气化炉托砖盘温度异常原因分析及管控思路探讨

王云刚，刘克存

（陕西咸阳化学工业有限公司，陕西 咸阳712000）

陕西咸阳化学工业有限公司（以下简称咸阳公司）甲醇项目作为国内第一批建成的首套单系列60万t/a甲醇项目，其核心气化装置采用GE单喷嘴水煤浆加压气化激冷流程，气化装置共设置有3台气化炉，正常生产运行模式为2开1备。

咸阳公司气化炉满负荷运行期间，曾连续发生5次因气化炉托砖盘超温被迫停车检修事故，其中最严重的一次是在气化炉停工大检修后仅运行了18 d就出现了托砖盘4支热电偶中3支温度超过300℃。托砖盘超温易引起托砖盘（支撑板）强度下降，严重情况下还会造成托砖盘局部烧穿等恶性事故的发生，因此正常生产运行中当DCS监测到托砖盘温度异常超温，在无法查明原因的情况下，为确保气化炉设备内件安全和避免发生不可控的生产安全事故，对故障气化炉均采取紧急停车处置措施，这样一来势必影响整个生产装置的连续运行。因此，探讨分析气化炉托砖盘温度异常上涨的原因，并采取相应的应对措施，对整个水煤浆加压气化装置长周期稳定运行尤为重要。

1 气化炉托砖盘位置及作用

气化炉内件中的托砖盘（支撑板）设置在燃烧室锥底部，与气化炉炉壁呈45 °夹角设置，其钢板壁厚达90 mm，上部托举129 t耐火材料。托砖盘下部表面设置有4支热电偶，呈90 °分布，与气化炉内粗煤气直接接触。正常生产条件下，托砖盘（支撑板）除直接承受着耐火材料自身重量外，同时承受炉内1 350℃熔融态灰渣传递的热量。正常生产期间，主要由激冷室淬冷后的245℃的粗煤气与托砖盘表面进行热量交换，强制对托砖盘表面进行冷却降温，使其温度保持在245℃左右，与出气化炉粗煤气温度保持一致[1]。

2 托砖盘超温现象及危害

（1）咸阳公司气化炉在煤浆负荷80 m3/h下正常运行，各项工艺指标均在设计运行指标范围内，但气化炉运行一周到半个月后，托砖盘1支测温热电偶温度由原来的245℃开始缓慢上涨，最快时每天上涨1℃，在此期间气化炉渣口压差、煤浆压差、气化炉液位、洗涤塔液位、捞渣机渣量、粗渣的形状、粗煤气成分均无异常。随着气化炉运行天数的增加，另外几支热电偶温度也开始上涨，上涨幅度最大每天3℃，在此期间，多次对热电偶进行检查调校，均排除仪表假指示故障。

（2）在气化炉托砖盘温度异常上涨期间，伴随有激冷水量的缓慢下降，为维持气化炉液位在40%左右，通过减小气化炉排黑量、加大高压灰水泵进洗涤塔水量、加大洗涤塔底部排黑量操作，来弥补气化炉排黑量减小引起的洗涤塔水质变差，更重要的是通过加大洗涤塔排黑量，尽可能地减少进气化炉激冷水中固含量，保证气化炉内激冷水中固含量在正常指标内。

（3）在气化炉运行期间，随着托砖盘温度的普遍快速上涨，出现气化炉液位波动大现象，且粗煤气出口温度快速上涨，为确保设备安全，生产系统不得不紧急停车。

（4）渣口压差波动大，从正常生产时的0.01 MPa上涨至0.12 MPa，气化炉燃烧室操作压力也随之变大，锁斗压差、气化炉和洗涤塔压差也开始缓慢上涨，但粗煤气成分波动不大，基本可以排除渣口压差上涨是因为粗煤气带灰严重造成的粗煤气出气化炉管道口处积灰所致，这也与历次发生渣口压差升高而粗煤气成分无异常波动时系统停车检修后检查结果一致。

（5）托砖盘（支撑板）长时间超温运行，易造成其强度下降，引起严重变形，从而造成渣口处耐火砖松动、导致窜气，进而加快托砖盘温度上升速率，同时也可能发生因耐火砖缝间窜气，造成燃烧室炉壁局部超温，引起气化炉鼓包，缩短设备使用寿命。

3 托砖盘超温原因分析

3.1 托砖盘表面热电偶积灰严重

（1）目前国内水煤浆气化炉生产运行中，因系统普遍存在高负荷运行现象，加之目前行业普遍使用未经水洗的原煤作为气化用原料煤，此类煤灰分偏高（普遍在13%～15%，甚至更高），高灰分煤的使用，加剧了烧嘴的磨蚀和冲刷，易造成烧嘴出现偏喷、压差波动等，使煤粉在炉内燃烧不充分，大量未充分燃烧的煤粒进入气化炉激冷室水浴中，引起激冷室水质变差，加剧了粗煤气带灰带水。

（2）气化炉工艺烧嘴运行后期，出现烧嘴雾化效果变差，部分未燃烧的煤粒进入气化炉内黑水中，造成炉内水中灰渣含量升高，大量灰渣随气流带出气化炉过程中，在出气口折流罩处由于阻力增大，造成气流流速下降，最终大量灰渣附着在折流罩处的托砖盘热电偶探头处，造成托砖盘底板处热量聚集。

（3）气化炉频繁开停工及连投，造成激冷水管道垢片冷热交替收缩脱落，堵塞激冷水过滤器和激冷环出水口，引起激冷水量大幅度下降，但为了维持生产系统负荷，工艺操作上又采取了减少排黑量等不恰当操作，加剧了激冷室水质变差和粗煤气带灰带水现象，煤灰在托砖盘表面大量附着、聚集，包裹住热电偶探头，造成托砖盘热电偶探头无法有效与气化炉激冷室内245℃煤气进行热量交换，热电偶周围及探头处热量不断聚集，最终表现出托砖盘热电偶温度异常上涨。

3.2 工况变化引起的非正常操作

（1）气化炉更换烧嘴再次投料后的前3 d内，气化炉拱顶部、炉口大法兰、烧嘴法兰部位温度偏离正常生产温度，尤其是烧嘴法兰和炉口大法兰部位温度常常会高于正常值约100℃，烧嘴冷却水回水温度也同步出现高于正常值15℃～20℃，在此期间，为很快控制和恢复温度至合理范围，工艺操作上一般采取加大中心氧流量比例的方法，目的是为了适当拉长火焰，下移射流区，增大回流区[2]。通过加大射流作业，使烧嘴附近相对低压区内大量的高温气体被卷吸回流，部分未燃烧的残炭被卷吸到烧嘴头部盘管与拱顶炉口法兰间隙内，逐渐堵塞高温气流流通通道，达到减缓拱顶、炉口法兰、烧嘴法兰、烧嘴冷却水回水温度上涨趋势，最终实现以上部位温度回归正常温度范围。

然而由于中心氧流量比例加大、火焰下移，也不同程度上加剧了渣口砖的冲刷烧蚀减薄速率，引起托砖盘温度异常变化。

（2）由于气化炉煤质发生突变，如灰分突然升高，引起煤灰的黏温特性发生变化，出现渣口堵塞、变小，表现出渣口压差表指示缓慢上涨、渣出现拉丝、下渣量减少、粗煤气中CO含量升高等现象，在此期间为保证气化炉顺利排渣，不得不通过加大中心氧流量比例、拉长火焰方法来疏通渣口，这又导致渣口处原附着的渣被熔化排出，火焰有可能直接对着渣口砖部位烧蚀冲刷，最终造成渣口砖被烧蚀、冲蚀、化学侵蚀、冲刷减薄、龟裂，渣口部位砖因减薄和出现贯穿裂缝，使得高温熔融态灰渣热量很快传递到此处的托砖盘上，从而引起托砖盘温度异常上涨。

3.3 灰渣黏温特性变差，下降管内壁出现挂渣

在多次因托砖盘温度升高停车检查中，发现托砖盘（支撑板）处均有不同程度的积灰现象，同时还有3次出现下降管不同程度结渣和被烧穿现象。

（1）下降管结渣是造成托砖盘（支撑板）积灰和下降管烧穿的直接原因。下降管结渣主要是由于灰渣黏温特性的突变，使得灰渣流动性减弱，形成挂渣而造成的。下降管结渣后，造成下降管堵塞，使得气流速度变大，将熔融态灰渣拉成玻璃丝状，使灰渣容易被气流带走，并黏附在支撑板上。支撑板处灰渣积累后，热量散发减慢，导致托砖盘温度升高。

（2）下降管挂渣后，严重破坏了水膜分布，引起局部断水而烧穿下降管，导致粗煤气未经下降管水浴冷却而从下降管损坏部位逃逸，冲向气化炉粗煤气排放口上部托砖盘处，引起托砖盘温度升高。

德士古气化炉操作温度主要是参考质检分析的煤灰流动温度T4(灰熔融性温度)所决定。由于T4每周分析1次，不是实时数据，且T4检测时受主观因素影响较大(误差可达50℃)，可参考性较差。一旦原料煤的灰熔融性或黏温特性发生变化，操作人员不能及时做出相应的调整，很容易造成下降管结渣，最终导致气化炉因支撑板温度升高而被迫停车。从灰渣黏温特性角度考虑，控制一个较高的操作温度，对液态灰渣的流动是非常有利的，但这样会使耐火砖的蚀损率增大，降低耐火砖的使用寿命。

3.4 激冷水量减少引起粗煤气带灰，堵塞粗煤气环隙

（1）由于后续渣水处理系统故障，灰水中悬浮物、总溶解性固含量升高，造成灰水水质变差，激冷水沿途管网内壁结垢速率加快，同时开停工中大量脱落垢片经激冷水过滤器后，和灰水中携带的少量灰渣一起被滤网拦截下来，最终造成气化炉激冷水流量从正常值380 m3/h～450 m3/h下降至280 m3/h及以下，出气化炉粗煤气中灰含量超标，灰渣附着在托砖盘热电偶表面，造成换热效率下降。

（2）激冷水过滤器或激冷环长时间使用后，灰水中夹带的部分灰渣堵塞激冷环出水孔，激冷水量远小于正常值（380 m3/h～450 m3/h），造成气化炉内水质变差，粗煤气经下降管进入激冷室水浴后，大量熔渣固化、分层沉淀。因气化炉水质变差，一部分被粗煤气带出的细灰渣得不到很好的洗涤，与粗煤气一起沿升气罩被带入到上升管与下降管180 mm的环隙中，同时液相水由于浓缩倍数增大，水中大量灰渣附着在下降管与上升管环隙间8个定位块上，粗煤气上升气流流通截面积减小，使得粗煤气流速增大，再次加剧了粗煤气对液相黑水的相对扰动速率，黑水分散作用越来越强烈，最终导致气化炉液位被抬高，部分粗煤气从上升管外流出激冷室，托砖盘不能很好地被粗煤气冷却降温，引起托砖盘处热电偶温度急剧升高[3]。

4 处理及预防措施

4.1 日常管控方面

（1）控制气化用煤指标。针对气化用原料煤灰分偏高问题，除从用煤合同技术标中对原料煤的灰分、挥发分、固定碳、灰熔融性温度等关键指标做详细规定外，还应该在合同中详细约定对于到厂不合格原料煤采取一定比例的经济处罚措施。

（2）加强磨煤装置日常管理。日常操作中严格控制磨煤机进煤粒度在1 cm以下，同时对运行磨机采取匀速、稳定给料运行操作模式，确保磨机在最佳负荷下运行。

（3）针对烧嘴头部煤浆喷头易冲刷磨损问题，成立厂企联合攻关小组，从烧嘴头部各参数优化、煤浆喷头材质升级等方面出发，不断提高烧嘴煤浆喷头耐磨等级，延长烧嘴使用寿命。

（4）对于气化炉更换烧嘴后的头3 d易发生气化炉拱顶部、炉口大法兰、烧嘴法兰部位温度偏离正常生产温度情况，可通过在烧嘴盘管部位提前浇注氧化铝或在烧嘴盘管部位缠绕耐火棉等方式，最大限度地减小煤气窜气通道，缩短更换烧嘴后的炉拱顶及烧嘴法兰部位超温持续时间，缩短气化炉高中心氧流量比例操作时间。

（5）加强灰水水质监测。日常管理中，根据煤种选择合适的灰水分散剂、灰水絮凝剂。通过编制药剂配制岗位操作卡、药剂使用管理规定等措施，规范药剂的配制和使用，确保灰水处理药剂的正常投用。

（6）加强过滤机的日常管理。对过滤机纠偏系统、张紧装置、滤布再生装置、布料装置、卸料装置、抽真空管路进行日常维护保养，确保过滤机始终正常运行，连续不断过滤系统黑水中细渣。

（7）正常生产中，投用双沉降槽，延长灰水沉降时间。沉降槽设计尺寸Φ19 m×4.1 m，体积1 293 m3，按照黑水循环量400 m3/h计算，投用1套沉降槽，黑水在沉降槽中停留时间为3.23 h；投用双沉降槽后，黑水在沉降槽中停留时间延长至6.47 h，有利于黑水中颗粒物及胶团状污泥的沉淀分层。

（8）正常生产中，必须保持真空闪蒸系统黑水进沉降槽混合器持续供水，杜绝澄清槽进料泵出口阀长时间处于关闭状态，避免絮凝沉淀药剂无法有效在混合器内与进沉降槽黑水进行混合，造成沉降槽内上部灰水发黑、悬浮物超标，高压灰水泵入口滤网频繁堵塞、进气化炉激冷水中固含量增大，系统水质恶化，气化炉带水带灰加剧，最终引起托砖盘温度异常。

4.2 激冷水量偏低情况下管控措施

（1）降低系统热负荷。首先，将灰水加热器水路切至副线运行，降低入洗涤塔灰水水温。其次，对洗涤塔采用大排大补的方式进行操作，确保进入气化炉内激冷水水质的稳定（因为在出现激冷水量严重下降情况下，气化炉排黑量很难达到正常排黑流量）。

（2）在满足气化炉正常液位情况下，最大限度地加大气化炉排黑量，确保气化炉排黑量在不低于100 m3/h情况下连续稳定运行，严禁在操作中通过控制气化炉排黑流量的大小来稳定气化炉液位，其目的是防止发生因气化炉内水质严重恶化，出现气化炉严重带水带灰，最终无法减缓托砖盘温度上涨的趋势，还可能会造成气化炉液位持续大幅度下降，最终出现被迫停车的恶性事故。

（3）在出现托砖盘温度上涨速率增大时，不建议采取人为降低气化炉操作温度，即通过将粗煤气中甲烷体积分数提高至1 000×10-6～1 200×10-6，来实现最终降低气化炉内单位时间内产生的热量，从而达到缓解托砖盘温度快速上涨趋势。因为此操作虽然短时间看似有效，但操作不当时，还会发生因降温操作造成炉内灰渣流动性变差、堵塞渣口，煤浆燃烧不充分造成渣量增大，大量煤灰进入气化炉黑水中造成炉内水质更加恶化等现象。

（4）在出现托砖盘温度上涨速率增大时，建议可通过改变中心氧流量比例和加大氧煤比值、改变烧嘴雾化夹角和雾化效果的方法，尽可能实现出烧嘴的煤浆在燃烧室内被充分打散、煤粒被氧原子充分包裹，杜绝因部分煤粒未经燃烧而直接进入激冷室水中，造成炉内水质的进一步恶化。此操作方法在多次试验中均收到了一定的效果，如在一次2#气化炉出现托砖盘温度异常上涨中，通过采取提温操作（加大氧煤比），将甲烷体积分数控制在600×10-6～800×10-6甚至更低时，托砖盘温度上涨趋势明显减缓，且在接下来的3 d里几乎没再上涨。

4.3 下降管结渣管控措施

（1）日常生产中，要勤观察捞渣机下渣粗渣渣量及形态和DCS在线分析显示的粗煤气气体组分的变化，尤其是粗煤气中CO组分变化情况。对每台气化炉排渣情况做好详细记录，一旦发现玻璃丝状渣增加及粗煤气有效组分升高时，应主动提高炉温操作，防止下降管大量结渣。

（2）加强对系统灰水水质的监控，确保生产中激冷水量的稳定正常供应，为下降管管壁能形成一定厚度的保护水膜创造条件，减少因下降管烧穿、粗煤气短路引起的托砖盘温度异常事故的发生。

4.4 上升气流通道易堵塞管控措施

（1）对于上升管与下降管间定位块区域易造成灰逅附着结渣、堵塞上升气流通道问题，可通过将定位块数量由现在的8块减至5块的方式来增大气流通道。

（2）经过设计计算，可通过加大上升管直径来实现变相增大气流通道，同时有效降低粗煤气流速，减少粗煤气带水和带灰量。

（3）优化分散剂加入位置，将分散剂进入除氧器用量由原来的1/2调整至2/3，以提高高温、高压区域内黑水中分散剂浓度，达到有效阻垢分散气化炉内黑水固体颗粒，缓解气化炉内黑水中浮灰堆积速率。

（4）优化工艺烧嘴雾化夹角，有效降低气化炉内黑水中细灰量，达到优化水质的目的。

4.5 技术改造方面的思路

针对因激冷水量偏低导致的托砖盘温度异常频发问题，可尝试通过以下技术改造来维持气化炉液位，达到保证气化炉排黑流量正常：

（1）新增1条气化炉紧急补充液位用水管线，此路水由激冷水泵出口管道引出，可不经黑水过滤器过滤而直接送至激冷室液相内。

（2）从高压灰水泵出口去气化炉事故水管道引出一路水，直接进入气化炉激冷室液相，作为气化炉补充液位用水，此水不经过黑水过滤器。

5 管控效果

通过加强日常原料煤管控、水煤浆品质监测、加强灰水水质日常管控、优化灰水药剂添加量和位置、优化系统水平衡、重点监测DCS关键参数变化等措施，近年来气化炉运行周期明显延长，未发生一起因托砖盘温度异常上涨导致的系统非计划停工。