SHELL氣化爐渣口堵渣原因分析及對策

馮恩剛(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)

0 引言

煤制氫裝置是鄂爾多斯煤制油分公司公司的重要生產裝置之一，其任務是為煤液化裝置和液化油提質加工裝置制氫裝置提供氫氣。煤制氫裝置采用SHELL干粉煤加壓氣化工藝生產合成氣，SHELL氣化工藝具有碳轉化率高、氧耗低、熱利用率高、環境友好等優點。

煤制油SHELL氣化爐設計負荷為2200t/d，2008年投產運行，初始運轉期間氣化裝置遭遇較多難題，如氣化爐出口溫度高、濾芯斷裂頻繁、管線腐蝕泄漏等，經過大量的技術改造及長時間的操作經驗摸索積累，逐漸攻克難題，運行時間大大提高。隨著SHELL氣化爐運行周期增加，氣化爐堵渣造成停車次數增多。煤氣化系統堵渣發生在渣口、渣池及渣排放罐。渣口堵渣最為關鍵，處理復雜，并有系統停車及損壞設備風險。

1 氣化爐液態渣流動過程

粉煤和氧氣通過燒嘴進入氣化爐，生成溫度為1500～1700℃的合成氣和爐渣、爐灰。煤燒嘴與氣化爐并不是垂直安裝，而是略有角度。合成氣在氣化爐內形成旋轉氣流，爐渣在離心力作用下甩至水冷壁。爐渣在與水冷壁接觸時，最先靠近的部分因溫度低而固化，附在水冷壁上形成一個動態的殼層。隨后靠近的爐渣因溫度高而呈液態，液態渣附在固態渣殼表面，在重力作用下往下流，通過渣口流至氣化爐底部的渣池，被激冷水淬激成細小的顆粒排出爐體。渣口大小為900mm，流下的熔融渣在渣口上部溫度降低，粘性增大。當氣化爐溫度異常造成爐溫降低或波動時，熔渣在渣口上部堆積，渣口慢慢變小，造成氣化爐堵渣。影響渣口堵渣有多方面因素，本文從氣化爐原料變化、工藝運行、設備原因三方面對渣口堵渣原因進行全面分析。

2 氣化爐渣口堵渣原因分析

2.1 氣化爐原料變化引起堵渣

SHELL氣化爐進料為煤粉和氧氣/蒸汽，氧氣流量及純度非常穩定，變化很小，煤粉流量受意外因素影響產生波動，對氣化爐爐溫有較大影響。由于煤層變化、配煤變化等原因，煤粉的熔融溫度、灰份、氧化物、硫化物等發生變化，導致進爐煤粉煤質發生變化，氣化爐爐溫波動，引起氣化爐中渣層發生變化，低溫下渣口渣層變厚，渣口流動直徑變小，引起系統堵渣。

2.1.1 煤灰熔融溫度變化引起堵渣

SHELL煤氣化工藝采用以渣抗渣的流程，高溫下熔渣的流動性是保證裝置正常運行的必要條件。為保證熔渣的流動性，氣化爐必須保持適當的高于煤中灰的高溫熔融溫度。煤中煤灰組分、反應氣氛、礦物質、粒度等均對煤灰熔融溫度有較大影響。無論是原料煤煤層變化還是煤的來源改變導致煤質變化較大時，煤灰的熔融溫度發生較大變化，造成氣化爐膜式水冷壁上渣層厚度變化，氣化爐工況發生波動。由于煤質分析具有滯后性，因此當煤質發生大的波動，而操作人員未及時調整操作，系統就會很容易造成堵渣。

2.1.2 煤灰的黏溫特性變化引起堵渣

對于不同的煤灰，在高溫下其黏溫特性差異很大。有的煤灰樣品在氣化爐操作溫度變化范圍內黏度變化不大，即對應的氣化操作溫度范圍寬，當操作溫度偏離最佳值時，也對氣化運行影響不大，有的煤灰當溫度稍有變化時，其煤灰在高溫下的黏度變化比較劇烈，在實際操作中應特別注意煤灰在高溫下，結渣導致排渣不暢而發生堵塞現象。因氣流床氣化爐采用液態排渣，一般最佳黏度控制在5～25Pa·s之間，這決定了氣化爐的操作窗口。

硅鋁比能夠影響氣化爐操作窗口，當硅鋁比小于1.8時，氣化爐的操作窗口變小，氣化爐操作溫度被限制在較小范圍內，溫度稍高或稍低都會引起氣化爐內渣的流動性，增加了跨渣的可能性。

2.1.3 煤中部分元素含量的變化引起堵渣

單質鐵的晶化析出會造成渣塊密度增大，硬度增大。煤中鐵含量增加會引起單質鐵的析出，形成鐵的化合物從而造成大渣塊的形成。

正常操作時，渣池溫度約為450℃。當煤中硫含量增加，合成氣中FeS增加，FeS顆粒是渣碳化的催化劑，周圍的灰渣開始聚集，并形成大渣塊。

2.2 工藝運行波動引起堵渣

穩定的工藝運行能夠保證氣化爐運行穩定，然而由于煤粉的固有特性、煤粉角閥調節遲緩及其它意外因素，在輸送過程和負荷調節過程中，煤線總會產生波動，煤量發生偏差，從而引起氣化爐爐溫波動，嚴重的情況下會引起渣口堵渣。

2.2.1 煤線不穩定引起堵渣

煤粉經過煤粉加壓罐，進入兩個煤粉給料倉，每個煤粉給料倉對應兩條煤線，煤線通過煤倉與氣化爐壓力差與加速氮氣控制煤粉速度。在煤粉輸送過程中，由于間斷送料，導致在煤粉下料及隔離時煤粉給料倉總會產生壓力波動導致煤粉線流量發生變化。在下面兩種情況下，煤線波動會變得更大，一是因為通氣錐設備損壞、煤粉水份超標或充壓閥門關閉不嚴等原因，煤粉下料系列容易產生架橋，處理架橋的過程中，煤粉輸送系統壓力波動變大，煤線運行穩定性較差。二是在系統運行時，煤線經常因煤閥有異物堵塞而發生波動，尤其是當煤閥因異物開度較大，煤線會發生較大波動。

為保護燒嘴頭，煤線設有多個跳車聯鎖，防止燒嘴頭被燒壞。正常運行時，經常發生因閥門關閉、異物堵塞嚴重、煤線波動太大、儀表問題等跳燒嘴的情況。單條煤線跳車后，為保持系統負荷，其它煤線發生變化，系統內隨之波動，氣化爐內溫度及氣流流動發生較大變化。

煤線的穩定性決定了氧煤比的穩定性。如果煤線不穩，氧煤比波動較大，氣化爐內溫度波動發生不斷的變化，當煤粉的質量流量波動在10%～15%內，氧煤比變化達11%～30%，氣化爐內溫度波動在200℃左右。氣化爐內溫度發生較大的變化，渣層隨之發生變化。隨溫度降低，渣層增厚。當煤線波動時，氣化爐內形成不均勻的渣層，爐溫也會發生較大波動，氣化爐內因此產生較大的渣塊。

2.2.2 負荷頻繁調整引起堵渣

SHELL氣化爐以氧氣流量為裝置負荷，煤線隨負荷與氧煤比調整。由于煤閥調整不能跟隨氧氣負荷及時快速的變化，有一定的滯后性，因此當負荷調整時，煤粉流量緩慢調整，造成實際氧煤比發生變化，氣化爐內溫度也隨之變化，氣化爐膜式水冷壁上渣層發生變化。鄂爾多斯煤制油公司煤制氫裝置為其它裝置供應氫氣，負荷調整受到全廠負荷及其它裝置的影響，需要經常進行調整，造成氣化爐中渣層不斷變化，如果調節不及時，很容易發生堵渣現象。

2.3 設備原因造成堵渣

裝置運行一段時間后，通過參數變化趨勢能夠發現燒嘴頭或燒嘴罩是否發生泄漏。一旦泄漏發生，就會影響氣化爐的正常運行，尤其是泄漏嚴重的情況下，在泄漏區域附近溫度較低，渣層變厚，當達到一定厚度后，渣層脫落，系統出現堵渣現象，如調整操作不及時甚至會系統停車。

2.3.1 燒嘴頭泄漏

煤粉從煤燒嘴中間圓形管道噴入，煤粉管道外環為氧氣管道。為保護氣化爐燒嘴頭，防止高溫損壞，燒嘴環隙內通入調和水進行冷卻。調和水通過調和水泵進行循環，為防止調和水系統內水量降低，導致循環量減少，調和水系統建立調和水罐補充調和水，液位降低后由高壓除氧水補償。

每次系統停車后，對氣化爐進行檢查，經常發現燒嘴頭存在泄漏問題。泄漏多出現在燒嘴頭部，有時出現在倒角處環隙。

燒嘴頭泄漏的主要原因大致有三個方面：

(1)煤線不穩定、不均衡

由于通氣錐燒結金屬損壞，煤線速度及密度會不穩定，造成煤線波動，而煤閥內有異物也會造成煤線流量不穩定。煤線不穩會造成燒嘴頭部受熱不均，從而影響燒嘴頭部，產生燒嘴頭裂紋。

每條煤線煤量為計算值，每條煤線均需進行公式進行修改以保證每條煤燒嘴煤量一致，由于每條煤線的速度計、密度計及公式有一定的偏差，當偏差較大時，四條煤燒嘴的實際氧煤比會發生變化，高氧煤比的煤燒嘴收到熱量輻射較大，因此容易產生燒嘴頭泄漏。

(2)調和水波動

調和水溫度保持在210℃，溫度太低，容易產生硫腐蝕。溫度波動時會對燒嘴頭材料造成損壞。調和水必須保證足夠流速以帶走燒嘴頭部的熱量。

(3)火焰回火

氣化爐運行不穩定，煤粉灰份增大，渣量較大時，渣漫過燒嘴罩，造成燒嘴噴出火焰回火，燒嘴頭受到影響。

2.3.2 燒嘴罩泄漏

燒嘴罩安裝在膜式水冷壁煤燒嘴頭處，保護煤燒嘴，避免噴出的火焰被流下的渣影響，同時減少燒嘴頭的輻射熱。燒嘴罩凸出在膜式水冷壁，渣從其兩側流下。在系統長時間運行停車檢修后，在每次進入氣化爐檢查時，都能發現燒嘴罩泄漏。

燒嘴罩泄露多發生在第三、四圈，燒嘴罩泄漏的原因很多，主要原因為：

(1)燒嘴罩管路堵塞

SHELL氣化爐水冷壁在設計上采用拉蒙特管保護形式，由于水質等問題，管路流量降低，氣化爐內溫度較高，造成燒嘴罩爆管。

(2)燒嘴罩掛渣

由于煤燒嘴有一定的偏斜角度，煤粉與氧氣進入氣化爐燃燒室內會形成旋轉流場。煤粉燃燒后生成的渣在流場的作用下附在燃燒室內表面，起保護水冷壁的作用。如果流場發生了變化，就會影響到掛渣效果，還會導致渣流入燒嘴罩內壁，出現折射火焰，從而燒穿燒嘴罩。

(3)煤線穩定性及均衡性

煤線不穩、不均衡不僅對燒嘴頭造成很大影響，對燒嘴罩影響同樣很大。煤線不穩定會使燒嘴罩附近溫度發生不斷的變化，造成材料的退化。無論煤線波動或煤線煤量不均衡，均會引起高氧煤比，導致燒嘴罩溫度過高，出現高溫腐蝕穿孔或熱裂紋。

(4)燒嘴安裝問題

煤燒嘴安裝時，首先要保證插入深度，然后確保安裝角度。方可避免發生偏燒，防止燒壞燒嘴罩。

3 避免堵渣采取措施

氣化爐內溫度、氣流流動方向、渣的熔融性、黏性是不停變化的，同時設備因為安裝、煤質、水質、腐蝕等原因發生泄漏，這些因素會導致氣化爐內發生巨大變化。通過負荷速率降低及固定各煤線負荷，能夠有效降低負荷變化引起的波動。煤線的穩定、均衡運行不僅能夠保障氣化爐穩定運行，同時能夠有效保護燒嘴頭、燒嘴罩，避免發生泄漏導致氣化爐渣口堵渣。在氣化爐穩定運行的基礎上，通過采取避免煤質波動、保證煤線穩定運行、燒嘴頭與燒嘴罩改進等措施，能夠有效避免氣化爐渣口堵渣。

3.1 采取措施避免煤質波動造成系統堵渣

鄂爾多斯煤制油分公司煤氣化裝置進煤采用配煤方式，由低灰分的上灣煤與高灰硫的烏海煤通過一定的比例配比而成。上灣煤煤質比較穩定，烏海煤波動大些，同時配煤時比例會發生一定的變化，導致煤的灰份及流動溫度發生一定的波動。通過配煤，氣化爐進料高溫熔融性控制在1300℃左右，避免氣化爐內熔融渣流動性發生大的變化，形成大渣塊。

煤質發生變化時，需及時調整操作避免系統造成堵渣，同時調節配煤比例，盡量降低煤質波動引起的影響。煤粉分析為一班一次，當煤質變化時，為及時了解煤質的變化，可加大取樣頻次，將煤質變化影響消除到最小程度。

3.2 保證煤線良好運行

煤線運行過程中不穩定因素主要是：輸送過程中煤粉架橋及下料造成的煤線波動，煤粉輸送作為固體密相輸送時本身存在波動。通過煤粉架橋順控修改，將原先的帶壓下壓變為吹掃旁路線，能夠有效降低架橋引起的壓力波動，通過煤粉下料罐壓力調節閥進行及時的前饋，及時對調節閥進行預設閥位，可以有效降低在下料及隔離時造成的煤粉罐的壓力波動。通過伴熱升級改造、穩定氮氣管網壓力、調節適當錐部氮氣與加速氮氣速度能夠有效降低固體密相輸送時發生的煤粉流量波動。

開工前進行良好的煤粉循環，不僅能夠調節速度計、密度計，保證煤線穩定運行，同時修正煤線公式，保障每條煤線均衡一致，避免運行時各條煤線時間氧煤比不一致引起燒嘴頭、燒嘴罩損壞。

3.3 燒嘴頭改進

燒嘴頭的使用壽命與多種因素相關，調和水溫度、壓力、水質、流速對燒嘴頭部降溫，防止損壞起到巨大作用，同時燒嘴頭需精心安裝，嚴格按照規定進行工作。

對燒嘴的金屬材料進行分析后，發現原有設計中選用材料屬于最優系列，不用改變現有材料牌號，但對燒嘴頭的結構可以適當優化，將會有助于延長燒嘴頭的使用時間。從大量現場資料看，煤燒嘴泄漏多發生在環向壁厚過渡位置，此處壁厚發生了變化，必然存在一定的應力集中。在不影響安裝尺寸及燒嘴頭部冷卻水的流道情況下，對過度部分進行調整，由原來的無過度圓角改為圓滑過渡。

3.4 更換適合的燒嘴罩

氣化爐燒嘴罩發展到現代已有三代，主要區別為壁厚及燒嘴罩的插入深度。第一代燒嘴罩損壞比較頻繁，主要原因是燒嘴罩擋渣能力不夠。第二代燒嘴罩插入氣化爐深度增加，減輕了渣流入燒嘴罩的可能性，頂部溝槽有效的將流渣導向兩側，壁厚減小可以降低管壁的溫度梯度，有更好的抗疲勞能力。第三代燒嘴罩降低外圈沒有渣覆蓋的管子的腐蝕，不需要更換整個燒嘴罩。根據不同的煤種與工況選擇合適的燒嘴罩，能夠有效的延長燒嘴罩使用時間。

4 結論

(1)煤質變化、工藝運行不穩定、設備損壞均是氣化爐渣口堵渣的因素之一，多數情況下各種因素同時作用引起堵渣。

(2)煤粉輸送過程的穩定性及煤線煤量的均衡性對于氣化爐穩定運行非常重要。修改煤粉輸送架橋順控及增加煤粉倉壓力調節閥門反饋可以消除煤粉輸送過程中的大部分干擾因素。煤線不均衡是燒嘴頭、燒嘴罩泄漏的主要原因，開工前必須對煤線進行煤粉循環，以保證煤線的穩定性與均衡性。

(3)氣化爐液態渣流動方式對氣化爐爐溫控制要求較高，當煤質變化、運行不穩定、設備內漏時，需要及時調整氣化爐爐溫，以保證液態渣處于正常流動狀態，避免氣化爐渣口堵渣。