水冷壁气化炉渣口压差判断及其工艺优化

李晓鹏， 陈海全

(1. 新疆天业汇合新材料化工有限公司, 新疆石河子 832000;2. 新疆天智辰业化工有限公司, 新疆石河子 832000)

水冷壁气化炉分为上下两部分，上部为燃烧室，水煤浆与氧气在气化炉燃烧室发生复杂的氧化还原反应,产生的合成气经过燃烧室渣口、激冷环、下降管，进入激冷室水浴，洗去大部分细灰，除去粗渣，合成气上升由气化炉合成气出口经过合成气洗涤塔文丘里洗涤器，进入合成气洗涤塔继续洗涤净化。气化炉激冷室的上清液输送至高压闪蒸罐进行浓缩处理，粗渣进入破渣机，破除大块渣后，由锁斗排出气化炉。气化炉在运行过程中，水煤浆燃烧反应后，产生的飞灰在遇到气化炉水冷壁冷却后，呈熔融态，沿水冷壁流向渣口，最终进入激冷室，经锁斗排出气化炉[1-2]。

当气化炉灰熔点、灰分含量发生变化时，如果操作不当，会造成熔融态渣在渣口凝结挂渣，造成渣口变小，使气化炉燃烧室压力变高。为防止气化炉燃烧室超压，气化炉设置了渣口压差表。渣口压差为气化炉燃烧室与气化炉合成气出口管线压力的差值，以此差值判断气化炉渣口是否堵塞。

1 渣口压差升高的风险

气化炉在正常运行过程中，炉温的控制应比灰熔点高50～100 K。但是由于气化炉燃烧室温度正常均在1 300 ℃左右，仪表测量元件无法长期在此种环境中工作，造成气化炉内的温度无法直观显示，气化炉炉温判断只能通过渣口压差、氧煤比、水冷壁汽包产蒸汽量、粗渣形态及合成气组分含量间接判断。

当气化炉氧煤比控制与原煤灰熔点不匹配，气化炉燃烧室垮渣或者熔融态渣在渣口结渣，渣口孔径变小，燃烧室出气不畅，气化炉渣口压差升高，气化炉燃烧室有超压爆炸的风险[3]。同时，燃烧室压力升高，煤浆管线与气化炉燃烧室压差降低，氧气管线与气化炉燃烧室压差降低，合成气有反窜氧气管线和煤浆管线的风险，即回火燃烧的风险。因此，确判断渣口运行情况和保持仪表正常工作成为规避风险的关键。

2 渣口压差判断分析与优化

根据工艺运行分析，渣口压差上涨的因素有渣口堵塞、下降管堵塞、气化炉合成气出口堵塞、渣口压差表引压管堵塞、仪表故障等。

2.1 渣口堵塞

水冷壁气化炉系统流程图见图1。渣口堵塞时，气化炉燃烧室出口因结渣导致渣口变小，合成气出燃烧室受阻，造成气化炉燃烧室压力p1升高。气化炉燃烧室压力p1与气化炉合成气出口压力p2之差(渣口压差)升高。气化炉燃烧室与正常集渣时的锁斗压差升高。气化炉燃烧室压力与合成气洗涤塔出口压差升高。以上3个压差同时升高可判断气化炉渣口变小，工艺操作人员应及时调整合适氧煤比，以维持炉况稳定[4-5]。

1—气化炉；2—锁斗；3—合成气洗涤塔;P1—气化炉燃烧室压力表;P2—气化炉合成气出口管线压力表;P3—锁斗引压管压力表;P4—洗涤塔出口合成气管线压力表。

2.2 下降管堵塞

当激冷环堵塞，下降管激冷水流量不足时，熔融态的渣可能会附着在下降管上，造成下降管通道边变小，引起气化炉燃烧室压力上涨，表现为气化炉燃烧室压力p1与气化炉合成气出口压力p2之差(渣口压差)升高。气化炉燃烧室与正常集渣时的锁斗压差升高。气化炉燃烧室压力与合成气洗涤塔出口压差升高。由于激冷水的作用是保护下降管，是维持激冷室液位的关键介质，激冷水流量不足时，下降管有烧穿的风险；为维持气化生产运行，激冷水设置了备用的事故激冷水[6-7]。当激冷水流量下降到一定程度时，事故激冷水阀将打开，用高压灰水代替激冷水。

2.3 气化炉合成气出口堵塞

原煤煤质在不同时期其灰分含量、灰熔点等均是波动的，正常生产过程中，气化炉产生的合成气在经过水浴后仍然携带一定量的飞灰。气化炉合成气出口气流模拟分析图见图2。

图2 气化炉合成气出口流模拟分析图

合成气出激冷室，由于合成气出口较小，根据理想气体方程，合成气在进入合成气管口后，其流速增大，但是在合成气出口管口a区附近(见图2)，气体流速慢，飞灰会在设备管口周围附着、结垢，并进一步堆积，进而造成合成气出口管道口径变小。此时，气化炉燃烧室压力p1与气化炉合成气出口压力p2之差(渣口压差)升高。气化炉燃烧室与正常集渣时的锁斗压力差不变。气化炉燃烧室压力与合成气洗涤塔出口压差升高，气化炉合成气出口堵塞。

为了延长气化炉运行周期，对合成气出口管口进行优化技改，优化后的合成气管口气流图见图3。在气化炉合成气出口管口加装内伸管，合成气管口的飞灰失去着力点，这样可以有效降低管口积灰，减缓合成气管口堵塞。

图3 优化后的合成气管口气流图

2.4 仪表故障

在气化炉长周期运行中，由于合成气成分复杂，Cl-、H2S均可腐蚀压力表模盒，造成合成气出口管线压力测量不准，影响真正的渣口压差判断。每次停车检修时应对仪表进行检查，发现腐蚀或其他异常及时更换。

2.5 渣口压差表引压管口堵塞

气化炉合成气出口管线压力表的引压管为合成气管线支管，其内部气流不流动。随着气化炉的长周期运行，合成气携带的细灰在气化炉合成气出口管线压力表引压管内挂灰、结渣。受积灰影响，渣口压力表模盒受压降低，渣口压差增大。但是，根据气化炉燃烧室压力p1与正常集渣时的锁斗压力p3判断，其压差未增大，可确定气化炉渣口未缩小。

渣口压差表引压管口堵塞易造成渣口压差高高气化炉联锁误停车。在煤质一定情况下，应增加系统灰水循环量，提高气化炉液位，延长合成气在激冷室停留时间，增大气化炉激冷室水质置换，可在一定程度上减少渣口压差表引压管线堵塞，防止渣口压差升高。

在合成气出口引压管加装冲洗介质。气化炉合成气出口温度为242 ℃，压力为5.0～6.0 MPa。在气化工艺中，能够作为仪表冲洗的介质有高压氮气、高压锅炉水、高温工艺气冷凝液3种。高压氮气的温度为30 ℃，压力为12 MPa；锅炉水的温度为103 ℃，压力为8.1 MPa；工艺气冷凝液温度为180 ℃，压力为7.5 MPa。从对系统影响方面考虑，使用高温工艺气冷凝液作为合成气出口引压管的仪表冲洗水为宜,其原因为:(1)工艺气冷凝液温度与合成气温差最小，对工艺气的影响可忽略不计。(2)工艺气冷凝液为系统自身冷凝液，使用后系统物料没有增加，生产成本低。优化改进后可保持合成气出口引压管通畅,并保障仪表正常运行，有效防止渣口压差显示异常造成误停车。

3 结语

渣口压差是气化炉运行的重要控制指标之一，影响水冷壁气化炉渣口压差判断的因素主要是合成气出口管口堵塞、渣口压差表引压管堵塞。通过优化气化炉合成气出口管口结构，以及渣口压力表引压管加装冲洗水，可以有效防止管口管线堵塞，保持渣口压差表的准确有效测量。气化炉运行工况复杂，煤质波动较大，必须利用气化炉的每个仪表，综合判断气化炉运行情况，及时调整生产工艺，延长运行周期。