熔渣侵蚀对gsp气化炉的腐蚀

熔渣侵蚀对gsp气化炉的腐蚀

asl气候学，也称为noll气候学，以干煤粉为原料，采用单阀顶部入给的加热和冷却程序，采用盘式水冷壁结构。冷却水冷壁后，熔渣通过水冷壁形成储层，低热系数储渣可承受气化炉的高温。熔渣在气化炉中的沉积是水冷壁技术的关键,如何使炉壁表面形成牢固稳定的熔渣保护层以达到“以渣抗渣”的目的是水冷壁研究的重点。本文在已有文献报道的基础上,结合神华宁夏煤业集团煤化工烯烃公司(以下简称神宁烯烃公司)采用的GSP气化工艺技术,探讨GSP气化炉内水冷壁挂渣的影响因素。1水冷壁渣膜的制备熔渣在GSP气化炉水冷壁上的沉积过程与锅炉内煤灰的沉积较为相似。煤颗粒在炉内燃烧时,在表面张力作用下,煤灰中易熔性物质熔融后收缩成球状,黏度为10~100Pa·s,由于其空气阻力小、密度较大,可部分黏附在水冷壁上形成初始渣层,其余进入渣池。气流中的熔融渣滴不断黏聚在水冷壁上,初始渣层厚度增加,热阻逐渐增大,水冷壁的冷却效果逐步降低。当气化炉内的渣层达到动态平衡后,水冷壁上的渣膜可分为流动层、过渡层和固定层。流动层和过渡层随气化反应的进行不断更新,起到了“以渣抗渣”的作用,延长了水冷壁气化炉的使用寿命。2冷壁对挂渣影响的研究2.1煤的熔融特性分析煤灰熔点是气化用煤的重要指标。煤灰的成分包括硅酸盐、硫酸盐以及各种金属氧化物的混合物,各种成分有着各自不同的熔点,因此,煤灰熔化时的温度在一个温度区间内。另外,灰渣的黏度也是煤灰特性的重要指标之一。宁东矿区红柳矿煤、灵新矿煤、羊肠湾矿煤和梅花井矿煤的煤灰成分分析检测结果见表1。从表1可看出:4种煤的煤灰成分中,梅花井矿煤和灵新矿煤中的SiO2和Al2O3含量较高,这些酸性氧化物具有提高煤灰熔融温度的作用,其含量越多,煤的熔融温度就越高;羊肠湾矿煤和红柳矿煤中的CaO和MgO含量较高,这些碱性氧化物具有降低煤灰熔融温度的作用,其含量越多,煤的熔融温度就越低。张玉柱等对宁东矿区红柳矿煤、灵新矿煤、羊肠湾矿煤和梅花井矿煤的煤灰黏温特性进行了分析研究,结果如图1所示。从图1可知:在相同温度下,红柳矿煤的煤灰黏度最低,且随着温度升高煤灰黏度迅速降低;羊肠湾矿煤的煤灰黏温曲线较陡,但在温度较低时,煤灰黏度较高;梅花井矿煤的煤灰黏温曲线较平缓,其煤灰黏度随温度的升高缓慢降低,有利于炉壁渣层的稳定。因此,可利用不同煤种的煤灰黏温特性来满足气化炉挂渣要求。若煤的黏度和流动温度较低,水冷壁挂渣较困难,尤其在投煤初期,如不能形成较好的渣保护层,水冷壁热损持续上升,水冷壁管发生烧损的可能性就越大。2012年5月10日,神宁烯烃公司对气化原料煤进行了调整,原料煤由梅花井矿煤更换为红柳矿煤与梅花井矿煤的配比煤。原料煤调整前、后的分析数据见图2。从图2可看出,原料煤调整后,煤的熔融特性数值均有所下降。在同样的初始投煤工艺条件下,对比分析了2#炉水冷壁挂渣的效果,煤质的变化对水冷壁挂渣形态影响较大,发现梅花井矿煤的挂渣效果优于配比煤,进一步证实了梅花井矿煤有利于炉壁渣层的稳定。煤的灰分含量对气化炉内气化反应和水冷壁挂渣有很大影响。灰分含量过低时,气化炉热损大,不利于炉壁的抗渣保护,甚至形成不了挂渣,会影响气化炉使用寿命;灰分含量过高时,少量碳的表面被灰分覆盖,气化剂与碳的接触面积减少,气化效率降低,灰渣对炉内构件的冲刷磨蚀也就越快。因此,控制合理的灰分比例非常重要。2.2热损的变化在煤质不变的情况下,水冷壁挂渣的状态通过水冷壁的热损来反映。影响水冷壁热损的主要因素有氧煤比、蒸汽量、气化炉的负荷、气化炉的操作温度以及煤粉粒度等。2.2.1辐射换热量的影响主烧嘴氧煤比直接影响气化炉燃烧室操作温度和粗煤气成分,进而影响水冷壁的热负荷、碳转化率、冷煤气效率等。氧煤比控制不当对水冷壁的稳定运行影响较大,主要表现在2个方面:1氧煤比增大,使燃烧反应放热量增加,炉内温度升高,促进CO2还原和H2O的分解,合成气中有效气(CO+H2)含量提高,增加了合成气热值并提高了碳转化率。由于氧量的增加而发生氧化反应,过量的氧气与CO和H2反应生成CO2和H2O,导致炉膛温度持续上升;同时,水冷壁燃烧区辐射换热量增加,即在温度升高幅度相同的情况下,高温区比低温区的辐射换热量高得多。随着氧煤比的增大,气化炉水冷壁热负荷对炉内高温区的提温幅度明显高于低温区,对高温区销钉和耐火材料的损坏将大大加剧。因此,主烧嘴氧煤比的控制对水冷壁的完好性至关重要。2氧煤比低,气化反应温度较低,燃烧不完全,未反应的细煤粉及飞灰随煤气对水冷壁面捣打料及销钉冲刷和磨蚀现象加剧,水冷壁导热系数降低,甚至烧损。引起氧煤比波动的主要因素是煤粉流量的波动。正常操作时,通过氧煤比设定值和氧煤比调节系数控制氧煤比。主烧嘴投料前,氧煤比设定值为0.36(调节范围为0.30~0.40),氧煤比调节系数为0.98(调节范围为0.70~1.20),煤粉流量39t/h,给料容器压力4.45~4.50MPa。主烧嘴投煤成功后,先提高氧煤比设定值(0.01/次),再提高氧煤比调节系数(0.01/次)。正常运行期间,氧煤比设定值控制在0.40~0.45,根据气化炉热损及气体组分缓慢调整氧煤比调节系数。氧煤比波动对气化反应影响较大,主要表现在煤粉系统的稳定性差。2013年7月,2#气化炉由于氧煤比低而导致系统频繁联锁跳车,且每次煤粉流量的大幅波动都会造成水冷壁的热损增大,出现捣打料脱落、高温迎火面炉管表面局部融化、金属销钉磨蚀、多部位出现裂纹、水冷壁管对接焊缝(焊缝纵向)出现裂纹等现象,导致水冷壁发生泄漏,制约生产装置长周期安全稳定运行。2.2.2降低水冷壁热损增大蒸汽量有利于提高合成气中有效气体的含量、降低氧耗、提高氧气出烧嘴头部的流速,达到控制火焰长度的目的。由于水蒸气的分解反应属于可逆反应,蒸汽量的增加对炉内温度降低影响较小,但炉内辐射换热量随着蒸汽量的增加略有降低,水冷壁热损相应减少。若燃烧室火焰控制不当,会增加水冷壁热负荷,增大水冷壁烧损的风险。增加蒸汽可拉长火焰,防止短粗形火焰对水冷壁的烧损。蒸汽量对水冷壁热损的影响趋势如图3所示。神宁烯烃公司气化炉主烧嘴投料前需确认次高压蒸汽(SI)投用量情况:投煤量在55t/h以内时,SI用量为3.0~3.5t/h;投煤量在60~70t/h时,SI用量应为2.0~3.0t/h;投煤量超过70t/h时,SI用量应为1.0~2.0t/h。在投煤初期,随着蒸汽用量的增加,水冷壁热损在短时间内上升很快,随后随着蒸汽用量逐渐减少,水冷壁热损开始缓慢下降,最后维持在2~3MW。2.2.3低负荷运行气化炉负荷是影响水冷壁挂渣和运行稳定的因素之一。气化炉负荷低时,煤粉稳定性不佳,燃烧室火焰较短,水冷壁中部盘管温差较大;长时间低负荷运行,导致水冷壁中部区域渣层密度低、挂渣不好,甚至烧损水冷壁。因此,低负荷运行时,可通过调节蒸汽加入量来控制火焰长度;负荷升高后,缓慢减少蒸汽加入量。在气化炉投料初期,低负荷下运行时间越长,水冷壁热损上升越快(图4),随着负荷的增加,热损缓慢下降;当煤粉流量稳定在65t/h时,水冷壁热损稳定在3MW。2.2.4煤粉渣的覆盖面积气流床气化炉采用液态排渣,操作温度一般高于所用原料煤种的灰熔点,因此气化炉操作温度对水冷壁表面熔渣沉积有着重要影响。气化炉操作温度高于煤灰熔点时,水冷壁上熔渣较为光滑,孔隙率较低,覆盖面积更大;相反,气化炉操作温度接近或低于煤灰熔点时,水冷壁表面渣层就较为粗糙,渣中孔隙率高,覆盖面积较小。另外,操作温度还与煤粉的粒径有关,不同粒度煤颗粒燃烧时具有不同的温度,煤粉颗粒燃烧时的温度直接影响煤灰颗粒的熔融状态。一般而言,粒径0.5mm的煤粉颗粒燃烧时的温度比产生的烟气温度高240℃左右,而粒径0.1mm的煤粉颗粒燃烧时的温度只比产生的烟气温度高90℃左右。此外,煤粉颗粒粒度对煤灰在耐火材料表面碰撞率的影响也很大。3煤质及煤质对气化炉水冷壁的影响灰渣熔融特性与煤灰中含有的金属氧化物的比例密切相关,而且会