德士古水煤浆气化炉堵渣现象的原因及预防措施

向潜 (国能包头煤化工有限责任公司，内蒙古 包头 014060)

0 引言

多年以来，我国一直在坚定地探索新型工业化道路，在此过程中工业领域出现了很多新技术与新工艺，为工业生产提供了技术支持，大大提高了产能与效益，对企业的转型发展具有重要意义。德士古水煤浆气化工艺作为一种新技术，在当前的煤气化领域有着成功的应用，很多煤化工企业日渐意识到了这一工艺的优越性，都在尝试应用该工艺辅助相关工作。但结合行业内德士古水煤浆气化工艺的应用情况，堵渣现象时有发生，这些企业需继续更新工艺，预防堵渣现象。

1 德士古水煤浆气化炉堵渣的主要类型

当前许多企业都应用了德士古水煤浆气化工艺，根据德士古水煤浆气化炉的运行情况，堵渣是较为突出的问题，不利于气化炉的正常工作。结合气化炉工作情况，堵渣现象主要可分为以下三种类型：(1)渣口堵渣，如：气化炉工作中在渣口部位发生了堵渣现象，将使渣口变小，压差明显增大，燃烧室内产生的灰渣无法经由渣口排出，最终导致气化炉的炉膛压力、炉壁温度、合成气量等存在异常[1]；(2)下降管内壁、下降管与上升管之间、上升管与气化炉炉壁的堵渣现象，气化炉运行时熔渣、飞灰渣、水、合成气以胶融状态附着在这些特殊位置，影响了气体流通，气化炉液位不符合要求；(3)锁斗收渣阀上部或者排渣阀上部的堵渣现象，激冷后的渣长时间堆积，堵塞锁口，无法经过锁口顺利收渣与排渣。

2 德士古水煤浆气化炉堵渣的原因

2.1 原料煤种灰分及其组成的变化

德士古水煤浆气化工艺中气化炉作为关键设备，在运行中对原料煤质量有着严格的要求，若入炉原料煤中的灰分存在异常变化，将直接影响灰渣的熔融性，也就是说确定气化炉操作温度时必须提前测定入炉煤浆的灰熔点，灰熔点过大或者过小都会导致气化炉的温度异常波动，干扰气化炉的排渣，导致熔渣、灰渣无法顺利排出。灰渣黏温特性受煤灰渣组成的影响较大，如煤灰渣中的Al2O3、SiO2含量较高，灰渣熔点较高，黏温特性较差，但Fe2O3、MgO、CaO由于属于碱性物质，能降低灰渣熔点与黏度[2]。根据经验，一旦煤种的灰分含量较大，但Fe2O3、CaO含量偏低，将对应着较高的灰渣熔点、较差的黏温特性、较大的黏结指数，随着工艺流程的实施，易出现大量块渣，也就会形成堵渣现象。

2.2 耐火砖的磨损与烧蚀

耐火砖质量、砌砖质量与耐火砖使用寿命息息相关，如：在生产作业中的砌筑砖缝小，气孔率小、灰浆饱满度高，将具有更强的抗灰渣侵蚀能力，反之，则更容易结渣，炉砖出现窜气、裂缝、脱落等异常现象的几率较高。气化炉炉膛反应区是以渣抗渣区域，能为排渣创造良好的条件。气化炉内壁形成一层低熔点化合物，在生产作业持续进行的过程中因为煤灰分有波动，这些低熔点化合物会逐步被剥蚀下来，在此过程中灰渣逐步破坏耐火砖，导致砖体上有疤渣，而这些疤渣会堵塞渣口。气化炉运行中还常常出现投料或操作压力大浮动波动的现象，如未及时控制这一现象将导致耐火砖的剥落严重，形成大量砖渣，锁斗无法正常排渣。

2.3 气化炉操作工况

德士古气化炉操作工况异常也会引发堵渣现象。根据生产经验，德士古气化炉操作工况与诸多因素有关，炉温为比较常见的因素，要保障德士古气化炉温度的合理性，一般需在满足液态排渣的需求下保持低温状态。但长时间保持低温操作也会造成不利影响，即炉渣无法正常流动，其流动性降低，可能在炉壁或燃烧室锥底积聚，持续的重力与气体冲击作用下炉渣将在燃烧室渣口堆积，渣口变小无法排渣。

外界工况异常变化的情况下堵渣现象无法避免，如：氧压持续变化，炉温从高温变为低温且变化幅度较大，此时，原先在耐火砖表面的炉渣、低熔物将逐步被熔落，最终在激冷室产生大量块渣、疤渣；较高的炉温条件下，炉渣中的许多侵蚀性金属元素相对活跃，可能会进入到耐火砖内部，引起其损蚀，炉砖的机械强度减小，抗侵蚀能力不足，持续作用下也会出现堵渣现象[3]。相关企业的试验分析表明，气化炉操作温度与炉渣对炉砖的损蚀有关，操作温度每升高100 ℃，其损蚀速率是原先的2倍。操作压力虽对堵渣现象有一定影响，但其影响程度较小，在实际的工作中应将操作压力维持在稳定状态下，避免不规律、大范围变化。但一些操作人员未重视操作压力的管理与控制，导致操作压力急剧变化，也会引起堵渣问题。

2.4 烧嘴压差波动

为提高德士古水煤浆气化炉的运行可靠性与稳定性，实际的生产中相关人员也需要控制烧嘴压差，如未控制这一参数，气化炉的堵渣现象将无法避免。以某企业问题为例，气化炉采用低压差烧嘴，当处于正常运行状态时烧嘴压差保持在400 kPa上下，但烧嘴压差在短时间内有大幅度的波动，最低时为0，烧嘴难以发挥其雾化功能，雾化效果难以达到预期。在此情况下，煤浆在气化炉燃烧室与氧气的接触面积大大减小，部分煤浆未参与到反应过程，后续粗煤气、粗渣进入激冷室后执行冷却与洗涤流程，激冷室水质较差，粗煤气与水汽会夹带细灰到达合成气管线。气化炉持续运行中这些细灰会在上升管、下降管环隙部位积聚，最终造成环隙堵塞问题。如果在生产作业中气化炉上升管与下降管环隙被堵塞，粗煤气在上升管外围区合成气管线量增多，许多灰渣包裹于支撑板底部位置，高温气体长时间在上升管外围停留，支撑板热电偶无法正常散热，导致气化炉支撑板温度高于正常值[4]。

2.5 系统水质问题

德士古水煤浆气化炉工作中对水质也有严格规定，在其他条件均正常但水质不达标的情况下出现堵渣问题的几率也相对较高。以某企业为例，在生产中使用的原料煤灰分高且频繁变动，组织专人在现场开展了沉降实验，经过实验结果的对比与分析，发现煤质变化引起水质变化的情况下使用的絮凝剂絮凝效果不佳，灰水浊度、硬度较大且上下变化明显，水质不佳。通过与相关技术人员协商，在现场配置了三种不同分子量的絮凝剂。此外，现场所应用的分散剂虽有一定的阻垢作用，但效果并不理想，管线内的水垢分布较多，在气化炉系统长时间运行的过程中受到结垢现象的影响，激冷水量持续降低，到后期仅为180 m3/h，远远低于正常值，系统水循环不佳，水质进一步恶化。

3 德士古水煤浆气化炉堵渣问题的预防措施

3.1 控制原料煤质量

原料煤质量不佳可能引起气化炉堵渣现象，为避免这一方面的问题，企业需结合德士古水煤浆气化炉的运行特点与工况优选高质量原料煤，保障所选择原料煤的各方面指标均符合规定。从企业角度，其在日常的工作中必须安排专人负责原煤选择与煤质分析，需在原有工作基础上增大煤质分析频次，并引进现代化分析技术，由专业技术人员每日分析水煤浆灰分、灰熔融性温度，依据分析结果增加或减少助溶剂用量。如：灰熔融性温度符合相应的设计标准，一般需减少助溶剂用量，特别是在助溶剂为石灰石粉且原料煤灰分较高的情况下，一旦使用的石灰石材料过多，将导致水煤浆的水分过高，随着系统的运行，进入水系统中的细灰持续增多，能加速气化炉上升管、下降管环隙的堵塞速率。

3.2 保障气化炉耐火砖质量

德士古水煤浆气化炉运行中堵渣为一个相对常见的现象，在一些企业的生产作业中气化炉堵渣是因为耐火砖质量不佳所引起。对于这一原因所引发的堵渣现象，要实现科学预防，企业需保障耐火砖质量合格。在准备砌筑耐火砖阶段，相关人员必须在正式砌筑之前了解有关的质量标准与技术规范，参考理化性能标准，从源头控制耐火砖的入厂质量，严禁质量不合格耐火砖进厂和使用。其次，企业内需针对耐火砖开展一系列的质量检查与监管，如成立专门的质量监督小组，由该小组在耐火砖的采购、入厂和使用等阶段实施严格的质量监管与检查，一旦发现耐火砖存在质量问题，及时与有关部门协商，快速制定对应的解决措施。

3.3 严格加强操作管理

为避免气化炉操作不当引起的堵渣现象，在德士古水煤浆气化炉投入使用后，企业需分配专业的管理人员来实施操作管理，渗透精细化管理思想，强化每一个操作流程的管理，保障操作规范性，将各项参数控制在合理的范围内。首先，当气化炉处于正常工作状态时需将炉温控制在合理范围内，如气化炉的热偶被烧坏，有关人员需依据DCS碳洗塔出口的气体成分波动情况，判定气化炉燃烧室操作温度情况；利用氧煤比这一关键指标实施动态化调节与控制，保持炉温的合理性，避免其他因素引起炉温的异常变化；在停炉换烧嘴时间段更换全新的高温热偶[5]。其次，保障投料炉温的科学性，随着投料工作的开展，气化炉系统内的个别参数往往会出现一定的变化，如当投料温度超出限值，将同步引起炉膛温度的急剧增大，进而加剧对耐火砖的磨损、烧蚀，产生疤渣、砖渣，出现较为严重的堵渣现象，出于这些因素的分析，气化炉投料阶段一般需将气化炉保持在半负荷状态，控制炉温；如投料时的温度偏低，加负荷过慢，同样也会出现堵渣问题，在操作过程中也需要注意考虑这一问题。第三，密切监测气化炉压差情况，虽在气化炉工作中这是需要重点关注的指标，但不能过度依赖该指标，还应该考虑合成气出口与燃烧室的压力情况，准确计算压差。熔渣阶段的炉温波动范围要小，提高氧煤比时要少量多次。

3.4 解决烧嘴压差波动问题

根据长时间的行业操作经验，预防德士古水煤浆气化炉堵渣问题时也需要从解决烧嘴压差波动方面着手。企业可针对其气化炉系统，分析原有气化炉烧嘴所存在的问题，采取一系列改造与优化措施，使改造后的烧嘴压差符合要求。以某企业为例，有关技术人员在改造了原有烧嘴后，烧嘴压差明显增大，正常运行状态下烧嘴压差为550 kPa，且具有极强的抗干扰能力，在一些情况下烧嘴压差虽有一定的波动，但整体波动幅度较小，且波动持续时间非常短，短时间波动后即可恢复正常，说明改造烧嘴对控制烧嘴压差波动问题、预防堵渣问题较为有效。企业可立足自身情况，改造烧嘴设计方式或者调节有关参数。

3.5 改善系统水质

气化炉运行中对水质有较高的要求，为避免水质问题引起堵渣现象，企业在实际的工作中应重视水质管理，分配专人负责水质检测，结合水质分析结果采取措施改善水质。为提高水质，一般可采取添加分散剂或絮凝剂的方式，但在利用这些方式时需注意控制用量，有关人员需严格根据德士古水煤浆气化炉的水循环特点与循环量、系统运行中的各项参数，准确计算分散剂、絮凝剂的使用量，确定最为科学的添加量。某企业的气化炉运行中，系统低压灰水循环量为300 m3/h，每日需添加1 t分散剂、29 t絮凝剂，在添加过程中，还需结合煤质特点来选择恰当分子量的絮凝剂，以发挥絮凝剂的絮凝作用，使水质符合标准。此外，改善水质时有关人员也需要在原有工作基础上优化分散剂选型工作，选择高性能分散剂，使分散剂可在水循环过程中及时除垢，避免出现结垢现象。

4 结语

德士古水煤浆气化炉运行中的堵渣现象也会影响正常的生产工作，为提高气化炉工作水平，保障生产效率与效益，企业需重视德士古水煤浆气化炉堵渣现象的处理，根据引起堵渣问题的原因，立足自身的生产特性采取一系列的优化与改进措施。