煤氣化方面德士古氣化爐帶水問(wèn)題研究進(jìn)展

姚宇鵬

（內(nèi)蒙古東華能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾 010300）

我國(guó)是煤炭資源消耗大國(guó)，在多種生產(chǎn)中需要使用煤炭為原料。當(dāng)前的煤氣化工藝有著廣泛的應(yīng)用，許多企業(yè)具備成熟的氣流床氣化技術(shù)。煤氣化技術(shù)有著環(huán)境污染小、粗煤氣質(zhì)量好、原料選擇范圍廣、碳轉(zhuǎn)化率高、氣化強(qiáng)度大的特點(diǎn)。這種技術(shù)有著較長(zhǎng)的持續(xù)性，而且操作比較方便靈活。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，容易出現(xiàn)帶水問(wèn)題，難以維持德士古氣化爐的液位，不利于保障設(shè)備的穩(wěn)定性，會(huì)影響到工業(yè)生產(chǎn)。

1 德士古煤氣爐的優(yōu)點(diǎn)概述

德士古氣化爐有多方面優(yōu)勢(shì)，在環(huán)保、節(jié)能和能源綜合利用方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在運(yùn)行過(guò)程中，可能出現(xiàn)激冷室?guī)畣?wèn)題，但是通過(guò)引入科學(xué)的管理措施，能保障德士古氣化爐長(zhǎng)周期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。和普通的流化床、固定床相比較，德士古水煤漿加壓氣化工藝有著以下幾方面優(yōu)點(diǎn)。

1.1 有著較強(qiáng)煤炭種類適應(yīng)性

德士古氣化爐能使用石油焦、煙煤、次煙煤等，并不會(huì)受到灰熔點(diǎn)的影響，在灰熔點(diǎn)比較高的情況下，加入適量的助溶劑。在使用過(guò)程中，盡可能選擇質(zhì)量好、灰熔點(diǎn)低的煤。原料煤都需要進(jìn)行磨制，所以選擇粒徑10mm 左右的即可。

1.2 有著連續(xù)生產(chǎn)性

氧氣和煤漿的生產(chǎn)是連續(xù)的，這些原料能持續(xù)不斷進(jìn)入氣化爐?？梢栽O(shè)定固定程序排渣，有著較強(qiáng)的可操作性，不需要停車再排渣。

1.3 有著較高的氣化壓力

在高壓情況下，可以顯著降低比容積，實(shí)際的單爐產(chǎn)量比較大。所以在生產(chǎn)過(guò)程中，節(jié)約了煤氣壓縮需要花費(fèi)的資金和能源。

1.4 合成氣有著較高的質(zhì)量

使用德士古氣化爐能保障煤氣的質(zhì)量，有效成分的比例高于80%，可用于生產(chǎn)甲醇。

1.5 有著較高的氣化溫度

氣化溫度介于1 200 ～1 350℃之間，煤的實(shí)際轉(zhuǎn)化率比較高。德士古氣化爐的運(yùn)行溫度在1 250℃左右，同時(shí)能根據(jù)渣樣的狀況調(diào)整實(shí)際操作溫度，能保證96%的碳轉(zhuǎn)化率。高溫生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定的蒸汽，這些蒸汽能在其他生產(chǎn)中使用。

1.6 有著較強(qiáng)的安全性

德士古氣化爐使用濕法磨煤，把添加劑、水和煤加入磨煤機(jī)，這種濕磨的方式能避免爆炸危險(xiǎn)，沒(méi)有傳統(tǒng)干磨法中可能出現(xiàn)的巨大安全隱患。

1.7 德士古氣化爐生產(chǎn)有著一定的環(huán)保型

在生產(chǎn)中，氣化爐的溫度比較高，不會(huì)產(chǎn)生酚或者焦油等污染環(huán)境的副產(chǎn)物。生產(chǎn)過(guò)程中排出的廢水包含氨氮合物，這種產(chǎn)物相比廢水更容易處理，處理成本比較低。同時(shí)，氣化系統(tǒng)能重復(fù)使用水資源，排出的廢水量比較小，處理難度顯著降低。在配制水煤漿的過(guò)程中，可以使用工廠產(chǎn)生的難以生化處理、包含大量有機(jī)物的廢水，使用這些廢水配制水煤漿，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)利用。

2 氣化爐帶水的現(xiàn)象

1）激冷水進(jìn)入激冷室之后沒(méi)有有效換熱，這樣會(huì)引發(fā)帶水問(wèn)題。

2）氣化爐支撐板邊緣溫度降低，由于合成氣中存在較多的水滴，可能會(huì)和支撐板發(fā)生熱量交換，進(jìn)而讓支撐板熱量流失。如果上升管和下降管存在環(huán)隙阻塞，可能導(dǎo)致兩側(cè)出現(xiàn)溫度差別。

3）如果氣化爐液位快速降低，同時(shí)洗滌塔液位比較高，可能導(dǎo)致水系統(tǒng)循環(huán)失衡。

4）氣化爐底部打黑水出水量減少，氣化爐激冷室液位和閃蒸系統(tǒng)的黑水流量是串級(jí)的，所以如果激冷室液位比較低，那么打黑水的出水量也會(huì)顯著降低。

5）洗滌塔合成氣溫度比較高，可能會(huì)導(dǎo)致氣化爐液位比較低，激冷水作用于合成氣的時(shí)間比較短，所以換熱量達(dá)不到要求。如果出現(xiàn)帶水問(wèn)題，那么合成器中的水蒸氣也會(huì)有較多熱量，提升了出口溫度。

6）文丘里壓差提升，頻繁波動(dòng)。合成氣管道中加入激冷水后，也會(huì)把細(xì)灰?guī)нM(jìn)管道中，從而影響到管道的通暢性，進(jìn)而影響到設(shè)備的運(yùn)行。

激冷室?guī)畣?wèn)題會(huì)引發(fā)嚴(yán)重后果，會(huì)影響到氣化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不利于工業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。激冷室?guī)畷?huì)提升洗滌塔液位，所以不利于后工段的變換系統(tǒng)運(yùn)作。帶水會(huì)導(dǎo)致操作系統(tǒng)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，所以難以穩(wěn)定操作氣化爐，影響到有效氣的成分，所以只能減負(fù)荷運(yùn)行設(shè)備，生產(chǎn)量降低。如果帶水問(wèn)題相對(duì)嚴(yán)重，氣化爐液位下降程度大，就必須停車處理，會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。如果洗滌塔水質(zhì)固含量提升，那么會(huì)惡化激冷水水質(zhì)，激冷環(huán)壽命顯著降低。在系統(tǒng)水循環(huán)失衡之后，灰水系統(tǒng)的處理負(fù)荷提升，在沒(méi)有有效處理的情況下，返回系統(tǒng)的灰水水質(zhì)不符合要求，形成帶水惡性循環(huán)。這種問(wèn)題還會(huì)加快設(shè)備及管道堵塞、磨損和結(jié)垢的速度。

3 氣化爐帶水的原因分析

3.1 氣化爐負(fù)荷方面的原因

氣化爐負(fù)荷會(huì)直接影響激冷室?guī)?。如果提升氣化爐負(fù)荷，那么通氣量和實(shí)際壓力變大，但是管道的直徑不會(huì)變化，所以在壓力增加的時(shí)候，氣體流速顯著提升。流速超過(guò)一定數(shù)值之后，就會(huì)把液體帶出激冷室，就會(huì)產(chǎn)生帶水問(wèn)題。在激冷室中，高溫合成氣的激冷引發(fā)了沸騰傳熱。蒸汽溫度和加熱面問(wèn)題的溫度差決定了液體的過(guò)熱程度，如果溫差比較小，那么液體只會(huì)輕微沸騰，這種情況屬于對(duì)流傳熱。

在溫差較大的情況下，相應(yīng)的熱流密度和傳熱系數(shù)也會(huì)提升，這種情況屬于泡核沸騰傳熱。如果溫差繼續(xù)提升，數(shù)值到了臨界值之后，蒸汽泡的數(shù)量顯著提升，進(jìn)而構(gòu)成傳熱系數(shù)較低的蒸汽膜，這種情況屬于膜狀沸騰傳熱，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)激冷室?guī)畣?wèn)題。

由此可見(jiàn)，如果氣化爐負(fù)荷比較大，那么會(huì)提升熱負(fù)荷強(qiáng)度，激冷室中的泡核沸騰傳熱會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟罘序v傳熱模式，傳熱效率顯著降低，同時(shí)會(huì)帶走較多的水。

3.2 氣化爐爐溫方面的原因

在氣化爐的運(yùn)行中，必須加強(qiáng)對(duì)溫度的控制。一般來(lái)說(shuō)，提升爐溫能保障氣化反應(yīng)的效率，保障碳轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)氣量、反應(yīng)速率。但是溫度超過(guò)一定界限，氣體流速會(huì)提升、總氣量提升，激冷水中包含的飽和水蒸氣量提升，激冷室熱負(fù)荷變大。如果氣化爐溫度比較低，那么粗渣含碳量提升、產(chǎn)氣量下降、碳轉(zhuǎn)化率難以達(dá)到要求，可能導(dǎo)致堵塞問(wèn)題。

3.3 原料煤的質(zhì)量問(wèn)題

原料煤的灰熔點(diǎn)、內(nèi)水、反應(yīng)活性、黏溫特性也是影響帶水問(wèn)題的重要因素，屬于解決帶水問(wèn)題的重要突破口。煤灰的黏溫特性直接影響生產(chǎn)效果，煤灰的流動(dòng)溫度和軟化溫度都需要符合要求。如果煤灰中的Fe2O3、Al2O3、CaO 含量比較高，那么會(huì)形成較多的細(xì)灰，難以快速凝固，所以隨著合成氣進(jìn)入上升管和下降管的空隙中，可能引發(fā)阻塞問(wèn)題。

例如，在某裝置中使用了黑山煤炭和紅沙泉煤炭，黑山煤炭的灰熔點(diǎn)有著較大的波動(dòng)，所以可能提升氣化爐溫度的波動(dòng)范圍。另一種煤炭的成漿性比較差，其中的內(nèi)水含量高，所以形成的煤漿有著較大的黏度。這種煤炭反應(yīng)活性大，但是可磨指數(shù)低，黑山煤炭則有著較低的反應(yīng)活性和較高的可磨指數(shù)。為了讓黑山煤炭的粒度符合要求，加入了較多的鋼棒進(jìn)行棒磨。

4 德士古氣化爐帶水問(wèn)題解決措施

1）增加上升管的直徑，增加下降管和上升管之間的環(huán)形通道空間。緩和合成氣對(duì)液相的影響，降低氣體流通速度，這樣能限制夾帶水的動(dòng)能，屬于從根源上消除合成氣帶水問(wèn)題。氣化爐激冷室的上升管都是采用螺栓緊固的，所以能快速更換，維護(hù)需要投入的資金不多，這種方式能用于改造設(shè)備方面。

2）擴(kuò)大氣化爐激冷室空間。利用這種方式，能增加激冷室液面上部的分離區(qū)域，許多夾帶水會(huì)回流到氣化爐激冷室空間中。如果氣體流速相同，那么氣體夾帶水有著相同的動(dòng)能，液滴帶出速度遠(yuǎn)低于分離空間流速，因此會(huì)產(chǎn)生較多的合成氣帶水。如果設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行，洗滌塔和氣化爐能實(shí)現(xiàn)水平衡。這種情況下，夾帶水能順利回流。如果氣化爐嚴(yán)重帶水，那么采用控制氣化爐液位的方式，能擴(kuò)大氣化爐激冷室液面上的空間，這樣能緩解帶水問(wèn)題。為了保障氣化爐的液位符合生產(chǎn)要求，可以提升激冷室的尺寸，這種方案適合在設(shè)計(jì)新裝置的時(shí)候應(yīng)用。

3）在氣化爐合成氣出口管線部位設(shè)置氣水分離器，這樣能把水分離出來(lái)，而后使其回到氣化爐激冷室中。采用這種措施，不僅能解決帶水問(wèn)題，還能降低對(duì)激冷水的需求，改善激冷水水質(zhì)、洗滌塔水質(zhì)，降低動(dòng)力消耗，有利于簡(jiǎn)化洗滌塔和氣化爐的操作，這種改造方案比較理想。

例如，可以改造激冷室的直徑，也可以提升上升管的直徑，這樣能促進(jìn)合成氣流的流動(dòng)，提升了流動(dòng)空間，避免對(duì)合成氣中的水顆粒做功。在設(shè)計(jì)氣化爐的過(guò)程中，可以提升下降管底部大鋸齒的數(shù)量，利用不規(guī)則鋸齒的作用，消除激冷室產(chǎn)生的氣泡。針對(duì)激冷室，設(shè)置破泡條，可以消除氣泡，避免出現(xiàn)膜狀傳熱的問(wèn)題。利用鐘罩形狀的上升管，能提升防堵的效果。如果系統(tǒng)中的水質(zhì)比較差，可能在大黑水管線內(nèi)部形成水垢，也會(huì)在氣化爐激冷室中引發(fā)堵塞問(wèn)題，所以采用一開(kāi)一備用閥門(mén)的形式，避免出現(xiàn)被迫減負(fù)荷停車的問(wèn)題。氣化爐屬于氣化設(shè)備的核心裝置，包括激冷室和燃燒室模塊，激冷室主要部件則包括激冷環(huán)、下降管和上升管，針對(duì)這些構(gòu)件都可以進(jìn)行改造。

4）提升氣化爐激冷水的排出量和供應(yīng)量。減少水沫的產(chǎn)生、降低激冷水和合成氣之間的熱流強(qiáng)度、改善激冷室水質(zhì)并且降低激冷水溫度。想要達(dá)到這個(gè)目的，需要提升閃蒸系統(tǒng)的負(fù)荷并且提升洗滌塔循環(huán)泵的功率，改變整體系統(tǒng)水平衡。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了保障氣化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須解決氣化爐合成氣帶水問(wèn)題。引發(fā)帶水問(wèn)題的原因是多元化的，可能是系統(tǒng)水質(zhì)、氧氣流量、原料煤、操作溫度、氣化爐負(fù)荷方面的問(wèn)題。在實(shí)際操作中需要引入有效預(yù)防措施，如果出現(xiàn)了帶水問(wèn)題，需要及時(shí)判斷帶水的具體原因，而后進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。