气流床气化炉积灰问题及防控方法研究进展

气流床气化炉积灰问题及防控方法研究进展

李卫标

伊泰伊犁能源有限公司 新疆 835300

摘要：气流床气化炉产生的合成气温度一般高于煤灰熔融性温度150℃左右，以保证煤灰的流动性。由于气化炉结构与煤种的原因，通常水煤浆气化炉气化温度相对较低，干煤粉气化炉气化温度较高。气化炉产生的合成气携带飞灰，需要冷却后方能供下游使用，根据合成气降温的方式不同，气流床气化技术主要有废锅工艺和激冷工艺。废锅工艺是通过换热器将高温合成气降温，同时回收合成气显热，产生高品质蒸汽；激冷工艺是向高温合成气喷入激冷水，合成气和激冷水混合后降温。废锅工艺较激冷工艺能够更充分利用合成气显热，气化炉热效率更高，是煤气化技术中先进的技术之一。

关键词：气流床气化炉；积灰问题；防控方法

1积灰原因分析

当气化炉操作温度偏高或者负荷过大时,激冷气量不足及输气管段换热能力有限会造成合成气冷却器入口温度偏高,激冷后的合成气温度接近灰融点,飞灰虽然已经固化,但没有失去黏性,到达合成气返回室转向时就会粘附在中压过热器十字架或管壁上,形成结垢。壳牌气化炉运行55天后,因为合成气冷却器压差13PDI0067达到45kPa堵灰停车检修,打开气化炉入孔,图1为观察合成气冷却器十字架积灰情况。

图1合成气冷却器“十字架”积灰情况

煤灰熔融性及粘温特性的变化,同样是引起飞灰结垢的重要因素,所以在煤质选择上必须综合考虑。

2不同气流床气化技术工业装置出现的积灰现象及防控措施

2.1壳牌煤气化技术

壳牌煤气化技术是我国引进的第一项干法废煤粉锅炉气化技术，已应用于30多套工业装置。许多早期使用该技术的工业装置都存在废锅炉积灰的问题，限制了气化炉的长期稳定运行。

气化炉反应区产生的合成气温度约为1500℃，反应区出口约200℃时，液体飞灰与下游返回的急冷气体混合。淬火气冷却合成气和飞灰后，淬火段出口处的合成温度降至800℃左右，飞灰变成固相，进入合成气冷却器，继续冷却至300℃，进入下游装置。运行中发现，当合成气温度降至800℃左右时，合成气冷却器入口会出现严重的积灰现象。检修时发现，合成气冷却器进口盖板及缝隙内有大量积灰，积灰以盖板为中心扩散（盖板位于合成气冷却器上部），使合成气冷却器进出口温差减小，过热蒸汽温度降低。

针对这类问题，各工厂都进行了深入研究，采用了多种工程方法进行改造。主要措施如下：（1）增加急冷气体流量，进一步降低合成气冷却器入口温度。工程实践和分析结果普遍认为，灰沉积的发生是由于合成气携带的飞灰冷却不足所致。飞灰未完全固化，仍有粘性。进一步降低合成气温度可以有效地固化粉煤灰。在大多数装置中，合成气冷却器入口合成气温度的实际运行控制值比设计值低100℃~200℃，通过大幅度增加急冷气体流量（甚至超过两倍），取得了明显的效果。然而，急冷气体流量的增加大大增加了设备的能耗和投资。同时，合成气冷却器中的合成气流量超过设计值，导致合成气对设备的严重磨损，影响设备的使用寿命。（2）改变合成气冷却器入口的反吹结构。将合成气冷却器进口水冷式吹灰器改为管式吹灰器，吹扫范围从180°扩大到360°；在盖板顶部安装中央吹灰器，对盖板顶部进行吹扫，以减少盖板顶部积灰的可能性。（3）设置敲击器以提高敲击频率。为了防止水冷壁上积灰，壳牌气化炉在急冷段和合成气冷却器中配备了大量搅拌器，以振动和清除灰。理论上，增加敲击频率可以缓解气化炉合成气冷却段的积灰，但敲击频率过高会影响敲击器的使用寿命。（4）控制入炉煤的指标，或混煤以降低煤灰的粘度。严格控制入炉煤灰中碱金属含量，灰分含量一般控制在2%以下，避免碱金属含量高而引入积灰；通过掺烧高灰熔融温度煤和低灰熔融温度煤，入炉煤的灰熔融温度相对稳定；通过调节和控制氧煤比，炉内温度稳定，操作参数控制方便。

综上所述，壳牌气化炉在运行过程中，在煤灰中碱金属的作用下，可能会形成共晶温度低于800℃的低熔点共晶。由于合成气冷却器进口冷却不足，垃圾锅炉合成气冷却器进口常出现积灰现象。通过增加冷风量、安装吹灰器、调整敲击频率等措施，防止和控制了积灰，取得了良好的效果，但增加了机组的能耗。

2.2德士古水煤浆气化技术

德士古技术是一种采用水煤浆加料方式的气流床气化技术。同时，开发了两种冷却和废锅炉工艺。其中，冷却过程中不存在积灰问题，而废锅炉过程中的积灰问题更为严重。德士古垃圾锅炉工艺气化炉反应区温度约为1500℃。高温合成气首先进入辐射垃圾锅炉冷却，然后进入对流垃圾锅炉进一步冷却。由于德士古的水煤浆进料方式，煤与大量冷水一起进入气化炉，导致合成气中的水蒸气含量较高，比干式煤粉气化炉更容易积灰。

德士古垃圾锅炉流程工业装置在运行过程中，辐射垃圾锅炉结渣，对流垃圾锅炉积灰。为了解决这一工程问题，该厂采取了很多措施：（1）改造放射性废物锅炉的内部结构。滴水屋檐位于辐射废物锅炉和燃烧室喉部之间。通过增加滴水屋檐高度和减少水冷壁换热器，增加了灰通道，避免了灰溅到水冷壁上，有效地降低了液态渣与水冷壁直接接触的可能性，防止了放射性废物锅炉内结渣。（2）控制原煤的质量。使用低灰分、低灰熔融温度的煤可以有效降低结渣概率。（3）采用直接降温法，介绍了冷冻水系统。气化炉产生的粗煤气中的大量热量被辐射废物锅炉拐点处的冷冻水吸收，从而降低粗煤气的温度，然后降低对流废物锅炉的温度。

综上所述，德士古垃圾锅炉工艺气化炉在运行过程中，由于液态炉渣落下时会扫到受热面上，辐射垃圾锅炉会发生结渣。在工程上，对辐射垃圾锅炉的结构进行改造，效果明显；然而，由于合成气中的水蒸气含量较高，对流式废锅炉也容易积灰。项目采取的防控措施效果差，目前没有很好的解决方案。积灰发生后，将严重影响设备的使用寿命和热回收效率。

2.3电煤气化技术

电煤气化工艺属于两段水煤浆气化工艺，采用两段进料，扩大第二段出口直径，形成停留段。粗合成气在此停留时间变长，有利于粗合成气的完全反应。E-Gas气化炉装置在运行过程中，气化炉二级反应区急冷水喷嘴上方2m~3M处的水蒸气含量较高，会出现严重的积灰现象。同时，合成气冷却器入口也出现积灰现象。

为了解决上述问题，该厂从煤炭经营方面开展了大量工作。电厂原设计煤种为神华煤，其灰熔融温度一般为1080℃~1170℃。气化炉二段反应区上部积灰严重。它曾尝试运行灰熔融温度较高（约1300℃）的煤，这对气化炉上部积灰有一定的抑制作用，但会给下游机组带来超温问题。为保证装置的运行，该厂还以石油焦为原料进行了试验，取得了良好的效果。然而，由于石油焦价格高，生产成本高。

综上所述，电煤气化过程中的积灰通常发生在二级反应区急冷水喷嘴的上部。当使用灰熔融温度较高的煤时，下游会过热。以石油焦为原料可以避免二段反应区积灰，但会大大增加装置的生产成本。

结论

随着我国对进口技术的不断改进及自主开发技术的进步，部分工业装置出现的积灰问题得到了有效的抑制。但是，现有工业装置采取的部分积灰防控措施增加了装置能耗，降低了设备使用寿命，需要进一步提升技术水平。同时，合成气中水蒸气含量高引起的积灰所涉及的机理尚不明确，需要对积灰过程进行更深入的研究，才有望提出新的工程解决方案。

参考文献：

[1]李亚东.Shell粉煤化装置合成气冷却器积灰结垢的控制[J].化肥设计,2019,48(2):27.

[2]孙龙会,张美美,武占强.浅谈煤质和配煤技术对Shell煤气化的影响[J].科技创新与应用,2019(31):134.

[3]张家秋,王敬峰.Shell煤气化石灰石给料方式的优化改造[J].中国化工贸易,2019(11):239-239.

[4]吕崇福,孙颖.Shell气化炉合成气冷却器入口堵灰的原因分析及改进[J].煤化工,2018,46(6):37-40.

[5]仇芦坤.Shell气化炉性能提升技改总结[J].中氮肥,2019(3):22-25.