水煤浆气化炉结渣机理及防结渣技术研究

一、引言

水煤浆气化技术作为煤炭清洁高效利用的关键技术之一，在现代煤化工产业中占据重要地位。该技术将水煤浆与氧气在高温高压的气化炉内进行部分氧化反应，生成以一氧化碳（CO）和氢气（ Π_H2 ）为主要成分的合成气，广泛应用于合成氨、甲醇、二甲醚等化工产品的生产以及煤制油、煤制天然气等领域。然而，在水煤浆气化炉的实际运行过程中，结渣问题是一个长期困扰行业的难题。

二、水煤浆气化炉结渣机理

2.1 结渣的形成过程

煤中的矿物质开始发生一系列变化。在高温下，矿物质中的一些成分会发生分解、氧化等反应，形成新的化合物。当炉内温度达到煤中矿物质的熔点时，矿物质开始熔融。由于炉内气流的作用，熔融的矿物质颗粒会在炉内运动，部分颗粒会在自身重力和气流的拖拽力作用下，撞击并沉积在气化炉的壁面、渣口、下降管等部位。随着时间的推移，这些沉积的颗粒不断积累，逐渐形成结渣。

2.2 结渣的基本特征

气化炉结渣初期，灰渣会以薄层的形式吸附在气化炉壁上。此时，虽然结渣对气化炉的运行影响较小，但灰渣中的某些成分可能会与耐火砖发生化学反应，对耐火砖造成一定程度的腐蚀，降低耐火砖的使用寿命。

当结渣情况逐渐加重时，会出现一系列明显的特征。在渣口处，结渣会导致渣口变小，渣口压差增大，使燃烧室的灰渣无法顺利排出，进而影响炉膛压力的稳定。同时，积渣过多可能会导致渣口堵塞，完全阻断灰渣的排出通道。在激冷室，大块的炉渣可能会堆积，无法顺利进入锁斗，造成激冷室堵渣。在下降管处，渣在流动过程中容易粘结在下降管内壁，形成挂渣，导致合成气偏流，甚至可能烧穿下降管，引发严重的安全事故。此外，结渣还可能导致气化炉液位波动异常，影响气化炉的正常操作。

2.3 影响结渣的因素

2.3.1 煤质特性

煤的灰熔融特性是影响结渣的关键煤质因素之一。灰熔点是衡量煤中矿物质熔融难易程度的重要指标，它反映了固体燃料中的灰分在一定温度下发生变形、软化和熔融的温度范围。对于水煤浆气化炉，由于采用液态排渣方式，为确保排渣的顺利进行，气化炉燃烧室的操作温度通常需要控制在煤灰熔点以上 50-100‰ 。如果煤的灰熔点过低，在气化炉正常操作温度下，煤灰容易过早熔融，增加结渣的风险；反之，如果灰熔点过高，为使煤灰达到液态排出状态，需要提高气化炉的操作温度，这不仅会增加能耗，还可能对设备造成损害。

2.3.2 操作条件

气化炉的操作温度对结渣有着直接且重要的影响。当操作温度过高时，煤中矿物质的熔融速度加快，熔融态的灰渣粘度降低，流动性增强，更容易在炉内表面沉积形成结渣。同时，高温还会加剧灰渣与耐火砖之间的化学反应，加速耐火砖的侵蚀，进一步促进结渣的发展。此外，过高的操作温度还会导致有效气成分（CO 和 H₂ ）的产率降低，比煤耗和比氧耗增加，影响气化过程的经济性。相反，若操作温度过低，煤的气化反应不完全，灰渣中未反应的碳含量增加，灰渣的粘度增大，流动性变差，也容易造成排渣不畅，在渣口等部位形成积渣。

氧煤比是指进入气化炉的氧气与水煤浆中煤的质量比，它是影响气化反应进程和炉内温度的关键操作参数。当氧煤比过低时，氧气量不足，煤的燃烧和气化反应不完全，会产生大量的残渣，这些残渣在炉内积累，增加了结渣的风险。同时，反应不完全还会导致炉内温度降低，使灰渣的流动性变差，进一步加剧结渣问题。而当氧煤比过高时，氧气过量，会使气化反应过于剧烈，炉内温度迅速升高，超过煤灰的熔点，导致大量的煤灰熔融，增加结渣的可能性。

三、水煤浆气化炉防结渣技术

3.1 原料煤选择与配煤

在水煤浆气化过程中，选择合适的原料煤是预防结渣的重要基础。理想的原料煤应具有低灰分、低硫分、高挥发分和适宜的灰熔点等特性。低灰分的原料煤可以减少气化过程中产生的灰渣量，从而降低结渣的可能性。灰分中的杂质是形成结渣的主要物质来源，灰分含量越低，意味着参与结渣过程的物质越少。低硫分则有助于减少在气化过程中产生的含硫有害气体，如二氧化硫（ SO₂ ）等，不仅有利于环境保护，还能避免含硫化合物对设备的腐蚀以及对结渣过程的影响。高挥发分的煤在燃烧和气化过程中能够快速释放热量，使炉内温度分布更加均匀，减少局部高温区域的出现，从而降低结渣的风险。

适宜的灰熔点对于防止结渣至关重要。如果原料煤的灰熔点过低，在气化炉正常操作温度下，煤灰容易过早熔融，导致结渣问题加剧；而灰熔点过高，则需要提高气化炉的操作温度来实现液态排渣，这不仅会增加能耗，还可能对设备造成损害。因此，在选择原料煤时，应根据气化炉的类型和操作条件，选择灰熔点在合适范围内的煤种。

3.2 操作参数优化

合理调整气化炉的操作温度是预防结渣的关键措施之一。操作温度应根据原料煤的灰熔点进行精确控制，一般保持在高于煤灰熔点 50-100°C 的范围内。为了实现对操作温度的精准控制，需要安装高精度的温度监测仪器，实时监测气化炉内不同位置的温度变化。同时，采用先进的控制系统，根据温度监测数据自动调整氧气和水煤浆的进料量，以维持炉内温度的稳定。例如，当温度监测系统检测到炉内温度有上升趋势时，控制系统自动减少氧气的进料量，降低燃烧反应的剧烈程度，从而使温度回落；反之，当温度下降时，增加氧气进料量，提高炉内温度。

稳定气化炉内的压力对于预防结渣同样不可或缺。安装性能优良的压力监测和调节装置，实时监测气化炉内的压力变化。当压力出现波动时，调节装置迅速采取措施进行调整。例如，当压力升高时，通过调节气体出口阀门的开度，增加气体排出量，降低炉内压力；当压力降低时，减少气体排出量或适当增加进料量，使压力恢复到稳定水平。同时，优化气化炉的工艺流程和设备结构，减少因设备故障或操作不当引起的压力波动。例如，确保管道的密封性良好，避免气体泄漏导致压力变化；合理设计气化炉的进料和出料系统，保证物料的稳定输送，减少因物料堵塞或流量变化引起的压力波动。

3.3 炉型结构改进

对气化炉的炉膛形状进行优化设计，能够改善炉内的气流分布和混合效果，从而减少结渣的发生。例如，采用特殊设计的炉膛形状，如渐扩式或收缩式炉膛，使炉内气流在流动过程中形成合理的速度分布和湍流强度，促进水煤浆与氧气的充分混合，提高燃烧和气化反应的均匀性，减少局部高温区域的出现，降低结渣的可能性。同时，通过数值模拟等手段，对不同炉膛形状下的炉内流场和温度场进行分析，确定最佳的炉膛形状设计方案。

在气化炉内增加搅拌装置可以进一步强化煤浆与氧气的混合效果。搅拌装置可以采用机械搅拌或气体搅拌等方式。机械搅拌装置通常由电机、搅拌轴和搅拌桨叶组成，通过电机驱动搅拌轴旋转，带动桨叶在炉内对物料进行搅拌，使水煤浆和氧气能够更加均匀地混合，提高反应速率和反应效率。

四、结论与展望

水煤浆气化炉结渣是一个受多种因素综合影响的复杂过程，煤灰成分特性、气化反应条件以及炉内流动与传热状况等均在其中发挥重要作用。当前针对结渣问题开发的一系列防结渣技术，从原料预处理、操作参数优化、炉体结构改进到监测预警与应急处理，在实际应用中取得了一定成效，有效降低了结渣风险，提高了气化炉运行稳定性和经济性。

参考文献：

[1]蒋兵.四喷嘴气化炉炉渣的优化控制[J].化肥设计,2016(05):42-43.