殼牌氣化爐合成氣冷卻器結垢分析

魏路喬

摘 要：近年來，隨著現代化建設的發展，我國的科技發展也日新月異。殼牌粉煤加壓氣化爐具有單臺投煤量大，環境友好，碳轉化率高，煤種適用廣泛等優勢，備受國內煤化工行業，發電行業推崇。隨著各個項目運行經驗逐漸豐富，尤其掌握了配煤技術和苛刻的對煤種種穩定性要求，克服了燒嘴罩頻繁泄露，飛灰過濾器濾芯損壞，合成氣冷卻器入口積灰，氣化爐反應室堵渣等問題，連續運行百天，年累計運行三百天以上已達到常態化。目前看來，合成冷卻器結垢問題越來越突出，成為制約裝置穩定，高負荷運行的最大制約因素。從目前國內Shell氣化爐運行情況來看，合成氣冷卻器積灰問題已經在神華、柳州、安慶、洞氮、大同等多個廠家中出現。

關鍵詞：殼牌氣化爐;合成氣冷卻器;結垢分析

煤氣化技術是現代煤化工發展的關鍵技術、龍頭技術，其工藝一般包括原料單元、氣化單元、合成氣凈化及渣水處理單元，其中，合成氣初步凈化單元主要功能為除去合成氣中的灰分，以滿足下游系統的工藝需求，因為若粗煤氣含灰量過高，細灰吸附于下游CO變換催化劑表面，易造成催化劑活性下降、失活。煤氣化裝置在工業運行中易出現洗滌塔出口合成氣帶水帶灰、洗滌塔結垢、黑水管線堵塞、合成氣含灰量增加等問題，煤氣化用戶及研究者針對不同問題采取了諸多改進措施并申請了相關專利，促進了煤氣化合成氣初步凈化系統的優化升級。

1 概述

煤炭中鉀鈉含量的升高，使飛灰的固化困難，增加飛灰的粘度。結垢機理：熱的飛灰顆粒因為固化不夠，粘度增加，粘結在合成氣冷卻器換熱管外壁上，導致換熱效果變差。垢層表面溫度進一步升高，更多粘的飛灰將堆積在此，結垢層進一步增加。煤粉和氧氣進入氣化爐反應室后發生轉化和氧化反應，生成CO、H2并放出大量顯熱，出氣化爐反應室的合成氣溫度在1500℃左右，在激冷段與激冷氣壓縮機K-1301來的200℃的合成氣1.03：1混合，溫度降低至900℃左右，并通過傳輸段、返回室后進入合成氣冷卻器。合成氣冷卻器內部為8圈的盤管換熱器，中心處為直徑96cm的托盤，有利于分散合成氣全部通過盤管換熱。在合成氣冷卻器處，合成氣通道有效通過面積減小，如果飛灰粘性較高，易附著于盤管換熱器表面和中心托盤之上，飛灰粘性持續高狀態，則飛灰形成層層累積，加之原料煤煤質的變化，形成年輪狀積灰，長時間之后造成合成氣冷卻器換熱效果變差。

2 煤氣化爐分類

煤氣化爐的分類，也是煤炭氣化技術的分類，一般按氣化爐的化學工程特征和反應器形式進行分類。氣化爐的形式在很大程度上影響煤炭的轉化效率和產品的制造成本，采用高效、低耗、低污染的煤氣化工藝（技術）是發展煤化工的重要前提，其中氣化爐便是工藝的核心，可以說氣化工藝的發展是隨著氣化爐的發展而發展的，為了提高煤氣化的氣化率和氣化爐氣化強度，改善環境，新一代煤氣化技術的開發總的方向：①氣化壓力由常壓向中高壓（8.5MPa）發展;②氣化溫度向高溫（1500～1600℃）發展;③氣化原料向多樣化發展;④固態排渣向液態排渣發展。當前煤氣化爐主要有3種類型：固定床、流化床、氣流床。

2.1 固定床氣化爐

固定床氣化也稱移動床氣化。固定床一般以塊煤或焦煤為原料。煤由氣化爐頂加入，氣化劑由爐底加入。流動氣體的上升力不致使固體顆粒的相對位置發生變化，即固體顆粒處于相對固定狀態，床層高度亦基本保持不變，因而稱為固定床氣化。另外，從宏觀角度看，由于煤從爐頂加入，含有殘炭的爐渣自爐底排出，氣化過程中，煤粒在氣化爐內緩慢往下移動，因而又稱為移動床氣化。固定床氣化的特性是簡單、可靠。固定床氣化爐常見有間歇式氣化爐（UGI）和連續式氣化（魯奇Lurgi）爐2種。閃歇式氣爐用于生產合成氣時采用無煙煤或焦炭為原料，以降低合成氣中甲烷含量，由于能耗和排放指標等因素，此類爐型逐步淘汰;固定床連續式氣化爐，20世紀80年代魯奇公司和英國煤氣公司對其改進開發了液體排渣氣化爐（BGL），該爐型特點是氣化溫度較高，灰渣成熔融態排出，合成氣質量較好，能形成多種中間產品，目前以褐煤為原料的裝置較多采用此種爐型。

2.2 流化床氣化爐

流化床氣化爐常見有溫克勒（Winkler）、灰熔聚（U-Gas）、循環流化床（CFB）、加壓流化床（PFB是PFBC的氣化部分）等爐型。循環流化床氣化爐（CFB）使用水蒸氣和氧氣作氣化劑，氣化比較完全，氣化強度是移動床的2倍，爐底排渣中含碳2%～3%，氣化原料循環過程中返回氣化爐內的循環物料是新加入原料的40倍。CFB氣化爐基本是常壓操作。灰熔聚煤氣化爐以小于6mm粒徑的干粉煤為原料，用空氣或富氧、水蒸氣作氣化劑，粉煤和氣化劑從氣化爐底部連續加入，在爐內（1050～1100℃）的高溫下進行快速氣化反應，被粗煤氣夾帶的未完全反應的殘炭和飛灰，經兩級旋風分離器回收，再返回爐內進行氣化，從而提高了碳轉化率，使灰中含碳量降低到10%以下，排灰系統簡單。

2.3 氣流床氣化爐

氣流床氣化爐是一種并流式氣化。從原料形態分有水煤漿、干煤粉2類，Texaco、多元料漿、殼牌、科林、航天爐、五環爐等具有代表性。前者是先將煤粉制成煤漿，用泵送入氣化爐，氣化溫度1350～1400℃;后者是氣化劑將煤粉夾帶入氣化爐，在1500～1600℃高溫下氣化，爐渣經水淬以熔渣形式排出。煤粉隨氣流的運動，未反應的氣化劑、熱解揮發物及燃燒產物裹夾著煤粉高速運動，運動過程中進行著煤粉顆粒的氣化反應。這種運動狀態，相當于流化技術領域里對固體顆粒的“氣流輸送”，習慣上稱為氣流床氣化。

3 設備管理

氣化廠的設備管理包括以下兩個方面，設備的維護、設備的點檢定修。設備的維護最主要的方面就是潤滑管理。氣化廠在以往運行經驗的基礎上，提出了“合理潤滑，創造效益”這個理念，使氣化廠所有職工思想認識提高了一個層面。首先，每周三定為潤滑日，保證所有動設備油質油位。另外使用科學的維護手段，最明顯的例子是螺旋輸送機的維護，以前螺旋輸送機加油，采取的是黃油槍，手動往里壓二硫化鉬，費時費力，并且效果不明顯，二硫化鉬加不進去，螺旋輸送機軸承運行效果壞，不超過三個月必須更換軸承，不然會出現雜音大。現在改用氣動加油，只要打開工廠風，就能把二硫化鉬壓進去，效果很好，螺旋輸送機由以前的一個星期加三次油，變為一個月加一次油，螺旋輸送機的軸承壽命也提高到5個月左右。設備管理是長周期運行的保證，沒有設備管理，長周期根本無從談起。我們對設備的管理，分為以下兩個方面，第一是設備點檢定修，然后是滾動的檢修計劃。首先把設備分為A級和B級，A級設備是對工況影響很大的，如果無備機，將會引起較大損失，B級設備對整個工況影響較小。對A級設備采取每周點檢兩次，主要檢查以下幾個方面：機封泄露情況，軸承箱的振值，軸承箱溫度，潤滑情況，以及電機軸承是否有雜音，上面的每個數據都要記錄在冊，在我們的點檢過程中，發現強制循環水泵的油經常變質，軸承箱振動大，通過召開專題會，我們判斷軸承質量沒有問題，因為這批軸承都是日機出品，在A泵上運行完全沒有問題，判斷出止推軸承預緊力太大，止推軸承長期處于受力狀態，磨損較快，所以釋放預緊力，解決了上述問題。另外就是滾動檢修計劃，在滾動檢修計劃中，要有A級設備軸承、密封的平均壽命，對目前設備的運行進行評估，做到預知檢修、計劃檢修。另外在滾動檢修計劃中，就是目前運行過程中，目前條件下無法解決，必須等到大修才能解決的問題，為了保證煤質的穩定，成立煤炭管理小組。實行動態配煤管理，建立煤質數據庫。根據數據庫建立了原料煤單獨采購質量標準，由水分、灰分、硫含量、灰熔點、灰中硅鋁比、堿酸比、灰中氧化鐵、氧化鈣8個項目構成，每個項目分為合格、讓步接收、拒收三檔。原料煤在煤礦、入場煤、待用混配煤堆、輸煤皮帶、磨煤機出口設立5個監控點，確保煤質穩定。通過以上措施，解決了堵渣和十字架積灰的問題。比如，在這次運行過程中發現，氣化爐出口溫度持續上升，但是合成氣冷卻器入口溫度變化不大，合成氣冷卻器進出口溫差縮小，以C段最為明顯，判斷出合成器冷卻器積灰，通過調整配煤，調整硅鋁比，提高灰熔點及其流動溫度，通過兩天的運行，上述工況好轉。

4 結語

氣化爐反應段進水或者燒嘴罩泄漏;會導致合成氣冷卻器結垢加劇。添加蒸汽的工廠，可采取少加或不加蒸汽的方式，改善合成氣冷卻器結垢情況。更換鉀鈉含量低的煤煤炭，可以緩解合成氣冷卻器結垢，建議鉀鈉低于1.5%。粗合成氣中的H/C比值升高，可判定氣化爐反應室泄露水。