Shell氣化爐異常工況分析及處理

高 亭

（河南能源化工集團鶴壁煤化工有限公司，河南鶴壁 458000）

0 引 言

河南能源化工集團鶴壁煤化工有限公司（簡稱鶴壁煤化）600kt／a甲醇項目氣化裝置采用荷蘭殼牌 （Shell）干煤粉加壓氣化工藝（SCGP），屬氣流床氣化技術，具有鮮明的技術特色，是當今世界上先進的第二代干煤粉氣化工藝。鶴壁煤化Shell氣化裝置由荷蘭殼牌公司提供基礎工藝包，中國五環工程有限公司進行詳細設計，中國化學工程第十一建設有限公司施工建設，設計投煤量2850t／d，為目前國內單臺投煤量最大的Shell氣化爐，規模經濟效益比較明顯。氣化裝置于2013年投產，2016年實現CO2工況（即煤粉輸送載氣為CO2，可減少惰性氣放空夾帶，相較于N2工況能耗更低）下的滿負荷運行，2018年實現了達標達產甚至超產，2017年、2018年、2019年每年累計運行時間均超過300d，獲得Shell公司評選的效能最佳運行獎。

氣化爐為煤化工裝置中的核心設備。Shell氣化爐反應溫度較高，不挑煤種，煤利用率較高，環保性能較優，但由于其氣化反應劇烈，因而對設備參數要求苛刻；而且，由于固體物料輸送和反應的特殊性，氣化爐內由于物料磨損和高溫老化易出現膜式壁及相關換熱設備的泄漏，一旦泄漏，爐內反應條件會發生變化，對工藝上造成較大的影響。近期鶴壁煤化Shell氣化裝置出現了一系列工況異常現象，最為明顯的是氣化外排廢水的氨氮含量偏高，給污水處理系統造成較大的環保壓力。分析工況異常現象，推斷為氣化爐內水汽系統泄漏所致，之后通過及時對工藝進行微調細調實現了氣化裝置的安全穩定運行及按計劃停車檢修消缺，以下就有關情況作一簡介。

1 Shell氣化爐工況異常現象及原因分析

隨著鶴壁煤化氣化裝置的長周期運行，Shell氣化爐內靜設備不可避免地出現了各種問題，大部分為內件泄漏問題，主要集中在水汽系統，且每次泄漏發生的位置都不一樣。就近期來說，氣化裝置于2020年12月10完成大修，一次性點火成功并打通甲醇生產全流程，隨即提升至滿負荷運行，但由于氣化爐水汽系統泄漏（經評估，少量水漏至合成氣系統為可控工況，在保障安全的前提下氣化爐可低負荷觀察運行），氣化爐出現了一系列工況異常現象，使得本次氣化爐運行周期較短，2021年3月10日計劃停車檢修。從Shell氣化裝置本輪生產期的運行情況來看，初期各項工藝參數都比較正常，但隨著運行時間的延長，出現了如下幾方面的異常。

1.1 氣化爐爐膛蒸汽小室產汽量逐漸降低

Shell氣化爐爐膛蒸汽小室產汽量逐漸降低，由開車初期的5.2kg／s逐漸降至1.4kg／s，其變化過程如下：2020年12月10—25日，產汽量在5.2kg／s左右波動；2020年12月25日—2021年1月18日，產汽量由5.2kg／s降至4.0 kg／s；2021年1月18—29日，產汽量由4.0kg／s降至1.4kg／s；2021年1月29日—3月10日，產汽量維持在1.4kg／s。

Shell氣化爐運行管理技術人員都清楚，蒸汽小室的產汽量是氣化爐運行的重要參數，其能直接反映氣化爐運行工況的好壞，產汽所需熱量由氣化爐激冷口以前換熱設備換熱所得，包括由燒嘴罩、渣裙及擋渣坪等換熱設備移出的熱量。此路蒸汽產量降低，可能的原因有兩個：一是氣化爐入爐煤灰熔點較高，而石灰石（助熔劑）調節未與煤進行匹配，造成煤的流動溫度過高，爐內渣流動性不好造成渣層較厚，影響換熱，且渣層過厚還存在垮渣的風險，有安全隱患，不利于氣化爐的長周期運行；二是蒸汽小室換熱設備局部出現泄漏，造成鍋爐水泄漏至爐膛內部而未將熱量帶至小室，導致蒸汽小室產汽量過低。

為此，進行了一段時間的摸索，調整入爐煤煤質和石灰石添加量，借以調整爐內渣層厚度，但蒸汽小室的產汽量一直無法提升（蒸汽產量逐漸降低），后一直穩定在較低值（1.4kg／s），故認為蒸汽小室產汽量逐漸降低的原因應該是換熱設備出現了泄漏。為避免爐水泄漏對爐膛及排渣系統的運行產生不利影響，隨即在正常范圍內略微上調了氣化爐的操作溫度。

1.2 氣化爐出口粗煤氣成分發生變化

在蒸汽小室產汽量逐漸降低的過程中，對氣化爐出口粗煤氣成分進行跟蹤分析，發現氣化爐出口粗煤氣中CO2含量總體呈逐漸上漲趨勢：2020年12月10—22日，CO2含量在8.0% ～10.0% （體積分數，下同）之間波動；2020年12月22日—2021年1月24日，CO2含量在8.0%～9.0%之間波動；2021年1月24日—2月10日，CO2含量逐漸上漲至15.0%；2021年2月10日—3月10日，CO2含量維持在15.0%。可以看出，氣化爐出口粗煤氣中的CO2含量存有一個穩定期——穩定在8.0% ～10.0%，隨氣化爐氧煤比的變化，爐內氣體成分有少許的變化，這屬于正常現象；但隨著時間的推移，CO2含量逐步上漲至另一個穩定值——15.0%，而此過程中氣化爐氧煤比基本上維持在一個穩定的范圍內，表明氣化爐內發生了一定的變換反應，造成粗煤氣中CO2含量明顯上漲。

Shell氣化爐原設計采用的氣化劑包括氧氣和蒸汽，但鶴壁煤化在實踐中發現，現有原料煤（煤種）氣化，不添加蒸汽也可滿足生產所需，故本臺氣化爐一直未投用蒸汽，由此進一步驗證了氣化爐內發生變換反應所需的水（反應物之一）來自蒸汽小室換熱設備泄漏出的鍋爐水。

因氣化爐內發生了部分變換反應，氣化爐出口粗煤氣中CO含量有所降低、H2含量有所上升，為保證甲醇合成系統所需的正常的氫碳比，下游系統主要表征為變換反應深度降低、蒸汽耗量減少，這在一定程度上可減輕變換系統的壓力，總體而言下游系統運行比較正常。

1.3 氣化外排廢水氨氮含量明顯上漲

Shell氣化爐在這3個月的運行周期中，外排至污水處理系統的氣化廢水氨氮含量變化較大，由低于100mg／L逐漸漲至低于300mg／L，甲醇裝置變換系統不產生氨氮類物質，廢水中的氨氮基本上全為氣化系統夾帶而來，而甲醇變換系統所排放的工藝冷凝液中氨氮含量也達3000 mg／L（指標為低于800mg／L），導致污水處理難度逐漸增大，給鶴壁煤化污水處理系統造成較大的環保壓力。經分析，原因如下：①氣化爐內水汽系統的泄漏造成爐內局部區域溫度降低，局部低溫造成煤中揮發分未完全分解，其中部分氨氮化合物隨粗煤氣后移，影響系統氨氮總產生量；②水汽系統所漏的鍋爐水與CO發生了變換反應，粗煤氣中H2含量較以往高約5%，在氣化爐內溫度高于1350℃的環境下，富氫粗煤氣中發生了一定的氨合成反應。

正常生產中，要求氣化裝置外排廢水COD＜200mg／L、氨氮含量＜100mg／L。自氣化爐內出現漏點以來，外排廢水中COD基本平穩，氨氮含量卻逐漸上升，由2021年1月中旬時的80 mg／L漲至3月上旬停車前的240～270mg／L。此種情況下，鶴壁煤化對污水生化處理系統進行了優化調整，適當延長處理時間，并采取了補充生化處理細菌、增加生化反應強度、投用高效處理藥劑等措施，保障了總外排水指標在正常范圍內，但污水處理系統的運行成本有所增高。

1.4 洗滌塔出口粗煤氣溫度過高

從外送粗煤氣溫度來看，雖氣化爐蒸汽過熱段溫度無明顯升高，一直維持在350℃左右，但原有洗滌水量已無法控制洗滌塔出口粗煤氣的溫度，其溫度由168℃逐漸上漲至185℃。經分析，雖洗滌塔進氣溫度上漲不多，但因鍋爐水泄漏，煤氣中夾帶大量過熱蒸汽（含有大量的潛熱），進而造成洗滌塔出口粗煤氣溫度過高。

1.5 過熱蒸汽溫度波動

輸氣段廢熱鍋爐整體上各溫度點溫度均有不同程度的上漲，為穩定氣化爐運行，延長其運行周期，通過調整工況，控制輸氣段廢熱鍋爐和蒸汽換熱器溫度（將其穩定在合理區間），過熱蒸汽溫度趨于穩定。輸氣段廢熱鍋爐前期產生的過熱蒸汽溫度由365℃左右降至356℃左右，通過調整原料煤配比及優化調控爐溫，此過熱蒸汽溫度穩定在360℃以上。

1.6 除渣單元下渣量及灰渣殘炭增高

除渣單元下渣量明顯偏多；現場通過撈渣機看到，煤泥也較之前明顯增多；之前渣殘炭大部分時候在1%之內（有時檢測不到），本輪生產期工況出現波動之后，大部分時候渣殘炭在4%～5%，甚至偶爾檢測到渣殘炭在10%以上，也反映出有關問題。

1.7 凈化收灰單元收灰量偏少

凈化收灰單元收灰時間為10800s，收灰計時完成后，灰鎖斗泄壓，向后系統排灰，排灰完成后鎖斗充壓，進行下一輪收灰。本輪生產期工況出現異常后，每輪收灰量較之前明顯減少，由20t左右降至15t左右；由于粗煤氣含水量較正常工況高，飛灰過濾器濾棒壓差由12kPa緩慢漲至18kPa（此壓差尚在設計范圍之內）。

1.8 氣化爐整體壓差有所上漲

由于粗煤氣中水汽含量較高，造成灰黏著性較強，較以往以更快的速度粘在了氣化爐激冷段以后換熱設備上，造成爐內盤管和十字架積灰過多，本輪生產期內，氣化爐整體壓差有所上漲，由11kPa漲至15kPa（在可承受范圍之內）。

本輪生產期，由于儀表閥門故障，期間氣化裝置有過一次18h的短停，后于2021年1月21日凌晨點火成功，之后負荷逐漸提升至100%，氣化爐B級運行共計90d；其中，2021年1月25日前后，通過對各有關工藝參數的對比，判斷氣化爐內水汽系統漏量變大，為穩定氣化爐渣口壓差，同時兼顧避免十字架積灰，經分析與討論，氣化爐操作溫度提升5℃，調節目標以保障下渣穩定為主，通過生產管理及技術人員的精心摸索和操作人員的認真維護，并對配煤比例的微調細調以及對石灰石添加量的精細化管控，氣化爐運行穩定，出渣正常，且破渣系統沒有較大的波動，在保障安全的前提下實現了計劃停車。

2 氣化爐水汽系統檢修消缺情況

針對Shell氣化爐的運行工況，確認氣化爐內水汽系統泄漏后，經分析和研判，及時對系統進行了停車檢查：查漏過程中發現4＃燒嘴燒嘴罩第六、第七道管存在4處黃豆般大小的漏點，燒嘴頭有一處較大漏點（約1cm2），燒嘴罩和燒嘴頭漏點相互對應，認為泄漏過程中可能存在互相影響，如燒嘴頭先發生泄漏，沖擊燒嘴罩造成對應位置發生泄漏；充壓檢查，氣化爐水汽系統不存在其他漏點。之后，開展了8d（2021年3月11—17日）的檢修消缺工作，對4＃燒嘴頭和燒嘴罩一并進行了更換，對4＃燒嘴上方膜式水冷壁部分受損減薄區域進行植釘及澆筑耐火涂料，并對整個氣化爐進行檢查清灰，未發現其他問題。綜合分析運行與檢修過程，此次水汽系統的泄漏對工藝上造成了較為明顯的影響。

3 氣化裝置重啟后的運行情況

經過8d的檢修消缺后，2021年3月18日氣化裝置順利重啟，迄今運行已近3個月，從目前監控到的各運行參數和分析數據來看，氣化爐現階段運行非常正常，氣化爐各溫度及運行指標正常，輸氣段廢熱鍋爐運行正常，過熱蒸汽溫度在365℃以上，系統整體壓差較低，灰渣質量穩定且渣中殘炭在1%以內，氣化外排廢水各項指標也逐步恢復至正常水平且很穩定（見表1）。總體而言，氣化裝置運行情況較優，這也表明本次檢修取得了圓滿成功。

表1 檢修前后氣化外排廢水部分指標（均值） mg／L

4 結束語

本次Shell氣化爐內水汽系統泄漏后，通過緊盯工藝參數，及時發現各指標的變化，及時對工藝進行微調細調，通過精細化的管理實現了氣化裝置的安全穩定運行及按計劃停車；而且，通過本次檢修，積累了生產運行維護經驗，利于實現后續生產中類似問題的可防可控。此外，總結本次泄漏事故的經驗教訓，積極進行技術改造，在后續的技術管理中，就如何盡量避免Shell氣化爐水汽系統泄漏問題的出現及降低泄漏造成的影響，控制粗煤氣出界區溫度，同時保證污水處理系統的安全穩定運行，將是今后生產管理中持續攻關與提升的方向之一。