Shell煤气化炉渣屏结渣原因研究

郭肖选，张家超

(河南龙宇煤化工有限公司，河南永城 476600)

对此，国内学者和同类装置的技术人员均有研究。淡树林[1]分析了Shell煤气化炉内流场特征对堵渣的影响；吴昌保等[2]从气化炉结构、煤质等原因分析气化炉堵渣的主要原因；张建法等[3]采用糖浆模拟的方法研究Shell煤气化炉渣池内熔渣流动特征。本文主要是从煤质的黏温特性进行分析，探讨堵渣的原因及解决措施。

1 气固两相流动特性

Shell煤气化炉的4个煤烧嘴与气化炉轴线呈4.5°夹角，煤烧嘴喷出的煤粉因错位而形成旋流场，在烧嘴截面中心造成负压旋流涡。有部分没有受到负压影响的流体进入气化炉上部，经换热后离开气化炉。煤烧嘴中心喷出的煤粉与烧嘴套管喷出的氧气混合燃烧，燃烧后的颗粒被气体携带着运动，颗粒的运行轨迹见图1。

图1 气化炉轴截面流线分布

颗粒从煤烧嘴中喷出后，在气流曳力的作用下呈螺旋状上下运动，在Shell煤气化炉中表现出明显的旋转特性。由于煤烧嘴附近存在负压旋流和卷吸，大部分向下旋转的颗粒会返回烧嘴附近。一些不受卷吸影响的颗粒在重力作用下继续向下移动，大部分颗粒会与壁面接触形成固体渣层，少量颗粒经过渣口时不与壁面接触而沉积。进入渣口后，部分流体向下旋转后又向上旋转，最后进入气化炉合成气冷却器侧。

流体在气化炉的运行过程中，一些颗粒在流动时会与气化炉水冷壁接触而发生沉积。经过一系列变化，在水冷壁上形成渣层，见图2。

图2 颗粒沉积与渣层形成过程

首先，煤粉中的无机盐吸附在气化炉水冷壁上，然后，外表面高黏度的灰粒被气流夹带，沉积在气化炉表面，形成固体结渣层。随着固体结渣层不断增厚，壁面热阻升高，导致固体结渣层表面温度升高，最终超过相变温度，形成流动的液体结渣层，实现了流失的液态渣与沉积颗粒的动态平衡。

流动状态的液态渣在进入渣口后发生破裂形成渣丝或渣滴，因其密度比较大，并不会因气化炉中心的气流曳力返回气化炉，而是受重力作用向下流动；部分液态渣在旋流作用下，与渣屏接触并吸附其上；在渣屏上的渣经过不断沉积最后形成了较厚的固态渣层。当固态渣层达到一定厚度时，因自身重力大于渣层与渣屏的黏附力，导致固态渣层脱落，堵塞渣池底锥，气化装置被迫停车。渣屏结渣示意图见图3。

图3 渣屏结渣示意图

2 渣屏结渣

2.1 渣屏环形空间温度上升

由于渣屏耐火材料表面挂渣后，渣屏的厚度增加、传热系数下降，渣屏环形空间的热量无法被带走，导致渣屏环形空间(13TI-0038AB)温度波动，最高可达到380 ℃，最低为160 ℃，见图4。

图4 13TI-0038AB运行期间温度波动范围

2.2 破渣机油压波动

13TI-0038AB渣屏上黏附的渣达到一定厚度时，渣层自身重力会大于渣层与渣屏的黏附力，导致渣块脱落，表现为破渣机油压(14PI-0401)波动，见图5。

图5 14PI-0401运行期间油压波动趋势图

2.3 排渣不畅

渣块脱落后，由于渣锁斗(V-1403)属于间歇式收料，会导致渣块在渣收集罐(V-1402)或V-1403底部堆积，再次排查时会造成下渣不畅。V-1402下渣不畅主要表现在V-1403压力降低、排水增压泵(P-1402)流量降低。V-1403下渣不畅主要表现为V-1403液位不降低、捞渣机电流不上升等。

首先将高纯锡样品加工至仪器分析要求的尺寸；用车床刨光处理样品分析面使其待测面光滑平整(能完全遮挡住样品盒中激发孔并保证无缝隙露出)；用硝酸和超纯水配制出5%稀硝酸，将待测样品进行泡洗后再用超纯水反复清洗，之后在干净环境用普通氩气将其吹干。

2.4 渣样颗粒度较大

观察长皮带上的渣样，直径为15～20 mm的颗粒渣较多，且经常出现直径为50～80 mm的较大块状渣，见图6。

图6 现场渣样的颗粒度较大

2.5 渣屏渣脱落堵塞渣池

煤气化装置停车后，气化炉温度整体降低，偶尔会有渣块堵塞V-1402底锥。在人工排堵时，V-1403中更多的冷氮气进入渣池，冲击渣屏上的渣，导致整体脱落，造成渣池底锥堵塞，见图7。

图7 渣脱落堵塞V-1401底锥

3 原因分析

煤灰的黏温特性是Shell煤气化炉的一项重要指标，正常排渣黏度是5～10 Pa·s，最高不能超过25 Pa·s。液态渣在重力作用下停止流动的黏度为100 Pa·s 。

3.1 降温速率的影响

降温速率对黏温特性中的临界黏度影响较为明显，当降温速率由15 K/min降至5 K/min时，临界黏度温度由1 400 ℃升至1 490 ℃。主要是由于降温速率较大时，停留时间变短，降温过程中形成的晶体没有足够的时间长大，减小了对黏度的影响(见图8)。

图8 不同降温速率下的黏温特性变化

降温速率对熔渣的影响还可以从热力学角度考虑。当降温速率较大时，熔渣的热力学路径为S形，由液相转化为过冷液体，随后转化为玻璃体；反之，当降温速率较小时，其热力学路径为C形，由液相转化为固液混合的多相，当温度低于转换温度时开始形成晶体[4]。

通过对本Shell煤气化装置入炉煤的煤样进行黏温曲线分析(见图9)，由数据分析得出入炉煤的黏温特性较差结论(见表1)。

表1 熔渣的黏温数据

图9 熔渣的黏温曲线

由于入炉煤的黏温特性较差，为防止气化炉温度过低导致渣的黏度过大，需提高气化炉炉温，以降低渣口附近熔渣的黏度。而受渣池喷淋水的影响，渣口下方空间的温度降速过大，且与渣口上方的空间温度差别较大。李文等[5]针对降温速率对煤灰黏温特性的影响研究表明：当熔渣进入渣口下方时，由于降温速度过快，熔渣没有足够时间长大，熔渣会随着气化炉旋流黏附在渣屏上，之后会逐渐形成晶体，当积累到一定厚度或受气化炉压力波动等因素影响时，渣块脱落，严重时气化炉停车。

3.2 操作负荷的影响

根据张建法[3]的方法，模拟黏度不变时，随着操作负荷的增加，黏附率或沉积率先升高后又缓慢降低，在100%负荷时渣屏上的黏附率或沉积率最大。试验表明：渣屏上的液态渣沉积率会随着操作负荷的上升而上升。其原因是操作负荷增大会使渣口区的旋转气流强度增大，进而使熔渣沉积率上升。

通过实践证明，随着操作负荷的降低，渣系统负荷也会降低，进而渣池的整体温度降低。所以，负荷的降低也无法避免渣屏结渣。

4 优化操作建议

4.1 通过配煤优化入炉煤黏温特性

对进入Shell煤气化炉的原料煤分别取样分析其黏温特性，根据各原料煤的黏温特性进行配煤，使原料煤的黏温特性尽量靠近玻璃渣或塑形渣。严禁使用高温下黏度变化剧烈的煤种，此类煤种的流动性在很窄的温度范围内呈现出巨大差异，导致气化炉堵渣。

配煤时，需注意：(1) 配煤的两种煤其灰分差保证在10%以内，以防止因配煤不均导致灰组分波动，出现工况波动；(2) 配煤时需考虑尽量保证入炉煤的灰组分足够低，既减轻冷却器侧磨损又减轻灰组分的大幅波动；(3) 配煤后保证入炉煤的灰熔点在1 340～1 400 ℃之间；(4) 灰组分中硅铝比大于1.8,且Al2O3质量分数不超过25%。

4.2 提高渣池喷淋水温度

在煤种暂时无法改变时，关闭渣池喷淋水冷却器循环水调节阀，渣池喷淋水温度控制在40 ℃以上，以提高渣池的空间温度。同时，降低渣口以下渣池的降温速率，以减轻渣屏结渣。

5 结语

渣屏结渣是众多Shell煤气化装置经常遇到的难题，虽然通过煤灰熔融特性的4个特征温度可以粗略地判断煤灰熔融后的流动性，但对于采用液态排渣的气化炉是远远不够的，因此在配煤时要参考煤种的黏温特性。