气化炉煤浆流量低原因分析及预防措施

马 磊

（中天合创能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

某大型煤炭深加工示范项目煤气化装置采用GE水煤浆气化激冷工艺，单台炉投煤量1 500 t/d，共2个系列，每个系列气化炉5开2备。该项目于2019年10月正式运行，2020年—2021年因氧煤比高导致气化炉停车12次，占生产波动总数的40%，不仅给装置的检修、备炉带来较大负担，同时也成为制约气化炉长周期运行的关键因素，因此合理控制氧煤比至关重要。煤浆流量低是造成氧煤比高联锁停车的主要原因，为延长气化炉运行周期，对煤浆流量低的原因进行了分析，并在2021年陆续采取一系列改进措施，现介绍如下。

1 水煤浆气化工艺流程

该项目水煤浆气化工艺采用激冷流程，示意图见图1。

图1 水煤浆气化流程示意图

激冷流程主要分为3个单元：煤浆制备单元、气化单元（气化炉系统、合成气洗涤系统、锁斗排渣系统）和渣水处理单元（闪蒸系统、黑水处理系统）。来自煤浆制备单元质量分数59%～64%的煤浆和空分装置纯度99.6%的氧气经气化炉工艺烧嘴充分混合雾化后进入燃烧室，在6.5 MPa（G）、1 350℃条件下进行部分氧化反应，生成以CO和H2为有效成分的粗合成气。气化炉燃烧室的高温热气流和熔渣经激冷环被灰水激冷后，沿下降管导入激冷室进行水浴，熔渣迅速固化，粗合成气被水饱和。出气化炉的粗合成气经洗涤塔除去夹带的灰尘后，得到洁净的粗合成气去变换单元。在正常生产中，气化炉、洗涤塔排出的高温高压黑水经高压闪蒸罐、低压闪蒸罐、第一真空闪蒸罐和第二真空闪蒸罐回收热量后，再进行絮凝沉淀，之后大部分灰水返回系统循环使用。

2 煤浆流量低原因分析

2.1 煤浆中含有杂质

2.1.1 大颗粒杂物造成单向阀卡阀

气化装置磨煤机采用湿式溢流型棒磨机，研磨后的煤浆经滚筒筛筛分，合格的水煤浆由出浆口进入磨煤机出料槽，大颗粒杂物由粗粒子口排出。滚筒筛最初用钢条编制而成，大颗粒杂物与滚筒筛频繁摩擦会造成筛网破损，导致大颗粒杂物进入煤浆，在经过单向阀时会被阀锥面或导向爪卡住，造成单向阀不能正常移动，形成卡阀，导致煤浆流量减少。另外，大颗粒杂物被带入煤浆后会导致高压煤浆泵运行时发生垫缸，出现单缸不打量现象，也会导致煤浆流量减少。

2.1.2 高灰分、氯离子及大颗粒杂物造成单向阀磨损

2021 年原料煤灰分及氯含量见表1。

表1 2021年原料煤灰分及氯含量

根据原始设计，正常生产时原料煤灰分为9.97%，最高不超过15.00%，但随着煤矿的深度开采，原料煤灰分日益升高。煤浆中含有的SiO2、Al2O3等质地坚硬的矿物质和其他大颗粒杂物在研磨制浆过程中会形成不规则颗粒，这些不规则颗粒在进出料阀过程中会被阀锥与阀座密封面挤压，经过多次挤压和煤浆长时间冲蚀磨损后，阀锥与阀座接触面会出现较大缝隙，并在煤浆冲蚀下不断加大。另外，原煤中氯含量的上升加速了其对密封圈的侵蚀速率，造成密封面被破坏，进而导致单向阀磨损，煤浆流量减少。

2.2 进出料阀存在加工误差、安装不当

按照单向阀使用要求，新阀锥只能与新阀座配合使用，但是在检修工程中，为了节省时间或降低成本，经常将新阀锥和旧阀座配合使用，若安装阀座时没有将阀箱结垢完全清理干净或导向套没有校正至垂直，容易造成阀锥和阀座配合不良，导致卡阀。

2.3 高压煤浆泵入口水平管线太长

原高压煤浆泵入口水平管线太长（约2.0 m），在煤浆输送过程中容易发生沉积结渣现象，严重时还会将其堵塞，影响管线流通量，进而引发气化炉氧煤比高联锁停车。

2.4 高压煤浆泵隔膜破裂

当高压煤浆泵隔膜破裂时，推进液压油中会混入煤浆，高压煤浆泵会出现单缸或多缸不打量，导致煤浆流量减少。不当的工艺操作条件会加速隔膜破裂，影响其使用寿命：（1）煤浆中掺杂着的坚硬物质（煤矸石、铁屑等）会损伤隔膜。（2）隔膜两侧（一端是推进液，另一端是输送料浆）压差不平衡会导致隔膜破裂，如当煤浆黏度大或进料入口管道不畅通时，会造成高压煤浆泵进料量不足，吸入压力过低，隔膜两侧压差过大，进而破裂；隔膜腔及推进液油管中空气未能及时排出，气体随着料浆压力的变化压缩或膨胀，使隔膜承受的应力增大，造成其疲劳损坏或被击穿；出口氮气包（蓄能器）压力过低或过高，会造成出料压力波动，使隔膜运行时不稳定，加速破裂等；活塞杆密封圈失效（一是活塞长周期往复运行磨损所致，二是检修施工不精细造成其机械式损伤），导致气体在活塞往复运动时进入隔膜腔推进液中，使两端压力严重失衡。（3）当隔膜疲劳老化时表面会出现裂纹，再加上煤浆的侵蚀冲刷，会造成隔膜强度降低乃至破裂。

2.5 高压煤浆泵补、排油控制系统故障

高压煤浆泵推进液隔膜腔示意图见图2。当高压煤浆泵正常运行时，活塞通过推进液作用于隔膜，将物料平稳输送，推进液过多或过少都会导致高压煤浆泵出口流量、压力不稳定，影响其正常运行，所以要保持隔膜腔内推进液量在最佳状态，当推进液过多时，通过排油阀将多余部分排出，当推进液不足时，打开补油阀进行补充。推进液量是否在最佳状态可通过磁环耦合运行信号、补油信号进行判断。

图2 高压煤浆泵推进液隔膜腔示意图

在补、排油控制系统运行过程中会出现以下几个问题：（1）高压煤浆泵推进液油管接头采用卡套式接头，当高压煤浆泵长时间运行时，推进液管路接头处疲劳受损导致接头处密封失效，推进液油管接头崩开，此时隔膜室内推进液不足，单缸无法输送物料，导致出口煤浆流量下降三分之一。（2）当某隔膜室排油阀小隔膜破损后，补、排油控制系统不能正常进行，极易造成煤浆流量波动，严重时该隔膜室内推进液不足，单缸无法输送物料，导致出口煤浆流量下降三分之一。（3）当高压煤浆泵连续运行4 h未检测到补油探头时，会打开排油阀进行排油，若补油探头故障，将无法检测到补油信号，也无法对排油阀进行复位，则会连续排出推进液，最终导致推进液过少，单缸无法输送物料，导致出口煤浆流量下降三分之一。

3 改进措施

3.1 提高煤浆质量

（1）将原有钢条编制而成的磨煤机滚筒筛改为钢板冲孔卷焊而成的滚筒筛，改造后其具有较高的刚度与耐磨性，既有效延长了滚筒筛使用寿命，又能防止大颗粒杂物进入煤浆中，大大降低了高压煤浆泵进出料单向阀卡阀、磨损的风险。其次，定期检查滚筒筛有无破损，粗粒子下降管是否堵塞，避免粗粒子进入大煤浆槽。（2）在磨煤机滚筒筛增加除铁器，当煤浆经过磨煤机出料口时，可将煤浆中的铁片或铁屑吸在磁铁上；定期清理除铁器，可有效减少煤浆中的铁片或铁屑，防止其进入高压煤浆泵，减少高压煤浆泵单向阀卡阀次数。（3）及时关注磨煤机粒度分布，根据分析结果添加钢棒、挑拣断棒，稳定磨煤机钢棒级配；稳定煤浆黏度，避免黏度过低造成煤浆沉降、分层。（4）在磨煤机出料槽泵出口增加煤浆过滤器，过滤器上设置导淋，定期进行排放和清理过滤器。

3.2 保证高压煤浆泵吸入压力平稳

将原设计中的高压煤浆泵入口管线进行改造，去除原有的直角弯，入口水平管线改为斜管线。改造后，停工拆检发现管线煤浆沉积现象改善明显，效果良好。

3.3 加强检修质量管理

针对高压煤浆泵运行期间出现的出口压力波动、流量波动等现象，对装置加强检修质量管理。定期对进出口锥形单向阀的阀锥、阀座以及弹簧进行整套更换（更换周期2 000 h）；定期对高压煤浆泵3个隔膜（更换周期8 000 h）及补、排油阀进行检查、更换；定期对高压煤浆泵入口管线进行高压清洗。将高压煤浆泵推进液油管卡套式接头更换为焊接式直通管接头，即油管接头处与焊接式直通管接头进行对焊，保证油管接口处不会脱落。

3.4 增加氧煤比高自动跟踪模块

（1）为了提高氧气流量调节阀自动关小的响应速度，设定氧煤比高报警值600，当氧煤比大于600时，DCS弹出报警框，提示操作人员。（2）在DCS系统增加联锁。当气化炉开车顺控处于A14、氧煤比≥600、氧气流量调节阀开度≥45%、联锁投用这4个条件同时满足时，氧气流量调节阀自动关小(此命令在联锁投用时只动作1次)，使氧煤比低于636，防止气化炉触发氧煤比高联锁停车，为操作人员调整恢复高压煤浆流量争取一定的反应及处理时间，避免生产波动发生。

3.5 设置排油阀动作次数报警

在正常运行过程中，排油阀动作3次左右即可出现补油信号，从而复位排油阀，因此可设置排油阀动作次数报警，排油阀动作信号是开1 s关1 s，据此可检测排油阀的动作信号次数，当排油阀动作次数大于5次时弹出报警提示。

4 改造效果

该装置于2020年下半年开始改造，到2021年底陆续完成。改造完成后，气化炉平均运行周期由2020年的50 d延长至2021年的62 d，2022年1月—7月气化炉未因氧煤比高而联锁停车，大大降低了检修频次，有效减少了因氧煤比高造成气化炉非计划停车次数，经济效益明显。