侯茂林+張文飛+王國(guó)梁

摘要：本文介紹了 GSP 氣化爐水冷壁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、主要作用，分析了該裝置在工業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)的施工、投料方式及工藝控制等方面的問(wèn)題，并針對(duì)性地提出了優(yōu)化措施，解決了運(yùn)行中水冷壁系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，提高了裝置運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。

Abstract： This paper introduces the structure and main effect of the water wall system of GSP gasifier， analyzes the problems in construction， feeding mode and process control of this device in industrial application， puts forward the optimization measures， solves the problems water cooled wall system in the operation and improves the operation efficiency and economic benefit of the device.

關(guān)鍵詞：GSP氣化爐；水冷壁；優(yōu)化

Key words： GSP gasifier；water cooled wall；optimization

中圖分類號(hào)：TQ545 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）35-0133-02

0 引言

神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)50萬(wàn)t/a煤基烯烴項(xiàng)目中，氣化工段選用德國(guó)西門子公司的GSP干煤粉加壓氣化技術(shù)[1]，相較于其他氣化技術(shù)，GSP氣化技術(shù)具有原料適應(yīng)性廣、原材料消耗低、工藝可靠性好、運(yùn)行周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。對(duì)于煤制合成氣，GSP氣化兼有其他煤氣化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[2]。

該裝置的核心設(shè)備氣化爐，燃燒室采用水冷壁結(jié)構(gòu)，爐溫通常在1400-1600℃之間，液態(tài)渣在水冷壁的內(nèi)表面固化積灰，即采用以渣抗渣的原理進(jìn)行保護(hù)。在首次工業(yè)應(yīng)用中，出現(xiàn)了施工、投料方式及工藝控制等一系列問(wèn)題，本文介紹了水冷壁系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，并針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題提出了優(yōu)化措施。

1 水冷壁系統(tǒng)簡(jiǎn)介

水冷壁構(gòu)成GSP氣化爐燃燒室的主要部分，作用是形成一個(gè)溫度1450～1650℃，3.8～4.2MPag的環(huán)境，讓煤粉和純氧進(jìn)行部分氧化反應(yīng)生成主要成分為H2和CO的原料氣。水冷壁由焊接成整體的螺旋盤(pán)管組成，構(gòu)成整個(gè)燃燒室的內(nèi)表面。水冷壁的螺旋盤(pán)管內(nèi)部，由高壓水冷壁冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)冷卻，以移走燃燒室高溫氣體傳遞和輻射到水冷壁的熱量。水冷壁跟高溫原料氣接觸的內(nèi)表面上，覆蓋有大量通過(guò)錨固釘固定的、耐熱性很好的搗打材料。

水冷壁和氣化爐外殼之間的環(huán)隙空間，由高壓氮?dú)饣蚋邏喝細(xì)鈴脑摽臻g的底部進(jìn)行連續(xù)吹掃，吹掃氣從水冷壁頂部與燒嘴支撐連接處進(jìn)入氣化爐燃燒室，另外，該環(huán)隙空間填充陶瓷纖維進(jìn)行密封，以最大限度地減少原料氣或煤灰進(jìn)入造成超溫和腐蝕。水冷壁的底部跟支撐板通過(guò)焊接進(jìn)行連接，焊接時(shí)須保證水冷壁頂部跟燒嘴支撐之間的縫隙≤10mm，以保證水冷壁在受熱時(shí)可以自由向上膨脹。

水冷壁冷卻水系統(tǒng)的工藝目的是，對(duì)氣化爐內(nèi)表面與高溫原料氣直接接觸的水冷壁、燒嘴支撐和排渣口進(jìn)行冷卻，同時(shí)利用廢熱鍋爐回收熱量，產(chǎn)生低低壓蒸汽。水冷壁冷卻水系統(tǒng)包括冷卻水罐、廢熱鍋爐、水冷壁泵等設(shè)備，水冷壁泵出口的冷卻水分成六路，分別送往四根冷卻盤(pán)管、燒嘴支撐、排渣口，冷卻后溫度介于170℃至240℃之間的回水匯集到一根回水總管送回冷卻水罐，冷卻水罐頂部由高壓氮?dú)膺M(jìn)行沖壓，保證壓力始終高于氣化爐，防止盤(pán)管破裂時(shí)原料氣反竄造成危險(xiǎn)。廢熱鍋爐由低鍋水保持液位穩(wěn)定，和冷卻水回水換熱后產(chǎn)生低低壓蒸汽并入管網(wǎng)。

水冷壁冷卻水去各支路冷卻盤(pán)管及回水總流量的建立是氣化爐開(kāi)車的必備條件之一，在運(yùn)行過(guò)程中也需要進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控，并設(shè)置流量差聯(lián)鎖進(jìn)行保護(hù)，防止盤(pán)管出現(xiàn)泄漏后造成危險(xiǎn)。

2 水冷壁系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)化

2.1 水冷壁施工優(yōu)化

水冷壁技術(shù)的核心是以渣抗渣，為了保證氣化爐的穩(wěn)定、高效運(yùn)行，需要在水冷壁上附著一層均勻而穩(wěn)定的熔渣層。煤粉在氣化爐內(nèi)高溫條件下氣化后，夾雜礦物也轉(zhuǎn)化成其它物質(zhì)，并最終熔融，較小的球形渣滴聚集在一起形成大的渣球，一部分渣球會(huì)被氣流直接帶出氣化爐，而大多數(shù)渣球則沉積在水冷壁上形成流動(dòng)熔渣層，當(dāng)氣化爐內(nèi)壁熔渣層達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，水冷壁上的渣膜可分為流動(dòng)層、過(guò)渡層和固定層，流動(dòng)層和過(guò)渡層隨氣化反應(yīng)的進(jìn)行不斷更新，起到了“以渣抗渣”的作用[3]，如圖1所示。

存在問(wèn)題：在GSP氣化爐試車期間，水冷壁掛渣并不是很理想，導(dǎo)致水冷壁局部燒損。原因主要有錨固釘焊接密度與強(qiáng)度不夠，不能對(duì)搗打料進(jìn)行有效抓固；原搗打料強(qiáng)度不夠，澆筑流程有誤；筑爐后的搗打料保養(yǎng)不力，烘爐時(shí)機(jī)與烘爐流程不合理。

優(yōu)化措施：①錨固釘磨損嚴(yán)重或新更換的水冷壁盤(pán)管需重新焊接錨固釘，焊接時(shí)使用專用的螺柱焊機(jī)，錨固釘規(guī)格為φ10×17.5mm，橫向間隙為10mm。②選用強(qiáng)度更高的搗打材料CALDE RAM PS68HR，制定標(biāo)準(zhǔn)的筑爐流程，采用手工搗打方式施工，特別注意將其敷滿錨固釘周圍，表面應(yīng)使用抹塊抹光滑，筑爐厚度為最薄處20mm。③筑爐完畢后的搗打料襯里需進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保持爐內(nèi)溫度在5～35度之間，避免襯里材料受潮。④在筑爐施工48小時(shí)后可以進(jìn)行烘爐，按要求安裝熱電偶，實(shí)時(shí)記錄測(cè)得的溫度，烘爐過(guò)程中嚴(yán)格遵循烘爐曲線進(jìn)行，使襯里各部分均勻加熱，避免產(chǎn)生局部的過(guò)熱，烘爐后要求襯里材料外觀平整，無(wú)空洞、剝落現(xiàn)象，如圖2所示。

2.2 主燒嘴投煤優(yōu)化

GSP氣化爐三根煤粉管線呈中心對(duì)稱分布，投煤時(shí)三根煤粉管線順次進(jìn)煤，每根煤粉管線的投煤量為12t/h，第一根煤粉線投煤且流量基本穩(wěn)定后第二根管線開(kāi)始投煤，然后是第三根，正常情況投煤過(guò)程大概需要半小時(shí)，投煤過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，即氣化爐在低負(fù)荷狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，不利于水冷壁掛渣；其次，在第一根和第二根煤粉線投煤成功后，相應(yīng)煤粉線開(kāi)車氣退出，造成煤粉量的波動(dòng)，同時(shí)開(kāi)車氣往第三根煤粉線集中形成偏噴，造成水冷壁局部沖刷嚴(yán)重。

設(shè)計(jì)煤粉線投煤時(shí)采用壓差控制，即通過(guò)給料器和氣化爐間的壓差來(lái)控制煤粉輸送量，壓差控制范圍為0.14～0.3MPa，對(duì)應(yīng)煤粉流量30～80t/h，但在主燒嘴實(shí)際投料過(guò)程中，由于壓差控制范圍太小，氣化爐的壓力調(diào)節(jié)有一定滯后，給料器壓力受到煤粉鎖斗間歇進(jìn)料的影響而波動(dòng)，從而導(dǎo)致進(jìn)料器與氣化爐的壓差頻繁波動(dòng)，煤粉流量不穩(wěn)定，氣化爐不能提負(fù)荷，水冷壁局部燒損。

優(yōu)化措施：①對(duì)氣化爐煤粉進(jìn)料方式進(jìn)行調(diào)整，將三根煤粉管線依次投煤的投料方式改為三根煤粉管線同時(shí)投煤，提高初始投煤量，適當(dāng)加快提負(fù)荷的速度，并在投煤初期低負(fù)荷狀況下適當(dāng)加入蒸汽，以此來(lái)增大氧氣流速，縮短低負(fù)荷狀態(tài)下火焰短、燃燒流場(chǎng)差的時(shí)間。②將煤粉輸送方式更改為流量控制，在煤粉線上增加煤粉流量調(diào)節(jié)閥，通過(guò)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度達(dá)到控制煤粉流量的目的，同時(shí)提高給料器和氣化爐壓差設(shè)定值，減小因系統(tǒng)壓力波動(dòng)對(duì)煤粉流量的巨大影響。③增加煤粉循環(huán)管線，主燒嘴投煤之前，通過(guò)煤粉回流管線建立循環(huán)，檢測(cè)煤粉管線通暢及各測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確性，確保投料前煤粉輸送系統(tǒng)的可靠性。

優(yōu)化后，不僅大大地提高了氣化爐投煤的成功率，且將投煤時(shí)間壓縮到10分鐘左右，節(jié)約了成本，避免了煤粉偏燒的可能性，從后期的運(yùn)行中對(duì)水冷壁檢查來(lái)看，此優(yōu)化措施基本解決了水冷壁錨固釘局部沖刷燒損的問(wèn)題。

2.3 工藝控制優(yōu)化

GSP氣化爐采用液態(tài)排渣，一般要求氣化爐操作溫度高于所用原料煤的灰熔點(diǎn)，因此氣化爐操作溫度對(duì)水冷壁表面熔渣沉積有著重要影響，目前，氣化爐爐溫不能直接測(cè)量，但可以通過(guò)水冷壁熱損進(jìn)行判斷，熱損是水冷壁系統(tǒng)監(jiān)控中最重要的參數(shù)，由水冷壁冷卻水進(jìn)回水溫差及水冷壁冷卻水流量計(jì)算得來(lái)，計(jì)算公式為Q=（F2238）*0.004425*（TD2242）/3600，熱損的波動(dòng)對(duì)裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行影響極大，通過(guò)水冷壁熱損可以直觀的判斷水冷壁掛渣的情況。一般情況下，氣化爐爐溫過(guò)高時(shí)，熱損高，水冷壁表面熔渣層較薄，爐渣直接沖擊氣化爐爐壁，對(duì)搗打料損害較大；相反，當(dāng)氣化爐操作溫度接近或低于煤灰熔點(diǎn)時(shí)，熱損低，水冷壁表面渣層就較為粗糙，渣孔隙率高，流動(dòng)性差，排渣口易堵塞，系統(tǒng)壓差大，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致氣化爐停車。工藝監(jiān)盤(pán)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整氧煤比、蒸汽量等參數(shù)對(duì)氣化爐的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。

2.3.1 氧煤比

氧煤比，即氣化爐主燒嘴氧氣流量與煤粉流量的比值，反映了煤粉在氣化爐內(nèi)的燃燒情況，主燒嘴氧煤比直接影響氣化爐燃燒室操作溫度和粗煤氣成分，氧煤比過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)影響氣化爐水冷壁的穩(wěn)定運(yùn)行，通過(guò)氧煤比設(shè)定值和氧煤比調(diào)節(jié)系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，每次調(diào)整幅度不大于0.002，期間密切關(guān)注熱損變化，緩慢提高氧煤比至3.6～3.7，如果熱損上漲較快，可適當(dāng)回調(diào)氧煤比，穩(wěn)定氣化爐內(nèi)的燃燒情況。氣化爐投煤初期，維持低氧煤比運(yùn)行，主氧量也相對(duì)較低，氣化爐爐溫低，以利于初始掛渣。

2.3.2 蒸汽量

GSP氣化爐在運(yùn)行過(guò)程中，主燒嘴氧氣管線中加入次高壓蒸汽作為一種補(bǔ)充的氣化劑，有利于提高合成氣中有效氣體的含量，降低氧耗，提高氧氣出燒嘴頭部的流速，達(dá)到控制火焰長(zhǎng)度的目的。若燃燒室火焰控制不當(dāng)，會(huì)增加水冷壁熱負(fù)荷，增大水冷壁燒損的風(fēng)險(xiǎn)，增加蒸汽可拉長(zhǎng)火焰，防止短粗形火焰對(duì)燒嘴頭部和水冷壁上部的燒損。主燒嘴投煤前，確認(rèn)次高壓蒸汽引入單系列，并經(jīng)放空暖管，待煤粉進(jìn)入氣化爐后，手動(dòng)打開(kāi)管線兩位閥將蒸汽引入氣化爐。當(dāng)投煤量在60t/h以內(nèi)時(shí)，次高壓蒸汽用量約為3.0～3.6t/h，防止投煤初期煤粉波動(dòng)大造成燒嘴損壞；隨著投煤負(fù)荷逐漸增加，次高壓蒸汽用量逐漸下降，系統(tǒng)滿負(fù)荷時(shí)次高壓蒸汽用量應(yīng)為1～2t/h。

2.4 其他方面

燒嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，主燒嘴氧氣旋流角度過(guò)大，導(dǎo)致火焰寬度偏大，造成對(duì)水冷壁上部的沖刷嚴(yán)重。優(yōu)化措施：調(diào)整優(yōu)化主氧旋風(fēng)罩角度，使火焰燃燒的形狀得到改變，從而獲得更好的燃燒流場(chǎng)，降低直接沖到爐壁的機(jī)率，調(diào)整之后水冷壁不再發(fā)生燒漏現(xiàn)象，但旋流角度需進(jìn)一步調(diào)整，使氣化爐內(nèi)的反應(yīng)更優(yōu)化，有效氣組分更高。

3 結(jié)語(yǔ)

GSP氣化爐水冷壁技術(shù)有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但工業(yè)化應(yīng)用中出現(xiàn)了水冷壁燒穿、初始運(yùn)行不能有效掛渣等問(wèn)題，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)過(guò)不斷研究分析，從幾個(gè)方面對(duì)裝置水冷壁系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和整改，解決了運(yùn)行中遇到的問(wèn)題，提高了裝置后期的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐振剛，宮月華.GSP加壓氣流床氣化技術(shù)及其在中國(guó)的應(yīng)用前景[J].潔凈煤技術(shù)，1998，4（3）：9-11.

[2]黃偉，馬雨聯(lián).GSP煤氣化技術(shù)生產(chǎn)合成氣的工藝分析[J].現(xiàn)代化工，2013，33（11）：93-96.

[3]程相宣，侯國(guó)君，梁欽鋒，等.水冷壁氣化爐熔渣流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].化學(xué)工程，2012，40（3）：58-62.