Shell粉煤氣化裝置合成氣冷卻器積灰結(jié)垢的分析與對策

高 原

（神華鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

Shell煤氣化是目前世界上最為先進的第二代煤氣化工藝之一。按進料方式,Shell煤氣化屬氣流床氣化。因其相對于其他類型氣化爐具有碳轉(zhuǎn)化率高、煤種適應(yīng)性廣、有效氣含量高、環(huán)境污染小等優(yōu)勢，最近幾年受到國內(nèi)化肥、甲醇、發(fā)電行業(yè)的推崇。目前影響Shell氣化爐長周期運行的因素主要在燒嘴罩泄漏失效和合成氣冷卻器結(jié)垢，其中合成氣冷卻器積灰問題是目前困擾氣化裝置長周期穩(wěn)定運行的公認技術(shù)難題。造成合成氣冷卻器積灰的因素眾多，如激冷氣比例控制不當，氧煤比調(diào)節(jié)不合適，配煤，煤中灰成分等等。從目前國內(nèi)Shell氣化爐運行情況來看，合成氣冷卻器積灰問題已經(jīng)在神華、柳州、安慶、洞氮[1]等多個廠家中出現(xiàn)。經(jīng)過技術(shù)人員在實踐中的摸索，目前SGC積灰問題得到有效的控制，并積累了一定的經(jīng)驗，現(xiàn)闡述如下。

1 Shell煤氣化工藝流程簡述

Shell煤氣化技術(shù)的主要工藝流程為：來自空分裝置的氧氣經(jīng)氧氣預(yù)熱器加熱到一定的溫度后與中壓過熱蒸汽混合并導入噴嘴，噴入氣化爐的煤粉、氧氣和蒸汽發(fā)生化學反應(yīng)后產(chǎn)生粗合成氣。在氣化爐的頂部，約1500℃的高溫合成原料氣被來自壓縮機冷的合成氣激冷至900℃左右依次進入輸氣導管和合成氣冷卻器，所有的傳熱器回路均有高壓鍋爐水進行強制循環(huán)，回收熱量后，合成原料氣溫度降至300℃左右進入陶瓷過濾器，99%的粉塵被除去，然后進入洗滌塔洗滌除塵并降溫至150℃左右，合成原料氣一部分返回氣化爐作冷激氣，其余的送出界區(qū)進入下游工序。Shell煤氣化簡易工藝流程如圖1所示。

圖1 殼牌煤氣化工藝（SCGP）流程簡圖

2 合成氣冷卻器結(jié)垢的表現(xiàn)

2.1 入口和出口溫度上漲

合成氣冷卻器結(jié)垢首先體現(xiàn)在其入口和出口溫度呈現(xiàn)上漲趨勢，合成氣冷卻器的入口溫度上漲最為明顯，因為一旦發(fā)生結(jié)垢，冷卻器換熱效果變差，熔融的飛灰粘結(jié)在測溫原件上，這2個因素均造成測量值偏高。

2.2 合成氣冷卻器過熱段差壓持續(xù)上漲

正常情況下，過熱段的壓差是恒定的，水冷壁上飛灰的粘結(jié)速率與合成氣/超高壓氮氣吹掃的速率相當?shù)臅r候，這個時候達到了動態(tài)平衡。當氣化爐高負荷運行或煤質(zhì)發(fā)生變化的時候，若激冷氣量相對不足，合成氣中夾帶的一部分飛灰經(jīng)激冷后仍然處于熔融狀態(tài)，經(jīng)過輸氣導管才冷凝，沉積在合成器冷卻器十字吊架周圍，造成過熱段差壓持續(xù)上漲。

3 合成氣冷卻器結(jié)垢的危害

（1）結(jié)垢只有在合成氣冷卻器入口被堵塞50%時才被發(fā)現(xiàn)，將迫使工廠降負荷生產(chǎn)乃至非計劃停車；

（2）如果進一步惡化的話，合成氣冷卻器通道被堵塞，堵塞形成后還繼續(xù)運行，高速合成氣對輸氣導管及合成器造成磨蝕開口，最終造成高溫爐水泄漏，造成洗滌塔出口溫度高而引起連鎖停車。

當停工檢修的時候，打開合成氣冷卻器檢查的時候，往往發(fā)現(xiàn)60%以上的通道完全被堵死（圖2）。

圖2 嚴重堵塞的合成氣冷卻器的入口段

4 避免結(jié)垢的措施

4.1 配煤改變原料煤中的灰分組成

煤灰中SiO2和Al2O3的含量比為1.18（即2SiO2·Al2O3）時，灰熔點一般較高。隨著該比值增加，灰熔點逐漸降低，這是由于灰分中存在游離氧化硅。游離氧化硅在高溫下可能與堿性氧化物結(jié)合成低熔點的共晶體，因而使灰熔點下降。以國內(nèi)補連塔的煤為例，燃燒后的灰分組分見表1。

表1 燃燒后的灰分成分表

更多實驗表明，原料煤中的堿性氧化物（Fe2O3+CaO+MgO+KNaO）能降低灰熔點。其中Fe2O3的影響較復雜，灰渣所處的介質(zhì)性質(zhì)不同而有不同影響，但總的趨勢是降低灰熔融性溫度。CaO和MgO有減低灰熔點的助熔作用，且有利于形成短渣，但其含量超過一定值（大約25%~30%）時，卻可以提高灰熔點。K2O和Na2O能促進熔點很低的共熔體的形成，因而使變形溫度DT降低。

綜上所述，大多數(shù)煤灰SiO2含量較高，多呈酸性。在酸性灰渣中，堿性氧化物的存在起到了降低灰熔融溫度的作用。

國內(nèi)廠家經(jīng)過摸索交流，解決合成氣冷卻器結(jié)垢首先通過配煤或者摻燒石灰石，一般情況下，通過配煤降低灰熔點或選用中低灰熔點的煤，典型的灰熔點在1350℃，SiO2/Al2O3為2[2]或者更高。

4.2 增加激冷氣量，控制SGC入口溫度

激冷后的合成氣溫度為灰融點溫度的2/3，從激冷口經(jīng)過輸氣導管到過熱器入口時，合成氣溫度會下降150℃左右。當激冷氣溫度過高或著激冷量不足時，激冷后的合成氣溫度接近灰融點，飛灰雖然已經(jīng)固化，但沒有失去黏性，到達合成氣返回室轉(zhuǎn)向時就會粘附在中壓過熱器十字架或管壁上，形成結(jié)垢。當激冷后溫度低于灰熔點150℃時，飛灰就會失去黏性，則可大大降低結(jié)垢的可能性。在實際生產(chǎn)中，我們往往采用“過度激冷”，激冷氣壓縮機的變頻器提高到97%以上，提高激冷比，一般大于1.2，典型的激冷后溫度850℃左右，冷卻器過熱段入口溫度小于750℃。

4.2 控制飛灰粒徑[3]

飛灰粒徑一般在1~100μm之間，飛灰粒徑分布見圖3。研究表明，飛灰的粒徑分布和SGC結(jié)垢有著密切的關(guān)系。當＜1μm的飛灰粒子居多，容易造成SGC堵塞，而＞100μm的飛灰顆粒對于換熱管束的磨蝕較為嚴重，只有粒徑在10~20μm的飛灰顆粒容易在換熱管壁形成穩(wěn)定的飛灰滯留層，能對管束起到清潔作用。此外，合成氣的流速對飛灰的沉積也有影響，5~9m·s-1為宜。

圖3 飛灰粒徑分布

4.3 調(diào)整敲擊器的震打頻率

氣動操作的敲擊器在要清潔的受熱面上進行脈動敲擊，帶粘性沉淀物的受熱面筒體被聲波加速到一定程度后，在受熱面和沉淀物質(zhì)的不同慣性作用下，沉淀物被抖落下來。

敲擊作用需要的能量是由安裝在壓力容器外部的氣動敲擊圓筒體提供。用氮氣作動力，通過壓力密封和動力傳送系統(tǒng)，送到受熱面。為防止因脈動傳輸可能對受熱面引起的損壞，把一帶冷卻裝置的砧形板焊在受熱面上。敲擊裝置共有58個，分別由7個儀表控制臺控制。敲擊的時候分為單敲和雙敲，當發(fā)現(xiàn)有結(jié)垢趨勢時，可采取雙敲，加大氣源壓力來處理。

4.4 氧煤比的調(diào)節(jié)

以原料中煤的灰含量為10%舉例說明，有效氣體成分以（CO+H2）計算，那么氧煤比在0.9時為最優(yōu)，在生產(chǎn)中，實際的氧煤比往往比理論值要高，不僅僅是因為液態(tài)排渣的需要，而且要關(guān)注飛灰中的碳含量這一重要指標。一旦SGC發(fā)生結(jié)垢，未燒盡的粉煤會加劇合成氣冷卻器十字吊架的堵塞，這是煤的中溫熱解造成的，在400~600℃，煤熱解生成半焦、焦油、熱解水、烴類氣體和碳氧化合物。焦油類物質(zhì)和固態(tài)灰混合后形成致密的垢層。此外爐膛內(nèi)介質(zhì)性質(zhì)不同時，灰渣中的鐵具有不同的價態(tài)。在弱還原氣體介質(zhì)中，鐵呈氧化亞鐵（熔點1420℃)，在氧化性介質(zhì)中呈氧化鐵（熔點1565℃）。氧化亞鐵最容易與灰渣中的氧化硅形成低熔點的共熔（FeSiO4），所以在弱還原性介質(zhì)中，灰熔點最低，在氧化性介質(zhì)中，灰熔點要高一些。一旦在氣化爐爐膛發(fā)生泄漏，隨著合成氣中水蒸汽的增加，灰分中Fe2O3被還原為FeO、FeS、Fe，后兩者增加了飛灰的粘度，容易造成輸氣導管及合成氣冷卻器結(jié)垢。因此在氣化爐操作時，必須維持適當?shù)臓t溫，溫度過高對爐膛內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生有害影響，偏低的爐溫易造成冷卻器結(jié)垢。

4.5 合成氣冷卻器入口采用新吹灰器

針對十字吊架處容易積灰的特點，首先增加反吹的頻次，其次是在十字吊架臂上安裝新的吹灰器，清理整個吊臂的長度，在蓋板頂部也新安裝一個中央吹灰器，這樣吹掃的面大了，松散的灰更容易脫落下來。

5 結(jié)語

殼牌干粉煤氣化技術(shù)（SCGP）作為潔凈煤氣化的新技術(shù)在中國投入生產(chǎn)已接近7年，各家企業(yè)的氣化裝置在運行過程中都經(jīng)歷了諸多問題，不過我們也看到大部分裝置的運轉(zhuǎn)情況已經(jīng)越來越好，存在的技術(shù)問題是可以解決的。隨著國內(nèi)裝置運轉(zhuǎn)經(jīng)驗的積累，企業(yè)間管理經(jīng)驗和操作訣竅的交流，煤種穩(wěn)定性的重視及操作人員的培養(yǎng)，煤氣化裝置的長周期穩(wěn)定運行是可以實現(xiàn)的。其中2011年8月22日[6]，安慶石化殼牌煤氣化裝置實現(xiàn)A級連續(xù)運行138d，刷新由荷蘭NUON工廠2006年創(chuàng)造的137.2d世界最長記錄，創(chuàng)造了世界同類型裝置運行最好水平。因此，筆者相信隨著一個個技術(shù)難題的解決，將會使該項技術(shù)在我國劣質(zhì)煤氣化的市場競爭中處在有利的地位，進一步推廣使用該項技術(shù)的前景也會更加廣闊。

[1] 李亞東.Shell粉煤氣化裝置合成氣冷卻器積灰結(jié)垢的控制[J].化肥設(shè)計，2010，48（2）：27-28.

[2] 牛玉奇，段志廣，沈小炎. Shell氣化爐合成氣冷卻器積灰原因及應(yīng)對策略[J].化肥設(shè)計，2009，47（4）：22-25.

[3] 廖漢湘.現(xiàn)代煤炭轉(zhuǎn)化與煤化工新技術(shù)新工藝實用全書[M].合肥：安徽文化音像出版社，2004.611-616.