张启科，毛吉会，魏江涛，李增勃，胡小斌，王忠臣
［陕西延长石油（集团）有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心，陕西 西安 710075］
［摘 要］陕西延长石油（集团）有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心主导研发的双流化床超大型粉煤加压气化（KSY）工业试验装置（输运床气化炉中试装置）于2016年首次投料成功，实现了煤气化技术新的重大突破。试验过程中，输运床气化炉升温期间立管锥部压差出现频繁波动的现象，判断原因主要在于立管存在设计缺陷（立管采用单股大气量松动操作），加之气化炉升温过快耐火衬里脱落使立管内物料形成桥架，导致立管物料流化状态不稳定。收集试验数据对立管物料流化不稳定进行研究，并采取了优化改进和预防措施---对立管松动气管线进行优化设计，完成松动气“一拖多”管口的合理、均匀布局，实现多股松动气小气量调节；清理气化炉中脱落的耐火衬里；研究立管的优化操作方法。后续开车过程中多次尝试操作，立管内物料流化状态良好，立管锥部压差未出现大幅波动，达到了预期效果，保证了输运床气化炉的稳定、长周期运行，为输运床气化炉的产业化奠定了基础。
［关键词］输运床气化炉；立管；物料流化不稳定；锥部压差频繁波动；原因分析；松动气；优化改进；预防措施
［中图分类号］TQ546.2 ［文献标志码］A ［文章编号］1004-9932（2023）04-0012-04
0 引 言
目前，国内外循环流化床气化炉内的固体颗粒均沿着一个闭环回路循环流动，气化炉既有颗粒的上行部分又有颗粒的下行部分，通常上行部分是气化炉提升管，下行部分是物料的返料腿、循环密封罐、旋风分离器及立管，立管内存在气固两相流，主要特点是固体颗粒从气化炉高处的低压端流向反应区低处的高压端，是一种负压差式流动，固体颗粒靠自身重力和循环推动力的下行速度大于气体流速而流动［1-2］；立管内物料的流动状态有两种形式---稀密两相共存状态、密相输送状态［3］：立管下料为密相输送状态时，负压差主要依靠固体物料的静压能和动能平衡；立管下料为稀密两相共存状态时，负压差主要依靠固体密相料位的静压能平衡。
陕西延长石油（集团）有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心与KBR公司合作并主导研发的投煤量33 kt/a双流化床超大型粉煤加压气化（KSY）工业试验装置（输运床气化炉中试装置）于2016年首次投料成功，实现了煤气化技术新的重大突破，2016年4月输运床气化炉中试装置通过陕西省化工学会专家委员会72 h现场标定考核，2016年8月21日通过由陕西省化工学会组织的技术成果鉴定，与会专家一致认为该技术具有如下特点：一是开发了基于双循环流化床气化的智能控制系统；二是开发了第一、第二反应器接力式串联反应系统，并分别实施温度场、流场、循环倍率的有效控制，提高气化炉操作温度至接近或达到煤灰熔点，大幅提高了气化效率；三是首次在粉煤加压气化工艺中成功开发了流化床废锅技术；四是建立了双循环流化床数据模型，揭示了反应器中复杂的气固两相流动、传热、传质和气化反应特性。鉴定结论为，该技术具有原创性，整体上处于国际领先水平，建议加快产业化示范。
2016年10月22日输运床气化炉中试装置完成168 h长周期运行目标，2016年10月—2019年8月开展了9次系统投料试验，气化炉原料范围拓展到褐煤、长焰煤、烟煤、无烟煤及“三高”劣质煤等，取得了产业化工艺包设计基础条件，目前，单台气化炉投煤量5 000 t/d产业化装置工艺包已完成编制。
输运床气化炉是典型的循环流化床设备，由燃烧反应区（混合区）、气固分离系统（旋风分离器）和固体颗粒返料系统（立管、返料腿和循环密封罐）三部分组成［3-4］，循环流化床具有传质传热强烈、温度分布均匀、温差小、单台设备产能大、固体颗粒混合均匀、流化效果好、固体颗粒在床内的停留时间调节范围广、生产操作方便、容易实现大型化产业化等优点［5］。其中，立管中有足够高的床层料位形成静压能来提供床层循环推动力，立管床层形成一定料位差，既可起到密封作用又可将固体颗粒送回炉膛反应区（混合区）、由低压区循环返送至高压区的作用，其工作的可靠性、稳定性对循环流化床气化炉的安全、经济运行具有重要影响［5-6］。
超大型输运床气化炉中试装置试验中出现立管物料流化不稳定问题---立管锥部压差频繁波动，制约着试验的顺利开展、装置的长周期稳定运行及试验经费的损耗，故在试验中不断摸索立管物料稳定运行的操作方法---针对立管锥部压差频繁波动进行研究，分析其原因，并从工艺设计和操作运行两方面采取预防措施。经优化改进后，再未出现过立管物料流化不稳定的问题，确保了中试装置试验的顺利开展，达到了预期效果，实现了输运床气化炉的长周期稳定运行。以下对有关情况作一简介。
1 输运床气化炉立管概述
输运床气化炉是一个封闭型的循环系统，由于气化炉出口压力低于气化炉炉膛压力，要想将物料颗粒从循环系统低压区输送至高压区，必须依靠与旋风分离器衔接的立管，立管是循环流化床系统的一个重要组成部分，用来形成颗粒循环的下行部分的重要循环推动力［7］，因而立管需畅通无阻，并维持一定的料位高度以形成料封［8-9］，防止物料反窜现象出现，使物料在立管中产生一定的静压差来克服旋风分离器低压区与气化炉炉膛高压区的负压差，即形成一定的静压能来推动立管中物料的稳定流化。
立管是循环流化床设备的重要组成部分，用于回收循环固体物料，广泛应用于煤化工、石油化工、发电等领域［5］。立管的作用是保证固体颗粒从低压区流向高压区，通过维持一定的料封高度保持连续稳定地循环返料，不出现物料堵塞或立管被吹空，即立管内完全是密相或稀相状态，从而实现物料在循环流化床内的稳定循环流化。立管中固体颗粒的流化状态对系统运行稳定性、长周期性以及负荷调节、炉温控制，氧气/蒸汽的匹配、气速与压力控制乃至产品收率与质量均有重大的影响，而立管的稳定操作受操作参数、固体流率、循环密封罐物料输送量、立管松动气流量、立管松动气管口布局、物料反窜等多种因素的影响。
2 立管物料流化不稳定现象及可能原因
更多内容详见《中氮肥》2023年第4期