壳牌煤气化炉渣屏结渣原因分析及优化措施

李建营，沈小炎

(河南龙宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

河南龙宇煤化工有限公司(以下简称龙宇煤化工)是河南能源化工集团有限公司下属企业，现已形成年产50万t甲醇、20万t二甲醚、40万t醋酸及2×20万t乙二醇产能规模。龙宇煤化工现配置1台壳牌粉煤气化炉和2台具有自主知识产权的五环粉煤气化炉为装置提供粗煤气，当前原料煤主要是以永城本地煤为主原料，掺配部分陕西煤(如彬县煤、高家堡煤、文家坡煤、亭南煤等)。煤气化用煤以无烟煤居多，原料煤煤质稳定是壳牌气化装置稳定运行的基础。由于本地无烟煤(新桥煤)煤质波动较大、灰分含量较高、外地配煤原料供应量有限、品种繁多等原因，最终导致入炉原料煤煤质波动较大，造成壳牌煤气化炉运行过程中出现渣屏结渣(渣池堵渣)的现象。本文结合企业针对壳牌气化炉下渣口设备设计构造和正常运行期间渣屏结渣的现象，初步分析造成渣屏结渣的原因以及渣池堵渣的预防、处理措施，共同探讨预防渣屏结渣的方法。

1 壳牌粉煤气化工艺

壳牌粉煤气化炉采用气流床加压气化、液态排渣工艺替代固体排渣工艺，粉煤气化炉的气化温度高达1 400～1 700℃，气化炉反应室采用水冷壁结构，4个煤烧嘴分区插入到气化炉环形炉壁突出的烧嘴罩中，水平对称，径向4.5°小角度安装的煤烧嘴将煤粉气流喷出，在气化炉内进行不完全氧化反应，产生大量粗煤气，在气化炉反应器内形成了一股旋转上升的气流，煤粉反应后产生的高温将微米级的灰分熔化形成毫米渣颗粒。在高速旋流粗煤气产生的离心力作用下，粗煤气中微小熔渣颗粒在气化炉炉膛水冷壁内表面冷却形成渣层，液态熔渣的固化可以起到“以渣抗渣”的作用，对气化炉的长期稳定运行和简化操作起着极其重要的作用。由于壳牌气化炉下渣口原始结构设计原因，导致高负荷运行时气化炉渣屏易结渣，进而导致下渣口易堵渣，这是壳牌粉煤气化炉存在的共性问题。目前，壳牌气化炉应用企业对于渣屏结渣普遍缺乏有效的监控手段和在线处理措施，一旦渣屏处形成的大渣块垮渣掉入渣池，导致U-1400渣水系统液位及渣池循环水泵流量出现大幅度波动，如果处理不及时，则只能被迫停车，或者直接触发气化炉大联锁而跳车。

2 气化炉渣屏的结构和功能

壳牌气化炉锥型渣屏是气化炉水汽系统的一部分，其位置在渣口与渣池之间，主要功能是支撑渣口，为高温渣口和渣池液位提供熔渣落入渣池过程中一个合适的温度梯度分布。

气化炉渣屏是一个具有高度气密性的、由多个水通道组成的“管-翅-管”结构，来自强制循环锅炉水泵P-1301的饱和锅炉水经过分配管进入组成渣屏的多个水通道。由于渣屏工作在高温区、熔渣冲蚀区，渣屏水冷壁上设置了金属销钉，销钉外表面浇注一层14mm厚碳化硅耐火材料[1]，以抵挡气化炉炉膛内高温熔渣的冲蚀作用。因此，综合熔渣流体速度较低的强旋流流场特点和渣屏所在的具体位置，必须确保渣屏运行的正常工况，以避免因温度梯度不合适而导致渣口堵塞。

3 渣屏结渣的具体现象及原因分析

气化炉正常运行期间，由于高温熔融渣在下渣口处的流动性好，液态熔融渣的液滴在下落过程当中，被气化炉产生的合成气旋流连续带到锥形渣屏环缝处附着，并不断地在渣屏处堆积凝固，这个过程叫渣屏挂渣(正常渣的形态是由2～5mm的渣颗粒和1mm球颗粒及少量煤泥组成，见图1)。

图1 正常的渣样

3.1 渣屏结渣的现象

3.1.1 渣池环形空间温度上涨

由于气化炉炉膛内部环境温度过高(1 400～1 600℃)，因此，原始设计并未设置渣屏所处位置的温度探头，无法实时监测气化炉环形空间的内部温度。但从目前壳牌气化炉装置渣屏结渣后的运行情况分析，渣池环形空间外壳温度测点13TI0036/37/38/54均呈不同程度的上涨趋势，特别是13TI0038温度点上涨趋势较为明显，最高达到375℃，可由此间接判断出渣屏出现结渣。

3.1.2 渣池液位及破渣机油压出现波动

由于气化装置渣池环形空间外壳温度出现不同程度的波动，使得炉温和炉压控制不稳定，伴随着炉压的波动，渣池液位会出现一定程度的波动，此时会导致渣池下部排放罐出现排渣不畅的现象。此时，除渣岗位操作人员会采取“上顶下压”的排堵模式进行排堵，由于排堵过程中渣锁斗V-1403内部充压排堵“上顶”的氮气进入渣屏空间区域，冷氮气携带少量湿气上升与悬挂不牢靠的渣锥接触，会导致渣块脱落，破渣机油压也会随之出现不同程度的波动。

3.1.3 初步水处理系统滤饼产量下降

气化装置初步水处理系统中卧螺机滤饼产量、渣中残碳含量、渣水固含量会大幅度减少，特别是卧螺机的滤饼产量会成倍下降。

3.2 渣屏结渣原因

3.2.1 熔融的渣受到黏结力的作用

由于受熔渣与渣屏水冷壁间黏结力的限制，熔渣在渣屏壁面上生长缓慢，并形成钟罩样渣层、钟乳石样渣[2]，到一定厚度时便会脱落掉入渣池，造成排渣系统的落渣管、破渣机处形成架桥堵塞，渣池堵渣。

3.2.2 未反应的煤粉在渣屏区域产生二次反应

气化炉内部燃烧反应过程中，少量体积密度较轻的、未参与反应的煤粉，与大量下降的熔渣混合，伴随着高速旋流合成气经过渣口进入渣屏空间。在渣屏与渣口相连接的环系空间区，由于顶部锥段存在回流区及气化炉内部平衡孔隙，尺寸较小、密度较轻的煤粉颗粒向上回流，黏附在渣屏上部锥段的耐火材料表面，发生二次反应(即碳反应)。碳反应完毕之后，微米级的灰分高温缓慢熔化，汇集的熔渣液滴向下流动，当渣屏与渣口相连接的环系空间区被渣屏黏附粉煤受热熔化液滴渣填满后，液滴渣可通过渣屏与渣口相连接的环系空间区沿渣屏流动，由于壳牌气化炉下渣口流场的旋转特性和渣屏梯度降温速率对黏温特性的影响，下落的液滴渣具有旋流特性，在运行过程中必然会部分黏附到渣裙及渣屏壁面上，渣屏下部锥段与渣池上部空间温度低于煤粉的流动温度，液滴熔渣流动到渣屏下部锥段时，缓慢凝固形成渣块。

3.2.3 煤灰黏度高

目前，气化炉所用煤种较为复杂，根据气化原料煤分析具体数据(见表1)，本地新桥煤煤种M1灰分波动较大(最高可达到27%以上)，灰熔点较高，外地煤M2、M3灰分偏低(最低可达到12%以下)，灰熔点也偏低，两者配煤煤种灰分相差15%左右。

表1 气化原料煤分析数据

本地高灰分的煤和外地低灰熔点的煤在配置不均匀的情况下，煤灰成分中 SiO2大幅增加，造成煤灰黏度偏高，导致熔渣结渣性增强。同时，两种配煤的灰熔点(FT)偏差不宜过大，在炉温控制窗口扩大的情况之下，容易导致灰熔点(FT)较低的煤种形成的渣流动性较强，易引发渣屏区域结渣。

4 渣屏结渣问题的优化和预防措施

(1)严格监控好渣池环形空间外壳温度变化，间接通过13TI0036/37/38/54表温指示体现渣池环形空间温度，所有温度测点不得超过260℃。

(2)在发现气化炉渣屏出现有结渣现象的初期，可以选择将去渣池环形空间吹扫气阀门13XV0033阀门打开，在渣屏与渣口相连接的环系空间平衡区补入少量的高温、高压二氧化碳气体，气体会通过气化炉内部平衡孔隙干扰渣屏空间回流区流场。

(3)控制好入炉配煤的煤灰成分及灰熔点(FT)，配煤的两种煤的灰分差保证在10%以内，以防止因配煤不均使灰组分波动，出现工况波动。相关实验数据及工业生产数据表明[4]，当灰渣的黏度在25～3Pa·s时，灰渣熔融流动性较好，渣口处下渣顺畅。同时也要控制好所配煤种之间的灰熔点(FT)之差，要求两种配煤的灰熔点(FT)相差必须小于200℃，避免因煤种之间灰熔点跨度较大，导致熔渣流场发生湍流变化。

(4)控制入炉灰中铝比在1.8～2.6，控制入炉煤灰分在17%～21%。操作过程中，适当提高气化炉内反应区反应温度，稳定煤线，减少粉煤给料罐压力波动和煤烧嘴跳车次数，稳定气化炉炉温，防止炉温大幅波动造成气化炉底锥挂渣不稳定对渣屏结渣的影响，根据煤种变化及灰熔点，监控炉膛蒸汽产量13FY0047在5.3～5.5kg/s，固含量控制在2%以下，CO2在线分析表变化在12%～15%(煤线控制载气为CO2工况)。

(5)适当提高氧煤比，增加气化炉反应区温度，或适当提高助熔剂的添加量，增加渣的流动性，降低渣的黏度，使渣逐渐熔融掉进渣池内部。

5 采取优化和预防措施后的效果

自2016年完成全部操作优化和预防措施之后，龙宇煤化工壳牌煤气化装置运行稳定，即便在入炉煤品质出现短期较大波动时，技术人员可以针对上述现象采取最合适的优化操作手段，有效解决气化炉渣屏结渣问题，避免由此造成气化炉工况剧烈波动乃至跳车、停车带来的较大损失，保证了壳牌气化炉的稳定运行。

6 结语

针对壳牌煤气化装置在操作过程中出现的渣屏结渣的共性问题，龙宇煤化工经过深入分析和科学探讨，制定了一系列行之有效的优化方案，一方面控制好原料煤煤质，另一方面要准确收集和掌握相应的运行数据，以预判可能出现的渣屏问题，并及时进行分析解决，保证气化炉的稳定运行，进而实现装置长周期运行，对国内其他企业实现壳牌煤气化装置的稳定运行具有良好的借鉴价值。