孙洋洋，周建欣，徐占武，郭宗斌

(中海油惠州石化有限公司， 广东惠州 516086)

1 概述

E-Gas气化工艺是在德士古水煤浆气化工艺的基础上发展的两段式水煤浆气化工艺[1]。中海油惠州石化有限公司(简称惠州石化)煤制氢气化装置引进美国Lummus公司的E-Gas气化技术，2018年建设了3台E-Gas气化炉，按照2开1备进行设计。

E-Gas气化炉采用上流式两段式水煤浆加压气化技术，气化炉一段注入煤浆和高压氧气，二段只注入煤浆。高温合成气和熔融灰渣在气化炉一段中分离，高温合成气上行，熔融灰渣在少量抽出合成气的辅助下经下降管进入激冷室。高温合成气经过气化炉二段时被注入雾化的煤浆将温度降低至1 020 ℃，进入停留段。雾化的二段煤浆在高温合成气显热的作用下发生一系列的热解过程，转化为焦、半焦，以及极少的焦油。高温合成气到达合成气冷却器,即余热锅炉入口时，温度降至700～800 ℃，回收余热副产的超高压蒸汽(压力为11.5 MPa)。裹挟有大量焦与半焦颗粒的合成气在焦过滤器处气固分离。清洁的合成气大部分在氯洗塔里进一步水洗后送入下游变换装置，少部分加压后作为吹扫和保护气体返回气化炉。焦过滤器分离下来的焦与半焦使用高压合成气返送入气化炉一段再次反应[2]。激冷室中的灰渣通过两级破渣机破碎,渣与水混合在一起降至常压后，送至渣水分离系统。气化部分的流程示意简图见图1。

1—煤浆罐;2—气化炉;3—停留段;4—余热锅炉;5—汽包;6—焦过滤器;7—氯洗塔;8—煤浆进料泵;9—煤浆循环泵。

2 余热锅炉的结构和特点

惠州石化E-Gas气化装置中的余热锅炉(简称E-Gas气化余热锅炉)为列管式换热器，其外形图见图2。该余热锅炉的长度为40.9 m，直径为2.15 m，由238根直径为49.8 mm的换热管束组成;入口设有篮式滤网(见图3)。

图2 E-Gas气化余热锅炉外形图

(a) 换热管束

(b) 篮式滤网图3 E-Gas气化余热锅炉的换热管束和篮式滤网

在E-Gas气化余热锅炉设计中，合成气走管程，锅炉水走壳程。进入余热锅炉的合成气夹带着固体颗粒和飞灰，固体颗粒和飞灰在进入换热管束前不可避免地冲击管板和管束入口，少量固体颗粒停留在管板上，大部分固体颗粒通过管束后被合成气裹挟进入下游设备。若合成气中夹带的固体颗粒中黏性飞灰量增加，由于温度变化，黏性飞灰在经过炉管时，会在炉管入口附近凝固，造成炉管内部积灰。当炉管内部积灰到一定程度，影响合成气在管束内的流动方向时，就会使合成气在管口附近的流动方向发生改变，产生偏流。偏流的合成气中夹带的固体颗粒在高速流动下会冲刷管道对面偏下部的管束，随着时间的累积，管束入口冲刷磨蚀加剧，管壁减薄，最终造成管束泄漏。为此，为了保证E-Gas气化余热锅炉的平稳运行，要求尽可能减少入口合成气中的黏性飞灰量。

3 余热锅炉积灰的影响因素

E-Gas气化余热锅炉的性能和气化装置的整体设计紧密相关，气化炉的形状和结构、原料性质、操作参数都会影响余热锅炉的性能，最终影响余热锅炉的运行时间。

3.1 气化炉形状和结构的影响

E-Gas气化炉作为气流床气化炉，具有所有气流床气化炉的特点。E-Gas气化炉外形为十字架形结构(见图4)。气化炉一段卧式布置，一段进料喷嘴对称安装在反应器两侧，煤浆和高压氧气沿着水平中心轴通道水平喷入。气化炉二段竖直布置,只注入高压合成气雾化的煤浆，用来对气化炉一段高温合成气进行激冷。激冷后的高温合成气从气化炉二段顶部沿热通道送到下游的停留段[1-3]。

图4 E-Gas气化炉结构简图

E-Gas气化炉为液态排渣,因此气化炉一段温度必须保持在原料煤的灰熔点以上，以保持渣的顺利流动。气化炉一段上行的高温合成气中不可避免地裹挟有熔融飞灰，黏性飞灰量随着气化炉一段温度的变化而变化。气化炉一段温度过高或者过低都会造成黏性飞灰量增加。气化炉二段通过注入雾化煤浆把来自气化炉一段的高温合成气冷却到1 010 ℃左右，同时将合成气中裹挟的熔融飞灰也冷却到灰熔点以下。气化炉二段注入的煤浆高温热解，转化成焦与半焦，失去黏结特性，不会在气化炉二段内沉积或者夹带到下游的余热锅炉堵塞火管管束。当气化炉二段注入的煤浆未能把合成气中裹挟的黏性飞灰惰化时，黏性飞灰就容易在气化炉二段上部炉壁上聚集和黏结，造成气化炉二段积灰。未凝固的飞灰及从气化炉二段炉壁上剥落的部分飞灰，被合成气裹挟进入余热锅炉的入口，造成余热锅炉入口管束内部积灰。

3.2 原料性质的影响

煤炭是一种复杂的矿物质，研究表明，煤炭中的矿物质约有120多种，含量较高的约有30种,按照来源可以分为原生矿物质、次生矿物质和外来矿物质，前两类统称为内在矿物质，难以通过洗选脱除。煤灰的组成由煤炭中矿物质组分、热转化温度、气氛和压力等条件决定。热转化温度是决定灰组成的最重要的外部条件，气氛仅对部分矿物质的转化起作用，而压力通常仅影响矿物质晶体的晶形。渣是高温(高于最小熔融温度)热转化过程中矿物质的转化产物，是灰的熔融产物。高温下矿物质经历了先成灰后变渣的过程，其间伴随着矿物质间的反应和转化。煤中矿物质在燃烧中的转化过程见图5[4]。

图5 气化和燃烧过程中矿物质的转化过程

煤灰是复杂的混合物，因此没有严格物理意义的熔点，通常采用变形温度(DT)、软化温度(ST)、半球温度(HT)和流动温度(FT) 来描述煤灰熔融过程的变化，灰锥熔融特性示意图见图6[5]。煤灰熔融特性用来描述煤灰受热时由固态逐渐转向液态的过程，液态排渣技术要求操作温度高于煤灰流动温度，且对应温度范围内的黏度为2.5～25.0 Pa·s或15～50 Pa·s[3]。如果温度低于流动温度或操作温度区间从而无法达到黏度要求均会导致排渣不畅，反应器无法正常运行[6]。

图6 灰锥熔融特性示意图

惠州石化E-Gas气化使用的原料分别为SY-2(神优-2混煤)、混合料1(神优-2与神优-3混煤)、混合料2(混煤-1和质量分数为80%的石油焦)、混合料3(混煤-2和质量分数为60%的石油焦)，其分析结果见表1。从表1可以看出：原料的灰熔点逐步升高，碳含量也逐步升高。使用SY-2运行时，气化炉二段温度控制在1 000 ℃以上时，余热锅炉积灰的速度很快，只有将气化炉二段温度降低50 K时，余热锅炉积灰的速度才可以得到控制；使用混合料1运行时，气化炉二段温度控制在1 000 ℃时，余热锅炉的积灰速度可以得到控制，但气化炉二段积灰速度明显变快；使用混合料3运行时，气化炉二段和余热锅炉的积灰速度都得到了控制；使用混合料4运行时，只要气化炉二段积灰速度能够得到控制，余热锅炉的积灰速度也可以得到有效控制。

表1 原料性质

E-Gas气化炉原料的变形温度必须高于气化炉二段温度控制指标150 K以上，以保证合成气中裹挟的黏性飞灰可以在气化炉二段凝固失去黏性，而不是在到达余热锅炉入口时才凝固，避免了管束入口的堵塞。气化炉原料的碳含量高时，不但可以明显降低气化炉二段合成气中的黏性飞灰量，而且减少了余热锅炉入口未转化为固态的黏性飞灰量，有效避免了余热锅炉管束的堵塞。

3.3 操作参数的影响

3.3.1 余热锅炉入口温度

建议余热锅炉入口温度最高为870 ℃。在余热锅炉入口前，分别使用净化合成气和冷凝液对高温合成气进行急冷，充分冷却合成气。降低合成气温度以使黏性飞灰全部凝固失去黏性，尽可能地减少余热锅炉入口处合成气中的黏性飞灰量，保障换热管束的畅通。余热锅炉入口温度偏高时，虽然合成气所蕴含的热能更多，可回收的热量会增加，副产蒸汽更多，但是高温合成气夹带到余热锅炉入口的黏性飞灰量也增加，余热锅炉换热管束堵塞的概率增加；余热锅炉入口温度偏低时，合成气中夹带的黏性飞灰量必然会降低，余热锅炉换热管束堵塞的概率降低，但是合成气中可回收的热量会降低，副产蒸汽减少。实际运行时，需要从回收热量和延长余热锅炉运行周期之间探索一个最佳平衡点。

3.3.2 气化炉二段温度

E-Gas气化炉二段温度控制指标的选择，不仅直接影响气化炉二段合成气中的黏性飞灰量，还影响着气化炉二段未转化碳的含量。这两个方面直接影响气化炉二段的积灰速度，同时间接影响余热锅炉入口温度和余热锅炉入口合成气中的黏性飞灰量。由于余热锅炉入口合成气和冷凝液的冷却负荷有限制，当气化炉二段温度升高超过余热锅炉入口冷却负荷的设计上限时，余热锅炉入口的温度就会升高，这必然导致余热锅炉入口合成气中裹挟的黏性飞灰量增加。反之，则会减少。此外，气化炉二段温度控制得偏高，气化炉二段喷入煤浆的转化率升高，气化炉二段产生的未转化碳的含量就会降低，用以捕集气化炉一段熔融飞灰的气化炉二段灰焦颗粒减少，一方面会造成气化炉二段积灰速度增加，另一方面会造成合成气中夹带的黏性飞灰量增加，间接影响余热锅炉的长周期运行。

3.3.3 气化炉二段压差

气化炉二段压差是指E-Gas气化炉二段与气化炉一段的压力差，气化炉二段压差直接反映了气化炉二段的积灰程度。当气化炉二段压差较低时，夹带到气化炉二段的黏性飞灰只来自气化炉一段，这些黏性飞灰是卧式气流床气化炉液态排渣工艺的正常夹带。运行数据表明，只要原料合适，温度控制合适，正常夹带的黏性飞灰可以在气化炉二段得到有效的固化失黏，不会造成气化炉二段压差的持续升高。当气化炉一段温度偏低时，卧式气化炉一段产生的黏性飞灰量会明显增加，超出气化炉二段原料的固化去黏能力。高灰黏度的灰渣会在气化炉炉壁内侧黏结一部分，随合成气夹带到余热锅炉一部分，直接结果是气化炉二段压差升高。一旦气化炉二段积灰严重，二段压差升高后，合成气中裹挟的黏性飞灰量将会是气化炉一段操作温度与二段积灰两者之间平衡的综合结果，即气化炉一段裹挟黏性飞灰量在正常范围，气化炉二段已经形成积灰的剥落同样也会造成合成气中夹带黏性飞灰量增加，且此时二段积灰脱落产生的黏性飞灰量远远大于气化炉一段正常运行时裹挟的黏性飞灰量。

4 余热锅炉积灰的应对措施

通过对造成余热锅炉积灰的因素进行分析可知，余热锅炉运行的关键是保持入口合成气中含有尽可能少的黏性飞灰，在气化炉的形状和结构无法改变的情况下，只能从原料选择和操作参数上采取措施，延缓余热锅炉的积灰速度，延长气化炉的连续运行时间。

4.1 原料选择

根据E-Gas气化炉的结构特点，应该选择灰熔点变形温度在1 200 ℃以上，且碳含量较高的原料，惠州石化使用的混合料2就是符合该条件的原料之一。采用混合料2运行时，可以使合成气中黏性飞灰量保持在较低水平，有效避免黏性飞灰夹带造成下游余热锅炉管束的堵塞。采用混合料2和混合料3运行时，余热锅炉压差的变化趋势减缓，气化炉运行时间分别延长到了30 d和60 d以上。

4.2 操作参数

4.2.1 气化炉二段温度

根据混合料2和混合料3的原料性质，气化炉二段温度可以稳定控制在1 000～1 020 ℃，以保证气化炉二段合成气中夹带的黏性飞灰量处于较低的水平，并且该温度下余热锅炉入口冷却负荷在合理的范围之内，最终保持余热锅炉入口合成气中夹带的黏性飞灰量处于可控范围，延长余热锅炉的运行时间。

4.2.2 余热锅炉入口温度

根据气化炉二段温度控制值，选择余热锅炉入口温度控制在690～750 ℃，既保持余热锅炉更多地回收热能副产蒸汽，又可以减缓余热锅炉的积灰速度，增加余热锅炉的运行时间。

4.2.3 气化炉二段压差

余热锅炉压差和气化炉二段压差的关系见图7。

图7 余热锅炉压差和气化炉二段压差的关系

由图7可以看出:气化炉二段压差剧烈波动时，余热锅炉的压差增加较快。因此，为了降低余热锅炉的积灰速度，气化炉二段压差应该维持在较低值，避免气化炉二段积灰脱落造成余热锅炉入口黏性飞灰量增加，延长余热锅炉的运行时间。

5 结语

余热锅炉作为E-Gas气化装置中的关键设备，延长其运行时间才能保证气化炉长周期的运行。高温合成气从余热锅炉管束向火面经过的特性决定了必须采取措施降低余热锅炉入口合成气中裹挟的黏性飞灰量。通过原料选择和操作参数的优化，可以实现E-Gas气化余热锅炉的长周期运行，从而实现气化炉的长周期运行。