煤化工企业德士古气化炉带水原因分析及对策

高佳兴 (国能包头煤化工有限责任公司，内蒙古 包头 014010)

0 引言

近年来，在技术不断发展的今天，我国的煤化工技术日渐成熟，陆续出现了许多新工艺与新技术，如气流床气化技术有诸多优势，能为企业创造更大的经济与社会效益。煤化工企业内的德士古气化炉在生产中有着重要作用，但实际运行中带水问题屡见不鲜，长期出现带水现象必将使德士古气化炉激冷室液位低于正常限值、洗涤塔液位高于限值，增大跳车风险甚至引起相关设备的损坏。

1 德士古水煤浆气化的工艺及关键设备

1.1 磨煤机

水煤浆的气化过程十分复杂，工艺要求高且涉及的设备较多，磨煤机为其中的重要设备，在其功能支持下可将煤在磨煤机内与水充分混合，形成以一定粒度分布的水煤浆。当前的煤化工企业中一般配置的是湿式棒磨机，磨机系统内有磨筒、主轴承、转动装置、主电机、气动离合器等。

1.2 煤浆泵

德士古气化炉生产系统中煤浆泵起着加压作用，整个生产过程中，通过使用煤浆泵提高煤浆压力，使其压力符合相关标准。煤浆为高黏度、易沉降、含固体颗粒的流体物质，为在生产中使煤浆符合实际需求，企业需配备高性能煤浆泵，如可选择三缸往复式隔膜软管泵。

1.3 德士古烧嘴

德士古气化炉中的德士古烧嘴可实现水煤浆、氧气的充分混合与雾化，但为提高烧嘴在生产系统中的作用，设计人员需根据高效、安全生产的要求采用外混三流道设计，中心管与外环缝均为氧气通道，内环隙为煤浆通道，烧嘴头部布设有冷却水套与盘管，以避免其他因素损坏烧嘴。

1.4 气化炉

气化炉可细分为燃烧室和激冷室两个区域，分别位于上部与下部，气化反应发生于燃烧室内，激冷室中有激冷环、下降管、风道、分水挡板等配件。随着燃烧作用的持续进行，气化炉内产生大量炉渣，这些炉渣在水浴中冷却凝固。

1.5 洗涤塔

洗涤塔具有除气作用，煤浆气化过程中产生的合成气可经由洗涤塔排出，内部的降液管、风道、双层湿式冲击塔板、除雾器等相关部件在相互配合下可保障合成气及时排出。

2 德士古煤气炉的优点

2.1 有着较强煤炭种类适应性

煤化工企业中的德士古气化炉运行中的能源可选择性较多，如：烟煤、石油焦、次烟煤。灰熔点对能源选择的干扰较小，但如果在实际的生产中灰熔点较大，相关人员要在其中添加一定的助溶剂。如：在煤化工企业的德士古煤气炉中以煤为能源，必须选用高质量、低灰熔点煤。

2.2 有着连续生产性

煤浆气化过程中，氧气与煤浆生产为连续过程，因此，德士古气化炉的生产具有连续性。氧气、煤浆等原料可源源不断地投入到炉内，维持高效的生产作业。由于设备的特殊性，生产人员只需要设计固定的排渣程序即可，不需要专门将设备停止进行排渣，更能保障生产效率。

2.3 有着较高的气化压力

德士古气化炉的气化压力较大，当设备处于高压状态时对应着较低的比容积，单炉产量偏高，考虑到气化炉的这一生产特性，煤气压缩环节的能源消耗少、资金投入低。

2.4 气化温度高

德士古气化炉的气体温度相对较高，在1 200～1 350 ℃范围内，在该温度条件下煤炭资源的转化率较高。德士古气化炉的运行温度区间特殊性决定了相关人员可依据渣样情况精准控制操作温度，使碳转化率符合标准[1]。

2.5 更能保障生产安全

气化炉在磨煤过程中采用湿法，就是需要在磨煤机中使用一定的添加剂、水和煤，这一方式的安全系数更高，较之传统干磨法更不易出现安全事故。

2.6 生产具有环保性

德士古气化炉为煤化工企业内的新型设备，由于该设备结构、生产流程等的特殊性，具有清洁环保性特征，主要体现在：气化炉温度异常高，无酚或焦油等高污染物产生；生产中排出的废水可在处理技术下得到净化，排放的污染物少，废水处理简单且成本低，能循环利用水资源。

3 煤化工企业德士古气化炉带水原因

3.1 气化炉负荷

德士古气化炉工作中，气化炉负荷是需要关注的一项指标，负荷大小直接影响激冷室带水情况。如：在生产过程中气化炉负荷较大，将意味着更高的压力、更大的气量，但即使如此，气流间隙也长期固定，为此，高负荷增大了合成气流速，一旦气流对合成气中液滴的夹带能力超过自身重力，将会被带出激冷室，引起较为严重的气化炉带水现象。

激冷室激冷过程中，高温合成气本质上是二相流沸腾传热的过程。根据实际的生产经验，液体的过热程度取决于多种因素，其中，加热面温度与蒸汽温度的差值为关键因素，当二者的温差偏小时，液体虽有沸腾现象但其沸腾不明显，此为对流传热过程；当温差过大时，传热系数与热流密度同时增大，此过程为泡核沸腾传热过程；当温差为增大趋势且达到某一限值的情况下，将生成大量蒸汽泡，各个气泡在相互作用下逐步汇聚到一起，在加热面表面形成蒸汽膜，因为蒸汽膜的存在，传热系数在短时间内大大降低，这一过程就是膜状沸腾传热，气相中夹带的水膜导致激冷室的带水现象较为严重[2]。气化炉负荷处于持续增大的趋势时，意味着激冷室热负荷强度相对较高，一旦达到某一临界状态，传热方式发生变化，从泡核沸腾传热转向膜状沸腾传热。传热能力持续降低的过程中，气化炉中的气体可将水带走。

3.2 气化炉炉温

德士古气化炉运行中，炉温也是影响生产作业的一大关键指标，相关人员在操作气化炉时必须将炉温控制在合理的范围内。根据大量的生产经验，如气化炉保持在高炉温状态下，可以为气化反应创造条件，增大反应速率，并同步保障产气量与碳转化率。但是，高炉温也会带来其他的问题，一旦炉温过高，也将对应着较高的合成气温度，激冷室的热负荷强度、饱和水蒸气、总气量等都同步增大[3]。如果气化炉的炉温偏低，虽可满足气化反应的温度要求，但反应速率较慢，碳转化率、产气量都相对偏低，产生的粗渣残碳较多，能源浪费严重，不符合低碳环保的生产要求，如未及时增大炉温，持续保持低炉温条件，后续可能会出现锥底堵渣现象。

德士古气化炉运行中最佳的炉温为超过灰熔点50～150℃，但由于每个煤化工企业都有各自的生产特点，在控制炉温时还需严格参考其他参数。以某煤化工企业的德士古气化炉来说，该气化炉的原煤质量不佳，黏温特性不足，随着运行时间的延长，渣口与锁斗的堵渣现象无法避免，为解决此问题，操作人员将炉温控制在较低的控制指标，但即使如此，气化炉依旧存在带水现象，且出现此现象的周期大大缩短，甚至在10天之内发生了带水现象，说明炉温过低也不利于预防气化炉带水现象。

3.3 原料煤质量

德士古气化炉的带水现象也可能由原料煤质量不达标所导致，气化炉运行时对能源有极高的性能要求，只有保障原料煤质量与性能符合标准，才能避免能源质量问题引发的带水现象。但实际上，许多煤化工企业的德士古气化炉都因为原料煤质量不佳而出现了带水现象。结合大量的气化炉生产与工作经验，所选用的原料煤灰分黏温特性、反应活性、内水、灰熔点等均应符合要求。气化炉带水原因的分析中，煤灰的黏温特性为一大主因，合适煤种的煤灰软化温度与流动温度应有超过30 ℃的温差。某煤化工企业的德士古气化炉中，有关人员在分析原煤与煤浆槽煤浆灰缝的灰熔点后，发现软化温度与流动温度之间的偏差非常小，几乎可忽略不计。相关人员在分析煤灰后，发现其中的Fe2O3、Al2O3、CaO等物质的含量较高，SiO2的含量偏低，原煤的这一构成特点决定了煤炭燃烧产生的灰渣进入激冷室后，产生的细灰较多，部分细灰无法在短时间内凝固，最终被合成气带入到下降管、上升管的环隙，并牢固黏结于环隙中，影响气化炉的正常运行[4]。

3.4 氧气调节、氧气压力与流量波动

煤浆气化过程中，氧气调节、氧气压力与流量波动也可能是引起气化炉带水的重要原因。为使煤浆进入气化炉后可被充分雾化，中心氧体积分数应在15%～25%之间，如中心氧含量超出正常标准，气化炉火焰延长，合成气进入激冷室以后温度骤然增大，为此，需在确保雾化充分的情况下控制中心氧含量。气化炉带水现象也可由氧气压力、流量频繁波动引起，许多煤化工企业在生产中未实时监测氧气压力、流量，导致气化炉带水问题严重，给生产带来了较大的干扰。

4 煤化工企业德士古气化炉带水问题的控制对策

4.1 增加上升管的直径，增加下降管和上升管之间的环形通道空间

由于德士古气化炉带水问题由多种因素所导致，为科学控制这一方面的问题，可从出现的原因着手采取有效的控制措施。由于合成气对液相的影响较大，在企业内需根据气化炉的构成特点，适当增加上升管直径，以扩大下降管与上升管之间的环形空间，减小合成气对液相的干扰，从根本上控制气体流速，减弱气体夹带水的能力。通常气化炉激冷室的上升管利用螺栓来紧固，在实际的工作中相关人员需根据需求调整上升管的直径。与其他方式相比较，增加上升管的直径的操作方法简单且投入较低。

4.2 扩大气化炉激冷室空间

在原有基础上适当扩大气化炉激冷室的空间，对控制带水现象也相对有效，因为当气化炉激冷室空间变大后，激冷室液位上部的分离区域相对充足，部分夹带水将会回流于激冷室空间。一旦气体流速相同，气体夹带水的动能也一样，液滴带出速度远远小于分离空间的流速，也就会产生更多的合成气带水。如设备处于满负荷运行状态下，洗涤塔与气化炉之间可保持水平衡状态，此时，夹带水可正常回流，但如果气化炉带水问题较为严重，相关人员应通过控制液位的方式来增大激冷室液面上部空间，以减缓带水问题。

4.3 合成气出口管线部位设置气水分离器

德士古气化炉工作中，在合成气出口管线部位设置气水分离器对预防带水问题也相对有效，因为在布置了这一设备后，可及时分离水，使这些水回流到气化炉激冷室内，不仅可解决带水问题，还能使气化炉降低对激冷水的需求，保障激冷水、洗涤塔的水质，最大程度上降低动力消耗，进一步简化洗涤塔、气化炉的操作流程[5]。比如煤化工企业中相关人员可调整激冷室直径，也可增大上升管直径，为合成气的流动创造良好的条件，并保障较大的流动空间。对于激冷室，在条件允许的情况下相关人员需在恰当的位置设置破泡条，消除气泡，抑制膜状传热，并借助钟罩形状的上升管实现防堵目标，否则，一旦在气化炉中的水质不达标，随着生产的持续进行，大黑水管线内将产生较多水垢，易引起气化炉激冷室的堵塞。

4.4 降低生产负荷和操作温度

煤化工企业的德士古气化炉工作中出现了带水问题，相关人员需根据实际情况及时减小生产负荷与操作温度，通过控制这两个参数来避免带水问题。当然，操作人员也需要在原有基础上增加高压灰水补水量、激冷水量、气化炉锥底排黑量、洗涤塔底部排黑量，避免形成带水条件。具体操作中有关人员必须要将洗涤塔液位控制在合理范围内，预防洗涤塔的二次带水，与此同时，气化炉液位应尽可能保持在稳定状态下，或者在一些特殊的情况下小幅度降低气化炉液位。

4.5 严格控制灰水的工艺指标

德士古气化炉带水现象的处理中，操作人员也要严格控制灰水的各项工艺指标，保持水质的稳定性，适当增大系统水的外排量、新鲜水的补水量。如：气化炉生产负荷有所波动且存在其他异常情况时，必须及时改变灰水系统中絮凝剂、阻垢分散剂的添加量。

5 结语

德士古气化炉带水是煤化工企业中普遍存在的问题，很多因素都会引发这一问题。为避免这一现象，提高企业的生产效率与效益，企业需立足自身情况，强化设备改造与技术引进，采取有效措施预防气化炉带水。