大型干煤粉气化炉渣口缺陷分析和结构改进初探

周乐

摘要：气化炉合成气冷却器“十字架”积灰、气化炉渣口堵渣、气化装置激冷气压缩机设计激冷量不足、飞灰过滤器流通量不足压差高、点火、开工烧嘴投运困难、气化炉二氧化碳工况运行周期短，以及气化炉负荷低等问题，严重阻碍了煤化工安全稳定生产及经济增长。

关键词：干煤粉气化炉;渣口缺陷;改进

1.堵渣、积灰原因分析

1.1堵渣原因分析

气化炉操作温度偏低时，渣的粘度增大、流动性变差。当气化反应室温度超过操作窗口允许范围低限时，渣口容易积聚，使得渣口缩小，严重时可能彻底堵塞，造成堵渣停车。煤质的不稳定，助熔剂（石灰石）加入量的波动都是影响煤灰熔融性及粘温特性的关键因素，当以上因素发生变化时，而气化炉温度控制不作调整则极有可能发生堵渣事故;此外，气化炉水冷壁、烧嘴罩、烧嘴头发生泄漏则会直接引起炉温的下降，尤其是气化炉内漏水时，漏进气化炉的水吸收一部分显热变为蒸气，还会发生水煤气反应：

C（s）+H2O（g）=CO（g）+H2（g）△H=+131.4kJ/mol

该反应是吸热反应，双重因素导致气化炉温度偏低，如果未及时发现调整炉温，长时间低炉温运行就会堵塞渣口。

2.技改的理论依据

气化炉炉内，煤（主要成分为碳）和氧的燃烧反应属于放热反应，同时设计为缺氧的不完全燃烧，则主要生成物为CO，CO是生产甲醇或合成氨等所需的有效成分之一，越多越好。从气化炉内的主要化学反应（方程式）及影响反应的因素来看，CO的生成主要源于碳与氧的不完全燃烧，其余来自CO2与碳的还原反应，CO2与碳的还原反应为吸热反应，在气化用原料煤热值稳定、氧纯度和流量一定、氧煤比稳定以及气化率相对稳定的情况下，气化系统的反应热是能相对平衡的。对于气化炉来说，反应物浓度、温度一般不会有太大变化，气化反应也不存在添加催化剂的情况，因此，据前述化学反应速率的影响因素可知，可以尝试通过改变气体反应体系的压力来提高反应速率，从而提高CO和H2的产率。也就是说，在气化炉内反应温度、反应物浓度相对稳定的情况下，适当缩小气化炉渣口尺寸可以提高气化炉渣口的阻力，相对提高反应物在气化炉炉膛内的压力，并利于延长粉煤在炉膛内的停留时间，提高反应速率，利于促进CO和H2的生成，从而可提高粗煤气中的有效气含量，提高装置运行的经济性。

3.运行优化及二期气化炉渣口技改

3.1二期气化炉渣口尺寸初始选择的依据

没有成熟的案例可供借鉴，在气化炉渣口尺寸设计时，考虑设计煤种、粗煤气产量、气体流速、炉内燃烧流场的分布等因素，通过模拟计算确定一期气化炉渣口尺寸为φ550mm。实际运行中，考虑到装置运行的经济性，一期气化炉无法稳定地使用单一煤种，需通过配煤来满足气化炉的稳定运行需求，气化用煤种类多达10余种，煤质特性各有不同，混烧后煤灰性质产生一定的改变，操作指标一旦控制不好，就会引起煤灰粘度增加或降低，超出控制范围，从而造成渣口堵塞，影响气化炉的稳定运行，且渣口堵塞还会造成出口粗煤气偏流，影响激冷环下降管的安全运行;鉴于一期气化炉的运行情况，二期气化炉设计时渣口尺寸在一期气化炉渣口尺寸的基础上扩大了100mm，即渣口尺寸设计为φ650mm。

3.2通过混、配煤优化解决渣口堵塞问题

从煤种、煤质、混煤的均匀性等方面着手解决渣口堵渣问题：①据来煤的矿点、性质不同分类堆放;②混烧时，使用煤种、煤质相近的煤进行不同比例混合，通过总结分析找出适合气化炉气化用煤的煤质及其混配比例;③清除干净混配煤中的杂物，做到精细配煤，加强煤场盘存，避免抓错煤种的情况发生，控制输煤稳定。通过煤种、混煤配比的优化，一期、二期宁煤炉运行工况和渣口压差趋于稳定，接下来开始解决二期气化炉所产粗煤气中有效气含量偏低的问题。

3.3二期气化炉渣口技改

3.3.1技改方案

二期气化炉渣口缩径技改，从理论上看虽然渣口越小对CO和H2生成越有利，但渣口不宜太小，需兼顧煤种变化可能造成渣口堵塞的问题。鉴于一期气化炉渣口φ550mm的设计，其运行状况还算相对比较稳定的实际情况，确定参照一期气化炉渣口进行技改，即将二期气化炉渣口由φ650mm缩小为φ550mm，与一期气化炉渣口直径一致。

二期气化炉渣口进行缩径技改，首先须将激冷室所有内件拆除并移出气化炉，将与渣口相连接的水管空间管断开，爆开渣口法兰与锥盘的焊缝，通过工装将渣口从气化炉与破渣机连接口（N-1口）移出;技改完成后，渣口安装按照其拆除的逆序进行。

3.3.2技改的实施

3.3.2.1渣口拆除

（1）拆除气化炉烧嘴，移开破渣机，打开人孔盖;系统隔离置换合格，清理渣口附近的灰渣及渣口与主盘管连接处周围，尽量将焊缝露出，以便进行下一步的工作;拆除与上升管连接的周向支撑，拆除过程中需保持支撑的完整性，以便安装使用。

（2）拆除上升管连接紧固件，将上升管通过工装分段移出激冷室，注意保持上升管的完整性，以便安装使用;由于作业空间受限，据拆除激冷水管、渣口水管空间管和渣口法兰的需要对折流板进行针对性拆除;施工人员进入激冷室的气液分离空间，将激冷水管两端与气化炉壳体和激冷环连接的法兰拆开;在下降管外壁焊接2个临时吊耳，用吊车将下降管在竖直方向吊住;拆除激冷环与渣口法兰连接的螺栓，然后将激冷环通过工装移出激冷室。

（3）将渣口水管两端与气化炉壳体和渣口法兰焊接的空间管割开，用电葫芦连接工装将渣口托住，然后割开渣口法兰与锥盘的焊缝，之后将渣口移出激冷室。

2.3.2.2更换新渣口

（1）将缩径后的新渣口通过工装吊起，调整好渣口盘管上部与主盘管下直段的间隙，并将渣口法兰水平找正，将渣口法兰与锥盘焊接，之后完成渣口进出水管的焊接，并对渣口盘管进行整体水压试验。

（2）用吊车将激冷环吊起，找好安装方位后，用螺栓将激冷环固定在渣口法兰上;通过螺栓将激冷水管两端分别与气化炉壳体和激冷环连接的法兰连接。

（3）耐火料施工可根据实际情况，在焊接完渣口法兰之后即可进行。

（4）打磨激冷环下部和下降管头部的焊接坡口，焊接坡口打磨完成后，用吊车通过工装将下降管在竖直方向吊起到激冷环底部，然后对下降管进行垂直找正，之后将下降管与激冷环进行焊接。

（5）安装上升管及周向支撑，安装折流板;拆除所有脚手架;安装破渣机，封闭人孔。至此，缩径后的新渣口更换工作完成。

参考文献：

[1]李晓东，张镓铄.干煤粉气化炉下渣口结构的设计及应用对比分析[J].化肥设计，2016，54（3）：23-26.

[2]张建法.气化炉渣口熔渣流动特性研究[D].上海：华东理工大学，2011.