楊國帥，宋 強

（河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600）

1 五環(huán)爐煤氣化工藝概述

河南龍宇煤化工有限公司二期年產(chǎn)40萬t醋酸和20萬t乙二醇項目煤氣化裝置采用國內(nèi)首創(chuàng)的兩臺五環(huán)干粉煤氣化爐。工藝流程為：來自煤場的煤與石灰經(jīng)石研磨、干燥后，粒徑5 μm～90 μm的煤粉經(jīng)加壓和進料（鎖斗）系統(tǒng)，在N2/CO2的推力下被連續(xù)送入氣化爐煤燒嘴。干煤粉和純氧在氣化爐內(nèi)急劇反應(yīng)生成粗煤氣和灰、渣，反應(yīng)溫度1 400℃～1 600℃，反應(yīng)壓力3.9 MPa。煤中大部分的灰分以熔融渣的形式經(jīng)氣化爐底部排出，在渣池中激冷分散成小顆粒，再通過渣鎖斗排出，運往渣場。上行的粗煤氣被來自激冷氣壓縮機的激冷合成氣冷卻至約650℃后，依次通過激冷段、氣體返回室和輸氣管，在激冷罐內(nèi)冷卻到190℃～200℃。出激冷罐的粗煤氣在濕洗塔進一步降溫至170℃～190℃，含塵質(zhì)量濃度降至小于1 mg/m3。激冷罐、濕洗塔排放的氣化廢水送至黑水處理裝置，經(jīng)三級閃蒸濃縮、加絮凝劑澄清后的溢流灰水循環(huán)使用，經(jīng)除氧器、減濕器回收閃蒸氣的熱量后，被高壓灰水泵送回濕洗塔循環(huán)利用。沉淀后高濃度的黑水送至板框壓濾機壓出煤泥，濾液循環(huán)至澄清槽。出濕洗塔的合成氣進一氧化碳變換系統(tǒng)調(diào)整氫碳比后，送下游凈化裝置。

2 激冷罐系統(tǒng)流程

出輸氣管約650℃的高溫粗煤氣進入水浴式激冷器——激冷罐內(nèi)，在激冷罐內(nèi)中心內(nèi)筒和激冷水直接接觸進行降膜蒸發(fā)冷卻、水浴洗滌除塵，再經(jīng)上升管上行混合后出激冷罐，粗煤氣溫度降至190℃～200℃，粗煤氣中夾帶的大量細(xì)飛灰被初步洗滌脫除，而富含大量水汽的粗煤氣進入濕洗塔進行二次除灰降溫。激冷水由濕洗塔底部的激冷水泵提供，正常流量控制在350 m3/h～400 m3/h。濕洗塔的補水來源有變換冷凝液、中壓鍋爐水、來自高壓灰水泵的除氧灰水。水浴洗滌后產(chǎn)生的黑水分兩股去閃蒸系統(tǒng)：一股是激冷罐底錐的黑水，流過DN150的管道，約占排水總流量的35%，其固含量相對較高；一股是激冷罐中下部的灰水，流過DN300的管道，約占總流量的65%，其固含量相對較低，生產(chǎn)中可以根據(jù)需要進行流量分配調(diào)整，使灰水在激冷罐底錐位置形成自流狀態(tài)。

3 故障現(xiàn)象及原因分析

3.1 激冷罐入口結(jié)垢

粗煤氣攜帶大量的飛灰進入激冷罐下降管，在此和激冷水直接接觸，存在一段干濕兩相過渡區(qū)域，從而給積灰創(chuàng)造了條件。五環(huán)爐在滿負(fù)荷運行30 d左右時，在所用煤質(zhì)灰分低（≤23%），操作平穩(wěn)的情況下，高溫干燥的飛灰與水汽結(jié)合而黏性增大，在干濕過渡區(qū)域緩慢積灰、堵塞通道（見圖1），造成氣化爐壓力和總壓差上漲、激冷氣量下降，嚴(yán)重影響負(fù)荷提升和安全運行。結(jié)垢最嚴(yán)重時，下降管入口通道僅為原通道設(shè)計值的15%。

圖1 激冷罐入口堵塞圖

3.2 水冷壁泄漏

下降管及其上方的水冷壁所處工作環(huán)境惡劣，進行著氣、液、固三相間的傳熱傳質(zhì)，并且流動過程復(fù)雜迅速。粗煤氣在短時間、短距離內(nèi)從650℃降到220℃左右，高低溫的變化、濕度的變化、粗煤氣中的酸性氣體長期腐蝕[1]，這些綜合因素導(dǎo)致此處水冷壁發(fā)生泄漏（見圖2）。五環(huán)爐自試車運行以來，出現(xiàn)過5次激冷罐上方水冷壁泄漏現(xiàn)象，影響氣化水汽系統(tǒng)的安全運行，嚴(yán)重時汽包補水量和產(chǎn)汽量偏差大，導(dǎo)致壓力和液位不易控制而被迫停車。停車后，必須進入激冷罐內(nèi)部對該處的水冷壁減薄部位進行焊接處理或局部更換。

圖2 水冷壁彎頭泄漏圖

3.3 激冷水量不足

激冷水量的大小可通過流量計和激冷水泵的電流直觀判斷。造成激冷水量不足的主要原因和現(xiàn)象有：激冷水泵過濾器堵塞，電流下降；激冷水過濾器積泥，壓差緩慢上漲；激冷水進水管、分布環(huán)及噴頭結(jié)垢等（見圖3）。一旦激冷水量不足，將造成濕洗塔液位上漲，不得不降低濕洗塔的鍋爐水和來自除氧器的灰水量，進而加速了水質(zhì)惡化和激冷水系統(tǒng)的結(jié)垢，也造成合成氣洗滌不干凈，將飛灰?guī)е料掠巫儞Q系統(tǒng)，給催化劑的安全運行帶來很大隱患。停車后，需用高壓水清洗噴頭和激冷環(huán)內(nèi)部，檢修難度較大。針對激冷水量不足的問題，曾采取臨時措施：從高壓灰水泵出口配管引除氧灰水至激冷罐；間斷地投入事故激冷水（鍋爐水），對激冷水管線進行沖洗和補充激冷罐液位，但此舉大大地增加了運行成本。

圖3 激冷水管線堵塞結(jié)垢圖

3.4 液位波動

激冷罐液位的影響因素有激冷水量、氣化爐負(fù)荷、氣化爐壓力、灰水排出量、底錐積泥、帶液等[2-3]。激冷罐總共設(shè)置三個雙法蘭壓差式遠(yuǎn)傳液位計，采用低低三取二參與氣化爐跳車聯(lián)鎖。氣化爐投用煤燒嘴和負(fù)荷提升時期，隨著壓力和負(fù)荷上漲，需要及時增加激冷水量以提高激冷罐液位至正?？刂埔何坏?5%～50%。開車初期，煤線不穩(wěn)定造成的煤線的跳車、投運，通過氣化爐壓力和帶液量引起液位忽高忽低的波動；隨著溫度的提高，下降管和上升管垢片脫落，會在閃蒸系統(tǒng)角閥處造成阻塞，使底部流量波動進而導(dǎo)致液位的波動。運行中隨著底錐和激冷罐內(nèi)壁積泥現(xiàn)象的加劇，一方面造成黑水排水量出現(xiàn)波動，水平衡被打破，導(dǎo)致粗煤氣間斷帶液，并伴隨著激冷罐液位的突然性降低；另一方面造成液位計下部取壓管路及測量膜盒積存泥垢，導(dǎo)致三個液位計偏差較大甚至全部失真，使得工藝操作失去參考，液位過低將造成高溫粗煤氣不經(jīng)過水浴而穿透，存在很大的安全運行風(fēng)險。另外，粗煤氣中H2的滲透性、烘爐熱備的高溫環(huán)境、開工抽引置換的真空環(huán)境等都可能導(dǎo)致膜盒氫化、膨脹變形、破裂[4]，使液位測量不準(zhǔn)確。

3.5 黑水管線堵塞

氣化爐負(fù)荷和溫度的變化、煤種的改變、粗煤氣的沖刷等綜合作用會引起下降管、上升管垢片的脫落，容易在黑水管線富集，引起角閥卡澀或者管線堵塞，尤其在底部管線表現(xiàn)明顯。隨著長周期運行，激冷罐底錐內(nèi)壁不可避免地進行著積泥、沉淀，如果兩股水量調(diào)整不合理，會加劇積泥和結(jié)垢速率，具體表現(xiàn)是底錐測量壁溫逐漸下降。嚴(yán)重時，粗煤氣將黑水大量帶液至濕洗塔，激冷水泵又將黑水送至激冷罐，這種惡性循環(huán)將導(dǎo)致濕洗塔液位持續(xù)升高、激冷罐液位持續(xù)降低而無法控制，最后激冷罐底錐完全堵塞，氣化爐被迫降低負(fù)荷以緩解帶液或者停車處理。單臺五環(huán)爐曾出現(xiàn)底部DN150管線完全堵塞的情況，只能通過側(cè)部DN300管線排放黑水維持水平衡，在此情況下氣化爐堅持運行了60余天。

4 改進和優(yōu)化措施

4.1 激冷罐入口結(jié)垢問題的解決

針對激冷罐入口結(jié)垢問題，采取以下優(yōu)化措施：通過與原設(shè)計單位溝通和測算，在輸氣管水冷壁下方焊接縮口（選用耐高溫、耐煤氣腐蝕的鎳基合金N08825材質(zhì)），使得原來Φ999 mm的通道縮徑至Φ500 mm，在煤氣流量不變的情況下，流速與直徑的平方成反比，減少直徑大大地增大了粗煤氣流速；同時對錐筒內(nèi)表面進行拋光處理，避免因粗糙度大造成掛灰結(jié)垢，有效地解決了下降管入口結(jié)垢問題，避免了裝置因該處結(jié)垢堵塞而停車。

4.2 水冷壁泄漏的改造

針對水冷壁泄漏問題，采取以下優(yōu)化措施：（1）將激冷罐上方水冷壁管材質(zhì)進行升級改造，管道升級為15CrMoG并堆焊625材質(zhì)，180 °回轉(zhuǎn)彎頭升級為825材質(zhì)。材質(zhì)升級后能有效控制管道腐蝕量，為五環(huán)爐長周期運行提供保障。（2）將容易受濕氣侵?jǐn)_腐蝕的盲區(qū)塞保溫棉，減少水汽接觸，延緩水冷壁管的腐蝕。

4.3 激冷水量不足的改進

針對激冷水量不足問題，采取以下優(yōu)化措施：（1）激冷水泵一開一備，若出現(xiàn)機泵打量不好的情況，在線進行隔離清理過濾器。若是激冷水管線出現(xiàn)積泥或者堵塞，在短時間內(nèi)運行兩臺激冷水泵，觀察激冷水量的變化。（2）在激冷水泵去激冷水過濾器的DN300管線上增加DN200副線至激冷水流量計前，副線設(shè)置一個手閥，從而可根據(jù)需要實現(xiàn)過濾器的短路。運行中若出現(xiàn)過濾器壓差高，可逐步開大副線手閥開度，從而保證激冷水流量。（3）為避免激冷噴頭堵塞引起的流量降低的問題，在激冷罐內(nèi)部的8根DN100進水管上引出16個DN50的（每根上面2個）管線，通過上升管與下降管之間的環(huán)隙開孔進入下降管內(nèi)部，再加上DN50、彎曲半徑為1.5D的彎頭貼著內(nèi)壁向下噴水，有效地緩解了激冷水量不足的問題。（4）為解決激冷環(huán)絲堵頭過短，灰渣結(jié)垢黏附在上面，檢修時不易拆卸的問題，將絲堵堵頭的長度增加[5]，方便拆卸后清理疏通激冷環(huán)進水孔，保證了激冷水的分布效果。（5）做好水質(zhì)日常監(jiān)測和管控，澄清沉降后回收的灰水濁度控制在小于60 NTU，濕洗塔黑水濁度控制在小于600 NTU。

4.4 液位波動問題的優(yōu)化

針對液位波動問題，采取以下優(yōu)化措施：（1）開車初期，在氣化爐氧含量置換合格后，點火前將液位提高至35%左右，避免負(fù)荷提升過程中激冷水量增加不及時或機泵汽蝕等故障使液位過低，導(dǎo)致高溫粗煤氣穿透造成下降管、上升管變形燒壞。（2）熱備和開工抽引階段，關(guān)閉遠(yuǎn)傳液位計根部手閥，以現(xiàn)場液位計作為主要參考，待點火后再投用遠(yuǎn)傳液位計，減少真空環(huán)境對膜盒的影響。（3）在膜盒與法蘭連接處上管路引入一股干凈的沖洗水（采用5.5 MPa的除鹽水），以沖洗管路和保證膜盒整潔，同時避免壓力過高對膜盒造成沖蝕。儀表人員每周至少沖洗一次，沖洗時間不低于10 min；現(xiàn)場液位計每周沖洗兩次，同時巡檢人員做好現(xiàn)場和遠(yuǎn)傳液位計的核對。

4.5 黑水管線堵塞的處理

針對黑水管線堵塞問題，采取以下優(yōu)化措施：（1）開車期間，兩股黑水排水管線的角閥均保持全開閥位，隨著負(fù)荷、壓力的提升，優(yōu)先收小側(cè)部管線的閥位，避免垢片脫落堵塞底部管線?，F(xiàn)場安排專人在出現(xiàn)管線不暢時，及時地敲擊彎頭部位，同時調(diào)整角閥閥位以疏通管線。（2）生產(chǎn)運行中，保持一定的黑水循環(huán)、置換排放量，激冷罐底部黑水管線閥位維持在80%以上、側(cè)部黑水管線閥位維持在25%以上、濕洗塔底部黑水管線閥位維持在60%以上，以保證充分的黑水置換，減緩管線的結(jié)垢。（3）在黑水管線水平段增加可拆卸短節(jié)，每次停車檢查結(jié)垢情況，并將管線徹底清理干凈。（4）在激冷罐至中壓閃蒸罐黑水管線上增加DN25的沖洗水管線，減緩煤泥在管線中間堆積，管線排堵時也可投用沖洗水。沖洗水來自閃蒸高壓灰水泵提供的循環(huán)灰水，避免增加污水排放量。

4.6 煤質(zhì)及爐溫的控制

煤質(zhì)尤其是灰分的控制，對減緩濕洗塔塔盤、激冷罐等處的結(jié)垢速率非常重要。因此要加強原料煤質(zhì)量管控，做到兩種煤種的精準(zhǔn)摻配，控制入爐煤粉的灰分小于21%；尋求合適的單一煤種，減小灰分的波動；在煤質(zhì)較穩(wěn)定時，溫和地調(diào)整氧煤比，避免爐溫的大幅度波動導(dǎo)致粗煤氣帶液量變化，影響水平衡；根據(jù)氣化爐負(fù)荷，在保證激冷段出口粗煤氣溫度的情況下，激冷比（激冷氣量與粗煤氣產(chǎn)量比值）控制在不高于1.5，避免系統(tǒng)高溫循環(huán)氣量過大造成與其負(fù)荷不匹配的激冷罐帶液，不利于黑水的排出置換。

4.7 水質(zhì)的控制

五環(huán)爐的灰水大循環(huán)是煤氣化系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，肩負(fù)著粗煤氣的洗滌、降溫，提供飽和水汽等任務(wù)，經(jīng)過前期的實踐，總結(jié)如下：（1）閃蒸灰水系統(tǒng)分散劑添加質(zhì)量濃度為150 g/m3，能較有效地緩解管道及設(shè)備結(jié)垢。（2）停車檢修期間對垢樣的高溫灼燒分析表明，濕洗塔塔盤、除氧器、激冷罐等處垢樣的成分以氧化鈣、氧化鐵居多，因此濕洗塔pH值宜控制在6.0～6.5，偏酸性環(huán)境可以減緩鈣鎂離子的結(jié)垢。濕洗塔接收變換冷凝液的氨氮質(zhì)量濃度要求小于50 mg/L。（3）通過調(diào)整絮凝劑的添加量，保證沉降后循環(huán)灰水的濁度小于60 NTU，在此基礎(chǔ)上，堅持“低氣化爐負(fù)荷、適當(dāng)大的循環(huán)灰水量”的原則，確保粗煤氣的充分洗滌，也可減緩細(xì)灰在系統(tǒng)內(nèi)富集和結(jié)垢。（4）適時控制原煤中石灰石添加量，使?jié)裣此幒谒傆捕瓤刂圃?50 mg/L以下，避免硬度過高加速濕洗塔塔盤的結(jié)垢。

5 結(jié) 語

激冷罐是五環(huán)干粉煤氣化爐的核心組成部分之一，其操作工況壓力大、溫度高，內(nèi)件較多且復(fù)雜，生產(chǎn)中其液位控制、減緩積泥和結(jié)垢是工藝操作的難點。激冷罐在德士古水煤漿氣化、航天爐干粉煤氣化等裝置均有應(yīng)用，長期的生產(chǎn)實踐為其操作提供了寶貴的經(jīng)驗。河南龍宇煤化工有限公司通過對兩臺五環(huán)爐激冷罐自試車以來運行中出現(xiàn)的相關(guān)問題進行研究、討論、技術(shù)改造，目前單臺五環(huán)爐最長運行周期已達到A級288 d，希望本文所總結(jié)的激冷罐在運行期間存在的問題及應(yīng)對措施可為其他相關(guān)裝置提供借鑒。