干煤粉气流床气化炉带水问题原因分析及应对措施

李天波，孔令法，王 赟，马风福

(国能宁夏煤业集团煤制油分公司，银川 750411)

近些年来，随着我国煤化工产业的快速发展，煤气化技术不断被创新和开发。以国产干煤粉加压气流床技术为代表的神宁炉、航天炉等技术逐渐成熟。干煤粉加压气流床技术因具备对原料煤的适应范围广、有效气组分含量高、投资少、操作简单等优点而备受青睐[1]。

气流床气化炉按照功能划分为燃烧室和激冷室2个部分，其工作原理是煤粉和氧气在气化炉的燃烧室内燃烧，进行氧化还原反应，产生合成气。燃烧室的底部通过下降管与气化炉下方的激冷室连通，高温的合成气、燃烧产生的灰渣及飞灰均会通过下降管进入激冷室内。激冷室内部保持一定的液面并没过下降管，在下降管的上部还设置有激冷环，激冷水通过激冷环喷出沿着下降管流下，激冷水对高温的合成气、燃烧产生的灰渣及飞灰进行喷淋、洗涤、降温。灰渣及飞灰经洗涤冷却后在燃烧势能和重力的作用下逐渐沉降至激冷室的底部，最终排出激冷室，合成气沿下降管进入激冷室底部水浴，经过洗涤、降温后溢出水面输送至气化炉后系统。

气化炉带水是指合成气在气化炉激冷室冷却分离的过程中，将大量液态水带出气化炉。气流床气化炉带水问题一直是不可回避的技术问题，是制约煤气化装置优质运行的瓶颈之一。气化炉带水的同时常伴随着合成气带灰和带渣问题。气化炉带水会造成洗涤塔液位上涨过快，洗涤塔水质恶化，气化炉出口粗煤气管线、文丘里结垢加速，气化炉运行周期短，气化炉检修周期长，检修费用增加等问题。笔者从气化炉激冷室的内部结构、工艺流程、工艺操作等因素入手，分析气流床气化炉带水的危害，找出气化炉带水原因，并提出相应的应对措施，与同行交流。

气化炉燃烧室内加压煤粉与氧气发生燃烧产生的高温粗煤气、少量未燃烧的煤粉、飞灰和部分液态熔渣一起并流通过下降管进入激冷室。下降管顶部的激冷环喷出一定流量的激冷水与高温粗煤气发生热量传递，在热量传递过程中，一部分激冷水发生相变汽化为水蒸气后与高温粗煤气混合，使粗煤气温度降低。另一部分激冷水受重力作用沿下降管流下，在下降管内壁形成保护水膜，防止高温粗煤气灼烧下降管。高温粗煤气携带一定的动能沿着下降管进入激冷室水浴，经过冷却、洗涤后溢出激冷室水面，激冷室还设置有数层破泡条，用来减少粗煤气雾沫夹带。

粗煤气在溢出激冷室液面时会夹带部分液态水，液态水在冲破激冷水液面有3种不同的运动形式:(1) 粗煤气通过激冷室水浴后变成气泡被破泡条锯齿破裂，气泡变成液态水落入激冷室；
(2) 部分液态水在上升过程中不断与激冷室内壁、气化炉下渣口支撑板、折流板碰撞后受到重力流到激冷室液面；
(3) 部分粗煤气携带液态水逃逸出激冷室[2]。

(1) 气化炉激冷室液位快速下降，气化炉激冷室出口工艺气温度下降，同时洗涤塔液位升高，塔盘压差上涨，系统外补水添加量降低，系统水平衡失衡[3]。

(2) 气化炉激冷室液位快速下降，闪蒸角阀开度减少，激冷室排黑水闪蒸出水量减少，闪蒸压力降低。

(3) 气化系统压差呈上涨趋势，激冷水系统结垢加快，激冷水泵清理滤网次数及频率加大，激冷水流量出现波动。

(4) 气化炉激冷室液位计显示不准，系统压差大幅波动，气化炉运行负荷受到影响，装置无法运行。

3.1 激冷室及关键内件的影响

气流床气化炉激冷室的空间下降管的尺寸、破泡条的分布，均会影响激冷室内液相干扰、雾沫夹带情况，气化炉原始设计必须保证下降管和激冷室的尺寸和匹配度。国内一些专家对激冷室内件对气化炉带水影响进行研究，马宝国[4]对下降管组合结构进行了模拟计算，认为合理的激冷室空间下降管尺寸对气化炉带水影响较大。某些国内技术先进企业对激冷室内件对气化炉带水影响进行了流场模拟，对内件与气化炉的匹配度进行了技术改造，取得了宝贵的经验。

国内某知名企业对内件与气化炉的匹配对气化炉带水的影响进行了模拟。当激冷室尺寸确定后，下降管的直径对气化炉带水的影响见图1。气化炉负荷一定时，合成气通过激冷室水浴，不同尺寸的下降管在流场模拟时表现出带水情况不同。模拟显示出下降管整体扩径和局部扩径结构的外环腔鼓泡区域液含率较为均匀，且存在激冷室顶部能够维持较稳定的气-液相界面，液沫夹带量少，气化炉带水量少且均匀。

当激冷室的尺寸、下降管的直径确定后，破泡条对气化炉带水的模拟见图2、图3。由图2、图3可得：破泡条能起到破碎气泡和减弱液体夹带的作用。

3.2 气化炉负荷的影响

气化炉负荷会直接影响气化炉带水。当外界条件不变时提升气化炉负荷，通过下降管的通气量和气流流速会变大，气体通过鼓泡后穿过激冷室液面的流速显著提升。流速超过一定数值之后，就会把液态水带出激冷室，产生带水问题。在激冷室中高温粗煤气会引发沸腾传热。蒸汽温度和加热面的温差决定了液体的过热程度：如果温差较小，那么液面只会轻微沸腾，这种情况属于对流传热；
如果温差较大，相应的热流密度和传热系数也会提升，就会发生泡核沸腾传热；
如果温差扩大至临界值，蒸汽泡的数量明显增多，构成传热系数较低的蒸汽膜，这种情况属于膜状沸腾传热，会引发激冷室严重带水。由此可见，如果气化炉负荷比较大，热负荷强度升高，激冷室中的泡核沸腾传热会转变为膜状沸腾传热模式，传热效率显著降低，同时会带走较多的水[5]。

图1 不同直径下降管的流场模拟

图2 带有破泡条激冷室内部夹带情况

图3 无破泡条激冷室内部夹带情况

3.3 气化炉炉温控制的影响

气流床气化炉本质上是原料和气化剂进行燃烧和气化的场所，是整个煤气化系统的核心，关系着最终产出合成气的质量。在气流床气化炉内部，同时存在着流动、传热、传质和化学反应等一系列复杂而剧烈的物理化学变化，而这些问题制约着气化炉的炉温控制。其中GSP干煤粉气化炉燃烧室出口合成气温度达到1 350～1 500 ℃(见图4)，Texaco气化炉燃烧室出口合成气温度达到1 250～1 570 ℃(见图5)。燃烧室中心温度达到2 000 ℃时，如果操作不当而引起炉温大幅波动，将会导致燃烧室出口合成气温度大幅度变化。气流床气化炉合成气、渣、飞灰与激冷水正向换热，在激冷水量保持稳定的情况下，炉温大幅波动将影响换热，直接影响到合成气带水[6]。因此，气化炉在控制炉温的过程中,操作人员必须时刻掌握煤的灰熔点，以及捞渣机电流、合成气中CH4和CO2含量、残炭量等主要参数来进行综合判断气化炉炉温。

图4 GSP气化炉燃烧室流场模拟

图5 Texaco 气化炉燃烧室流场模拟

3.4 煤质的影响

原料煤的灰熔点、内水、反应活性、黏温特性也是影响气化炉带水的重要因素。煤灰的黏温特性直接影响生产效果，煤灰的流动温度和软化温度都需要符合要求。如果煤灰中的 Fe2O3、Al2O3、CaO含量比较高，那么会形成较多的细灰；
灰渣在激冷水中的溶解性也不同，容易导致激冷室水浴的密度发生变化，引起气化炉带水[5]。为保证气化炉液态排渣，气化炉运行炉温一般比煤的灰熔点高100～150K。但是一般大型的煤化工项目都需要几个煤矿配煤供应原料，这样就会导致原煤煤质发生变化，炉温控制处于动态调整的过程。

3.5 气化炉激冷室液位控制问题

气化炉运行时激冷室液位控制要保证上不带水、下不窜气。激冷室液位控制低，激冷室液面以上气-液分离空间加大，有利于缓解气化炉带水，同时激冷室液位会降低粗煤气洗涤、降温效果，部分飞灰会带向后系统，加剧系统结垢。气化炉激冷室液位控制过高会加速气化炉带水。实际运行中气化炉负荷变化、系统压力调整、炉温控制时时刻刻发生变化，气化炉激冷室液位控制不是定值，需要靠一些操作经验找到一个液位控制最佳区间才能保证气化优质运行。

4.1 优化激冷室及关键内件

(1) 扩大气化炉激冷室有效空间。增加激冷室液面上部的分离区域，许多夹带水在溢出激冷室液面后上升，上升过程中动能转换为重力势能，激冷室有效空间越大，合成气带出的水越少。激冷室是气化炉的重要部件，属于耐高温、高压设备，制造材料昂贵，因此必须在良好分离效果和材料成本之间寻找到最佳点，使得投资减少。该措施必须在气化炉处于基础设计时确定。

(2) 增加下降管的直径和长度。下降管的直径决定着合成气溢出水面处的气流速度，在液面张力一定的情况下，气流速度决定着液态水能在激冷室液面以上运行多远距离，是气化炉带水的核心因素。下降管的长度与合成气在下降管的降温有关，下降管长度、合成气通过下降管流速会引起气化炉带水、带灰等问题[7]。因此，下降管的配置与气化炉带水关系密切，具体配置还与激冷室、下渣口尺寸等有关。

(3) 对气化炉激冷室破泡条设计进行评价。破泡条设置的层数、形状、数量对气化炉带水情况都会有影响，在气化炉运行几个周期后观察破泡条、激冷室炉壁、下降管外壁、气化炉拱顶挂渣情况，找出最优设计。

4.2 合理控制激冷室液位

气化炉液位控制在整个气化炉工艺运行中的作用尤为重要，液位控制过高和过低都会对气化炉运行存在着严重的影响，田进虎等[8]研究了气化炉液位控制对气化炉运行的影响。结果表明：气流床气化炉激冷室内部工况复杂，气、液、固三相流对激冷室液位计的准确运行影响较大，气化炉液位准确监测为煤气化技术需要攻克的难题，所以需要对其进行严格管理，保证激冷室液位控制有利于气化炉优质运行。

4.3 建立气化炉水系统平衡计算

设计气化炉水平衡计算系统，实时对气化炉水平衡进行监控，用水平衡指导岗位操作，保证装置操作更加标准化。

气化炉合成气带水是气化炉优质、长周期运行的制约条件，但是气化炉带水又是伴随着气化炉运行出现的，不能消除。某些有设计缺陷气流床气化炉轻微带水反而对装置运行是有利的，运行过程中必须全面评估，取其有利装置运行的方面加以利用。气化炉引发带水问题的原因还是多元化的，可能是系统水质、氧气压力、原煤煤质、炉温操作控制、气化炉负荷方面的问题。在实际操作中需要建立有效预防措施，指定一些运行标准参数，出现异常问题时，需要及时、准确地判断原因，进行针对性调整，以保障系统的稳定性。