第二期第二项有奖活动说明：Qjp气化网
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气化炉的带水是气流在速度过高时对液体分散作用的加强，且液体环流作用的加剧导致了带水。影响带水的基本因素主要有气体的气速、气化炉的液位、负荷、炉温的高低、氧压及系统压力、液体分散作用的加强、环流作用的加剧等。由于对气化炉带水原因有了理性的认识及正确的防范措施，基本杜绝了气化炉带水现象的发生，减少了因带水导致的停车及对设备管道的检修，从而使气化炉安全、稳定、长周期运行，增加了企业的经济效益。
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。
1 水煤浆加压气化工艺流程简述
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。 本课题研究的气化主要以北宿煤、洛陵煤为主，并掺配本地混精煤，由磨煤系统制备出浓度在66±1％内水煤浆，经泵送(满负荷煤浆量23.0 m3／h，折干基投煤量17.5 t／h)和空分输送来的纯氧(纯度约99％、3.85MPa，对应用氧量11100m3／h左右)经过特制三环套工艺烧嘴(国产)喷入气化炉燃烧室以后，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合成气出下降管以后，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，洗涤后的气体可达到198℃、2.60MPa左右，其产气量可达45 000m3／h。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，维持系统的各个方面的平衡。从气化炉和洗涤塔出来的黑水经三级闪蒸处理并回收热量后，进入沉降槽，较清的灰水溢流入灰水罐，被循环利用，底部的沉淀物排入沉淀池进一步处理。其工艺流程见图1。
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2 气化炉带水的现象及危害
2.1 气化炉带水的实质
气化炉带水现象分为两种：一是由气化炉来的饱和大量水汽的合成气进入洗涤塔后，由于温度的降低，水汽在洗涤塔内冷凝；二是在气化炉操作异常时，合成气流夹带着水团，沿合成气管线进入洗涤塔。前者带水是正常的，量极少；后者不正常，量大。本文讨论的是不正常的带水现象，表现为以下几点：
(1) 氧煤比波动，气化炉温度升高，热负荷增加，造成气量(湿气量增加)波动，水洗塔出口流量波动，产生带水。这可能是这次事故的主要原因。
(2)水洗塔液位可能偏高，产气量波动时，出口工艺气带水。
(3)系统压力突然下降，造成水洗塔气体流速突然增大，造成带水
(4)水洗塔塔盘加水量过大，造成液泛，工艺气带水。
(5)气化炉、水洗塔压力突然增大，冲坏塔盘，造成带液。
2.2 气化炉带水的现象
(1) 气化炉液位大范围波动，气化炉液位急剧下降，激冷水域不能形成，随着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。不能维持正常的气化炉操作。
(2)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。
(3)洗涤塔液位居高不下，能达到3.5米甚至更高(正常2.9米)，进塔水量大幅度减小后,仍无法控制液位上升，洗涤塔补水量逐步降为零，水系统失调。支撑板温度下降；出气化炉的黑水减少, 气体洗涤效果下降。
(4)出洗涤塔温度偏高约1～3℃，合成气量偏高约1000m3／h，这是由于气化炉液位降低，高温合成气通过激冷水域时间短，导致换热量少而引起合成气温度偏高。
(5)合成气温度偏高，文丘里压差增大且波动。文丘里压差升至0.10 MPa(正常0.07MPa)，且波动频繁。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。
2.3 气化炉带水的危害性
(1)有时需要降低系统负荷，影响系统的生产强度。当气化炉的带水严重时，会使气化炉的液位剧降，迫使气化系统停车，将会导致近百万元的损失。
(2)洗涤塔液位过高，会导致后工序的变换系统带水甚至停车，而且将造成触媒粉化，床层阻力增加;将使变换触媒活性降低，变换率降低，变换气CO含量升高，威胁正常生产。严重时触媒将会失去活性，导致系统停车。换1炉触媒将是几百万元的费用。
(3)由于气化炉的带水改变了黑水中灰渣颗粒的沉降过程，含有大量灰渣颗粒的黑水进入闪蒸系统，使整个水系统的含固量大大增加，将加速设备及管道的磨损，增加设备管道的结垢、堵塞，不仅影响系统安全、稳定、长周期运行，而且增加维修费用，使产品成本上升。
(4)由于气化炉的带水，操作环境恶劣，使气化炉不能维持高负荷生产，单炉生产能力下降，影响整个系统运行的经济性。
(5)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。
(6)激冷水水质恶化后会加剧气化炉激冷环的结垢。
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。
3 气化炉带水机理分析及预防措施
3.1 气化炉带水机理简析
由燃烧室出来的高温合成气，高速沿下降管进入激冷水域中，饱和了大量水汽后沿上升管上升；在高速气流作用下，激冷室的液体呈膨胀沸腾状，下降管中液位较低，而上升管中液位较高，气流经过下降管后沿上升与下降管间的空隙迅速上升，对液体迅速包围分散，使液体分散成众多大小不均的液滴，并使其获得了一定速度随气流上升，此时液面上鼓；当气体流速波动剧烈时，还会出现环流现象，气流夹带大量水团上升，但夹带的液滴和水团由于自重还有一个沉降过程；当气流夹带液滴的速度大于液滴和水团的沉降速度时，气化炉带水现象就发生了。随着液体环流的增强，带水逐渐严重，形成惯性带水后，大量水团及液滴被气流带入洗涤塔，使其液位居高不下，无法补水。当然，气化炉在正常运行时，气流夹带过饱和水汽入洗涤塔后冷凝时，不足以引起带水。
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2.31m/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。
3.2 气化炉带水的影响因素及措施
(1)气速 气速的变化是导致气化炉带水的重要因素，当气化炉处于高负荷运行时，或者炉温控制偏高时，均能使气化炉发气量迅速增大，从而气速增大，使气流对液体分散作用加强，而液体环流现象加剧，这样就导致了带水。
(2)负荷 气化炉基本处在高负荷运行状态(为原设计负荷的130％左右)，其压力、温度较高，气量也相应增大，但气流通过的间隙未改变，气速的增加也会使气化炉带水；低负荷时，虽未形成剧烈的环流现象，气流分散的液滴也较高负荷状态下细小，但气流夹带液滴的速度仍大于液滴沉降的速度，仍会使气化炉带水；负荷的增减频率及调节幅度过大也会引起带水。长期实践表明，负荷维持在设计负荷的120％为宜，且应尽可能少的对负荷加减，调节幅度不宜过快，这不仅能防止气化炉带水，而且对系统长周期、稳定运行也极为有利。
(3)液位 若气化炉的液位控制较高，气流通过激冷水域的时间加大，气流对液体的分散作用就会加剧，环流现象加强，从而导致了气化炉的带水。在处理带水时，适当降低液位，破坏环流的生成，再逐步地提高液位，通常液位控制在2.5～3m为宜。
(4)炉温 在气化炉操作中，炉温的控制相当关键，维持较高炉温，对气化反应、发气量、碳转化率等有利；但是，炉温偏高，激冷水中饱和水蒸气也多，气量增大，气速也就相应增大，也会引起带水。实践证明，炉温应控制在高于灰熔点100℃左右，对气化反应最为有利，而且也可避免气化炉带水。
(5)压力 根据气化反应的基本方程式，可以看出，增大系统压力，对气化反应有利，但压力过高就会使合成气的气速增加，增加了带水的动力，而压力的波动也会引起带水。气化炉操作时，应当使氧压及系统压力保持稳定，氧压控制在3.85 MPa左右，系统压力控制在2.60 MPa左右，维持稳定的氧压及系统压力对防止气化炉带水及提高发气量有利。
(6)保证气化炉底部出水量的高低是判断气化炉是否带水的重要标志，当出水量减少为零时，气体对激冷室内水域的分散作用便会加强，而且，环流现象加剧，只能引起更严重的带水，因此，应保证气化炉底部有一定的出水量，使水流方向和气流方向近似作逆向接触，使气体对液体的分散作用变弱，在一定程度上防止气化炉带水。
(7)气化炉内件改进 针对气化炉带水的原因，对下降管底部的大锯齿数目作相应的增加，在锯齿的作用下，气流比较平稳，而且降低气体对液体的分散作用，也可防止带水。在气化炉合成气出口附近，设置高效挡板，增加液滴和水团的沉降，也可防止带水。这些改进均取得较好效果。
(8)加大水系统循环量 由于负荷的提高，在操作中相应地将激冷水量由原来的74m3／h提高至90m3／h，同时，在激冷水入气化炉处设置滤网，定期冲洗，以保证激冷水的供应。
(9)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。
(10)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。
(11)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。
结论
(1)气化炉的带水是气流在速度过高时对液体分散作用的加强，且液体环流作用的加剧导致了带水。
(2)影响带水的基本因素主要有气体的气速、气化炉的液位、负荷、炉温的高低、氧压及系统压力、液体分散作用的加强、环流作用的加剧等。
(3)由于对气化炉带水原因有了理性的认识及正确的防范措施，基本杜绝了气化炉带水现象的发生，减少了因带水导致的停车及对设备管道的检修，从而使气化炉安全、稳定、长周期运行，增加了企业的经济效益。
2015-2018