水煤漿氣化爐上升管與下降管環隙堵塞的探討研究

劉 強，馮志超

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100）

中海石油華鶴煤化有限公司（以下簡稱“華鶴公司”）氣化裝置以煤和氧氣為原料，為后續合成工段提供以CO 和H2為主要成分的粗煤氣，是華鶴公司的核心裝置。氣化裝置采用美國GE 公司水煤漿氣化工藝專利技術，主要包括煤漿制備、氣化、渣水處理三個工段，現有三臺氣化爐，配套三套閃蒸系統，正常運行過程中兩開一備。2015 年4 月一次投料成功，5 月產出合格尿素。自2017 年開始，氣化爐運行至50 天左右，出現了激冷室液位持續上漲，支撐板溫度不同程度升高等現象，經歷幾次停車檢查后，確認為上升管與下降管環隙堵塞，導致檢修頻率高、勞動強度大，同時也帶來了一定的安全風險，嚴重制約了氣化爐的安全、穩定、長周期運行。華鶴公司對此進行了原因分析，并采取了針對性的改進措施。改進后，2021 年下半年，氣化爐運行至50 天后，極少發生環隙堵塞導致的氣化爐高液位、支撐板溫度超溫等問題。本文結合華鶴公司實際運行情況，對氣化爐上升管與下降管環隙堵塞的原因進行分析，并提出相應的控制措施。

1 水煤漿氣化工藝流程

質量分數為65%～66%的水煤漿與氧氣（純度＞99.6%）經過三流式工藝燒嘴混合后進入氣化爐，在壓力6.5 MPa（G）、溫度1 350 ℃左右的條件下進行氣化反應，生成以CO+H2為主要成分的粗合成氣，合成氣在激冷室經過冷卻洗滌后，經過文丘里洗滌器進入洗滌塔再次進行洗滌，最后經過塔盤水洗滌后送至后系統；氣化爐和洗滌塔內黑水經過四級閃蒸后在系統內循環。

2 氣化爐上升管與下降管環隙堵塞現象

2.1 氣化爐液位緩慢上漲

尤其是氣化爐運行至后期，激冷室液位由正常的40%～50%緩慢上漲至80%以上，甚至穩定在95%左右，在其他參數未有明顯異常的情況下可繼續維持運行，運行期間間斷性發生氣化爐因合成氣帶水、激冷室液位突降現象降至30%左右趨于穩定后又繼續緩慢上漲至高液位。

2.2 支撐板溫度升高

氣化爐四個支撐板溫度均出現上漲，由正常運行時的250 ℃左右最高上漲至350 ℃左右，其他參數無明顯異常。

對氣化爐上升管與下降管環隙垢片取樣進行分析，結果見表1。從表1 分析結果來看，垢片主要成分為鋁、硅、鈣等物質的氧化物。

表1 氣化爐上升管與下降管環隙垢片分析結果 %

3 堵塞原因分析

3.1 原料煤煤質問題

華鶴公司所使用的原料煤由黑龍江龍煤集團鶴崗分公司提供（以下簡稱龍煤），期間夾雜不同區域的地方小煤礦提供的原料煤（以下簡稱地煤）進行摻燒，導致水煤漿灰分及灰熔融性溫度波動較大，且灰分異常偏高，最高時水煤漿灰分接近22%。進入2021 年下半年，華鶴公司所使用的原料煤發生較大變化，在加大助熔劑情況下，同等溫度時的煤灰黏度仍明顯增高，此時氣化爐燃燒后產生的灰渣呈塊狀，最大直徑達10 cm 左右，大量的細灰被塊狀渣包裹，進入激冷室水浴后直接進入鎖斗系統排出，使得粗煤氣帶灰減少，延緩了氣化爐上升管和下降管環隙的堵塞速度，這也驗證了2021 年下半年以來環隙很少發生堵塞情況的原因。華鶴公司氣化部B 氣化爐自2021 年8 月4 日投料，已經運行240 d，氣化爐液位和支撐板溫度仍舊十分穩定，環隙未發生明顯堵塞，目前仍在運行。結合該情況判斷，煤質黏溫特性對氣化爐上升管和下降管環隙堵塞有著十分明顯的影響。

3.2 燒嘴壓差波動頻繁

華鶴公司氣化部前期所使用工藝燒嘴為低壓差燒嘴，正常運行時燒嘴壓差在400 kPa 左右，但燒嘴壓差波動頻繁，最低時為0，導致燒嘴霧化效果不佳，使煤漿在氣化爐燃燒室內與氧氣接觸面積變小，可能存在部分煤漿沒有參與氧化反應，隨著粗煤氣和粗渣進入激冷室進行冷卻和洗滌，致使激冷室內部水質變差，導致粗煤氣和水汽夾帶著大量細灰一起向上去合成氣管線，隨著氣化爐的運行，積累在上升管和下降管環隙處的灰渣越來越多，最終導致環隙堵塞。當上升管與下降管環隙發生嚴重堵塞后，粗煤氣在上升管外圍去合成氣管線量增加，大量灰渣包裹在支撐板底部，導致高溫氣體在上升管外圍相對停留時間長，支撐板熱電偶散熱效果下降，從而引起氣化爐支撐板溫度升高[1]。

3.3 系統水質問題

華鶴公司所使用的原料煤灰分較高且變化頻繁，經現場沉降實驗，發現當煤質發生變化引起水質變化時，現有的絮凝劑不能達到絮凝效果，灰水濁度和硬度均偏高且波動較大，水質情況較差，經與藥劑廠家技術人員共同實驗、研究，現場配置了三種不同分子量的絮凝劑，供不同煤質選擇性使用。同時，現場所使用的分散劑阻垢效果不佳，導致管線結垢嚴重，激冷水量運行至后期低至180 m3/h，遠低于正常運行時的250 m3/h，系統水循環量低，進一步導致水質變差，上升管與下降管的堵塞也越來越嚴重。

3.4 工藝操作方面

因設備問題，灰水加熱器運行至后期換熱效果變差，基本無熱交換，導致進入洗滌塔的高壓灰水溫度較低，合成氣水氣比較低，最低至0.85，采用多種工藝參數調整仍舊無法滿足后系統要求，在此情況下，只能減小氣化爐與洗滌塔黑水排放量，長此以往，系統水質持續變差，氣化爐帶水量增加，加速了上升管與下降管的堵塞，造成氣化爐無法長周期運行。

4 應對措施

4.1 加強原料煤煤質的管控

加大對煤質的分析頻率，每日對水煤漿灰分和灰熔融性溫度進行分析，根據煤質變化情況及時調整助熔劑添加量，在灰熔融性溫度能夠滿足系統運行要求的情況下，盡量減少助熔劑的加入量，這是因為華鶴公司所使用的助熔劑為石灰石粉，在原料煤灰分較高的情況下，加入過量的石灰石會進一步加大水煤漿中的灰分，導致進入水系統的細灰增加，間接加快了氣化爐上升管和下降管環隙的堵塞速度。

同時在進行煤炭混配使用時，應針對不同配比和石灰石加入量進行成漿性實驗，確定最佳配比，控制煤漿的灰分和灰熔融性溫度在工藝指標要求范圍內。

4.2 解決燒嘴壓差波動問題

借鑒行業內經驗，經與北京航天石化技術裝備工程有限公司共同研究，對現有燒嘴進行改造，改造后燒嘴壓差較以往明顯提高，正常運行時燒嘴壓差在550 kPa 左右，且抗干擾能力增強，燒嘴壓差極少波動，波動時范圍也較小且持續時間短，一般在2 min以內，不需要工藝調整干擾即可自行恢復。

4.3 改善系統水質

經與藥劑駐廠技術服務人員反復實驗，根據系統水循環量計算分散劑及絮凝劑加入量，最終確定最佳加入量，以系統低壓灰水循環量為300 m3/h 計算，分散劑每日加入量為1 t，絮凝劑每日加入量為29 kg，并根據不同煤質選用不同分子量的絮凝劑，以保證絮凝效果。同時對分散劑選型進行優化，增加除垢性能，提升阻垢能力，保證系統水質。

控制閃蒸系統壓力，高閃壓力控制在0.80 MPa～0.85 MPa，低閃壓力控制在0.20 MPa～0.25 MPa，第一真空閃蒸系統壓力控制在-65 kPa～-60 kPa，第二真空閃蒸系統壓力控制在-75 kPa～-70 kPa。尤其是真空閃蒸系統的負壓要保持，以保證閃蒸效果，有效去除水中酸性氣體，降低黑水溫度，濃縮黑水含固量，保證黑水在澄清槽內有效絮凝。

加大氣化爐和洗滌塔黑水排放，在以往的操作中，氣化爐運行至50 天后，為滿足后系統要求，提高水氣比，氣化爐黑水排放量控制在75 m3/h 左右，洗滌塔黑水排放量控制在20 m3/h 左右，造成系統水質越來越差，濁度、硬度、堿度、懸浮物等參數明顯超標，嚴重制約氣化爐的長周期運行。以當前煤質和工況，黑水排放量不足會造成氣化爐上升管和下降管環隙堵塞加劇，目前華鶴公司氣化爐黑水排放量控制在85 m3/h～90 m3/h，洗滌塔黑水排放量控制在50 m3/h 以上，運行兩個多月，管線結垢減緩，氣化爐上升管和下降管環隙堵塞情況顯著改善，目前B 爐已經運行240 d，未發生氣化爐上升管和下降管環隙堵塞現象。

4.4 優化工藝參數

嚴格控制各項工藝參數，根據黏溫曲線選擇合適的操作溫度，避免操作溫度過高導致黑水中夾雜大量細灰難以去除。通過細微調整氧煤比，控制溫度改變渣樣形態，將細灰包裹在粗渣內部，避免大量飛灰進入水系統而加速氣化爐上升管和下降管環隙堵塞。

盡量避免氣化爐長期在低負荷狀態下運行，以利于氣化爐激冷室內氣體流動的穩定性和避免氣化爐氣體大量夾帶液體[2]，亦可增強工藝氣對氣化爐上升管和下降管環隙垢片的沖擊力和剪切力，能夠有效減緩氣化爐上升管和下降管環隙堵塞速率。

保證系統平穩，避免系統負荷、壓力等大幅度波動后系統發生嚴重帶水現象加速氣化爐上升管和下降管環隙的堵塞。

5 結 語

經過以上幾個方面的分析和提出的應對措施，逐步優化系統參數，改善系統運行環境，華鶴公司氣化爐上升管和下降管環隙堵塞問題得到明顯的改善，運行周期較以往有了大幅度的延長，減少了備爐檢修次數，節約備品備件，降低安全風險，提高經濟效益，實現了氣化爐的長期穩定運行。

隨著氣化爐運行周期的不斷延長，勢必要面對更多新的難題，華鶴公司將繼續以問題為導向，確保氣化爐的“安、穩、長、滿、優”運行。