气化炉带水原因分析.docx

德士古水煤浆气化合成气带水问题的分析与探讨
摘 要：分析了德士古气化炉合成气带水的原因及对稳定系统生产的影响，提出了通过降低热流强度、扩大上升管直径、加大激冷室上部分离空间及在气化炉合成气出口管线上设置气水分离器几项改进措施。
关键词：合成气  带水  德士古  分析   探讨
       气化炉是德士古水煤浆气化装置的核心设备，分为燃烧室和激冷室两部分。上部为燃烧室，下部为激冷室。激冷室内有激冷环、下降管、上升管、折流挡板等主要部件。在我们的日常操作过程中，常会发生激冷室内的合成气带水的问题，本文就此问题进行分析和探讨。
一、
装置的流程。
加压的水煤浆和氧气经过特制的工艺烧嘴喷入气化炉以后，水煤浆被高效雾化成细小的煤粒，与氧气在气化炉内1300～1400℃的高温下发生复杂的氧化还原反应，产生煤气，同时生成少量的熔渣。合成气与熔渣出气化炉燃烧室以后，在下降管的引导下进入到激冷室的液面以下，为了保护下降管，在下降管的上端设置了一个激冷环用来分布供应到气化炉激冷室的激冷水，使激冷水以液膜的形式分布在激冷环的内表面，合成气和熔渣在沿下降管下降的过程中，合成气和熔渣与激冷环内壁上的水膜发生传热传质过程，熔渣被冷却固化后沉降到气化炉激冷室的底部，经锁斗收集后排出。合成气被冷却降低温度，部分激冷水被蒸发并以饱和水蒸气的形式进入到合成气气相主体中。吸收了饱和水蒸气以后的和成气出下降管以后，在浮力和气流的推动力作用下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上部的折流板折流后从气化炉激冷室的合成气出口排出，经文丘里洗涤器进一步增湿后进入洗涤塔洗涤掉合成气中包含的少量灰份后送变换工序。洗涤塔的补充水有三路：一路是由文丘里加入的高压灰水，另两路是冷凝液，分别由洗涤塔的塔盘供水流量调节阀和洗涤塔的液位调节阀加入。洗涤塔内的部分工艺水经洗涤塔循环泵加压后送到气化炉的激冷环作冷却水用，气化炉和洗涤塔各有部分黑水要排放到黑水闪蒸系统以便将系统中的部分灰份和热量从系统当中分离出来，维持系统的个方面的平衡。
二、成气带水的现象和危害。
气化炉带水时，系统将出现以下异常现象：
1、气化炉激冷室的液位逐渐下降，在去闪蒸系统的阀门处于自动状态的情况下，去闪蒸系统的阀门会自动关小，因为去闪蒸系统的黑水流量是和气化炉激冷室的夜位串级调节的。
2、合成气温度偏高，文丘里压差增大且波动。因为激冷室带水后带入合成气管道的黑水使气化炉激冷室的夜位下降，降低了冷却效果，所以合成气的温度偏高。另外激冷室带水后带入合成气管道内由于有黑水的存在而影响了气流的通道，因而文丘里的压差增大且波动。
3、洗涤塔掖位升高，因为气化炉激冷室的黑水大量带入洗涤塔，所以洗涤塔的夜位会升高，洗涤塔的自动补水阀会自动关小。
4、激冷水流量下降，因为气化炉激冷室的黑水大量带入合成气管线，造成文丘里的压差增大，气化炉洗涤塔之间的管路压差增加，这就相当于降低了洗涤塔循环泵入口的压力，提高了洗涤塔循环泵出口处的压力，而洗涤塔循环泵只是个压头泵，泵自身的加压能力只有0.8Mpa，虽然前后压力变化不太大，但是对泵出口流量的影响比较大。
气化炉带水后对系统的危害主要表现在以下几个方面：
1、气化炉的液位持续下降，有是需要降低系统负荷，影响系统的生产强度。
2、气化炉带水后，激冷室内的黑水被带入洗涤塔，会影响洗涤塔的水质，也会影响出塔合成气的清洁度，和再循环到气化炉的激冷水的水质。
3、洗涤塔的液位升高，有时会引发洗涤带水，影响后系统的运行。
4、激冷水水质恶化后会加剧气化炉激冷环的结垢。
5、由于气化炉向闪蒸系统排放水量的减少会影响闪蒸系统的操作。
6、由于系统带水严重，部分黑水进入气相当中会严重影响合成气的流通通道，增加系统的阻力，造成系统超压和压力波动。
三、合成气带水过程的分析。
       合成气通过燃烧室的渣口进入激冷环和下降管以后，由于下降管内壁的四周分布着激冷水形成的液膜，合成气与激冷水并流下降的过程中即发生了传热和传质过程，合成气被冷却，激冷水被加热并吸收部分激冷水蒸发产生的水蒸气。合成气离开下降管后，在下降管和上升管之间的环隙间穿越激冷室的水液层鼓泡上升。在此过程中，由于合成气的流速过快，合成气在逸出水面时，要夹带部分水分。被夹带出的水有四种运动形式：1、部分水液由于动能不够高，上升一段高度后又回落到液面上。2、部分水液撞击到上升管的内壁和下降管的外壁上，以液膜的形式又流回到液面上。3、部分水液上升到上升管的上沿，但是在经过折流板时，被遮挡住又落回到激冷室的液面上。4、最后仍然有部分水液随合成气一起被带出气化炉激冷室。
在德士古气化装置上，从设计上气化炉激冷室的合成气带水量就比较大。通过对鲁南化肥厂德士古气化装置工艺设计的物料衡算数据分析就可以说明这个问题：
通过对上表数据分析可以看出激冷室在设计状态下合成气的带水量即为37.7m3/h。占到了入激冷室激冷水总量的48%
但是在气化炉激冷室操作不正常的状况下带水量更为严重，下面是气化炉激冷室操作不正常情况下的物料衡算表：
通过对上表数据分析可以看出激冷室在不正常状态下合成气的带水量61.3m3/h,通过对以上两表数据分析可以得出以下结论：在激冷室在不正常状态下合成气的带水量是比较严重的，占到了入激冷室激冷水总量的61.3%，在激冷室操作不正常底状态下激冷室的带水量由入激冷室激冷水总量的48%提高到61.3%。
       由于合成气在激冷室液层当中穿行的过程属于一种气、液分散系，而且存在着传热、传质的过程，比较复杂。下面从两个方面进行讨论：
1.借鉴气流输送的理论，从带出速度的角度进行讨论。合成气夹带小液滴的情形虽然与气体输送固体颗粒的情形不尽相同，但是在本质上基本一致，都是属于一种连续流体夹带一种分散质，而且连续流体的密度都比分散质的密度小得多，都要求连续流体具备一定的速度才能实现带出过程。运用力的独立作用原理，激冷室内合成气中小液滴受到向下的重力的作用和向上的气体浮力的作用以及由于小液滴运动所产生的向上的阻力的作用，小液滴应当先作向下的加速运动然后再做匀速沉降运动。由于激冷室内的合成气不是静止的，而是有一个向上的速度，如果合成气向上的速度大于小液滴匀速沉降速度，小液滴就可以被气体带出气化炉。下面先来计算小液滴在静止气相中的匀速沉降速度，根据沉降过程运算的牛顿定律：********
其中1）为小液滴直径2）为小液滴密度3）为气体密度4）为重力加速度5）1.74为牛顿阻力系数。通过计算得到小液滴在静止气相中的匀速沉降速度为2.31 m/s 。下面再来计算气化炉中合成气的流动速度：鲁南化肥厂气化装置现在的生产强度为：合成气量40000Nm3/h。 由激冷水气化产生的水蒸汽量为合成气量的 1.4倍，两者相加的总气量为：96000 Nm3/h。根据理想气体状态方程换算成气化炉操作状态下(2.65Ma，480K)的气量为5688.8 Nm3/h，合1.58m3/s。激冷室下降管与上升管间的环隙面积为0.391㎡，则合成气在下降管和上升管间的流速为4.04m/s ，远大于相对于3mm液滴的最低带出速度2.31 m/s 。况且由于激冷室下降管外升气管内的环形通道内两侧都有液膜存在，合成气中夹带着小液滴，这些都将大大增大实际的合成气流速，使带水的力量加强。由计算可以看出气化炉内激冷室内合成气的流速非常大有足够的力量带出部分黑水。实际上气化炉带水的情况是比较严重的。在装置满负荷正常生产时，通过上面的气化炉水平衡计算也可以看出：在一般情况下气化炉的带水量为37.7 m3/h，而在气化炉严重带水时，气化炉的带水量可达61.3m3/h 。
2.从传热、传质的角度进行讨论。在激冷室内，合成气与激冷水之间的传热属两相流的沸腾传热过程。根据流体沸腾传热的理论，其传热过程将随热流强度的增加而发生传热机理的变化，即当传热过程的热流强度达到一定的临界值时，传热过程将由高效的泡核沸腾转变为低效的膜状沸腾。此时传热过程将产生许多泡沫，气体当中就会夹带大量的水沫，由于水沫的密度大大小于液滴的密度，使得气体夹带液体所需要的能量大大降低，可以在气体流速不太大的情况下发生大量带水的情况。这一理论可以解释当气化炉带水时，加大气化炉的排水量，降低气化炉激冷室内水浴的温度后，不但气化炉激冷室的液位不下降反尔升高，这是因为，激冷室水浴的温度降低以后，气化炉内合成气与激冷水间的传热过程由于激冷水浴温度的降低，导致了热流强度的降低，既而导致了传热方式从膜状沸腾转化为泡核沸腾，气相当中不再有大量水沫出现，合成气带水量大大降低，最终使气化炉激冷室的液位上升。
四、解决合成气带水问题的应对措施。
       解决合成气带水的问题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的面积，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。由于气化炉上升管是采用螺栓连接的方式安装到气化炉激冷室中去的，更换起来比较方便，该造费用也比较低，所以该方案特别适用于对运行装置的技术改造。
2.加大气化炉激冷室的结构尺寸，增大激冷室液面上部的分离空间，让更多的夹带水返会到气化炉的激冷室液面中。在气体流速相同的情况下，气体夹带水的动能基本相同，其分离空间大，加带水回流到液面当中的比例就多。这一方案已在生产实践当中得到验证。在气化炉发生严重带水时，用降低气化炉液位的办法，相对增加了气化炉激冷室液面上方的分离空间，可以解决气化炉带水的问题，该方案仅适用于新装置的设计当中。
3.在气化炉合成气出口管线上加一个气水分离器，分离出的水靠位差自动流回到气化炉激冷室中。该方案不仅有利于解决气化炉带水的问题，而且还可以减轻气化炉激冷室对激冷水量的需求压力，减少一定的动力消耗，还可以改善洗涤塔的水质，激冷水的水质，是一个一举多得的理想改造方案。
4.加大气化炉激冷水的供应量和排放量，或者降低激冷水的温度，以降低系统的热流强度，减少水沫的产生，以防止气化炉带水。但是这需要加大洗涤塔循环泵的负荷、闪蒸系统负荷、系统软水的消耗量，改变整个系统的水平衡和热平衡。
5.降低去气化炉激冷水的温度，降低激冷室内的热负荷：
原因：是气化炉带水总体上来说是能量的不平衡，在气化炉操作不正常的情况下气化炉内的能量不平衡，表现为气化炉内的热负荷偏高。
解决方法：
a.
引一路低温的冷凝液直接去气化炉激冷室的激冷环，流量设定为激冷水流量的50%，同时把原来从洗涤塔底部抽取经洗涤塔循环泵加压后做为激冷水的高温黑水的量降低到原来的50%。这样就可以大大降低激冷水的温度，改善激冷室内的传热状态，从根本上解决气化炉带水的问题。
b.
可以在从洗涤塔底部抽取经洗涤塔循环泵加压后作为激冷水的高温黑水管线上加上一个换热器，用循环水进行冷却。 这个换热器就作为一个备用换热器，在气化炉正常操作状态下可以不用，激冷水走换热器的旁路，在气化炉带水比较严重的时候启用换热器，降低激冷水的温度，改善激冷室内的传热状态，降低气化炉激冷室的带水量。由于来自洗涤塔的高温黑水含固量较高易使换热器的换热效率降低或是堵塞换热器 ，在停用换热器时要对换热器进行反向清洗，这就要求在换热器的黑水管路上设置一套反向冲洗水。
五、结束语。
       气化炉合成气带水的问题对气化系统的稳定运行影响较大，合成气带水的主要原因是气体流速过高，和系统的热负荷过高。以上介绍的四种办法可以从不同的侧面解决气化炉带水的问题。

2008-3-7 09:39
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