气化炉激冷水系统的优化

刘 霄，张 龙

（陕煤集团 榆林化学有限责任公司，陕西 榆林 719000）

0 引 言

在粉煤气化的流程中，激冷水系统对于降低粗合成气的温度，维持一定的气液比均起着非常重要的作用。

激冷室里充有一定液位的冷却水，来自粉煤加料罐内的粉煤与经氧气预热器预热后的氧气在气化炉高温、高压条件下迅速反应，反应产生的高温粗合成气经渣口进入气化炉激冷室内，先经激冷环，由激冷环小孔斜向喷出的水幕激冷，然后，沿下降管进入激冷室内进行水浴。

在下降过程中，高温合成气与下降管内壁的水膜并流接触，进行传热与传质，高温合成气将热量传递给水膜，使水部分汽化进入合成气主流，将合成气的温度急剧降低并增湿。

激冷室液位到合成气出口的空间为汽水分离空间，若汽水分离不充分，产生合成气带水现象，大量灰分随着合成气夹带的水进入到洗涤塔内，影响了洗涤塔的水质，以及合成气的清洁度。洗涤塔水质的恶化影响了气化炉激冷环上的激冷水水质，长期运行会加剧气化炉激冷水管线结垢。

合成气在激冷室内初步洗涤除灰，降温后通过导气管、分离挡板进入下游的洗涤系统。熔渣在激冷室中与水直接接触冷却，迅速固化为不规则的固体小渣粒，并沉降在激冷室下部的渣池中，随后进入粗渣收集排放系统。

激冷室中的飞灰和细渣悬浮在激冷水中，随黑水排放进入灰水处理系统。由于粗合成气的温度较高，容易将激冷室的下降管烧穿。

为了避免下降管被烧穿，同时，对维持一定气液比的粗合成气进行除灰、降温，保证气化炉和后续净化工段安全、平稳的运行，激冷水的添加就变得极其重要。

1 激冷水系统

激冷水系统的流程如图1 所示。

由图1 可以看出，来自洗涤塔的洗涤水经激冷水泵加压后分为两路：

（1） 一路进入文丘里洗涤器中，进一步增湿、增重粗合成气中的固体小颗粒，从而促进粗合成气中颗粒的分离。

（2） 另一路经激冷水过滤器、激冷环进入气化炉激冷室。

激冷水量的大小对粗合成气的温度、含固量以及激冷室的下降管有着直接的影响。

当激冷水量过低时，无法对粗合成气进行充分的降温，将会造成气化系统温度升高，甚至有烧坏下降管的可能；当激冷水量过高时，会造成激冷室的液位增高，从而影响激冷室上部气液分离的空间，容易造成合成气严重带水。

激冷水流量不仅取决于激冷水泵的效率，还与激冷水过滤器、激冷环、激冷室的结构有着重要的相关性。

激冷水水质差，会影响激冷水过滤器的使用寿命，激冷水中大于滤网孔径的固体渣块，会堵塞激冷水过滤器的滤网；激冷水中含有大量的Ca2+、Mg2+离子会造成激冷环喷淋孔部分结垢，堵塞激冷环，从而影响系统的稳定运行。

本文主要对激冷水系统中的激冷水过滤器、渣口、激冷环、下降管的结构进行分析及优化，为激冷水系统长时间稳定运行提供一点思考。

2 不同气化炉激冷水系统结构及运行的优化

2.1 激冷水过滤器运行优化

激冷水过滤器的作用是过滤激冷水，防止垢片进入激冷环后引起激冷水分布不均匀。但由于盲区的存在，激冷水过滤器的切换，极易使盲区形成的垢片进入激冷环中。

从航天炉的运行经验来看，每次开车时，当第1 台投用的激冷水过滤器压差＞50 KPa 时，应注意观察激冷水泵电流的变化。

一旦出现有影响激冷水流量和气化炉液位的迹象，在保持第1 台激冷水过滤器使用状态不变的情况下，再平稳地投入备用的过滤器，一般2 台激冷水过滤器可使用超过6 个月。

激冷水过滤器一开一备投用时，系统运行只能维持1 个月就应切换备用的激冷水过滤器，且频繁切换激冷水过滤器，可能会导致因激冷水流量的不稳定，而发生气化炉停车的事故。

所以，在投用激冷水过滤器时，最好的选择是2 台激冷水过滤器都同时投用，这样对于系统长周期的运行更有效。

2.2 优化渣口结构

粉煤在高温的气化炉内迅速发生气化反应，生成以CO+H2为主的粗合成气和熔融状态的渣。由于粉煤烧嘴氧气流道与气化炉垂直方向成一定的角度，产生的合成气会在炉内形成旋转的气流，而熔渣会在旋转气流产生的离心力的作用下被甩到与水冷壁直接接触，碰到温度较低的水冷壁发生沉淀并固化。

随着渣层厚度的增加，固态渣层热阻增大，最终固态渣层表面与水冷壁冷却水温差加大，使渣层表面的固态渣和液态渣形成动态平衡状态，液态渣的粘性会随着温度的降低而增大，在重力的作用下通过渣口进入激冷室内。

气化炉渣口呈锥形过渡结构，燃烧室内的气液固三相会以喷射形式通过渣口，由于喷射气流的流速快，易发生合成气偏流，气流会直接冲向下降管壁，破坏其表面的水膜，进而发生下降管烧损现象。

本段主要从设备结构分析，期望通过优化渣口结构，减缓由于气流偏喷造成激冷内件烧损的后果。

气化炉渣口的锥形过渡结构如图2 所示。

某炉型通过改变渣口盘管结构形式，为了区别于传统水冷壁盘管和渣口盘管的对接形式，渣口盘管设置渣坝，可有效保护下渣过程中对渣口盘管的冲刷，同时，在煤质波动时可起到一定的保护和缓冲作用。

某炉型渣口盘管结构形式如图3 所示。

图3 某炉型渣口结构Fig.3 Slag mouth structure of a certain furnace

渣口结构的优化，不仅对改变渣口流场和改善高温介质的温度场的分布有着重要的意义，而且可以进一步降低粗合成气对渣口底部耐火材料的冲刷，延长渣口盘管的使用寿命。

某公司技术改造前后的渣口温度场分布如图4所示。

图4 某公司技术改造前后的渣口温度场分布Fig.4 Temperature field distribution of slag mouth before and after technical transformation of a certain company

左边为某公司渣口优化前喇叭口倒锥面盘管渣口结构的其温度场分布，右边为某公司渣口结构优化后的阶梯式渣口结构的温度场分布。

从图4 可以看出，优化的渣口结构温度场分布更为均匀，无明显的扩散现象，这样可以有效降低粗合成气流的偏喷次数。

2.3 优化激冷环结构

在气化炉燃烧室内反应产生的粗合成气（温度为1 400 ℃），经渣口进入激冷室内进行水浴降温、除灰。

激冷室内的激冷水经激冷环分配，一路经其流道侧壁开孔进入内侧，起到保护激冷环的作用；另一路沿环与下降管之间缝隙均匀地向下流出，在下降管壁上形成一层水膜，保护下降管的作用。

由于激冷水具有含固量高、硬度和碱度偏大等特点，容易引起水中杂质的沉积，造成结团，从而堵塞激冷环，使得粗合成气不能得到有效冷却，导致下降管被烧穿。因此，对激冷水的质量应严格控制。

激冷环三维结构如图5 所示。

图5 激冷环三维结构Fig.5 Three-dimensional structure of chilling ring

在一些化工厂实践探索分析中，采取的方法是扩大激冷环的半径和增加开孔的数量。这样，一方面明显的降低了激冷水对激冷环的冲刷，并且使得激冷水在激冷环的环形圈内更加均匀旋转流动；另一方面，有效降低了由于灰水中粒径较小的细灰造成激冷环射流孔部位的结垢，从而增加了激冷环的运行周期。

2.4 优化分离挡板

上升管的顶部，当合成气和渣经过激冷室水浴后，渣溶解在水里，而合成气经过上升管和下降管环部空隙、折流板和出口挡板后，通过管道进入洗涤塔。

挡板有如下的作用：

（1） 进一步防止合成气带水、带灰。

（2） 分离合成气中的不饱和水分。

（3） 防止结在下降管或支撑板上的灰渣脱落被合成气带出。

航天炉在长期运行过程中，水浴后的合成气经分离挡板折流后，很容易造成附近管线的堵塞。从运行经验来看，减少1~2 块折流挡板个数，改变水浴后的合成气折流角度，能有效的降低合成气出口管线堵塞的现象。

某炉型的设计有专门的折流通道，合成气出口挡板呈120°的角度，充分考虑到了合成气带水、带灰量严重对出口管线的堵塞现象。

2.5 优化下降管

在气化炉激冷水系统内，下降管一般焊接在激冷环基座上。粉煤气化产生的高温粗合成气、残碳、激冷水经下降管进行初步的冷却、除灰后，沿下降管进入激冷室内，进行水浴降温、除灰。

下降管的损坏一般有以下几种类型：

（1） 由于激冷水量不足，造成下降管水膜分布不均匀，尤其是在下降管温度下降较快的上部和中部，一旦金属长期暴露在外，就会出现下降管鼓包的现象。

（2） 由于气化炉内出现富氧现象，粉煤气化产生的粗合成气与氧气进行二次反应，形成爆炸性气体，在气化炉内产生强烈震动，使得下降管随着大幅度的震动，从而产生下降管褶皱现象。

（3） 下降管出现空洞的现象，由于煤灰的粘度随着温度的降低而增大，经过渣口盘管冷却后的煤灰的粘度增大，造成渣口出现大量积聚的煤灰，使得渣口直径变小。燃烧室与激冷室之间连接的部位相当于一个缩颈管，当渣口变小时，产生的粗合成气的气速就会变大，形成的高速的粗合成气夹带着煤中的残余物冲刷着下降管，造成了下降管的生洞破损。

此外，由于下降管焊接在激冷环的基座上，若激冷环发生被堵的现象，也会导致下降管水膜分布不均匀，最终，高温粗合成气会与局部没水膜的下降管进行直接接触，从而造成了下降管的生洞破损。

某炉型下降管设计结构如图6 所示。

图6 某炉型下降管设计结构Fig.6 Design structure of downcomer of a certain furnace

由图6 可以看出，某炉型在下降管的设计结构方面：

（1） 在激冷环下方50 mm 处的下降管上，增加一路高压灰水来补充激冷水。

（2） 通过扩大直径（D=1 420 mm） 来降低对下降管的冲刷。

某炉型的下降管位于渣口外侧（渣口直径为800 mm），渣口处的熔渣会随着气流沿下降管进入激冷室内，减少了熔渣冲刷下降管，延长了下降管的使用寿命。

3 结 语

气化炉的激冷系统对气化炉的稳定运行起着至关重要的作用，影响激冷系统的因素是多方面的。从激冷水的过滤器、渣口、激冷环、分离挡板、下降管5 个方面的结构优化展开讨论，得出以下几点结论：

（1） 2 台激冷水过滤器同时投用时，可有效降低因频繁切换激冷水过滤器而可能导致激冷水流量不稳定，从而引起气化炉事故的停车现象，这样对于系统长周期稳定运行更有效。

（2） 渣口结构优化成阶梯式，并在渣口结构处设置渣坝，可有效降低粗合成气流偏喷次数。

（3） 增大激冷环的半径和增加其开孔数，可减少激冷水对激冷环的冲刷。

（4） 改变渣水分离挡板的角度，能有效的降低合成气出口管线堵塞的现象。

（5） 增大下降管的直径，可降低粗合成气对下降管的冲刷。