WHG干粉煤气化炉长周期运行研究

侯刘涛

(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二期(以下简称龙宇煤化工)气化项目是以煤为原料，采用中国五环工程有限公司与河南能源化工集团公司自主创新设计、具有自主知识产权的五环炉(WHG) 干粉煤气化工艺技术，运用将煤转化为合成气的煤气化生产装置。两台五环炉分别于2016年12月8日(0系列)和2017年12月8日(1系列)一次投料试车成功，实现了两台五环炉同时运行的模式，两台五环炉自投料试车以来，运行中出现激冷罐顶部积灰、湿洗塔压差高、水冷壁管泄漏等问题，经过多次技改达到了良好运行水平，至2020年底，实现五环炉A级安全稳定运行288d，最高运行负荷为102%。

1 工艺流程

龙宇煤化工二期煤气化装置采用两台五环炉，单台炉煤气的公称生产能力为 69 090 Nm3/h(以CO+H2计)，主要生产原料为煤和氧气，其中，煤来自原料煤贮运系统，氧气来自空分装置。该装置共分8个单元，分别是磨煤与干燥系统、粉煤加压及输送系统、气化与水汽系统、渣水处理系统、湿洗系统、黑水处理系统、一氧化碳变换系统和公用工程部分。

五环炉工艺流程如下：将粒度小于13mm的原料煤与一定比例的石灰石经过磨煤与干燥系统碾磨成合格的煤粉，经过粉煤加压及输送系统输送至煤粉给料罐，再经过4条煤粉管线与空分装置送来的高压氧气同时配入少量过热蒸汽混合后，经煤烧嘴喷入气化炉生成粗合成气，其主要成分为(CO+H2)。气化炉正常运行时，炉体内温度为1 400～1 700 ℃，携带飞灰的高温粗合成气在激冷段初次激冷后，送往激冷罐被再次冷却降温至约190℃，并被洗涤除灰，然后进入湿洗系统，经文丘里洗涤器和湿洗塔进一步降温、洗涤除灰，合成气温度降低至180～190℃后，被送往变换装置；流动的熔融液态渣经过渣水处理系统送往渣场；来自激冷罐和洗涤塔的含灰排放水经黑水处理系统后，滤饼送出界区，滤液经澄清后循环使用；粗煤气通过变换装置调整组分中CO和H2的含量，以满足下游用户的需要。

2 生产运行中存在的问题及整改措施

2.1 激冷罐的问题及改进措施

(1)激冷罐顶部积灰。粗合成气通过输气弯管向激冷罐输送时，激冷罐顶部积灰，出现合成气通道缩小(最低时仅为原有通道的15%)和气化炉膜式壁因合成气偏吹损坏等情况(见图1)。

图1 改造前激冷罐顶部的积灰情况

改造措施如下：经初步分析，发现造成问题的主要原因为激冷段入口口径大、合成气流速低及激冷段顶部水汽大等。根据原因分析，为加大激冷罐顶部合成气流速，对激冷罐顶部输气管道进行改造。通过激冷罐入口膜式壁上增加缩口，使原尺寸为φ999mm的口径缩口至φ500mm(采用8mm N08825钢板制作)后，合成气的流速增大。观察改造后的运行效果，发现该改造有效缓解和降低积灰程度，避免因激冷罐顶部积灰而出现装置停车的现象，有利于装置长周期稳定运行。

(2)激冷罐积泥结垢。在运行中和装置停车检修检查时，发现激冷罐积泥结垢严重(见图2)，部分管道表面结垢，管道有效管径缩小，严重影响装置稳定运行。

图2 改造前激冷罐的积泥情况

原因分析如下：一方面，装置运行中出现激冷水过滤器压差高、滤筒孔有灰块结垢堵塞现象，影响激冷罐激冷水流量，进而影响整个激冷罐的水平衡；另一方面，激冷罐喷头(孔径16mm和6mm)长时间运行后，易出现结垢堵塞，使激冷罐内部的喷淋水流量降低，为维持激冷罐液位，必须减少黑水外排，致使激冷罐水平衡被打破，大量灰泥积存于激冷罐内，装置不得不停车清理。

采取如下改造措施：增加DN200的副线至激冷罐激冷水流量计前(见图3)，从而保证去激冷罐激冷水的流量；同时，在激冷水分布方形盒上开DN50的孔(见图4)，通过在上升管与下降管之间的环隙中开孔，进入下降管内部，加DN50弯头贴着内壁喷水，弯头朝下向左旋安装易形成旋膜。改造后，在水质较好、煤质稳定、灰含量低的情况下，两个系列激冷水量能够稳定在350m3/h，可以满足正常水平衡要求，可有效降低激冷罐积泥结垢对装置稳定运行的影响。

图3 激冷水改造后

图4 激冷罐改造后的激冷水分布

2.2 闪蒸系统灰水角阀振动及改进措施

在装置运行中发现，黑水处理系统闪蒸装置的部分设备因系统压降较大，激冷罐底锥到中压闪蒸罐的压力从3.8MPa降至0.6MPa，因压差较大，导致灰水角阀和中压闪蒸罐冲击振动大，造成缓冲装置内部及连接的陶瓷短节内部陶瓷脱落，给生产运行造成极大隐患。

通过在闪蒸缓冲装置安装阻尼器，减小振动。洗涤塔底部灰水管线和激冷罐底锥的灰水管线流量均能够达到设计流量，激冷罐液位进水和出水达到平衡，满足气化炉100%负荷运行的需要。

2.3 湿洗塔塔盘结垢及应对措施

在装置运行过程中，两个系列湿洗塔塔板均出现了结垢堵塞、塔板压差上涨及液泛现象。由于湿洗塔塔板结垢、洗涤效果差、出现液泛现象，使合成气带液至变换系统，给整个装置稳定、长周期运行带来较大风险。

湿洗塔塔盘结垢的主要原因为塔板的抗堵能力不足、激冷罐洗涤效果差、带入湿洗塔的灰较多和高压洗涤水水质不好等。

改造措施如下：通过对0系列湿洗塔3、4层塔盘溢流堰进行开孔、降低高度；增大溢流堰与塔板之间的间隙，以加快灰水在塔板的流动，减少灰水在塔板的停留时间，从而缓解结垢的速率；1系列湿洗塔改造塔盘结构形式，改用立体传质高效塔板(见图5)。

图5 高效立体传质塔板

通过改造实现装置连续运行288d，湿洗塔系统没有再出现明显的压差上涨及液泛情况，解决了湿洗塔塔盘结垢问题，为装置高负荷、长周期、稳定运行创造条件。

2.4 水冷壁管泄漏及对应措施

两台五环炉自运行以来，已出现4次激冷罐上方水冷壁管泄漏的问题，激冷罐上方弯头处泄漏(见图6)。激冷罐上方水冷壁泄漏的问题严重影响了五环炉的稳定运行。

图6 激冷罐上方水冷壁管泄漏

改进措施如下：①稳定气化炉操作，避免气化炉温度及压力出现大幅度波动；②避免水汽系统压力出现大幅度波动；③将汽包压力控制在4.2MPa左右，既保证水汽系统与气化炉的压差，又避免将汽包压力控制过高；④气化炉正常运行时，控制液位不要过高，降低水冷壁处粗煤气中水汽的含量，从而减轻腐蚀效果。

具体对设备局部结构进行的改造方案如下：对激冷罐上方易腐蚀的15CrMo材质水冷壁管表面堆焊N08825(见图7)；并对干湿交界的空间用保温棉塞实，减少碳钢表面因干湿接触而造成的腐蚀，从根本上解决管道腐蚀带来的泄漏等相关问题。

图7 堆焊后的水冷壁管线

2.5 煤质问题及应对措施

煤质问题是五环炉能否长周期、稳定运行的关键问题之一。自五环炉运行以来，非计划停车半数以上都与煤质的不稳定有直接或间接的关系，煤质对五环炉工况的影响，突出表现在煤质灰分和灰熔点两方面。

五环炉所用原煤的理想灰分为不大于20%(w)，灰分过高会造成湿洗塔塔盘结垢加快、激冷罐积泥及其排放水管线结垢或堵塞等相关问题，同时会造成五环炉水耗增加、分散剂和絮凝剂等辅材用量增加，影响气化炉的长周期、稳定运行。五环炉入炉煤的灰熔点应控制在1 340～1 375℃，原煤煤质不稳或掺配不均都会造成原煤的黏温特性变化较大，导致气化炉结渣或烧嘴罩处挂渣。五环炉运行4年来，因烧嘴罩泄漏而导致停车数次，每次煤烧嘴罩都有不同程度的烧蚀，严重制约了五环炉的长周期稳定运行。

主要采取了如下改进措施：①稳定煤源，煤种最好控制在4个以内，采用两元配煤，减少使用多元配煤；②实现精准配煤；③避免频繁更换煤种或者配比，造成气化炉工况波动；④稳定气化炉操作，在煤种更换或者配比更换时，提前预判工况，并做好应对；⑤减少短时间内对系统负荷进行大幅调整。

3 结语

通过对龙宇煤化工二期煤气化装置五环炉运行中出现的问题进行原因分析，采取了一系列技术改造、优化配煤稳定煤源等措施，实现五环炉288d连续安全稳定运行的记录，为五环炉的稳定运行提供了宝贵经验。