殼牌氣化爐運行中的常見問題

滕發利

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古鄂爾多斯 017209）

殼牌氣化爐運行中的常見問題

滕發利

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古鄂爾多斯 017209）

介紹殼牌氣化爐的結構和特點及其在生產應用中常見問題，爐溫控制、水冷壁及燒嘴的損壞、飛灰過濾器損壞的原因及解決措施。

殼牌氣化爐；操作溫度；水冷壁；燒嘴罩；飛灰過濾器

中國煤碳的儲量相當豐富，每年開采量10億t，在能源消費中占比達到了70%以上，主要消耗于電力工業及運輸行業，目前煤化工方面使用煤炭比例也相對較大，煤化工工藝也逐漸興起，氣化反應裝置主要有比較早期和較為成熟的魯奇，德士古，現在國內引進有比較先進的荷蘭殼牌氣化爐，到目前為止國內引進十余臺，但是還不算很成熟，一次投資成本較高，氣化爐結構較復雜。主要應用于合成氨，甲醇等。在這里以神華殼牌氣化爐為例。

1 SHELL氣化爐的結構及工作原理

殼牌氣化爐由外殼體、內水冷壁及輔屬設備組成，分為反應室，輸氣管，合成氣冷卻器三大部分，外殼體能夠承受氣化反應的高壓力（5.0MPa）但是卻不能承受氣化反應的高溫（1 500℃），而氣化爐內壁則是由水管焊接組成的膜式水冷壁，水冷壁表面均勻焊有13~16mm的銷釘，并且涂抹一層耐火泥，可以有效的保護水冷壁，避免高溫對水冷壁的損壞，每根水冷壁管內均勻的分布著由強制循環泵提供的循環水，由循環水帶走氣化反應的熱量，在汽包中進行水汽分離后產生中壓蒸汽供給裝置自用或者送入蒸汽管網。反應室內煤粉和氧氣經過燃燒產生氫氣、一氧化碳和少量的甲烷、硫化氫等粗合成氣，反應溫度約為1 500℃，產生的合成氣經激冷氣激冷后由輸氣管到達返向室時候溫度下降為900℃左右，再經過合成氣冷卻器的冷卻后溫度降為約300℃，并送往下游的高溫高壓飛灰過濾器除去粗合成氣中夾雜的飛灰，并將約30%的除灰后的合成氣返回氣化爐作為氣化爐的激冷氣使用。當合適的反應溫度時，4個煤燒嘴燃燒后的熔渣被噴射在對面的水冷壁上，將有部分熔渣固化在水冷壁上形成固定的渣層，形成以渣抗渣，起到保護水冷壁的作用。當爐溫偏高時候則水冷壁上的固定渣層薄，當反應溫度低的時候渣流動性很差，固定渣層則厚。其余的熔渣順著水冷壁上固定的渣層向下流至渣池里進行激冷后濕法排渣排放至渣池。

2 Shell煤氣化的主要特點如下

1）使用煤種較為廣泛，如褐煤、煙煤和瀝青砂等煤，碳轉化率較高能達91%以上。

2）反應后的有效氣體成分含量高，CO和H2達到89%以上，粗煤氣中CO2相當少，含量約3%~4%，且反應后無焦油產生。

3）殼牌氣化爐是干法進料，所以氧耗比德士古等工藝低，氣化壓力約4.0MPa。

4）可日處理煤達2 000t以上，單爐生產能力較大，可產合成氣約15萬M3/h。

5）環保無污染，粗煤氣中硫和氨都在后續的工藝中反應掉，反應后的灰、渣灰等可當做建筑用料使用。

缺點：①結構龐大、復雜。包括了煤粉過濾器、煤鎖、渣鎖、灰鎖、飛灰排放罐、飛灰過濾器等等裝置。②氣化壓力較低，通常Shell氣化適用煤種廣泛，主要是因為使用干法粉煤進料，氣流床氣化，氣化溫度高，液體排渣，對于煤粒度沒有特殊要求，對于活性，結焦性，水，硫，氧，灰分不敏感。這是從技術上說，但是從經濟上說，不是所有的煤都合適，比如水分太高，灰分太低或者太高，粉粒太大，灰熔點過高，都會產生問題，主要是能耗太高，經濟上不合算。粉煤設備投資高，能耗高，安全操作性能不如濕法，氣化爐結構復雜等。

3 在生產實用中出現的問題

3.1 氣化爐不能直接測得反應溫度

煤粉和氧氣、蒸汽的混合物在殼牌氣化爐內一起反應，生成粗合成氣，主要成分為一氧化碳和氫氣，及少量的二氧化碳、甲烷，因氣化爐內反應溫度較高約1 500℃以上，無測量原件能直接測得爐膛內的溫度，所以只能由一些關鍵指標來綜合判斷爐溫的高低。負荷不變的情況下，爐溫的高低是通過氧煤比來調節的，而判斷反應溫度高低只能通過氣化爐反應室的蒸汽產量，合成氣的分析中各種氣體含量的多少，和氣化爐的排渣形態來綜合分析。

如果氣化爐內溫度過高，則換熱后產生的蒸汽越多。超過灰熔點則導致氣化爐內壁無法掛渣，會燒壞氣化爐內壁，如果溫度過低則會導致煤粉無法完全反應，大部分煤粉進入排渣系統，導致排渣系統無法正常運轉甚至堵渣。

3.2 水冷壁損壞

因為氣化爐的爐溫無法直接測得，只能通過蒸氣產量和二氧化碳、甲烷含量及爐渣外觀等去分析判斷，而氣化爐的爐溫又受煤種的變化和操作時候O/C的高低影響。而爐溫高低又直接影響渣層形成及其厚度。對于同一煤種，爐溫低，渣層較厚，對水冷壁保護較好；爐溫高，渣層薄，不能有效保護水冷壁，將襯釘燒熔掉，進而燒損水冷壁。當水冷壁某根管道堵塞或者水量不足時候，不能及時將反應熱帶走，導致水冷壁管干燒而使水冷壁損壞。當氣化爐煤種相對穩定時選擇配煤將氣化爐用煤調整到合適的灰熔點而達到適合Shell氣化爐操作溫度是保證氣化爐水冷壁掛渣的方法。從而有效的避免水冷壁的損壞。

3.3 燒嘴/燒嘴罩損壞原因和解決辦法

Shell氣化爐在運行的幾年中，很多廠家都出現過燒嘴頭部裂紋和燒嘴罩破損，導致高壓的燒嘴冷卻水泄漏入氣化爐內，從而影響氣化爐的正常運行，爐溫很難控制，經常發生渣口堵渣而停工，難以實現長周期運轉。經過摸索總結以下破損的幾點原因和解決方法：

（1）煤線速度、密度標定偏高而實際煤粉流量偏低

因為煤燒嘴的煤粉流量是通過速度計，密度計計算出來的，所以速度計和密度計要求十分準確才能確保煤粉流量準確?？刂撇僮鳒囟鹊腛/C才能準確，如果速度計、密度計偏高的話，計算后的煤粉流量偏高，實際的O/C偏高，氣化爐溫度則會過高，水冷壁根本無法掛渣，這是導致燒嘴罩和燒嘴頭部損壞的原因之一，所以對煤線的速度和密度計進行多次標定而達到盡量準確，從而改善了燒嘴和燒嘴罩損壞的頻率。

（2）煤線的速度過低

氣化爐內操作壓力為4.0MPa，當煤粉線的速度過低，則燒嘴頭部的火焰離燒嘴越近，這樣燒嘴頭部離高溫火焰較近，熱量較高，也是損壞燒嘴及燒嘴罩的一個重要原因，所以經過調整將氣化爐的四個燒嘴的煤粉速度全部提高到7.5m/s以上，有效避免了燒嘴和燒嘴罩的損壞，如圖1所示。

圖1 損壞的燒嘴頭部和燒嘴罩

3.4 高溫高壓飛灰過濾器損壞的原因和解決辦法

高溫高壓飛灰過濾器主要是處理合成氣中的灰分，而陶瓷過濾器能將合成氣中99%的粉塵過濾掉，使潔凈的合成氣進入洗滌塔再一次進行洗滌后部分返回壓縮機的入口作為激冷氣使用。飛灰過濾器它是由15組陶瓷濾芯組成，每組48根，共720根，當合成氣通過濾芯時，灰不能通過濾芯而被阻隔，但是有部分黏附在濾芯上的灰分會影響氣體的通量，所以在濾芯的上部由高壓高溫的8.0MPa氮氣作為反吹，將濾芯外邊黏附著的飛灰吹落。但是因為濾芯是陶瓷濾芯，所以內外承受的壓差不能過高，聯鎖值為50kPa，壓差過高時候濾芯會折斷，從而部分合成氣將不再能被過濾而直接送到下游裝置，將導致合成氣中的飛灰進入濕洗系統而使下游的工序不法正常運轉，如圖2所示。

圖2 斷裂和積灰的陶瓷濾芯

影響過濾器反吹主要有以下幾個方面。

（1）反吹的頻率和反吹時間。反吹有兩種方式則都是有PLC柜進行控制，可以根據時間設置固定頻率進行反吹，也可以根據壓差進行設定而進行反吹。

（2）反吹氣的壓力。一般反吹氣的壓力設定在氣化反應壓力的2倍以上，如果反吹氣壓力低無法將濾芯表面的飛灰吹落，濾芯表面積灰過多，影響通量，反吹時候壓差大容易斷裂。

（3）反吹閥門的動作。當某個反吹閥門故障不能打開或者開啟之后不能在一定的時間內關閉，則會使反吹氣源壓力直接下降，其他閥門進行反吹時沒有足夠的反吹壓力，無法反吹掉吸附在陶瓷濾芯上的飛灰。

（4）氣化的負荷和氣化爐的反應情況。如果負荷高或者氣化反應溫度低時一方面產氣量高濾芯承受的處理能力也逐漸增大，也會造成過濾器的壓差過高，或者反應溫度低時，合成器中固含量較多也會導致濾芯壓差高，以及下游壓力波動過大等都會造成過濾器壓差高或者，斷裂被迫停工。

因氣化爐配高硫煤進行摻燒而保證氣化爐操作所需要的合適的灰熔點，所以配煤后會分由原來設計的6%增加到14%甚至更多，所以對原來設計的S1501飛灰過濾器更增加了處理負擔，壓差直線上升，壓差由原來開工時候的7kPa增加到14kPa，運行一段時間以后壓差達到40kPa接近連鎖值，限制了氣化爐提高負荷運行。而框架和設備都無法進行更換，所以經過與國內的廠家進行技術交流，把濾芯由1.5m加長至2.0m，從而有效的增大了過濾面積，材質由原來的陶瓷濾芯改為金屬粉末，這樣大大增強了濾芯的強度，不易斷裂，經過多次試驗后效果非常好，未出現過濾芯斷裂的情況。運行中的飛灰過濾器壓差較低。

4 結束語

殼牌氣化是新的氣化工藝，雖在國內有多套設備引進，但是目前還不能達到較為長周期的運行，也還有較多的問題出現，還需要不斷的摸索和總結，經過長期的實踐和改進才會趨于完善。

[1] 汪家銘.Shell煤氣化技術生產合成氨裝置開車成功[J].煤化工，2006，（3）：49-49.

[2] 韓天崢.殼牌煤氣化技術的應用[J].化學工業，2005，23（7）：20-22.

Common Problems in Shell Gasifier Operation

Teng Fa-li

This paper introduces the structure and characteristics of Shell gasifier and its common problems in production and application，the control of furnace temperature，the damage of water wall and burner，the cause of fly ash filter damage and the solution.

shell gasifier；operating temperature；water wall；burner cover；fly ash filter

TQ545

B

1003–6490（2017）05–0170–02

2017–04–06

滕發利（1982—），男，遼寧丹東人，助理工程師，主要從事化工生產工作。