张福亭，郭宁，香承志，王恒智
（伊犁新天煤化工有限责任公司，新疆 伊宁835000）
［摘 要］某煤制天然气装置气化系统采用碎煤加压气化工艺，配套22台Φ4 000 mm气化炉（设计操作压力3.3～4.0 MPa）。气化系统原始开车以来经常出现气化炉开车过程中漏点较多且消漏时间较长，以及气化炉出口平衡管结焦严重、炉箅破渣能力较弱、部分煤锁气无法回收利用等问题。经过近几年的不断摸索，采取了一系列优化改造措施，气化炉检修频次降低，运行中存在的各类问题得到解决，有效提高了气化炉的在线率和备用率，保证了气化炉的长周期、安全、稳定运行。
［关键词］碎煤加压气化炉；泄漏性试验；平衡管结焦；燃烧层结渣；煤锁气回收；原因分析；优化改造
［中图分类号］TQ546 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2024）04-0013-03
0 引 言
国内某20×108 m3/a煤制天然气装置于2017年3月投产，总体运行情况较好。其气化系统采用赛鼎工程有限公司设计研发的碎煤加压气化工艺，配套22台Φ4 000 mm气化炉（原设计气化炉20台运行、2台备用，设计操作压力3.3～4.0 MPa），单台气化炉耗氧量6 314 m3/h（标态，下同）。气化系统原始开车以来经常出现气化炉开车过程中漏点较多且消漏时间较长，以及气化炉出口平衡管结焦严重、炉箅破渣能力较弱、部分煤锁气无法回收利用等问题，气化炉的频繁启停严重影响了气化系统的稳定运行，并制约了后续系统的负荷，时常出现整个煤制天然气装置无法满负荷运行的现象。为解决气化炉在线率低、不能长周期运行的问题，该公司多次组织召开专题会进行研究与讨论，气化车间专业技术人员不断攻坚克难，查找资料，深入探讨，制定了一系列的优化改造措施，很好地解决了上述问题，有效提高了气化炉的在线率和备用率，保证了气化系统的长周期、安全、稳定运行。以下就该煤制天然气装置碎煤加压气化炉运行问题及优化改造等作一介绍。
1 气化炉开车过程中出现泄漏
1.1 气化炉开车过程中泄漏原因分析
原设计气化炉原始开车或大检修后重启时采用0.4 MPa低压氮气进行气密性试验，试验完成后对煤灰锁开车条件进行确认，然后依次建立气化炉液位、气化剂管线暖管、气化炉加煤、气化炉蒸汽升温、空气（点火）运行、切氧运行（气化剂由空气切换为氧气），最终经提压热紧查漏无问题后，将粗煤气并入管网。因气化炉及其附属管线与设备为高温高压设备，输送的粗煤气又是极度危险的介质（粗煤气中主要含H2、CH4、CO、CO2），据《压力管道安全技术监察规程——工业管道》（TSGD 0001—2009）规定，输送极度危害、高度危害流体以及可燃流体的管道应当进行泄漏试验，原设计使用0.4 MPa低压氮气进行气密性试验后，后续不再进行气密性试验，只是在切氧运行时进行提压、热紧、查漏，而气化炉在开车过程中存在冷热交替变化，会使管道及设备出现热胀冷缩，产生位移和热应力，法兰面与法兰面之间的平行度、同轴度发生偏移，易造成管道及设备连接处出现泄漏，提压过程中一般漏点较多、消漏时间较长，影响气化炉的开车进度，泄漏物又是有毒有害的可燃气体，直接泄漏至大气中存在一定的安全风险。
1.2 开车过程中漏点较多的处置措施
为解决气化炉开车过程中漏点较多、消漏时间较长问题，减少开车过程中的消耗及消漏时的安全隐患，新增了2台氮气压缩机，将2.5 MPa中压氮气加压至4.6 MPa，对气化炉进行泄漏性试验，泄漏性试验时优先使用0.4 MPa低压氮气，再用2.5 MPa中压氮气，最后使用氮气压缩机出口4.6 MPa中压氮气，泄漏性试验过程中据试验氮气压力不同分为不同的试验等级，试验过程中使用肥皂水以巡回检查的方式对阀门填料函、法兰、放空阀、排气阀、排净阀等所用密封点进行检查，查看泄漏情况，并对发现的漏点及时进行消漏。泄漏性试验合格后，方可进行气化炉的启炉操作。此举大大缩短了气化炉开车过程中提压、热紧、查漏、消漏时间，缩短了气化炉从空气点火到粗煤气并网的时间，降低了气化炉开车过程中的能源消耗及安全隐患与风险，提高了气化炉运行的安全性、稳定性、可靠性。
2 气化炉出口至洗涤冷却器进口平衡管结焦
2.1 平衡管及温度计热电偶结焦原因分析
气化系统原始开车以来，气化炉出口至洗涤冷却器进口平衡管经常结焦，尤其是气化炉出口平衡管喉管处的温度计热电偶，经常被小颗粒煤与焦油结成的焦块粘附于四周，导致气化炉出口粗煤气温度计测量数据失真，严重影响气化炉出口粗煤气温度的监测，而该温度值又是监控气化炉运行工况的重要指标，当此温度计示数严重失真时，只能停炉清焦。
原料煤进入碎煤加压气化炉后，先经干燥层脱除煤中的水分，再经干馏层将挥发分如CH4、NH3、CO、CO2、H2S、C2+以上的烃类物以及酚、萘等从煤中脱除出来，这些物质从煤中脱除的过程是由内向外的，易造成煤的二次破碎，形成大量小颗粒煤，与入炉煤中含有的小颗粒煤叠加，气化炉内小颗粒煤含量明显增加，当这些小颗粒煤自身重力小于气化炉内的浮力+气流曳力时，就会随粗煤气带出气化炉。气化炉出口粗煤气温度为386 ℃，为回收热量，平衡管外侧设置小夹套，小夹套内为3.8 MPa、244 ℃的锅炉水，通过换热副产3.8 MPa饱和蒸汽，小颗粒煤与干馏层逸出的重芳烃、多元烃混合触碰到平衡管管壁时，温度骤降，重芳烃、多元烃与小颗粒煤易粘附在管壁上，又因粗煤气温度较高，且粗煤气中的水蒸气为过热状态，无法形成液态水对管壁上的粘附物进行冲洗，粘附物只能粘结在管壁上。重芳烃、多元烃为混合物，其包含的轻油馏分（温度）在170 ℃以下、酚油馏分170～210 ℃，萘油馏分210～300 ℃、洗油馏分230～300 ℃、蒽油馏分300～330 ℃、二蒽油馏分330～360 ℃、沥青馏分大于360 ℃，重芳烃与多元烃中的轻组分被粗煤气加热后带入洗涤冷却器，剩下的沥青与小颗粒煤进一步粘结在平衡管管壁四周形成结焦，使管道逐渐变窄、流通面积变小。温度计热电偶与平衡管中心线重合，重芳烃、多元烃、小颗粒煤易附着在其上面形成焦炭，从而影响其测量。
2.2 平衡管及温度计热电偶结焦应对措施
2.2.1 降低粗煤气流速以减少带出物
小颗粒煤的带出量与粗煤气所受的气流曳力有关，降低气化炉内粗煤气流速可有效降低小颗粒煤的带出量，从而减缓平衡管的结焦速度。为降低粗煤气流速，将波茨曼套筒与气化炉内壁间隙由186 mm扩大至386 mm（扩大了200 mm），套筒与气化炉内壁之间的截面积也相应扩大了，截面积扩大后粗煤气在气化炉内的流速大幅减小，从而降低了粗煤气中小颗粒煤的带出量，减缓了温度计热电偶与平衡管的结焦速度，延长了气化炉的运行周期。
2.2.2 平衡管喉管处增设喷淋水环
为降低碎煤加压气化炉出口粗煤气温度，减少重芳烃、多元烃、小颗粒煤在平衡管内壁结焦，在平衡管喉管处增设喷水环，用5.2 MPa、140 ℃的高压喷射煤气水对气化炉出口粗煤气进行喷淋。技改后，平衡管结焦问题明显好转，但喷水环与温度计热电偶处仍结焦严重，并没有明显变化。
2.2.3 平衡管内壁与温度计热电偶处增设刮刀
为彻底解决平衡管内壁与温度计热电偶结焦问题，保证气化炉的安全稳定运行，在平衡管内壁与温度计热电偶处增设刮刀，刮刀用液压装置驱动，定期清理平衡管内壁及温度计热电偶上的焦油及煤尘；为防止刮刀磨损、增加其运行的可靠性，刮刀支撑板与支撑架材质均采用Q345R，其抗拉强度在510～640 MPa之间、屈服强度≥345 MPa（450 ℃下屈服强度≥180 MPa）。平衡管内壁与温度计热电偶处增设刮刀后，很少出现因气化炉出口平衡管结焦而造成停炉检修，提高了气化炉运行的可靠性、稳定性、安全性。
3 气化炉燃烧层结渣原因分析及处理
3.1 气化炉燃烧层结渣原因分析
煤炭的形成过程包括复杂的物理、化学变化，因而煤质会有较大的波动，碎煤加压气化炉燃烧层结渣一般与汽氧比有关，而汽氧比的调整又与煤的灰熔点有关，当煤的燃烧温度＞灰熔点时，煤中的灰分容易熔融成大渣块，大渣块形成后会影响炉内气化剂的分布，易造成炉内气化剂和粗煤气偏流，进而导致粗煤气中有效气含量降低、气化炉出口粗煤气超温、灰锁超温，严重时只能停炉清理。
3.2 气化炉燃烧层结渣的处理措施及方法
3.2.1 稳定原料煤煤质
对于原料煤煤质波动较大的问题，主要根据气化系统负荷和消耗原料煤总量，每天（外）购进一定量的汽运煤，与配套煤矿供煤按一定的比例掺烧——在供煤无问题时，一般不轻易改变配煤比例；当供煤出现问题时，缓慢降低或缓慢提高供煤比例，尽可能地保证原料煤煤质稳定。同时，定期对入炉煤煤质进行分析，并根据分析结果与气化炉排灰情况及时调整汽氧比，以防气化炉燃烧层结渣。
3.2.2 气化炉炉箅改造以增强其破渣能力
原设计气化炉炉箅结构为塔形，采用多层环孔进行布气，气化剂通过各层炉箅均匀分布在炉膛断面上，当气化炉出现大渣块时，部分气孔堵塞造成气化剂偏流，进而导致粗煤气偏流。为使大渣块快速排出，在气化炉炉箅上增设3把排灰刮刀和3把输灰刮刀，炉箅材质选用耐热高合金铸钢，每层炉箅上焊有硬质合金耐磨筋条，炉箅部位的炉体上设有耐磨护板，当气化炉出现大渣块时通过炉箅正反转将渣磨碎排至灰锁。炉箅改造完成投用后，当气化炉燃烧层出现大渣块时，一般能保证排灰正常，不至于需停炉清渣。
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