王軍偉

（河南晉開化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 開封 475002）

0 引 言

航天爐正常運(yùn)行時(shí)，熔渣和粗合成氣經(jīng)激冷環(huán)進(jìn)入激冷室，在激冷室內(nèi)高溫熔渣與激冷水接觸后迅速降溫、?；?，并產(chǎn)生大量水蒸氣，粗渣、粗合成氣與黑水在激冷室中分離，實(shí)現(xiàn)粗合成氣、液態(tài)水、固態(tài)熔渣的分離。分離出的粗合氣經(jīng)過(guò)文丘里洗滌塔洗滌，以達(dá)到回收熱量、分離灰渣的目的，然后相對(duì)潔凈的粗合成氣送入后續(xù)工序；熔渣經(jīng)破渣機(jī)斷續(xù)排出，富含懸浮物及細(xì)灰的黑水則經(jīng)外排管道進(jìn)入后系統(tǒng)進(jìn)行處理。

在激冷室內(nèi)，激冷水分為兩路，一路通過(guò)激冷環(huán)的小孔斜向45°噴出，起到保護(hù)激冷環(huán)的作用；另一路通過(guò)流道沿下降管流下形成水膜，起到平衡下降管內(nèi)外壁溫度、保護(hù)下降管不受高溫?zé)g、平衡激冷室氣液固三相流態(tài)化的作用。若航天爐激冷室氣液固三相流態(tài)化失衡，其直接危害有：激冷環(huán)和下降管堵塞、變形、燒穿，激冷室內(nèi)部因結(jié)垢有效容積降低，爐壁超溫、變形、穿孔，從而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行周期縮短，檢修頻率與檢修費(fèi)用增加。以下就河南晉開化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱河南晉開）航天爐所用原料煤煤質(zhì)特點(diǎn)，將理論與實(shí)際相結(jié)合，分析航天爐激冷室氣液固三相流態(tài)化失衡的誘發(fā)因素，以期延長(zhǎng)航天爐的運(yùn)行周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 氣液固三相流態(tài)化失衡的誘發(fā)因素及其理論依據(jù)

1.1 鹽效應(yīng)

弱電解質(zhì)溶液中加入與之沒有相同離子的強(qiáng)電解質(zhì)時(shí)，由于溶液中離子總濃度增大，離子間相互牽制作用增強(qiáng)，使得弱電解質(zhì)解離的陰、陽(yáng)離子結(jié)合形成分子的機(jī)會(huì)減小，從而使弱電解質(zhì)分子濃度減小、離子濃度相應(yīng)增大，解離度增大，這種效應(yīng)稱為鹽效應(yīng)。當(dāng)溶解度降低時(shí)，為鹽析效應(yīng)；反之則為鹽溶效應(yīng)。鹽效應(yīng)對(duì)氣液、液液、固液相平衡的影響具體表現(xiàn)在如下5個(gè)方面：①鹽的加入會(huì)使溶液飽和蒸氣壓降低，溶劑沸點(diǎn)升高；②鹽與溶液中特定溶劑呈締合狀，導(dǎo)致溶液結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；③加鹽后體系平衡氣相中各組成發(fā)生變化；④鹽的加入使溶液體系相互之間的溶解度發(fā)生變化；⑤鹽的加入引起溶解的某種固體或氣體溶質(zhì)溶解度發(fā)生變化［1］。

1.2 稀溶液的蒸氣壓下降

含有難揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液，其蒸氣壓總是低于同溫度純?nèi)軇┑恼魵鈮?，溶液中難揮發(fā)性溶質(zhì)濃度愈大，溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)越小，其蒸氣壓下降越多。

1.3 激冷水水質(zhì)

因洗滌塔底部的水含固量高，易造成激冷水系統(tǒng)的堵塞，而固體顆粒沉積堵塞激冷環(huán)管會(huì)造成激冷水流量下降，粗合成氣及粗渣不能有效降溫；激冷水中固含量高，也會(huì)因鹽效應(yīng)對(duì)激冷水沸點(diǎn)及激冷水產(chǎn)生飽和水蒸氣的能力產(chǎn)生影響；激冷水硬度大、堿度大，易形成垢片堵塞激冷環(huán)的噴水口，使激冷環(huán)及下降管局部水膜缺損，導(dǎo)致高溫粗合成氣或熔渣直接與下降管接觸而對(duì)其造成損傷。

1.4 激冷室內(nèi)結(jié)垢

碳酸鹽結(jié)垢：垢物成分以碳酸鈣為主，也有少量的碳酸鎂，據(jù)形成條件不同分為疏松海綿狀和堅(jiān)硬硬垢狀，多形成于激冷環(huán)流道中。

硫酸鹽結(jié)垢：垢物主要成分為硫酸鈣，堅(jiān)硬而致密，常沉積在下降管與上升管環(huán)隙中。

硅酸鹽結(jié)垢：垢物主要成分為硅鈣石（5CaO·5SiO2·H2O）或鎂橄欖石（MgO·SiO2），其特性為硬度大、導(dǎo)熱系數(shù)小，常沉積在激冷室下降管外壁上。

混合結(jié)垢：由鈣和鎂的碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽以及鐵鋁氧化物等組成，主要沉積在黑水管道，多為層疊狀，非常堅(jiān)硬。

1.5 原料煤煤質(zhì)

原料煤煤質(zhì)不同，其元素含量、灰成分、灰熔點(diǎn)等就不同，粉煤在航天爐爐膛內(nèi)燃燒后，灰分中的游離Ca2＋、Mg2＋等的含量就不同，而游離Ca2＋沉積是影響激冷室氣液固三相流態(tài)化的重要因素。

2 河南晉開航天爐所用原料煤煤質(zhì)分析

河南晉開航天爐所用原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表1?？梢钥闯觯簶踊页煞种幸訡aO、Al2O3、SiO2為主，且原料煤灰熔點(diǎn)受Al2O3、SiO2含量的影響較大。因粉煤在航天爐爐膛內(nèi)的燃燒時(shí)間非常短，灰分中會(huì)有一部分的游離Ca2＋以懸浮物形態(tài)存在，游離Ca2＋的沉積會(huì)對(duì)激冷室氣液固三相流態(tài)化產(chǎn)生明顯影響。

表1 河南晉開航天爐所用原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

3 下降管處氣液固三相流態(tài)化失衡的分析

正常流態(tài)化情況下，航天爐燃燒室下部連續(xù)排出的熔渣和粗合成氣同激冷環(huán)流道在下降管內(nèi)表面形成的激冷水膜接觸，激冷水膜使流動(dòng)的高溫熔渣冷卻、粒化而進(jìn)入激冷室液面以下，高溫灰渣中的游離Ca2＋進(jìn)入水系統(tǒng)中形成懸浮物，高溫熔渣冷卻產(chǎn)生的蒸汽與粗合成氣一起進(jìn)入環(huán)隙，經(jīng)破泡板后部分水回流，且因下降管外壁在激冷水水膜冷卻下溫度低于上升的粗合成氣溫度，粗合成氣中的部分水蒸氣會(huì)在下降管外壁冷凝回流，氣流中夾帶的大部分懸浮物及灰渣會(huì)隨著冷凝形成的回流液返回激冷室，下降管外壁處在回流液的冷卻下，熱量及物料達(dá)到流態(tài)化平衡。而當(dāng)下降管局部水膜變薄引起下降管外壁溫度升高時(shí)，回流液量會(huì)減少，該區(qū)域的流態(tài)化平衡就會(huì)被打破。

當(dāng)激冷環(huán)流道結(jié)垢后，會(huì)引起該流道處激冷水流量降低，該區(qū)域下降管內(nèi)表面的水膜就會(huì)變薄而產(chǎn)生高溫區(qū)域，下降管外側(cè)的回流液中的游離Ca2＋與粗合成氣中的酸性氣（CO2）就會(huì)發(fā)生反應(yīng)而形成結(jié)垢，因垢物（CaCO3）的導(dǎo)熱性較差，結(jié)垢處在高溫作用下緩慢產(chǎn)生不可逆變形，變形區(qū)域的材質(zhì)也發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致下降管燒穿；且因下降管外壁部分區(qū)域溫度高，回流液量變小，回流液帶回激冷室中的懸浮物及灰渣的量也變少，趨于建立新的平衡，大量懸浮物及灰渣被帶入粗合成氣管道及文丘里洗滌塔中，懸浮物及灰渣在粗合成氣管道內(nèi)部結(jié)垢速度加快，引起粗合成氣流通面積減小，粗合成氣流速加快，大量懸浮物和灰渣又隨粗合成氣進(jìn)入文丘里洗滌塔，洗滌塔內(nèi)洗滌水水質(zhì)持續(xù)變差，引起激冷水水質(zhì)變差，如前所述，激冷水水質(zhì)變差又會(huì)帶來(lái)一系列的影響，如此形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致航天爐的運(yùn)行周期縮短。

4 下降管出口處氣液固三相流態(tài)化失衡的分析

航天爐下降管出口處高溫塊狀渣進(jìn)入激冷室液面下，激冷室液面下的水汽化產(chǎn)生大量水蒸氣，水蒸氣隨粗合成氣通過(guò)下降管與上升管之間的環(huán)隙上升，粗渣經(jīng)破渣機(jī)破碎后經(jīng)渣鎖斗排出，下降管排出的高溫渣塊冷卻過(guò)程中連續(xù)產(chǎn)生的水蒸氣產(chǎn)生的氣泡在粗渣周圍形成流態(tài)化保護(hù)層，該流態(tài)化的保護(hù)層隨水蒸氣的上升向液面周邊擴(kuò)散，熔渣表層中游離Ca2＋優(yōu)先在激冷水中形成懸浮物隨水蒸氣泡向液面外圍移動(dòng)，隨黑水經(jīng)管道排至高壓閃蒸罐；熔渣中游離Ca2＋在激冷水中形成懸浮物的量與熔渣的停留時(shí)間有關(guān)，如因排渣系統(tǒng)故障激冷室底部大量集渣，會(huì)延長(zhǎng)熔渣在激冷室內(nèi)的停留時(shí)間，游離Ca2＋在激冷水中形成懸浮物的量持續(xù)增多，下降管出口處氣液固三相流態(tài)化就會(huì)失衡。

航天爐集渣狀態(tài)下的爐況數(shù)據(jù)及水質(zhì)分析（河南晉開航天爐排渣周期為30min，故取樣周期為30min，取樣位置為沉降槽溢流堰處）數(shù)據(jù)見表2。可以看出：激冷室內(nèi)持續(xù)大量集渣時(shí)，粗渣周圍流態(tài)化保護(hù)層被打破，下降管出口處氣液固三相流態(tài)化就會(huì)失衡，熔渣表層大量游離Ca2＋在激冷水中形成懸浮物，黑水中懸浮物含量、堿度、硬度大幅上升，粗合成氣夾帶懸浮物量也明顯增加，下降管與上升管環(huán)隙中形成大量結(jié)垢；集渣后渣口壓差明顯上升，航天爐負(fù)荷降低后渣口壓差又開始下降；激冷室內(nèi)持續(xù)大量集渣后，隨著熔渣在激冷室停留時(shí)間的延長(zhǎng)，帶入激冷水中的熱量也增多，黑水溫度升高，航天爐負(fù)荷降低后黑水溫度又有所下降。簡(jiǎn)言之，激冷室內(nèi)部結(jié)垢可看作是熱量在激冷室內(nèi)部滯留的一種表現(xiàn)形式。

表2 航天爐集渣狀態(tài)下的爐況數(shù)據(jù)及水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

5 技改方向

鑒于航天爐系統(tǒng)工況復(fù)雜、嚴(yán)苛，且影響因素較多，為避免因激冷室氣液固三相流態(tài)化失衡影響氣化爐的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，筆者提出如下2個(gè)技改方向。

5.1 技改方向之一

原料煤煤種不變、負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，航天爐運(yùn)行時(shí)帶入水循環(huán)系統(tǒng)中游離Ca2＋的量也趨于穩(wěn)定，航天爐正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)水溫基本恒定，此時(shí)碳酸鈣的溶解度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3?？梢钥闯觯合嗤瑴囟葪l件下，碳酸鈣的溶解度隨壓力的升高而增大；而在相同壓力條件下，碳酸鈣的溶解度隨溫度的升高而減?。?］。

表3 碳酸鈣溶解度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

CO2在水中的溶解度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4?？梢钥闯?，CO2在水中的溶解度隨溫度的升高而減小。而碳酸鈣的溶度積因此，可以在最佳溫度下通過(guò)空氣中的CO2大量進(jìn)入水中與Ca2＋形成碳酸鈣而對(duì)Ca2＋予以脫除，據(jù)表3和表4的數(shù)據(jù)，碳酸鈣在水中的最佳形成溫度為50℃。

表4 CO2在水中的溶解度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

針對(duì)游離Ca2＋在水中的富集，可用涼水塔將沉降槽溢流出來(lái)的灰水冷卻至50℃，冷卻的過(guò)程中空氣中的CO2進(jìn)入水中，與水中的Ca2＋反應(yīng)生成碳酸鈣結(jié)晶，經(jīng)過(guò)沉淀池對(duì)涼水塔排出的灰水進(jìn)行沉淀，再將碳酸鈣結(jié)晶排出系統(tǒng)，清水則進(jìn)入灰水槽，從而消除航天爐水循環(huán)系統(tǒng)存在的Ca2＋富集現(xiàn)象，緩解各部位結(jié)垢，以達(dá)到提高航天爐內(nèi)件壽命、延緩系統(tǒng)結(jié)垢周期、提升系統(tǒng)運(yùn)行周期、穩(wěn)定后系統(tǒng)工況、提升綜合經(jīng)濟(jì)效益的目的。

5.2 技改方向之二

激冷室氣液固三相流態(tài)化平衡主要靠激冷水對(duì)下降管內(nèi)外壁的冷卻予以維持，激冷水水質(zhì)及流量是維持流態(tài)化平衡的關(guān)鍵。生產(chǎn)中，激冷水過(guò)濾器對(duì)激冷水中較大的雜質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾，以防堵塞激冷環(huán)出水口，但實(shí)際生產(chǎn)中航天爐停車后對(duì)激冷水過(guò)濾器進(jìn)行隔離檢查，發(fā)現(xiàn)激冷水過(guò)濾器下部沉淀區(qū)結(jié)垢嚴(yán)重，排污閥因結(jié)垢無(wú)法動(dòng)作，激冷水過(guò)濾器內(nèi)部濾板孔洞堵塞嚴(yán)重，即激冷水過(guò)濾器的作用大打折扣。

激冷水過(guò)濾器的正常排污步驟：在線切出→打開排污閥→排污至撈渣機(jī)→關(guān)閉排污閥→多次充液排放→確認(rèn)激冷水過(guò)濾器內(nèi)部干凈→投用。實(shí)際操作中，激冷水過(guò)濾器投用一段時(shí)間后進(jìn)出口閥門及排污閥因內(nèi)部結(jié)垢動(dòng)作困難，很難關(guān)到位，內(nèi)漏風(fēng)險(xiǎn)很大，導(dǎo)致排污時(shí)危險(xiǎn)系數(shù)大，對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)周期運(yùn)行不利。為此，需改進(jìn)工況，可論證如下激冷水過(guò)濾器連續(xù)排污及增設(shè)補(bǔ)償系統(tǒng)的可行性。

（1）激冷水過(guò)濾器連續(xù)排污系統(tǒng)流程：激冷水過(guò)濾器底部閥在開車期間常開，建水循環(huán)期間標(biāo)定好激冷水過(guò)濾器連續(xù)排污的流量；污水排至激冷水排污二級(jí)閃蒸器減壓，減壓后的污水與絮凝劑泵送來(lái)的絮凝劑在混合器內(nèi)充分混合后送至沉降槽，激冷水排污二級(jí)閃蒸器閃蒸出來(lái)的氣體經(jīng)冷卻分離后送至火炬燃燒，分離出來(lái)的水亦排至沉降槽。

（2）激冷水（過(guò)濾器）補(bǔ)償系統(tǒng)：因連續(xù)排污會(huì)引起進(jìn)入激冷環(huán)的激冷水流量、壓力下降，為滿足正常生產(chǎn)所需，可通過(guò)新增激冷水補(bǔ)償泵補(bǔ)水（加藥）對(duì)激冷水過(guò)濾器處的激冷水流量及壓力進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)水量及加藥量有效保證送入激冷環(huán)的激冷水水質(zhì)及流量。

（3）激冷水過(guò)濾器連續(xù)排污系統(tǒng)安全保障：為防止因補(bǔ)償泵斷流等突發(fā)狀況對(duì)激冷水流量產(chǎn)生影響，將激冷水（過(guò)濾器）補(bǔ)償系統(tǒng)與激冷水系統(tǒng)建立流量及壓力聯(lián)鎖，緊急情況下可將本系統(tǒng)迅速切出，以保證航天爐的正常運(yùn)行。