航天爐渣口堵渣原因分析及處理措施

摘 要：氣化爐渣口堵渣是生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的異常狀況，對氣化爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響較大。根據(jù)航天爐的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及渣口堵渣的實(shí)際處理方法，研究引起渣口堵渣的原因及相應(yīng)的處理措施，對航天爐粉煤加壓氣化裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：航天爐；渣口壓差；黏溫特性；堵渣；處理措施

河南某化工企業(yè)氣化裝置采用HT-L航天爐粉煤氣化工藝，該技術(shù)是由中國航天科技集團(tuán)公司下屬航天長征化學(xué)工程股份有限公司擁有的專利技術(shù)，吸收了當(dāng)今世界先進(jìn)煤氣化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用“粉煤+水激冷”流程，自主研發(fā)了氣化爐、氣化燃燒器等關(guān)鍵設(shè)備，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤氣化成套技術(shù)。但在氣化裝置運(yùn)行過程中由于多種原因，出現(xiàn)多次渣口堵渣的異常狀況，結(jié)合企業(yè)的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，對渣口堵渣的原因及處理措施進(jìn)行探討。

1 渣口壓差介紹

氣化爐渣口壓差是指氣化爐爐膛壓力（17PA1068）與氣化爐合成氣出口壓力（17PIA1009）之間的差值（17PDIA1054） 。渣口壓差是氣化爐控制中的一個(gè)重要指標(biāo)，是監(jiān)測渣口是否堵渣的重要參數(shù)。氣化爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)（氧量30000Nm3/h），渣口壓差在25～35kPa之間。在生產(chǎn)過程中，由于多方面原因，渣口壓差會經(jīng)常性發(fā)生波動，渣口壓差最大值會超過200kPa，從而嚴(yán)重影響到氣化爐的正常運(yùn)行。

渣口壓差測量值由三部分組成；

①渣口部位的壓降：該部位的壓差是實(shí)際渣口壓差，就是渣口上部燃燒室與渣口下部的激冷室之間的壓差，在正常情況下，此部分壓差小于5kPa。

②合成氣穿過激冷室水浴的流阻：該流阻近似等于激冷室液位產(chǎn)生的壓差，正常情況下，該部分壓差占渣口壓差顯示值的主要部分。

③合成氣出氣化爐通道的壓降：在負(fù)荷一定情況下，該壓差由合成氣在設(shè)備內(nèi)部通道的阻力決定，通常情況下是固定不變的。

2 渣口壓差波動原因及處理措施

①氣化爐負(fù)荷調(diào)整速率過快，燃燒室中產(chǎn)生的合成氣氣量變化較快，致使燃燒室壓力與后續(xù)壓力的壓差波動，從而造成渣口壓差顯示值波動。對于這種情況，渣口壓差顯示值與氣化爐的負(fù)荷成正比，渣口壓差波動值一般在5 kPa以內(nèi)，負(fù)荷穩(wěn)定后，渣口壓差就恢復(fù)正常。

②激冷室液位波動較大造成渣口壓差顯示值波動：激冷室液位壓差是渣口壓差顯示值組成的一部分，由于激冷水流量波動、激冷室?guī)畤?yán)重、激冷室積渣、操作不當(dāng)?shù)仍蛟斐杉だ涫乙何坏牟▌?，渣口壓差顯示值也會跟隨波動。激冷室液位的控制對氣化爐運(yùn)行至關(guān)重要，激冷室液位是氣化爐運(yùn)行的重要工藝參數(shù)，在檢修過程中對激冷水系統(tǒng)要嚴(yán)格控制檢修質(zhì)量，保證該系統(tǒng)清潔通暢、穩(wěn)定可靠。

③測量儀表失效：氣化爐上使用的渣口壓差測量值不是渣口壓差的實(shí)際值，對于渣口堵塞判斷有一定的影響，有可能造成判斷失誤或者延誤處理?？筛鶕?jù)氣化爐壓力和氣化爐合成氣出口壓力計(jì)算壓差值。

④渣口處輕微堵渣造成渣口壓差波動：主要原因是氣化爐操作過程中氧煤比調(diào)節(jié)不合適、煤質(zhì)變化分析數(shù)據(jù)不及時(shí)、氣化爐操作溫度過低、原料煤質(zhì)操作窗口較小等原因。一般通過適當(dāng)提高氣化爐操作溫度就可以處理該狀況。氣化爐渣口壓差波動，長時(shí)間處理不了，造成堵塞的情況將在下文進(jìn)行介紹。

3 渣口堵渣的表現(xiàn)和原因分析

3.1 渣口堵渣的表現(xiàn)有以下現(xiàn)象

氣化爐渣口壓差長時(shí)間波動，并且有不斷上漲的趨勢；合成氣中甲烷含量沒有變化，但是二氧化碳含量呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，并且提高氧煤比操作，二氧化碳含量沒有明顯上升趨勢；粗渣中有大渣塊出現(xiàn)，并且伴有玻璃絲渣；破渣機(jī)油壓有不同程度的波動。以上現(xiàn)象有三個(gè)同時(shí)出現(xiàn)，就可以判斷為渣口堵塞。

3.2 渣口堵渣的原因

①氣化爐氧煤比控制不當(dāng)，長時(shí)間處于低溫操作，粉煤灰大部分沒有熔化，只有少量熔渣順著渣層下流。在錐形渣口部位溫度較低，一部分熔渣在錐形渣口處黏度變大，流動性變差，并且合成氣中夾帶的大量沒有熔化的粉煤在此處凝結(jié)。長時(shí)間運(yùn)行后在錐形部位出現(xiàn)了大量的堵渣，并進(jìn)一步延伸至渣口部位，形成渣口堵渣。因?yàn)檎Ｇ闆r下，渣口尺寸要大于氣化爐出口合成氣管道內(nèi)徑，渣口沒有節(jié)流效果，所以當(dāng)渣口初期開始堵塞縮小時(shí)，渣口壓差測量值基本沒有變化。當(dāng)渣口繼續(xù)堵塞后，渣口尺寸逐步縮小，當(dāng)渣口起到節(jié)流作用后，渣口壓差就會明顯增大，但是此時(shí)渣口堵渣就比較嚴(yán)重了，這也是渣口堵塞較難早期發(fā)現(xiàn)，不能及早處理的原因。

②煤質(zhì)波動較大，黏溫特性曲線操作窗口較小的原因。航天爐屬于氣流床氣化技術(shù)，液態(tài)排渣，煤灰的黏溫特性曲線是氣化爐操作的重要依據(jù)。氣化爐液態(tài)排渣要求灰渣的黏度應(yīng)在5～25Pa·s，灰渣在此范圍對應(yīng)的溫度范圍稱為操作窗口，一般氣化爐適宜煤種的操作窗口應(yīng)該大于100℃。煤的灰渣黏度為25Pa·s時(shí)對應(yīng)的溫度稱為臨界溫度，氣化爐的操作溫度應(yīng)該遠(yuǎn)離臨界溫度，氣化爐在正常操作過程中，一般要求操作溫度高于灰熔點(diǎn)50～100℃。如果所用煤種操作窗口較小，操作稍有偏差就會造成渣口堵渣。

③燒嘴物料通道異常，造成氣化爐內(nèi)部反應(yīng)流場破壞。燒嘴的核心目的是把氧氣和粉煤加速進(jìn)入到氣化爐，在氣化爐內(nèi)部形成流場，使氧氣和粉煤快速充分反應(yīng)。流場的合理性決定了氣化轉(zhuǎn)化率和效率，燒嘴的結(jié)構(gòu)在氣化爐反應(yīng)流場形成中占主導(dǎo)地位。燒嘴粉煤通道長時(shí)間運(yùn)行磨損，通道中粉煤流速下降，火焰上移，下部溫度變低，渣口位置熔渣流動性逐漸變差，造成渣口堵渣；燒嘴粉煤通道有異物堵塞造成粉煤分布不均，粉煤進(jìn)入氣化爐后，在反應(yīng)流場中有些區(qū)域氧煤比高，有些區(qū)域較低，最終混合形成流動性較差的熔渣堵塞渣口。一般燒嘴通道內(nèi)部堵塞的異物為原料煤中的纖維、塑料以及粉煤輸送設(shè)備中的燒結(jié)金屬破裂碎片或者內(nèi)件固定用的螺栓螺母等；另外燒嘴氧氣通道的旋流角度選擇對流場影響也較大，氧氣噴出燒嘴的流速在70m/s左右，粉煤噴出燒嘴的流速在15m/s左右，氧氣的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于粉煤的速度，氧氣旋流角度對流場的影響高于粉煤的影響。氧氣旋流角度較大，則流場反應(yīng)不充分，如果氧氣旋流角度過小，則會使火焰上移，上部氣化爐爐膛超溫，致使操作人員降低氧煤比，而下部溫度偏低，熔渣黏度變大，容易堵塞渣口。所以選擇一種經(jīng)過廣泛實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證的燒嘴，對氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

④水冷壁盤管泄漏造成熔渣凝固堵塞渣口。航天氣化爐水冷壁采用盤管結(jié)構(gòu)，盤管外壁向火側(cè)涂有5mm左右厚度的耐火料，耐火料外層又有固渣層，這些保護(hù)措施目的都是為了保護(hù)盤管。如果原始開車過程中初始渣層熔點(diǎn)低、渣層蓬松，在后期運(yùn)行過程中，渣層就會脫落，尤其在氣化爐爐膛中上部高溫區(qū)更明顯。渣層脫落后，耐火料在氣流沖刷下，盤管會暴露出來，造成盤管出現(xiàn)裂紋，甚至燒穿。一般控制盤管內(nèi)部循環(huán)鍋爐水壓力比氣化爐爐膛壓力高0.8 MPa左右，所以盤管泄漏后，盤管內(nèi)部的鍋爐水就進(jìn)入到爐膛內(nèi)部。鍋爐水溫度在270℃左右，爐膛溫度在1300℃以上，鍋爐水進(jìn)入爐膛后形成激冷，液態(tài)渣在盤管泄漏部位大量凝固，尤其是渣口盤管泄漏后引起渣口堵塞較為常見。

⑤氣化爐負(fù)荷與爐壓不匹配，造成火焰偏短，長期運(yùn)行下造成渣口堵渣。氣化爐的負(fù)荷（入爐氧量）與氣化爐的壓力是有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系的，這是保證流場合理的重要措施。但是往往在實(shí)際生產(chǎn)中，為了追求高負(fù)荷，氣化裝置合成氣外送調(diào)節(jié)閥處于全開狀態(tài)，氣化爐的壓力由后系統(tǒng)控制，造成氣化爐負(fù)荷與壓力不匹配。

⑥氣化爐高負(fù)荷緊急停車時(shí)，爐壁上大量的熔渣急劇降溫，在渣口處凝固，堵塞渣口。這種情況停車后沒有明顯變現(xiàn)，如果停車后不檢查氣化爐渣口，在下次開車后就會出現(xiàn)渣口堵塞的癥狀。

4 渣口堵塞的處理措施

4.1 提高氧煤比提升爐溫

通常先降負(fù)荷，降低灰渣量，減少渣口排渣負(fù)擔(dān)，然后逐步提高氧煤比，提高爐膛整體溫度。

如表1所示，該公司A爐渣口堵渣，首先采用降負(fù)荷措施，渣口壓差并沒有下降，而是持續(xù)上升。隨后保持入爐煤量不變，緩慢提高氧量，提高爐溫。在此過程，合成氣CH4含量控制在150-500ppm，主盤管密度550-700kg/m3（根據(jù)煤質(zhì)具體情況而定），盤管水冷壁蒸汽產(chǎn)量5～15t/h，插入式測溫點(diǎn)溫度不超1000℃，預(yù)埋式測溫點(diǎn)溫度不超800℃。約1小時(shí)后渣口壓差降低，接近正常水平。在操作過程中一定要緩慢提高氧量，平穩(wěn)操作，防止?fàn)t膛固渣熔化反而使情況惡化。

4.2 降爐壓拉伸火焰

聯(lián)系后系統(tǒng)降壓，拉伸氣化爐燃燒火焰，緩慢提高氧煤比，提高錐形渣口處溫度，利用高溫液態(tài)渣和高溫合成氣流沖擊渣口進(jìn)行清堵。如果渣口壓差在100 kPa以上的情況，可將氣化爐減負(fù)荷后，從系統(tǒng)中切出，合成氣從火炬放空。此種方法效果明顯，時(shí)間較短，一般2～3小時(shí)就可以熔解渣口堵塞。

4.3 渣口恢復(fù)正常判斷依據(jù)

合成氣成分變化（如下圖所示），CO2含量升高；渣口壓差儀表17PDIA1054顯示正常；熔渣過程中破渣機(jī)油壓波動，然后長時(shí)間沒有出現(xiàn)波動；粗渣大塊渣明顯減少，球狀和絲狀渣增多。

藍(lán)線A：渣口壓差顯示值；

橙線B：合成氣中CO2含量；白線C：合成氣中CO含量

5 渣口堵塞的預(yù)防措施

5.1 加強(qiáng)原料煤控制

可靠的原料煤煤質(zhì)是氣化爐穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)，決定了氣化爐的操作溫度、排渣性及關(guān)鍵設(shè)備的長周期使用等，尤其是采用不同煤種的原料煤摻配作為氣化原料，其質(zhì)量控制更為重要。一般要選擇灰熔點(diǎn)較低，粘溫特性曲線平緩的煤種。在煤質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，要提前做好原煤分析，計(jì)算新煤種的入爐時(shí)間，根據(jù)煤質(zhì)調(diào)整氣化爐控制參數(shù)。

5.2 氣化爐操作要穩(wěn)定

氣化爐加減負(fù)荷幅度要合理，嚴(yán)禁大幅度快速加減負(fù)荷；加負(fù)荷時(shí)，先加煤后加氧，減負(fù)荷時(shí)，先減氧后減煤；嚴(yán)格按照氣化爐負(fù)荷表控制爐壓與負(fù)荷，防止對應(yīng)參數(shù)產(chǎn)生較大偏離。

5.3 控制原煤和粉煤中的異物

原料煤中的編織袋、木塊等異物在入原（下轉(zhuǎn)第182頁）（上接第179頁）料煤倉前設(shè)置除雜裝置；磨煤系統(tǒng)纖維分離器定期檢查清理；輸煤系統(tǒng)有燒結(jié)金屬部位的操作要防止超壓，造成燒結(jié)金屬破裂，碎塊進(jìn)入粉煤系統(tǒng)，最終堵塞燒嘴粉煤通道；利用停車機(jī)會檢查鎖斗內(nèi)件固定螺栓等，最好滿焊加固；袋式過濾器折流擋板設(shè)計(jì)為加厚防磨型，并且支撐加固。

5.4 燒嘴定期檢查

燒嘴的設(shè)計(jì)使用周期為6個(gè)月，實(shí)際運(yùn)行中最長已經(jīng)達(dá)到14個(gè)月。即使燒嘴使用沒有到檢修周期，但是有檢修窗口時(shí)，要對燒嘴拆開檢查粉煤通道磨損情況，檢查是否堵塞異物，如果堵塞異物可以進(jìn)行人工清理。

6 結(jié)語

渣口堵塞對氣化裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性影響很大，尤其在大型煤化工項(xiàng)目中，如果出現(xiàn)非計(jì)劃停車，一般需要十幾個(gè)小時(shí)才能恢復(fù)正常，開停車一次損失至少幾百萬元，所以對氣化爐渣口要深入進(jìn)行研究。在生產(chǎn)過程中渣口出現(xiàn)異常，應(yīng)該全面準(zhǔn)確判斷原因，對癥處理，能夠得到事半功倍的效果。另外航天長征化學(xué)工程股份公司對航天爐的渣口尺寸也在進(jìn)行逐步優(yōu)化，最終使粉煤在爐膛內(nèi)反應(yīng)時(shí)間加長，碳轉(zhuǎn)化率提高，并且實(shí)現(xiàn)渣口抗波動能力提高。

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作者簡介：

郭偉（1982- ），男，漢族，河南南陽人，本科，助理工程師。