廢鍋式氣化爐激冷氣工藝優(yōu)化及性能評(píng)估

樊 強(qiáng)，劉 剛，陶繼業(yè)，陳 智，王鵬杰，李小宇，任永強(qiáng)

（中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司 煤基清潔能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102209）

引 言

近年來(lái)，氣流床氣化技術(shù)以其碳轉(zhuǎn)化率高、煤種適應(yīng)性廣、冷煤氣效率高、廢水少等優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展迅速[1]。其熱回收方式分為廢鍋流程和激冷流程，廢鍋流程的代表性技術(shù)有SHELL的廢鍋技術(shù)、華能爐的全廢鍋技術(shù)、GE的半輻射廢鍋技術(shù)以及E-GAS的火管式廢鍋技術(shù)[2]。全廢鍋技術(shù)具有熱效率高、副產(chǎn)的中/高壓蒸汽用途廣、能有效降低操作成本等特點(diǎn)。然而，由于廢鍋技術(shù)本身的工藝特點(diǎn)，造成了其合成氣帶灰對(duì)氣化爐后廢鍋的磨損和積灰等問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的廢鍋工藝氣化爐主要以華能爐為主，該技術(shù)已應(yīng)用于天津IGCC聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置，是國(guó)內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行的國(guó)產(chǎn)廢鍋氣化裝置，創(chuàng)造了世界IGCC長(zhǎng)周期運(yùn)行的紀(jì)錄。該技術(shù)為兩段進(jìn)料，采用化學(xué)激冷、物理激冷相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了較高的碳轉(zhuǎn)化率和熱效率，大大降低了激冷氣的循環(huán)量，減少了含灰合成氣對(duì)廢鍋的磨損，同時(shí)縮小了設(shè)備尺寸，使能耗和投資大幅度降低。

相比于華能爐，SHELL氣化爐是國(guó)外引進(jìn)的氣化廢鍋技術(shù)，其技術(shù)特點(diǎn)是只有一段進(jìn)料，反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的高溫含灰合成氣（～1 500℃）上行經(jīng)過(guò)激冷氣降溫后（750℃～800℃），進(jìn)入廢鍋換熱并副產(chǎn)蒸汽。隨著設(shè)備使用年限的增加，氣化爐水冷壁換熱效果變差或原料煤灰熔融性溫度的變化，使進(jìn)入廢鍋前的合成氣溫度偏高，導(dǎo)致廢鍋換熱面積灰嚴(yán)重[3]。尤其是國(guó)內(nèi)早期的SHELL氣化爐大部分都到了設(shè)計(jì)壽命的中后期，很多用戶為了保證氣化爐出口溫度在800℃以內(nèi)，對(duì)激冷氣壓縮機(jī)進(jìn)行了擴(kuò)容改造，以增大激冷氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)爐頂不超溫。但是這又會(huì)造成通過(guò)廢鍋的合成氣量大大偏離設(shè)計(jì)值，加劇了換熱面的磨損，長(zhǎng)期運(yùn)行將導(dǎo)致壁面的厚度減薄，喪失其原有的設(shè)計(jì)性能，甚至有發(fā)生爆管的可能，對(duì)設(shè)備的正常安全運(yùn)行構(gòu)成了潛在威脅[4-5]。

筆者針對(duì)影響廢鍋磨損的因素進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，以國(guó)內(nèi)某典型的廢鍋氣化裝置為例，對(duì)氣化工藝進(jìn)行了抗磨損優(yōu)化和抗磨性能評(píng)估，以期為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 煤氣化裝置廢鍋磨損因素分析

廢鍋又稱余熱鍋爐或合成氣冷卻器，在煤氣化工藝中，廢鍋換熱面的磨損主要是沖刷磨損，合成氣中夾雜的大量固體顆粒隨著氣體的流動(dòng)對(duì)廢鍋換熱面造成氣固兩相流的沖刷磨損，導(dǎo)致表面材料嚴(yán)重破壞。

廢鍋磨損是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象，其磨損的原因主要有以下3種：

（1）廢鍋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流場(chǎng)擾動(dòng)強(qiáng)烈

廢鍋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其壓力殼體內(nèi)布置有3～4段換熱器，每段換熱器由不少于3圈水冷壁盤管組成。氣固兩相在其內(nèi)部流場(chǎng)擾動(dòng)強(qiáng)烈，每層盤管都會(huì)與含固合成氣接觸、碰撞、折流、再碰撞，如此反復(fù)進(jìn)行。尤其是固體飛灰顆粒在高速流過(guò)間隙較小的3圈水冷壁盤管時(shí)，會(huì)對(duì)盤管迎風(fēng)面和內(nèi)壁面造成強(qiáng)烈的沖刷和撞擊，致使換熱面磨損[6]。

（2）合成氣溫度降低，含灰顆粒的硬度增大

合成氣在經(jīng)過(guò)廢鍋受熱面換熱后，溫度逐漸降低，合成氣中攜帶的飛灰顆粒溫度隨之降低，飛灰顆粒硬度會(huì)進(jìn)一步提高，在流通截面狹窄的廢鍋通道內(nèi)，飛灰顆粒更容易撞擊到受熱面上，堅(jiān)硬的顆粒對(duì)換熱管面的切削作用大，受熱面磨損程度嚴(yán)重[7]。

（3）含灰合成氣流速高，磨損加劇

由于廢鍋磨損主要是飛灰顆粒與換熱面的撞擊或摩擦造成的[8]，因此顆粒的速度越大，撞擊或摩擦的動(dòng)能就越大，磨損越嚴(yán)重。通常，磨損量與輸送氣流速度的n次方成正比例增長(zhǎng)關(guān)系。如果氣流的速度太低，則被輸送的物料就會(huì)沉積在管道中，堵塞管道。因此，合理選擇氣流速度是保證系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵[9-10]。實(shí)驗(yàn)表明,設(shè)備及管道單位截面上飛灰的動(dòng)能與受熱面的磨損量均與合成氣流速的3次方成正比，即合成氣流速增加1倍,受熱面的磨損速度就增加為原來(lái)的8倍[5]。因此含灰合成氣的流速對(duì)管壁磨損的影響最大。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，作為壓力容器的廢鍋，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不能改動(dòng)，而為了良好的換熱降溫，又不能提高合成氣溫度來(lái)軟化飛灰顆粒的硬度，因此針對(duì)前2種磨損原因，很難找到有效的抗磨損方法。而針對(duì)第3種原因，可以通過(guò)優(yōu)化工藝即降低含灰合成氣流速，來(lái)減緩磨損。

2 廢鍋式氣化工藝優(yōu)化

對(duì)于氣化爐和廢鍋而言，其設(shè)備尺寸已經(jīng)定型，要想降低合成氣的流速，只能通過(guò)降低合成氣總量來(lái)實(shí)現(xiàn)。流過(guò)廢鍋的合成氣總量由兩部分決定：一是氣化爐產(chǎn)生的合成氣量，二是對(duì)高溫合成氣進(jìn)行降溫的激冷氣量。氣化爐產(chǎn)生的合成氣量是由投煤量決定的，降負(fù)荷運(yùn)行很不經(jīng)濟(jì)，所以降低流速只能通過(guò)降低激冷氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)。以國(guó)內(nèi)某典型的廢鍋氣化裝置為例，采用一級(jí)氣化，氣化反應(yīng)區(qū)上行的合成氣溫度約1 500℃，高溫合成氣以氣化爐后的洗滌塔出口的合成氣（168℃）和飛灰過(guò)濾器出口的合成氣（335℃）作為激冷氣（209℃），循環(huán)降溫，激冷氣循環(huán)倍率通常達(dá)100%～200%，裝置運(yùn)行功耗高，合成氣總量大。為此，本文提出3種降低激冷氣量的工藝優(yōu)化措施（具體優(yōu)化工藝如圖1所示）：（1）低溫激冷氣工藝，只從洗滌塔出口抽取合成氣作為激冷氣，壓縮后經(jīng)激冷氣進(jìn)口進(jìn)入氣化爐；（2）減溫水工藝，將減溫水經(jīng)減溫噴頭噴入氣化爐；（3）低溫激冷氣耦合減溫水工藝，將前兩種工藝結(jié)合，共同降溫。

圖1 降低激冷氣量的優(yōu)化工藝示意圖

2.1 低溫激冷氣工藝

從工藝設(shè)計(jì)方面考慮，為防止合成氣在長(zhǎng)距離管道輸送過(guò)程中因散熱降溫，致使合成氣中銨鹽結(jié)晶而對(duì)激冷氣壓縮機(jī)造成損害，通常將洗滌塔出口的低溫合成氣和飛灰過(guò)濾器出口的高溫合成氣混合，來(lái)確保銨鹽始終不結(jié)晶析出。但實(shí)際生產(chǎn)中，銨鹽經(jīng)過(guò)洗滌塔濕洗后，隨灰水進(jìn)入水系統(tǒng)，不會(huì)帶入氣相中。因此，可以只抽取更低溫度的洗滌塔出口合成氣作為激冷氣，既增加了冷量，又減少了激冷氣壓縮機(jī)做功。

如圖1所示，洗滌塔出口合成氣（168℃）通過(guò)分液罐分液，再經(jīng)壓縮機(jī)增壓后（175℃），沿激冷氣進(jìn)口送入氣化爐減溫區(qū)，對(duì)高溫合成氣進(jìn)行降溫。廢鍋流通直徑為1 424 mm，激冷氣原工藝與激冷氣低溫工藝參數(shù)及模擬結(jié)果如表1所示。

由表1可知，原工藝中14萬(wàn)m3/h合成氣（1 500℃）被20萬(wàn)m3/h激冷氣（209℃）冷卻至850℃，流過(guò)廢鍋通道的總氣量為34萬(wàn)m3/h，此時(shí)含飛灰的氣流流速為5.95 m/s。采用激冷氣低溫工藝，其流過(guò)廢鍋通道的氣流總量為326 368 m3/h，氣流流速為5.71 m/s；相比原工藝，氣量減小了13 632 m3/h，流速減小了0.24 m/s，流速降幅4.03%。采用激冷氣低溫工藝，激冷氣從209℃降低到175℃，單純靠34℃的溫差來(lái)實(shí)現(xiàn)合成氣的降溫，減速效果不明顯。

表1 激冷氣原工藝與激冷氣低溫工藝參數(shù)及模擬結(jié)果

2.2 減溫水工藝

如圖1所示，保持原工藝的激冷氣溫度不變，只在氣化爐激冷氣進(jìn)口上部增加一層減溫噴嘴，將245℃的減溫水以霧化液滴的形式送入減溫區(qū)，利用水的汽化來(lái)吸收高溫合成氣的顯熱，從而到達(dá)降溫的目的。激冷氣原工藝與減溫水工藝參數(shù)及模擬結(jié)果如表2所示。

表2 激冷氣原工藝與減溫水工藝參數(shù)及模擬結(jié)果

由表2可知，采用減溫水工藝，在原工藝的激冷氣溫度不變、氣量減少一半（10萬(wàn)m3/h）的基礎(chǔ)上，增加了29.6 m3/h的減溫水（245℃），即用29.6 m3/h的減溫水替代了10萬(wàn)m3/h的激冷氣（209℃）。其流過(guò)廢鍋通道的氣流總量變?yōu)?76 798 m3/h，氣流流速降為4.85 m/s；相比原工藝，氣量減小了63 202 m3/h，流速減小了1.10 m/s，流速降幅18.49%。這種工藝?yán)昧藴p溫水的汽化潛熱，替代了大量的激冷氣量，從而使氣流流速大幅度降低，抗磨損效果較明顯。

2.3 低溫激冷氣耦合減溫水工藝

為了使減速效果更明顯，在減溫水工藝的基礎(chǔ)上，將209℃的激冷氣改為175℃的激冷氣，流量保持原工藝的一半，同時(shí)噴入減溫水。利用低溫激冷氣和減溫水的雙重降溫效果達(dá)到降溫的目的。激冷氣原工藝與低溫激冷氣耦合減溫水工藝參數(shù)及模擬結(jié)果如表3所示。

表3 激冷氣原工藝與低溫激冷氣耦合減溫水工藝模擬結(jié)果

由表3可以看出，低溫激冷氣耦合減溫水工藝用27.36 m3/h的減溫水替代了10萬(wàn)m3/h的激冷氣（209℃），其流過(guò)廢鍋通道的氣流總量變?yōu)?73 837 m3/h，氣流流速降為4.79 m/s；相比原工藝，氣量減小了66 163 m3/h，流速減小了1.16 m/s，流速降幅19.50%，減速效果明顯。但相比于減溫水工藝，氣量減小了2 961 m3/h，流速減小了0.06 m/s，流速降幅1.24%，減速效果不明顯。

2.4 工藝優(yōu)化后的抗磨性能評(píng)估

綜上所述，3種優(yōu)化工藝都降低了合成氣總量和流過(guò)廢鍋的換熱面的氣流流速，合成氣攜帶飛灰穿過(guò)廢鍋3層盤管時(shí)，相應(yīng)的磨損速度也隨之降低。由于飛灰流速的3次方與受熱面的磨損程度成正比，所以以原工藝的磨損程度為基準(zhǔn)，改進(jìn)后工藝的磨損程度可以用式（1）表示：

式中，η1為原工藝廢鍋的磨損程度，%；η2為改進(jìn)工藝廢鍋的磨損程度，%；v1為原工藝流過(guò)廢鍋的氣流速度，m/s；v2為改進(jìn)工藝流過(guò)廢鍋的氣流速度，m/s。

通過(guò)公式（1）計(jì)算，可對(duì)3種優(yōu)化工藝的磨損程度進(jìn)行評(píng)估。假定原工藝在總氣量34萬(wàn)m3/h，流速5.95 m/s的情況下，磨損程度為100%，那么：低溫激冷氣工藝在總氣量32.6萬(wàn)m3/h、流速5.71 m/s的情況下，磨損程度為88.4%；減溫水工藝在總氣量27.7萬(wàn)m3/h、流速4.85 m/s的情況下，磨損程度為54.2%；低溫激冷氣耦合減溫水工藝在總氣量27.4萬(wàn)m3/h、流速4.79 m/s的情況下，磨損程度為52.2%。

這3種優(yōu)化工藝分別可以減緩11.6%、45.8%、47.8%的磨損程度，減溫水工藝和低溫激冷氣耦合減溫水工藝的抗磨損效果較原工藝最為明顯，減溫水工藝和低溫激冷氣耦合減溫水工藝之間的抗磨損程度相差2個(gè)百分點(diǎn)。這是由于在減溫水占主導(dǎo)減溫作用的時(shí)候，采用更低溫（溫差34℃）的激冷氣是沒有相變的物理降溫方法，其提供的冷量有限，降溫效果沒有減溫水汽化吸熱這種降溫方法明顯，所以二者流速和磨損程度相差不大。

3 結(jié) 論

3.1 降低氣流流速是緩解氣流床煤氣化技術(shù)中廢鍋磨損的有效方法。

3.2 低溫激冷氣工藝、減溫水工藝和低溫激冷氣耦合減溫水工藝3種抗磨損的優(yōu)化措施均可不同程度減緩含灰合成氣對(duì)氣化爐廢鍋的磨損。

3.3 相比于原工藝，低溫激冷氣工藝依靠更低溫度的激冷氣來(lái)實(shí)現(xiàn)合成氣的降溫，對(duì)總氣量的替代量為13 632 m3/h，流速減小了0.24 m/s，流速降幅為4.03%，可對(duì)廢鍋減緩11.6%的磨損程度。

3.4 相比于原工藝，減溫水工藝?yán)昧藴p溫水的汽化潛熱，對(duì)總氣量的替代量為63 202 m3/h，流速減小了1.10 m/s，流速降幅為18.49%，可對(duì)廢鍋減緩45.8%的磨損程度，抗磨損效果較明顯。

3.5 相比于原工藝，低溫激冷氣耦合減溫水工藝既利用了更低溫度的激冷氣，又利用了減溫水的汽化潛熱，對(duì)總氣量的替代量為66 163 m3/h，流速減小了1.16 m/s，流速降幅為19.50%，可對(duì)廢鍋減緩47.8%的磨損程度，抗磨損效果更明顯。

3.6 減溫水工藝和低溫激冷氣耦合減溫水工藝之間的抗磨損程度相差2個(gè)百分點(diǎn)，主要原因是在減溫水占主導(dǎo)減溫作用的時(shí)候，采用沒有相變的物理降溫方法，替代的激冷氣量較少，所以二者流速和磨損程度相差不大。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，可根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和工況調(diào)整，靈活地選擇這3種工藝方式。