激冷室积灰的原因分析及应对措施

激冷室积灰的原因分析及应对措施

李帅杰,韦学雷

（安徽晋煤中能化工股份有限公司  安徽临泉 2364000）

摘要：简要介绍HT-L航天炉激冷室积灰的原因及应对措施，通过掺烧合适的煤种，保证渣口压差的稳定，改善激冷水水质及流量，降低激冷水温度来避免气化炉激冷室积灰，保证了航天炉系统长期稳定的运行。

关键词：航天炉  激冷室  积灰

一、工艺概述：

航天炉又名HT-L粉煤加压气化炉。航天炉的主要特点是具有较高的热效率（可达95%）和碳转化率（可达99%）；气化炉为水冷壁结构，能承受1500℃至1700℃的高温；对煤种要求低，可实现原料的本地化。由中国航天科技集团公司下属北京航天石化技术装备工程公司开发，该项目技术是结合国内外煤化工的现状，独自研发的拥有自主知识产权的粉煤加压气化技术，打破了国外对该技术的垄断。中能化工三期航天炉装置从2017年7月开工建设，2020年5月31日气化炉一次投料开车成功。

中能公司252万Nm3（CO+H2）/日原料路线改造工程，设计生产能力为252万Nm3（CO+H2）/天的HT-L航天粉煤加压气化装置，单炉日处理原煤1500吨，气化炉运行压力4.0Mpa，该炉型的燃烧室为3.2米，激冷室为3.8米。在气化炉长期运行中，由于气化炉的自身特性决定了长周期运行时，激冷室容易积灰，造成激冷室液位过高或过低，合成气水浴效果差。带水带灰量大，合成气温度高、流速快，冲刷合成气管线弯头，造成合成气管线变薄，合成气泄露，严重影响到气化炉正常负荷的运行，甚至气化炉被迫停车。本文分析了造成气化炉激冷室积灰的原因，从生产实际出发，避免出现类似情况，并给出了相应的解决措施，保证了气化炉的长周期稳定运行。

二、航天炉的结构及原理

气化炉由上部的燃烧室和下部的激冷室组成。加压后的粉煤采用二氧化碳输送到气化炉烧嘴，与氧气和水蒸汽通过烧嘴喷入燃烧室内反应，放出的热量被燃烧室内的水冷盘管带出气化炉，生成的粗合成气主要有一氧化碳和氢气为主，并混合着液态炉渣和细固体颗粒。粗合成气离开燃烧室，通过渣口及下降管进入激冷室水浴，粗合成气经过初步水浴后，携带的大量颗粒留在水里，同时粗合成气也被冷却、饱和。冷却后的合成气通过上升管离开气化炉，进入文丘里及旋风分离器进一步处理。炉渣在水中固化并沉淀到气化炉底部，经过破渣机破碎后进入渣锁斗，通过渣锁斗间断排出捞渣机后送出。激冷室的固体颗粒通过黑水排水阀排到高压闪蒸罐，做进一步闪蒸处理。激冷水分4路进入激冷环，沿着下降管均匀的形成水膜落入激冷室中，通过一定液位来为粗合成气水浴。

三、气化炉激冷室积灰的危害

激冷室积灰后，造成激冷室分离空间小，合成气流速变大，合成气带灰带水严重，对合成气管线冲刷严重，极易造成合成气泄露。持续恶性带水带灰后，上升管和下降管之间积灰，不但影响合成气的洗涤效果，还会导致激冷室液位大幅度波动，影响装置负荷，将被迫减负荷运行。

四、气化炉激冷室积灰的原因及解决措施

4.1气化炉渣口压差偏高

4.1.1气化炉渣口压差偏高危害

渣口压差升高后，合成气偏流，有损坏烧坏下降管的风险。同时渣的流动性变差后，容易堵塞激冷环，造成激冷环布水不均匀，造成下降管烧坏。渣口压差高导致煤和氧在气化炉内的反应时间变长，且大量的热量无法及时带出，造成气化炉憋压，盘管受热辐射增大，盘管内水密度变低，存在烧坏盘管的风险。

4.1.2气化炉渣口压差偏高导致激冷室积灰的原因

渣口堵塞后，通道变小，燃烧室内温度变高，渣经过渣口容易时形成玻璃拉丝，而玻璃丝渣比较粘，加剧激冷室积灰。渣口压差升高后，玻璃丝渣容易造成上升管内壁积灰，合成气上升通道变窄，气体流速增大，系统带灰带水量增大，对合成气管线冲刷磨损加剧，极易造成合成泄漏。持续恶性带水带灰后，上升管和下降管之间，上升管外部等积灰，不但影响合成气洗涤效果，还会导致激冷室液位大幅波动，影响装置的负荷。随着激冷室不断积灰恶化，激冷室液位会越来越低，系统只能被迫提高激冷水流量和减少气化炉黑水外排，而黑水外排的减少会进步不加剧激冷室积灰。待激冷室进一步积灰后，激冷室灰垢会占有激冷室体积，导致激冷室液位会越来越高，而实际激冷室并没有多少激冷水，为了安全运行，气化炉只能被迫停车。

4.1.3气化炉渣口压差高的原因及措施

煤质发生变化，渣的粘温特性差，流动性差。频繁调整煤种，煤的流动区间、黏温特性发生改变，导致堵塞渣口。在实际生产中，因客观原因需要调整煤种，但不同煤种的粘温特性不同，更换新的煤种后，发现粘温特性区间较窄，气化炉盘管渣层容易脱落，渣口易堵渣，导致炉温不易控制。应及时更换煤种，并记录数据，避免出现类似掺烧比例的煤种。

气化炉操作温度低，无法满足正常液态排渣的操作稳定。若煤的灰分比较大，占原煤的百分之十以上，而灰分中二氧化硅占比约30％到70％之间，一般来讲二氧化硅含量在40％以上的煤的灰熔点比二氧化硅含量在40％以下的普遍高100℃。因此，因为煤种灰分大、炉温低，无法满足正常液态排渣的操作稳定，应提改变煤种掺烧比例，降低甲烷，提高炉温来满足气化炉正常液态排渣的操作。

气化炉水冷盘管泄漏，渣口温度低，渣流动性差造成渣口堵渣。应及时停车检修，更换气化炉盘管。

4.2激冷水流量偏小及水质较差

4.2.1激冷水偏低及水质较差导致激冷室积灰的原因

气化炉激冷水是来自碳洗塔，而碳洗塔承担着对气化炉合成气的进一步洗涤，导致激冷水中携带大量灰渣，容易造成激冷水管线、激冷水过滤器及激冷环堵塞。气化炉在长期运行中，由于激冷水流量偏低，为了维持激冷室液位，只能被迫减少气化炉黑水外排，不能及时将激冷室积灰渣带出，最终导致激冷室渐渐积灰结垢。

4.2.2稳定激冷水流量的措施

目前中能化工一二期航天炉没有上旋风分离器设备，合成气经过文丘里洗涤器直接进入碳洗塔洗涤，造成大量细灰进入碳洗塔，进而导致激冷水较脏，灰垢堵塞激冷水管线。中能化工三期航天炉增设旋风分离器设备，合成气经过文丘里洗涤器进入旋风分离器，将合成气大颗粒的物质经过旋风分离器分离后进入碳洗塔洗涤。通过增加旋风分离器设备，碳洗塔提供了较为干净的激冷水，不仅保证了气化炉长期运行中，激冷水流量的稳定行，同时可以适当提高激冷水流量，加大气化炉的黑水外排，及时将激冷室的细灰带出激冷室，保证气化炉的长周期稳定运行。

4.3煤种的灰分偏高，粘温特性较窄

4.3.1灰分偏高导致激冷室积灰的原因

将一定量的煤样在800℃的条件下完全燃烧，残余物质即为灰分。煤中灰分高，不仅增加了运输费用，而且对气化过程用许多不利的影响。气化时由于少量碳的表面被灰分覆盖，接触面积减少，降低了气化效率。同时灰的组成决定了其熔融性和灰渣粘度特性，主要组分对灰熔点的影响如下：

二氧化硅在灰分中含量最多，一般占比约30％到70％之间，一般来讲二氧化硅含量在40％以上的煤的灰熔点比二氧化硅含量在40％以下的普遍高100℃。三氧化二铝含量较二氧化硅少，在煤灰中起到“骨架”作用，含量越多，灰熔点越高。当煤灰中三氧化二铝含量超过40％时，不管其他成分含量变化如何，其灰的流动温度必然超过1500℃。氧化钙含量变化很大，一般起到降低灰熔点的作用，因为氧化钙和二氧化硅可形成熔点较低的复合硅酸盐。

4.3.2煤种灰分偏高的应对措施

煤种灰分偏高，占比大于10％以上，同时灰分中三氧化二铝占比较大，应选择灰分较少，粘温特性较好的煤种进行掺烧。由于灰分中氧化钙一般可以起到降低灰熔点的作用，因为氧化钙和二氧化硅可以形成熔点较低的复合硅酸盐，因此，也可以选择灰分中氧化钙含量较高的煤种进行掺烧。也可以选择灰分适中，同时根据炉况及渣的颜色来确定炉温是否合适，混煤比例做好记录，为掺烧煤种积累数据。

五、小结

激冷室积灰的主要原因是由渣口压差高引起的，渣口压差升高后，煤和氧在气化炉反应时间变长，大量的热量无法及时带出，导致容易形成带有玻璃丝的渣。而玻璃丝渣比较粘，容易导致激冷室积灰结垢，因此，怎样避免渣口压差高是防止激冷室积灰的重要步骤。因煤种不适合导致渣口压差高，应及时调整煤种，避免下次掺烧此比例煤种。因炉温较低导致渣口压差高，应提高氧煤比，降低炉压来拉长火焰熔渣处理。因气化炉盘管泄露导致渣口压差高，应及时停车检修更换盘管。同时改善激冷水水质，提高激冷水流量，加大气化炉排渣频次，加大气化炉黑水外排，及时将激冷水的灰渣带出。通过以上举措，能有效避免气化炉激冷室积灰结构，保证了航天炉系统长期稳定的运行。