德士古煤气化炉合成气带水问题分析与探讨

1、德士古煤气化炉合成气带水问题分析与探讨丁振伟，王 伟(兖矿鲁南化肥厂，山东滕州 ) 2003-05-16 气化炉是德士古水煤浆加压气化装置的核心设备，它包括燃烧室和激冷室两部分，上部为燃烧室，内衬三层耐火材料；下部为激冷室，内有激冷环、下降管、上升管和折流挡板等主要部件。生产操作过程中时常发生激冷室合成气带水问题。本文我们将对气化炉带水的问题进行分析和探讨。1 装置流程简述 加压的水煤浆和氧气经过特制的工艺喷嘴喷入气化炉内后，水煤浆被高效雾化成细小的颗粒，与氧气在炉内13001400的高温下发生复杂的氧化一还原反应产生煤气，其主要成分为CO十H2，我们称为合成气；同时生成少量熔渣。合成气与熔渣

2、出气化炉燃烧室后，在下降管的引导下，进入到气化炉激冷室液面下，在此熔渣被冷却固化后沉降到气化炉激冷室锥底，经锁斗收集后排出；合成气被冷却并吸收饱和水蒸气后出下降管，沿下降管与上升管之间的环隙鼓泡上升，离开上升管后被激冷室顶部的折流挡板折流，由激冷室合成气出口排出，经文丘里洗涤器去洗涤塔进一步洗涤除尘后，送变换工序。洗涤塔的补充水有三路：一路是高压灰水，由文丘里加入；另两路为冷凝液，分别由洗涤塔的塔盘和洗涤塔液位调节阀加入。出洗涤塔的水有两路，一路是去闪蒸处理的排放水；一路是去气化炉激冷环上的激冷水，为气化炉的补水。2 气化炉带水时的现象与危害2.1 异常现象 (1)气化炉的液位下降，气化炉去闪

3、蒸的黑水调节阀自动关小(本装置用出气化炉的排水量来控制气化炉的液位)。 (2)合成气温度偏高，文丘里压差增大并出现波动。 (3)洗涤塔液位升高，洗涤塔补水阀关小。2.2 对系统的危害 (1)气化炉液位持续下降会导致减负荷生产，影响装置的生产强度。 (2)气化炉带水后，由于激冷室内直接接受自气化炉燃烧室来的熔渣、飞灰，系统内水质较差，大量灰分会随合成气夹带的水到达洗涤塔内，影响洗涤塔水质，也影响出塔合成气清洁度。 (3)洗涤塔液位升高，操作不稳，有时会引发洗涤塔带水，影响后工序运行。 (4)洗涤塔水质恶化，影响自洗涤塔抽取供气化炉激冷环激冷水的水质，长期运行会加剧气化炉激冷环结垢问题，并最终导致

4、停车处理。 (5)由于气化炉黑水向闪蒸系统的排放量减少，黑水中的灰渣成分增加，容易堵塞气化炉去闪蒸系统的黑水管线，影响闪蒸系统的正常操作。3 气化炉合成气带水过程分析 合成气通过燃烧室的渣口进入到激冷环和下降管后，由于下降管内壁四周分布着激冷水形成的液膜，合成气与激冷水在并流下行的过程中即发生了传热、传质过程，部分激冷水蒸发成为饱和水蒸气进入合成气成为气相组分，合成气离开下降管后，在下降管与上升管的环隙间穿越激冷室水液层鼓泡上升。在合成气鼓泡上升的过程中，由于气体流速较快，合成气在溢出激冷室液面时会夹带部分水液，这些夹带的水液，一部分在随合成气经环隙上升的过程中，由于没有足够的功能，又落回到环

5、隙的液层中；一部分撞击到上升管的内壁和下降管的外壁上，以液膜的形式流回到液层中；还有一部分在离开上升管后流经激冷室上部的折流板时，被分离沉降到激冷室液面上；只有一部分最终随合成气带出气化炉，经文丘里进入洗涤塔中。4 带水问题讨论4.1 从气体流速的角度 合成气带出的小水滴与气流输送中的固体颗粒有许多相似之处，液体的密度与固体的密度非常接近而与输送介质合成气的密度却相差甚远，这一点与气流床的情况很相似；另外小液滴作为一个质点在液面上运动时，受到气体的推动力和自身重力这两个力的作用，合成气中夹带的小液滴要以流化状态被带出气化炉，有一个带出速度的问题。我们以合成气夹带直径3mm的小液滴为例来计算，其

6、带出速度为2.31ms，以鲁南装置现在的生产强度，合成气量为40000m3h，加上由激冷水气化产生的饱和水蒸气量(为合成气的1.4倍)，总气量为96000m3h，换算成气化炉操作工况下的气量为5688.8m3h，即1.58 m3s，激冷室下降管与上升管环隙的面积为0.391 m2，因此实际合成气在下降管与上升管环隙中的流速为4.04 ms，远大于3 mm液滴的带出速度2.31 ms。可见，气化炉合成气带水的量是很大的，这一点，我们在实际操作中深有体会。鲁南装置正常满负荷生产时，气化炉合成气带水量大约在25m3h，而在气化炉严重带水时，合成气实际带入气化炉的水量为50m3h，比正常时增加了25m

7、3h，对系统的水平衡产生了严重的威胁。4.2 从传热、传质角度 在激冷室内，合成气与激冷水之间的传热过程属于两相流的沸腾传热过程，根据流体沸腾传热理论，其过程将随热流强度的增加而发生传热机理的转变，即；当热流强度增加到某一临界值时，传热过程将由高效的泡核沸腾转变为低效的膜状沸腾，此时气相中夹带大量的水沫。由于水沫的密度比液体的密度大大降低，这就使气体夹带液体所需要的能量大大降低，可以在气体流速并不太大的情况下发生大量带水的现象。这一理论可以成功地解释气化炉运行过程中的一个怪现象；当气化炉带水时，我们加大气化炉的排水量后，气化炉的液位不但不下降反而升高。这是因为排水量加大后，激冷室内激冷水的滞留

8、时间相对缩短，激冷水的温度降低，这样合成气与激冷水之间的热流强度也就降低了，传热过程又从膜状沸腾转变为泡核沸腾，气相中不再有大量水沫出现，于是合成气带出的水量大大减少，激冷室的液位也就又升高了。5 解决合成气带水问题的应对措施 解决合成气带水问题我们可以试着从以下几个方面着手考虑。 (1)扩大上升管的直径，加大上升管与下降管之间的环形通道面积，降低气体的流速，减弱合成气对液相的冲击，降低夹带水的动能，从源头上遏制合成气带水的问题。此方案采用将气化炉上升管用螺栓紧固的方式组装到气化炉激冷室中，更换起来比较方便，改造费用也较低，特别适用于运行装置的技术改造。 (2)加大气化炉激冷室的结构尺寸，增大

9、激冷室液面上部的分离空间，让更多的夹带水返回到激冷室的液面中。在气体流速相同的情况下，气体夹带水的动能基本相同，但分离空间增大后，夹带水回流到液面中的比例提高。此方案我们已在生产中得到了验证，在发生气化炉严重带水时，用降低气化炉液位的办法，相对地增加了气化炉激冷室液面上的分离空间，对于遏止气化炉带水效果非常明显。由于气化炉要维持正常液位运行，所以应采取增大激冷室的结构尺寸的方法，而要加大设备整体尺寸，影响较广，因此此方案只适于新装置设计时考虑。 (3)在气化炉合成气出口管线上加一气水分离器，让分离器分离出来的水依靠位差再流回到气化炉激冷室中。此方案不仅有利于消除气化炉带水的问题，而且还可以减轻

10、气化炉激冷室对激冷水量的需求压力；让这部分水直接返回到气化炉，比被合成气带到洗涤塔，再用洗涤循环泵加压返送到气化炉减少动力消耗；对于改善洗涤塔水质、激冷水水质、消除或减少合成气带水、稳定气化炉和洗涤塔的操作都非常有利，是一种理想的改造方案。 (4)加大气化炉激冷水的供应量和排出量，降低激冷室内激冷水的温度，降低合成气与激冷水间两相流沸腾传热的热流强度，减少水沫的生成。此方案需要增加洗涤塔循环泵的功率和闪蒸系统的黑水处理负荷，改变整个系统的水平衡。德士古煤气化装置技改总结赵 永(兖矿鲁南化肥厂，山东 滕州 ) 2001-05-161 概 述 我厂是国内率先应用德士古煤气化技术的厂家。开车初期，我

11、们对德士古煤气化技术认识不足，实际生产中遇到了一系列技术难题和生产故障。为此，我们进行了一系列技术改造。目前该装置已实现高负荷、长周期、安全稳定运行。现将我厂几年来的技改情况介绍如下。 2 堵塞问题 1997年以前，系统经常发生堵塞，且疏通困难、危险性大、劳动强度大、费时费力，制约了我厂德士古煤气化装置的高负荷、长周期安全稳定运行。为此，我们对气化炉至高压闪蒸罐管线、闪蒸系统管线、沉降槽给料系统和激冷水管线进行了改造。 2.1 气化炉至高压闪蒸罐管线的改造 该管线原设计是先从激冷室底部出来，垂直向下约15m，再折流向上进入高压闪蒸罐。管线较长、弯头多，激冷室内黑水在管道中流动时阻力大，流速低，

12、尤其是在烧嘴雾化效果差或气化炉带水严重时，会使黑水中灰尘沉积在管道内，造成管道严重堵塞。对此，我厂于1996年把原设计气化炉出口至高压闪蒸罐垂直向下再折流向上的管线改为水平管线。实践证明，改造后效果显著，保证了该管道中黑水的流速，避免了堵塞。 2.2 闪蒸系统管线改造 2.2.1 闪蒸流程及设备 原设计的闪蒸系统为三级闪蒸：高压闪蒸、中压闪蒸、真空闪蒸。第一级闪蒸为高压闪蒸，从气化炉和洗涤塔出来的黑水先进入高压闪蒸罐进行闪蒸分离，罐底部浓缩后的黑水进入第二级闪蒸，即中压闪蒸，闪蒸罐锥底浓缩后的黑水进入真空闪蒸罐进行第三级闪蒸，真空闪蒸罐锥底部含固量较高的黑水进入沉降槽给料泵，由该泵加压输送到沉

13、降槽循环使用。 三个闪蒸罐结构基本相同，即顶部为椭圆形封头、中间为直筒体、下部为锥体。 2.2.2 改造内容 进入各个闪蒸罐的黑水经过闪蒸分离后，汇集于锥体底部的黑水含固量增加，在烧嘴雾化效果差时，带入闪蒸系统的黑水含固量会更大，含固量增大到一定程度时，会造成锥体底部、各罐之间的输送管线及沉降槽给料泵入口管线堵塞。堵塞严重时，必须人工打开各罐底部倒淋进行疏通，疏通时危险性很大。为此，1996年底我们把各闪蒸罐锥体最底部黑水出口管线向上移动，改接到稍高于锥体的直筒体上，原来的锥底部出口用作排污，但真空闪蒸罐黑水出口仍在锥底；去掉了沉降槽给料泵，把原来真空闪蒸罐位置由低处移至高于沉降槽的位置。这样

14、真空闪蒸罐内的黑水靠位差直接进入沉降槽，不需要沉降槽给料泵。 2.2.3 改造效果 闪蒸系统改造后，基本上避免了堵塞，减小了劳动强度，节省了检修费用。省去两台沉降槽给料泵，降低了电耗。 2.3 沉降槽给料系统改造 原工艺流程为；沉降槽内含固量较大的黑水从底部进入压滤机给料泵，经加压后送入压滤机，滤饼经运输带送出，滤液进入滤液槽，再由滤液泵送到磨煤系统。采用上述流程是为了尽量使系统内的水不外排，减少热量损失。实践证明，该流程有以下缺陷。 (1)黑水中的固体物不能完全沉降。尽管选择了多种稳定剂、絮凝剂对黑水进行处理，但效果不明显。沉降槽底部管线仍堵塞严重。 (2)原料煤质量不稳定，煤质的变化造成系

15、统黑水中悬浮物含量波动。当悬浮物含量过多时，系统长期运行就会堵塞沉降槽底部管线。该管线一旦堵塞，固体颗粒会被带到整个水系统，使其它设备、管道结垢、堵塞，严重时被迫停车。 为此，我们进行了以下改造：省去压滤机、滤液泵、滤液槽，沉降槽底部排放的污水经排污管排入第一捞渣池，第一捞渣池上面的清液再进入第二捞渣池。在捞渣池上方配备有轨捞渣机，定期打捞底部沉淀的细灰渣。 改造后，沉降槽底部堵塞现象与停车明显减少，含固量较大的黑水能及时排出，保证了水系统的良性循环。既简化了操作，又节省了劳力，降低了电耗。 2.4 激冷水管线改造 气化工艺流程中，洗涤塔内的黑水(激冷水)经离心泵加压后送到气化炉内激冷环，通过激冷环的黑水均匀地分布在下降管的内表面，形成一层水薄膜与合成气并流而下，使高温合成气不直接接触下降管内表面，以防止下降管过热变形，同时也使高温合成气得到冷却、洗涤。激冷水量直接影响气化炉的液位。激冷水量过大或过小，均会造成气化炉液位过高或过低，而气化炉液位又是气化炉安全系统的一个联锁参数。当气化炉液位降到联锁值时，气化系统就会跳车。因此，