基于ASPEN模擬計(jì)算的殼牌煤氣化裝置循環(huán)氣壓縮機(jī)激冷比的優(yōu)化設(shè)計(jì)

姜賽紅

(福建省石油化學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)院 福建福州 350001)

循環(huán)氣壓縮機(jī)是殼牌廢鍋流程煤氣化裝置(圖1)的核心設(shè)備之一，其作用是將高溫高壓飛灰過濾器出口氣體與濕洗塔出口的部分清潔無塵氣體混合加壓后送往氣化爐激冷區(qū)，將約1 600 ℃的合成氣激冷至約900 ℃，熔融的飛灰在900 ℃下迅速冷凝成固體后返回氣化爐，最終以液態(tài)渣的形式排出氣化爐，從而達(dá)到除去合成氣中大部分飛灰的目的，以防止后系統(tǒng)合成氣冷卻器堵塞或結(jié)垢。若實(shí)際運(yùn)行過程中激冷氣量低于需求量，激冷口溫度高于飛灰的冷凝點(diǎn)，高溫飛灰就無法冷凝成固體而被合成氣帶至合成氣冷卻器的入口，在十字吊架處凝固并沉積，合成氣的通道逐漸被飛灰堵塞，流通面積減少，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成膜式壁的沖蝕磨穿，此時(shí)裝置將被迫進(jìn)行停車處理。

1 激冷氣量不足的原因

1.1 原設(shè)計(jì)能力不足

綜合分析目前國(guó)內(nèi)已對(duì)循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)行改造的幾個(gè)案例，其主要原因是殼牌公司原設(shè)計(jì)激冷比偏小(0.96～1.20)，導(dǎo)致原循環(huán)氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)激冷氣量不足，尤其是在裝置滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對(duì)激冷氣量的需求遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，嚴(yán)重制約了煤氣化裝置的滿負(fù)荷長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行[1- 2]。根據(jù)殼牌公司的設(shè)計(jì)理念，最大工況下激冷后的合成氣溫度通常控制在680 ℃左右，但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，此溫度無法滿足正常工況下滿負(fù)荷生產(chǎn)的要求。如河南龍宇煤化工有限公司殼牌煤氣化裝置在90%以上負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，合成氣冷卻器入口合成氣溫度在650～680 ℃，開車初期出口合成氣溫度一般穩(wěn)定在280～290 ℃，但穩(wěn)定運(yùn)行8～10 d后出口合成氣溫度即開始緩慢上升，在10～15 d的時(shí)間內(nèi)最終達(dá)到并超過設(shè)計(jì)值(340 ℃)，甚至接近高限380 ℃，其主要原因就在于激冷氣量不足，合成氣冷卻器內(nèi)出現(xiàn)積灰現(xiàn)象，致使出口合成氣超溫[3]。

圖1 殼牌廢鍋流程煤氣化裝置工藝流程

1.2 煤種偏離的影響

由于受煤炭供應(yīng)地各種限制政策的影響，煤炭采購(gòu)，尤其采購(gòu)灰分含量滿足或接近設(shè)計(jì)煤種要求的煤十分困難，盡管用戶通過貨場(chǎng)前移、加強(qiáng)采購(gòu)控制等措施可以較好地保證原料煤的穩(wěn)定供應(yīng)，但綜合運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和煤炭本身存在較強(qiáng)地域性等原因，原料煤與設(shè)計(jì)煤種的差異仍然較大。

(1)堿金屬含量對(duì)灰熔點(diǎn)的影響

煤中灰分主要成分為鐵、鈣、鎂、鉀、鈉、硅、鋁等元素的氧化物及其鹽類，其中Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O屬堿性成分，Al2O3、SiO2等為酸性成分。一般而言，煤灰中的堿性氧化物越多，煤的灰熔點(diǎn)就越低；煤灰中的酸性氧化物越多，煤的灰熔點(diǎn)就越高。

(2)灰熔點(diǎn)對(duì)合成氣冷卻器積灰的影響

煤的灰熔點(diǎn)低，表明熔融飛灰的冷凝溫度低，出激冷區(qū)合成氣的溫度要求降得更低。激冷后的合成氣溫度約為灰熔點(diǎn)溫度的2/3，如果高于此溫度，大量的飛灰就無法被迅速冷凝成固體返回氣化爐，而是被合成氣帶至合成氣冷卻器入口，引起十字吊架處積灰，從而導(dǎo)致裝置停車。因此，如果無法提高激冷氣量，就會(huì)限制氣化爐負(fù)荷的提升。

(3)鉀、鈉等堿金屬對(duì)飛灰黏結(jié)性的影響

煤灰中堿金屬含量越高，黏結(jié)指數(shù)越大，尤其是鉀、鈉含量對(duì)黏結(jié)指數(shù)的影響更大。如果運(yùn)行煤種的黏結(jié)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)煤種，一旦煤灰黏結(jié)在合成氣冷卻器的壁面上，此過程是不可逆的，最終將導(dǎo)致氣化爐因壓差過高而被迫停車。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，企業(yè)會(huì)根據(jù)原料煤的成分以及各成分對(duì)裝置運(yùn)行影響的分析，總結(jié)出與循環(huán)氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)能力相匹配的裝置生產(chǎn)負(fù)荷。如河南中原大化公司的循環(huán)氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)流量為42.14 kg/s，最大流量為54.77 kg/s，激冷比為1.00～1.25，電機(jī)功率為1 200 kW。在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣化爐負(fù)荷在90%時(shí)，壓縮機(jī)流量已基本達(dá)到實(shí)際最大流量(50～52 kg/s)，在此工況下運(yùn)行，合成氣冷卻器積灰趨勢(shì)不明顯，運(yùn)行安全；如果繼續(xù)提高負(fù)荷，合成氣冷卻器很快出現(xiàn)明顯的積灰發(fā)展趨勢(shì)[4]。即用戶通過降低生產(chǎn)負(fù)荷以控制十字吊架處的積灰現(xiàn)象效果明顯，雖然能維持穩(wěn)定運(yùn)行，但生產(chǎn)成本相對(duì)較高。

2 基于ASPEN模擬計(jì)算的循環(huán)氣壓縮機(jī)激冷比的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過上述分析可知，為了有效解決合成氣冷卻器積灰和堵塞的問題，提高激冷比以增加激冷氣量是一條可靠的途徑[5]。根據(jù)企業(yè)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，合成氣冷卻器入口氣體溫度越低越有利于裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。以湖北雙環(huán)公司的煤氣化裝置為例，改造前合成氣冷卻器入口氣體溫度在680～710 ℃，運(yùn)行3個(gè)月后就因十字吊架處積灰而必須停車清理；改造后，通過提升循環(huán)氣壓縮機(jī)的供氣能力，合成氣冷卻器入口氣體溫度可控制在610 ℃左右，從而避免了積灰現(xiàn)象的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了裝置的長(zhǎng)周期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[6]。即在實(shí)際生產(chǎn)過程中，只有通過提高激冷比的方法才能避免合成氣冷卻器積灰現(xiàn)象的出現(xiàn)。因此，以合成氣冷卻器入口合成氣溫度在610 ℃左右為控制點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.1 ASPEN建模

在使用ASPEN建模時(shí)，采用的反應(yīng)器模塊主要為RYITLD和RGIBBS，塔模塊主要為RADFRAC，其他模塊為FSPLIT、MIXER、HEATER、COMPR等，全流程模擬如圖2所示。

圖2 循環(huán)氣壓縮機(jī)激冷比模擬計(jì)算模塊流程

DECOMP模塊是將非常規(guī)物質(zhì)(NC，此處為煤)分解為單元素分子和灰分，并將分解熱導(dǎo)入BURN模塊；BURN模塊運(yùn)用最小GIBBS自由能的方法計(jì)算出氣化爐出口組成和溫度；FSPLIT和MIXER模塊模擬物料的分離和混合；HEATER模塊模擬激冷段、輸氣管和合成氣冷卻器的蒸發(fā)器；COMPR模塊模擬循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)出口氣體的溫度和流量變化。

建模假設(shè)條件：①氣化爐處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；②氣相與煤粉顆粒在爐內(nèi)瞬間完全混合；③氣化爐內(nèi)的壓力相同，無壓力降；④煤粉顆粒溫度均勻，無梯度。

2.2 ASPEN模擬計(jì)算輸入

ASPEN模擬計(jì)算輸入如表1和表2所示。

表1 入爐煤的工業(yè)分析和元素分析 %

2.3 模擬結(jié)果

已知：該循環(huán)氣壓縮機(jī)正常工況下的質(zhì)量流量為45.57 kg/s，最大質(zhì)量流量59.22 kg/s；設(shè)計(jì)激冷溫度為900 ℃，十字吊架處的合成氣溫度為729 ℃，激冷比為0.95；最大工況下設(shè)計(jì)激冷溫度為814 ℃，十字吊架處的合成氣溫度為682 ℃，激冷比為1.20。通過調(diào)節(jié)高溫高壓飛灰過濾器及濕洗塔出口至循環(huán)氣壓縮機(jī)的合成氣比例，采用ASPEN模擬軟件分別模擬在100%和110%負(fù)荷、不同激冷比下激冷后及合成氣冷卻器入口氣體溫度的變化，模擬結(jié)果如表3所示。

表2 煤氣化裝置主要參數(shù)

表3 不同負(fù)荷和不同激冷比下激冷后及合成氣冷卻器入口氣體溫度模擬結(jié)果

由表3可見，隨著激冷比和激冷氣量的增加， 合成氣冷卻器入口氣體溫度明顯下降。然而激冷比和激冷氣量不能無限度增大，制約激冷比和激冷氣量的因素包括3個(gè)方面：①在既定的設(shè)備條件下，循環(huán)氣壓縮機(jī)輸送的氣量是有限值的；②循環(huán)氣量越大，循環(huán)氣壓縮機(jī)的能耗也越大；③濕洗塔的合成氣流量隨著循環(huán)氣量的增大而增大，塔內(nèi)氣體流速隨之增加，為了避免濕洗塔出現(xiàn)液泛現(xiàn)象，一般填料塔適宜的操作氣速為泛點(diǎn)氣速的70%左右。

經(jīng)過計(jì)算，殼牌煤氣化裝置濕洗塔的泛點(diǎn)氣速一般在0.88 m/s左右。當(dāng)煤氣化裝置處于100%負(fù)荷、激冷比為1.52、激冷氣量取75 kg/s時(shí)，合成氣冷卻器入口氣體溫度被激冷至615 ℃，此時(shí)濕洗塔內(nèi)的氣體流速為0.60 m/s，在適宜的流速范圍內(nèi)；當(dāng)煤氣化裝置處于110%負(fù)荷、激冷氣量為79.97 kg/s時(shí)，濕洗塔內(nèi)氣體流速為0.65 m/s，已經(jīng)超出了適宜的流速范圍。因此，取循環(huán)氣壓縮機(jī)流量75 kg/s、正常激冷比1.52作為循環(huán)氣壓縮機(jī)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)，既可以充分保證煤氣化裝置滿負(fù)荷運(yùn)行，又可以滿足濕洗塔內(nèi)氣體流速的要求，而且氣化裝置負(fù)荷還有進(jìn)一步提升的空間。

3 改造方案及實(shí)施后的效果

通過ASPEN模擬計(jì)算，確定循環(huán)氣壓縮機(jī)優(yōu)化后的激冷比應(yīng)為1.50左右。對(duì)于原激冷比在0.96～1.20的循環(huán)氣壓縮機(jī)，若要有效提高激冷氣量和濕洗塔出口合成氣比例以進(jìn)一步提高激冷比，只能考慮新增1套循環(huán)氣壓縮機(jī)組進(jìn)行項(xiàng)目整體擴(kuò)能改造。實(shí)施方案可考慮在原有循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)出口管線增加三通閥作為新循環(huán)氣壓縮機(jī)的接口并與系統(tǒng)對(duì)接，2套機(jī)組互為備用，備用機(jī)組的進(jìn)出口管線采用盲板隔斷。根據(jù)河南中原大化公司循環(huán)氣壓縮機(jī)擴(kuò)能改造的結(jié)題報(bào)告：改造前循環(huán)氣壓縮機(jī)(K- 1301)激冷比為1.00～1.25，正常流量42.14 kg/s，最大流量54.77 kg/s；新增循環(huán)氣壓縮機(jī)(K- 1302)激冷比為1.25～1.50，正常流量67.00 kg/s，最大流量73.00 kg/s。2套循環(huán)氣壓縮機(jī)組在氣化裝置不同負(fù)荷下的運(yùn)行情況比較如表4所示。

從表4可以看出：原循環(huán)氣壓縮機(jī)無法滿足氣化裝置滿負(fù)荷運(yùn)行的要求，同時(shí)過高的氧負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致合成氣冷卻器十字吊架處積灰，嚴(yán)重時(shí)將造成合成氣冷卻器損壞；新循環(huán)氣壓縮機(jī)的投用可有效延長(zhǎng)合成氣冷卻器十字吊架處出現(xiàn)積灰的時(shí)間，從而使氣化裝置實(shí)現(xiàn)連續(xù)的高負(fù)荷生產(chǎn)，進(jìn)一步降低生產(chǎn)能耗。實(shí)踐證明，模擬計(jì)算優(yōu)化后的激冷比經(jīng)濟(jì)合理，能夠滿足殼牌煤氣化裝置穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

表4 2套循環(huán)氣壓縮機(jī)組在氣化裝置不同負(fù)荷下的運(yùn)行情況比較

4 結(jié)語

原始設(shè)計(jì)時(shí)若循環(huán)氣壓縮機(jī)能力不足，則無法及時(shí)將飛灰進(jìn)行固化，合成氣攜帶的飛灰容易黏附在合成氣冷卻器表面而造成換熱效率下降，甚至堵塞換熱器或造成盤管被磨穿等問題，影響裝置的穩(wěn)定運(yùn)行；運(yùn)行后期因激冷氣供應(yīng)量無法提升，從而限制整個(gè)煤氣化裝置的生產(chǎn)負(fù)荷。原始設(shè)計(jì)時(shí)若循環(huán)氣壓縮機(jī)能力過大，不僅造成壓縮機(jī)投資較大，而且造成裝置運(yùn)行能耗偏高。因此，通過理論分析并結(jié)合模擬計(jì)算后的優(yōu)化設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確確定循環(huán)氣壓縮機(jī)的激冷比，合理并經(jīng)濟(jì)地提高循環(huán)氣壓縮機(jī)能力，不但可以拓寬煤種的選擇范圍，更重要的是可避免因循環(huán)氣壓縮機(jī)的問題導(dǎo)致煤氣化裝置頻繁停車的現(xiàn)象，使裝置實(shí)現(xiàn)安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)連續(xù)運(yùn)行，從而創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。