投料成功，7月产出合格甲醇，8月产出合格聚烯烃产品。从2018年开始，气化炉上升管与下降管环隙堵渣造成气化炉频繁停车，不能保持长周期运行，也给检修作业带来巨大的挑战。本文分析了气化炉内上升管和下降管之间环隙堵塞的原因，并从工艺操作、设备改造等方面提出相应的建议。

1 水煤浆气化工艺流程

合格的水煤浆与氧气（纯度99.6%）经过三流道烧嘴充分混合后，在气化炉燃烧室内进行不完全氧化反应。煤浆燃烧之后，生成粗煤气和残留物，经过激冷环进入到激冷室，进行冷却分离，粗煤气在洗涤后经过粗煤气管道进入文丘里再次洗涤，然后进入洗涤塔水浴洗涤，最后经洗涤塔塔盘水洗涤后，送至下游变换工段。残留物经过激冷室水浴后，进入锁斗，定期排向捞渣机，外运至渣场。

2 气化炉上升管与下降管环隙堵塞的现象

通过分析2017年1月至2020年4月8台气化炉的堵塞情况，总结出气化炉上升管与下降管环隙堵塞的现象如下：

（1）气化炉支撑板温度缓慢上升。支撑板4个测温点中的1～3个由246℃缓慢上涨到280℃～320℃，甚至更高。一般情况下，支撑板温度一旦上涨到270℃以上，上涨的速度会加快，可能在不到24 h内突破到300℃以上。

（2）气化炉液位缓慢上涨。气化炉液位由35%～40%缓慢上升到80%～100%，甚至出现超量程现象。一般情况下，气化炉液位是在气化炉支撑板温度上涨到260℃之后才开始缓慢上涨，且当气化炉液位达到70%以后，液位计会出现忽高忽低大幅波动（波动范围16%～80%），如果此过程补水不及时的话，气化炉可能随时有跳车的风险，也有可能一直上涨至80%～90%后稳定运行十几天。

（3）洗涤塔高压灰水补水流量缓慢减小，甚至到0。洗涤塔高压灰水补水流量前期正常，逐渐缓慢减小，最后发展到不补水。在此过程中，洗涤塔液位一直缓慢上升到85%～100%，甚至出现超量程现象。

3 堵塞原因分析

3.1 工艺烧嘴匹配问题

3.1.1 工艺烧嘴尺寸匹配问题

装置原设计由美国通用公司生产7台工艺烧嘴，因其价格昂贵，加之国内生产水煤浆工艺烧嘴的技术成熟，价格适中，后期委托沈阳黎明有限公司代为生产。由于国内生产的烧嘴与原设计烧嘴不尽相同，加之煤种的波动，国内生产的烧嘴很难与GE水煤浆气化炉很好匹配。

3.1.2 工艺烧嘴雾化角、中心氧分配比例匹配问题

由于国内生产的工艺烧嘴尺寸与原设计烧嘴尺寸存在一定的差异，导致气化炉工艺烧嘴在实际工作中的雾化角不同，使煤浆在气化炉燃烧室内不能充分雾化，和氧气接触的比表面积较小，被包裹在内的部分煤浆可能根本没有参与氧化反应。该部分煤浆随粗合成气和粗渣一起进入激冷室进行水浴冷却和洗涤，由于煤浆相对合成气和粗渣黏度较大，在冷却和洗涤过程中逐渐黏附在上升管和下降管之间的管壁上。随着气化炉的运行，黏附在上升管和下降管之间管壁上的煤浆和粗渣越积越多，最终将上升管和下降管之间的环隙全部堵塞。

粗合成气经激冷室水浴冷却后，一般按照体积比7∶3的比例分配，分别经上升管和下降管之间的环隙及上升管外围向上去粗合成气管线，进入洗涤塔。气化炉激冷室内上升管和下降管之间的环隙部分堵塞时，气流分配被迫打破。通过上升管和下降管之间环隙的气量逐渐减小，直至为0。从上升管外围到粗合成气管线的粗合成气体量逐渐增大，且在上升过程中由于未经过上升管与下降管之间的碰撞去灰，导致大量的粗合成气带着大量的灰渣冲撞和堆积在气化炉托板底部，导致气流无法在此处流动，无法降温，从而引起气化炉底部支撑板温度缓慢上升。

与此同时，由于经过上升管与下降管之间环隙和上升管外围的气流分配比例发生变化，大量甚至全部粗合成气从上升管外围上升过程中，导致气化炉液位随着气流增加而波动上涨。但在前期气体流量逐渐增加的过程中，发生了气泡共存于液体的现象，当气流量增大时，气化炉液位被迫升高；当气泡爆破后，气化炉液位快速下降，造成气化炉液位忽高忽低。当气流完全击穿液面后，气流稳定上升，液位趋于稳定并缓慢上升，直至气化炉液位显示高液位。

美国通用公司设计的气化炉中心氧分配比例为12%～25%，调节范围较宽。在实际生产运行过程中，很难找到适当的比例，只能依靠经验去探索。

3.1.3 气化炉内流场匹配问题

美国通用公司针对GE水煤浆气化炉，在一定的煤质条件、特制的工艺烧嘴、尺寸和雾化效果及流场下，进行了相匹配的仿真模型试验，并在工艺包中有相应的数据。

但国内煤质很难达到原设计值要求，也难以找到合适的工艺烧嘴、尺寸和雾化角及适合的流场，只能逐渐调试，选择适合的流场，避免雾化效果不好，保持气化炉稳定性，并探索出较为适宜的操作方式。

3.2 煤浆浓度匹配问题

GE水煤浆气化炉设计煤浆质量分数在60%～62%。煤浆浓度一旦高于其设计值，可能会造成工艺烧嘴雾化效果不好，煤浆在气化炉内燃烧不充分。未充分燃烧的部分煤浆随灰渣一起进入激冷室水浴，造成灰水水质含有较多的煤浆组分，灰水水质差，如此往复，整个系统的水质都会恶化，进而造成气化炉内的合成气带灰严重，加剧气化炉上升管和下降管之间环隙和相关管道设备堵塞。

3.3 气化炉内上升管与下降管之间环隙尺寸问题

气化炉内上升管与下降管之间环隙堵塞，可能是由于其环隙稍小、气流分配不合理，造成粗合成气夹带着大量的粗渣在气流上升过程中挂壁。此挂壁现象是粗合成气与粗渣混合在一起上升过程中，由于带渣量过大，无法彻底分离，造成多余的粗渣黏附在环隙内壁所致。

4 处理方式和预防措施

4.1 处理方式

4.1.1 气化炉液位缓慢上升期，每天上涨1%～2%

此时属于气化炉上升管与下降管环隙堵塞前期。可以适当加大激冷水流量、气化炉排水量和洗涤塔排水量，降低气化炉负荷，提高氧煤比。当气化炉液位上涨到65%以上时，建议气化炉停车后连投一次。

4.1.2 气化炉支撑板温度缓慢上涨期，每天上涨0.5℃～2.0℃

在265℃以下时，属于气化炉上升管与下降管环隙堵塞前期，即有少量堵塞，支撑板处有少量渣凝结固定。可适当降低气化炉负荷，加大激冷水流量、气化炉排水量和洗涤塔排水量。当气化炉支撑板温度上涨到大于265℃时，建议气化炉停车后连投一次。

4.1.3 气化炉液位大幅波动期（30%～75%波动）要加大激冷水流量，适当加大气化炉排水量；液位向低液位波动大时，可以紧急关小气化炉排水量；有气化炉底部事故补水管线时，紧急打开补水阀，向气化炉底部补水。无法保证充足的补水时，气化炉可能会由于气化炉低低联锁跳车。

4.1.4 气化炉支撑板温度快速上涨期

此时支撑板温度一般已经大于270℃。要在第一时间紧急降低气化炉负荷至半负荷，加大气化炉激冷水流量和气化炉、洗涤塔排水量。4个支撑板温度点中有2个或以上的点快速达到320℃以上时，紧急停止该气化炉运行。

4.1.5 气化炉液位高（大于80%），洗涤塔不补水，支撑板温度稳定期（300℃以下）

可以继续观察运行。为延长气化炉使用周期，可以降低气化炉运行负荷。

4.1.6 气化炉支撑板温度高温期（大于300℃并继续上涨）

此时一般有2个及以上支撑板温度超过320℃时，立即停车。

4.2 预防措施

4.2.1 煤质不稳定、工艺烧嘴无法找到合适尺寸、上升管与下降管暂时无法改变尺寸时：（1）控制气化炉温度高于T4温度（煤灰流动温度）50℃～100℃，尽量充分燃烧多余的原料煤；（2）保持较好的灰水水质；（3）在允许的条件下，维持低负荷运行，加大系统循环水量；（4）在气化炉液位计或支撑板温度波动前期，不更换工艺烧嘴情况下连投一次，通过热胀冷缩，使少量的环隙堵渣脱落下来。

4.2.2 改变上升管与下降管环隙尺寸

重新核算气体流量，适当扩大上升管与下降管之间的环隙。

4.2.3 匹配烧嘴尺寸与雾化角

此方案较难。要有连续适当的原料煤种，收集、分析大量的煤质数据，并与烧嘴尺寸匹配，做出一定的数据模型，才有可能实现很好的匹配。