熔渣侵蝕對gsp氣化爐的腐蝕

熔渣侵蝕對gsp氣化爐的腐蝕

asl氣候?qū)W，也稱為noll氣候?qū)W，以干煤粉為原料，采用單閥頂部入給的加熱和冷卻程序，采用盤式水冷壁結(jié)構(gòu)。冷卻水冷壁后，熔渣通過水冷壁形成儲(chǔ)層，低熱系數(shù)儲(chǔ)渣可承受氣化爐的高溫。熔渣在氣化爐中的沉積是水冷壁技術(shù)的關(guān)鍵,如何使?fàn)t壁表面形成牢固穩(wěn)定的熔渣保護(hù)層以達(dá)到“以渣抗渣”的目的是水冷壁研究的重點(diǎn)。本文在已有文獻(xiàn)報(bào)道的基礎(chǔ)上,結(jié)合神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤化工烯烴公司(以下簡稱神寧烯烴公司)采用的GSP氣化工藝技術(shù),探討GSP氣化爐內(nèi)水冷壁掛渣的影響因素。1水冷壁渣膜的制備熔渣在GSP氣化爐水冷壁上的沉積過程與鍋爐內(nèi)煤灰的沉積較為相似。煤顆粒在爐內(nèi)燃燒時(shí),在表面張力作用下,煤灰中易熔性物質(zhì)熔融后收縮成球狀,黏度為10~100Pa·s,由于其空氣阻力小、密度較大,可部分黏附在水冷壁上形成初始渣層,其余進(jìn)入渣池。氣流中的熔融渣滴不斷黏聚在水冷壁上,初始渣層厚度增加,熱阻逐漸增大,水冷壁的冷卻效果逐步降低。當(dāng)氣化爐內(nèi)的渣層達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后,水冷壁上的渣膜可分為流動(dòng)層、過渡層和固定層。流動(dòng)層和過渡層隨氣化反應(yīng)的進(jìn)行不斷更新,起到了“以渣抗渣”的作用,延長了水冷壁氣化爐的使用壽命。2冷壁對掛渣影響的研究2.1煤的熔融特性分析煤灰熔點(diǎn)是氣化用煤的重要指標(biāo)。煤灰的成分包括硅酸鹽、硫酸鹽以及各種金屬氧化物的混合物,各種成分有著各自不同的熔點(diǎn),因此,煤灰熔化時(shí)的溫度在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)。另外,灰渣的黏度也是煤灰特性的重要指標(biāo)之一。寧東礦區(qū)紅柳礦煤、靈新礦煤、羊腸灣礦煤和梅花井礦煤的煤灰成分分析檢測結(jié)果見表1。從表1可看出:4種煤的煤灰成分中,梅花井礦煤和靈新礦煤中的SiO2和Al2O3含量較高,這些酸性氧化物具有提高煤灰熔融溫度的作用,其含量越多,煤的熔融溫度就越高;羊腸灣礦煤和紅柳礦煤中的CaO和MgO含量較高,這些堿性氧化物具有降低煤灰熔融溫度的作用,其含量越多,煤的熔融溫度就越低。張玉柱等對寧東礦區(qū)紅柳礦煤、靈新礦煤、羊腸灣礦煤和梅花井礦煤的煤灰黏溫特性進(jìn)行了分析研究,結(jié)果如圖1所示。從圖1可知:在相同溫度下,紅柳礦煤的煤灰黏度最低,且隨著溫度升高煤灰黏度迅速降低;羊腸灣礦煤的煤灰黏溫曲線較陡,但在溫度較低時(shí),煤灰黏度較高;梅花井礦煤的煤灰黏溫曲線較平緩,其煤灰黏度隨溫度的升高緩慢降低,有利于爐壁渣層的穩(wěn)定。因此,可利用不同煤種的煤灰黏溫特性來滿足氣化爐掛渣要求。若煤的黏度和流動(dòng)溫度較低,水冷壁掛渣較困難,尤其在投煤初期,如不能形成較好的渣保護(hù)層,水冷壁熱損持續(xù)上升,水冷壁管發(fā)生燒損的可能性就越大。2012年5月10日,神寧烯烴公司對氣化原料煤進(jìn)行了調(diào)整,原料煤由梅花井礦煤更換為紅柳礦煤與梅花井礦煤的配比煤。原料煤調(diào)整前、后的分析數(shù)據(jù)見圖2。從圖2可看出,原料煤調(diào)整后,煤的熔融特性數(shù)值均有所下降。在同樣的初始投煤工藝條件下,對比分析了2#爐水冷壁掛渣的效果,煤質(zhì)的變化對水冷壁掛渣形態(tài)影響較大,發(fā)現(xiàn)梅花井礦煤的掛渣效果優(yōu)于配比煤,進(jìn)一步證實(shí)了梅花井礦煤有利于爐壁渣層的穩(wěn)定。煤的灰分含量對氣化爐內(nèi)氣化反應(yīng)和水冷壁掛渣有很大影響?；曳趾窟^低時(shí),氣化爐熱損大,不利于爐壁的抗渣保護(hù),甚至形成不了掛渣,會(huì)影響氣化爐使用壽命;灰分含量過高時(shí),少量碳的表面被灰分覆蓋,氣化劑與碳的接觸面積減少,氣化效率降低,灰渣對爐內(nèi)構(gòu)件的沖刷磨蝕也就越快。因此,控制合理的灰分比例非常重要。2.2熱損的變化在煤質(zhì)不變的情況下,水冷壁掛渣的狀態(tài)通過水冷壁的熱損來反映。影響水冷壁熱損的主要因素有氧煤比、蒸汽量、氣化爐的負(fù)荷、氣化爐的操作溫度以及煤粉粒度等。2.2.1輻射換熱量的影響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,進(jìn)而影響水冷壁的熱負(fù)荷、碳轉(zhuǎn)化率、冷煤氣效率等。氧煤比控制不當(dāng)對水冷壁的穩(wěn)定運(yùn)行影響較大,主要表現(xiàn)在2個(gè)方面:1氧煤比增大,使燃燒反應(yīng)放熱量增加,爐內(nèi)溫度升高,促進(jìn)CO2還原和H2O的分解,合成氣中有效氣(CO+H2)含量提高,增加了合成氣熱值并提高了碳轉(zhuǎn)化率。由于氧量的增加而發(fā)生氧化反應(yīng),過量的氧氣與CO和H2反應(yīng)生成CO2和H2O,導(dǎo)致爐膛溫度持續(xù)上升;同時(shí),水冷壁燃燒區(qū)輻射換熱量增加,即在溫度升高幅度相同的情況下,高溫區(qū)比低溫區(qū)的輻射換熱量高得多。隨著氧煤比的增大,氣化爐水冷壁熱負(fù)荷對爐內(nèi)高溫區(qū)的提溫幅度明顯高于低溫區(qū),對高溫區(qū)銷釘和耐火材料的損壞將大大加劇。因此,主燒嘴氧煤比的控制對水冷壁的完好性至關(guān)重要。2氧煤比低,氣化反應(yīng)溫度較低,燃燒不完全,未反應(yīng)的細(xì)煤粉及飛灰隨煤氣對水冷壁面搗打料及銷釘沖刷和磨蝕現(xiàn)象加劇,水冷壁導(dǎo)熱系數(shù)降低,甚至燒損。引起氧煤比波動(dòng)的主要因素是煤粉流量的波動(dòng)。正常操作時(shí),通過氧煤比設(shè)定值和氧煤比調(diào)節(jié)系數(shù)控制氧煤比。主燒嘴投料前,氧煤比設(shè)定值為0.36(調(diào)節(jié)范圍為0.30~0.40),氧煤比調(diào)節(jié)系數(shù)為0.98(調(diào)節(jié)范圍為0.70~1.20),煤粉流量39t/h,給料容器壓力4.45~4.50MPa。主燒嘴投煤成功后,先提高氧煤比設(shè)定值(0.01/次),再提高氧煤比調(diào)節(jié)系數(shù)(0.01/次)。正常運(yùn)行期間,氧煤比設(shè)定值控制在0.40~0.45,根據(jù)氣化爐熱損及氣體組分緩慢調(diào)整氧煤比調(diào)節(jié)系數(shù)。氧煤比波動(dòng)對氣化反應(yīng)影響較大,主要表現(xiàn)在煤粉系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。2013年7月,2#氣化爐由于氧煤比低而導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁聯(lián)鎖跳車,且每次煤粉流量的大幅波動(dòng)都會(huì)造成水冷壁的熱損增大,出現(xiàn)搗打料脫落、高溫迎火面爐管表面局部融化、金屬銷釘磨蝕、多部位出現(xiàn)裂紋、水冷壁管對接焊縫(焊縫縱向)出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象,導(dǎo)致水冷壁發(fā)生泄漏,制約生產(chǎn)裝置長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。2.2.2降低水冷壁熱損增大蒸汽量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)到控制火焰長度的目的。由于水蒸氣的分解反應(yīng)屬于可逆反應(yīng),蒸汽量的增加對爐內(nèi)溫度降低影響較小,但爐內(nèi)輻射換熱量隨著蒸汽量的增加略有降低,水冷壁熱損相應(yīng)減少。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)。增加蒸汽可拉長火焰,防止短粗形火焰對水冷壁的燒損。蒸汽量對水冷壁熱損的影響趨勢如圖3所示。神寧烯烴公司氣化爐主燒嘴投料前需確認(rèn)次高壓蒸汽(SI)投用量情況:投煤量在55t/h以內(nèi)時(shí),SI用量為3.0~3.5t/h;投煤量在60~70t/h時(shí),SI用量應(yīng)為2.0~3.0t/h;投煤量超過70t/h時(shí),SI用量應(yīng)為1.0~2.0t/h。在投煤初期,隨著蒸汽用量的增加,水冷壁熱損在短時(shí)間內(nèi)上升很快,隨后隨著蒸汽用量逐漸減少,水冷壁熱損開始緩慢下降,最后維持在2~3MW。2.2.3低負(fù)荷運(yùn)行氣化爐負(fù)荷是影響水冷壁掛渣和運(yùn)行穩(wěn)定的因素之一。氣化爐負(fù)荷低時(shí),煤粉穩(wěn)定性不佳,燃燒室火焰較短,水冷壁中部盤管溫差較大;長時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行,導(dǎo)致水冷壁中部區(qū)域渣層密度低、掛渣不好,甚至燒損水冷壁。因此,低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),可通過調(diào)節(jié)蒸汽加入量來控制火焰長度;負(fù)荷升高后,緩慢減少蒸汽加入量。在氣化爐投料初期,低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)間越長,水冷壁熱損上升越快(圖4),隨著負(fù)荷的增加,熱損緩慢下降;當(dāng)煤粉流量穩(wěn)定在65t/h時(shí),水冷壁熱損穩(wěn)定在3MW。2.2.4煤粉渣的覆蓋面積氣流床氣化爐采用液態(tài)排渣,操作溫度一般高于所用原料煤種的灰熔點(diǎn),因此氣化爐操作溫度對水冷壁表面熔渣沉積有著重要影響。氣化爐操作溫度高于煤灰熔點(diǎn)時(shí),水冷壁上熔渣較為光滑,孔隙率較低,覆蓋面積更大;相反,氣化爐操作溫度接近或低于煤灰熔點(diǎn)時(shí),水冷壁表面渣層就較為粗糙,渣中孔隙率高,覆蓋面積較小。另外,操作溫度還與煤粉的粒徑有關(guān),不同粒度煤顆粒燃燒時(shí)具有不同的溫度,煤粉顆粒燃燒時(shí)的溫度直接影響煤灰顆粒的熔融狀態(tài)。一般而言,粒徑0.5mm的煤粉顆粒燃燒時(shí)的溫度比產(chǎn)生的煙氣溫度高240℃左右,而粒徑0.1mm的煤粉顆粒燃燒時(shí)的溫度只比產(chǎn)生的煙氣溫度高90℃左右。此外,煤粉顆粒粒度對煤灰在耐火材料表面碰撞率的影響也很大。3煤質(zhì)及煤質(zhì)對氣化爐水冷壁的影響灰渣熔融特性與煤灰中含有的金屬氧化物的比例密切相關(guān),而且會(huì)