GE水煤漿氣化裝置運行周期短原因分析及對策

何圣龍

（陜西長青能源化工有限公司，陜西鳳翔 721405）

0 引 言

陜西長青能源化工有限公司（簡稱長青能化）一期煤化工項目設計產能為600kt／a甲醇，其氣化裝置采用GE水煤漿加壓氣化工藝，分為煤漿制備、煤漿氣化及渣水處理3個工段［1］，配置3臺氣化爐（兩開一備），單臺氣化爐產干氣量119956.58m3／h。氣化裝置工藝流程為：水煤漿和氧氣經燒嘴噴入設計壓力6.5MPa、溫度1350℃的氣化爐內，發生部分氧化反應生成主要成分為（CO＋H2）的粗煤氣；反應生成的熔融性液態渣經冷卻、過濾等后送出界區；粗煤氣經激冷、洗滌后送入變換系統，粗煤氣洗滌過程中產生的廢水經閃蒸、沉降以及過濾等工序處理后循環利用，分離出的濾渣則經真空過濾機過濾后送出界區。

長青能化600kt／a甲醇項目自2013年5月投產以來，總體運行狀況較好，但其GE水煤漿氣化裝置一直存在著一些瓶頸問題，如原料煤煤質波動大、工藝燒嘴磨蝕、激冷室部件損壞、渣水系統管線沖刷泄漏等，導致系統運行周期短、檢修時間長及生產成本增高等。為此，技術人員理論聯系實際，分析癥結所在，經反復論證后，制定并實施了一系列優化改進措施，保證了系統的安全、穩定、長周期運行，有效提升了企業的經濟效益。

1 GE水煤漿氣化裝置運行中存在的問題

1.1 原料煤煤質波動大

原料煤煤質特性對氣化裝置運行狀況的影響非常大，水煤漿氣化工藝主要是通過原料煤的反應活性、成漿性以及灰熔融溫度來衡量原料煤的適用性。

研究表明，在相同的反應溫度下，煤的灰分越高，一方面燃燒產生的渣越多，高溫高壓環境下會加劇對耐火磚的沖蝕；另一方面會增加氧耗和煤耗（煤中灰分每增加1%，氧耗增加0.7%～0.8%，煤耗增加1.3% ～1.5%），使粗煤氣中的CO2增多、 （CO＋H2）減少，導致產品產量降低。GE氣化爐采用液態排渣方式，當氣化爐運行溫度高于原料煤灰熔點30～50℃時，才能保證液態渣具有良好的流動性。原料煤的灰熔點增高，一方面燃燒產生的液態渣流動性差，易堵塞氣化爐排渣口；另一方面會使得氣化爐的操作溫度提高，加劇灰渣對耐火磚的沖蝕，降低耐火磚的使用壽命。實踐表明，氣化爐運行溫度因煤灰熔點每提高50℃，耐火磚腐蝕率將增大1倍。原料煤內水含量決定著水煤漿的濃度，當內水含量增大時，一方面導致水煤漿含水量增大，氣化反應所需熱量增多，增加氧耗和煤耗；另一方面會使同體積水煤漿濃度降低，氣化反應生成的（CO＋H2）減少，降低氣化效率。

水煤漿濃度、渣流動性、設備運行率及工藝參數，主要取決于原料煤的灰分、灰熔點、內水含量、固定碳含量及硫含量等特性參數。長青能化對供應商所供原料煤煤質分析數據進行統計，發現GE氣化裝置所用原料煤的發熱量23～29 MJ／kg、灰分8%～16%、硫含量0.2%～1.4%、灰熔點（FT）1100～1400℃、全水含量8%～14%、內水含量＜5%、固定碳含量53% ～62%。簡言之，長青能化氣化原料煤品種多（供應商多）、煤質參差不齊，加之多煤種混燒配比波動大，導致粗煤氣中有效氣（CO＋H2）含量波動較大，多次出現耐火磚沖刷腐蝕嚴重、渣流動性差、氣化爐爐溫過高及水煤漿濃度低等問題，嚴重影響氣化裝置的穩定運行，增加裝置的運行成本。

1.2 工藝燒嘴損壞

長青能化GE水煤漿氣化爐采用的工藝燒嘴為三流道燒嘴，檢查發現燒嘴存在頭部水室端面燒穿及坑蝕、冷卻水盤管泄漏、法蘭密封槽泄漏等問題，每年被迫停車倒爐更換燒嘴高達12次，氣化爐運行周期平均為50～55d，與業內燒嘴平均使用壽命約80d相差甚遠。燒嘴運行過程中出現的問題主要表現在如下方面：一是煤漿噴頭磨損（因磨損噴頭由φ47mm增至φ58mm）、霧化效果變差等問題，導致粗煤氣組分波動大，有效氣（CO＋H2）產量降低；二是發生煤漿偏流現象，導致氣化爐爐壁局部溫度過高，加劇了耐火磚的沖蝕；三是燒嘴冷卻水盤管長期處于高溫高壓環境下，極易出現裂紋。以上種種問題使得工藝燒嘴的使用壽命縮短，使氣化裝置生產的安全性得不到保障。

1.3 激冷室部件損壞

目前長青能化3臺氣化爐（兩開一備）每年的平均檢維修次數約為12次，其中被迫停爐檢修率高達80%以上，且通常采取更換設備或修復的方式，檢維修費用高昂。除上述燒嘴使用壽命短外，還存在激冷環磨蝕和堵塞嚴重、上升管和下降管燒穿以及耐火磚大面積損壞破裂等問題。通常表現為，氣化爐錐底渣口磚長期受到高溫熔融態爐渣的沖刷磨蝕，使得爐渣不斷滲入侵蝕至錐底磚內部，在徑向和軸向應力不協調的情況下發生渣口磚脫落現象，導致激冷環暴露在高溫環境下與熔融態灰渣直接接觸而被磨蝕，進一步引發下降管熱沖刷磨蝕損壞現象。下降管損壞則會發生竄氣現象，導致氣化爐托板磚溫度升高；下降管水膜破碎，爐壁內易出現掛渣現象，導致系統排渣不暢，氣化爐激冷室液位波動大，從而引發系統降負荷甚至停車。

1.4 渣水系統管線及黑水角閥磨損泄漏

渣水系統主要是對黑水進行濃縮處理，并達到灰水再生、循環使用的目的。實際生產中，由于渣水系統介質具有多相混合且溫度高、灰渣含量高、顆粒硬度大及腐蝕性強等特點［2］，當氣、液、固三相流經閥門和管線時，易造成閥門和管線的沖蝕及氣蝕，從而形成漏點——多次出現黑水角閥緩沖罐底部泄漏和管線沖刷漏氣現象，不僅導致大量酸性氣和渣水泄漏，而且高頻次的維修（閥門同位置平均檢維修次數每年超過20次）大幅降低了黑水角閥的使用壽命，嚴重威脅系統的安全、穩定運行。長青能化為防止大量酸性氣及渣水泄漏（此種情況存在極大的安全隱患），一般采取氣化爐切氣泄壓后對泄漏部位隔離置換進行焊接，以及黑水角閥使用后期經常對其緩沖罐底部進行貼補的處理方式，但頻繁地切氣消漏不僅嚴重影響系統的穩定運行，而且會大幅增加裝置的運行成本。

2 原因分析及優化改進

2.1 源頭把控原料煤煤質

原料煤煤質波動大往往是水煤漿氣化裝置運行不穩定的根本原因。分析與研究原料煤的灰分、水分、灰熔點及粘溫特性、揮發分等對水煤漿氣化工藝的影響：粘溫特性是衡量液態渣流動特性的主要指標，粘度高熔融態灰渣流動性差，易造成渣口堵塞，粘度低會加劇對耐火磚的沖刷；原料煤揮發分高，有利于提高氣化反應速率；原料煤中硫含量較高時，會使氣化爐內金屬組織變得疏松多孔，且會發生反應生成Ni3S2，Ni3S2低熔點共晶物，呈薄膜狀分布于晶界，降低金屬的硬度，即原料煤中硫含量越高工藝燒嘴越易損壞。

結合水煤漿氣化裝置安全、穩定、經濟運行的需求，對氣化原料煤煤質分析數據進行分析與總結，長青能化設定原料煤煤質控制指標為：發熱量（收到基低位發熱量）≥25MJ／kg、灰分＜12%、硫含量≤1.0%、灰熔點（FT）≤1230℃、全水含量≤14%、內水含量＜5%、固定碳含量＞55%［3］。基于此，同時制定了以下改進措施：嚴格按照原料煤煤質控制指標進行采購，制定采購、制樣、化驗技術標準，不符合要求的煤炭一律采取予以退貨或降價讓步接收的處理方式，確保原料煤合格率≥90%；采用自動和人工取樣兩種煤炭質量檢驗手段，建立各煤炭供應商煤炭質量在線分析曲線30余條，保證人工與在線分析數據絕對誤差在±1%以內。

某一時間同一批次各供應商供貨的原料煤煤質分析數據如表1。可以看到，供應商4、供應商6、供應商8所供氣化原料煤不符合原料煤煤質控制指標要求，長青能化對供應商6的供貨采取了退貨處理，對供應商4和供應商8的供貨采取了降價的讓步接收方式。

表1 某一時間同一批次各供應商供貨的煤質分析數據

2.2 工藝燒嘴優化改進

工藝燒嘴長期處于高溫高壓環境中，當系統工況發生變化時，溫度變化幅度較大，此時容易引起材料的疲勞裂紋；當水煤漿流量減少或氧氣過量時，燒嘴頭部將出現氧化損壞；原料煤中含有大量硫元素時，燃燒生成物會腐蝕冷卻水盤管；當水煤漿中含有大量煤粉顆粒時，在一定流速下會對燒嘴噴頭內腔產生物理沖刷磨蝕，從而損壞工藝燒嘴［4］。

分析長青能化工藝燒嘴損壞的原因，主要為燒嘴各部位所用材料耐受性能限制所致。基于此，將燒嘴冷卻水盤管材質由Incone1600改為Incone1625，以提高盤管的耐硫腐蝕性能；針對燒嘴的物理沖刷磨蝕損壞，采取在燒嘴煤漿噴頭內腔表面鑲嵌耐磨合金套的方法來提高其耐磨性，延長工藝燒嘴的使用壽命；燒嘴噴頭環隙規格主要與燒嘴壓差有關，為使水煤漿霧化效果達到最佳，以提高氣化效率和增加有效氣成分，將燒嘴壓差由0.4MPa提高至0.6MPa，并對噴頭間隙進行微調。

2.3 激冷室設計優化改進

水煤漿氣化所得粗煤氣中攜帶有熔融態煤渣，在高溫高壓環境下流動時會對錐底渣口磚形成剪切和沖刷磨蝕，長期作用下微小爐渣會滲入磚縫內，導致錐底磚在溫差和熱膨脹不均等因素下產生破裂和塊狀脫落現象［5］，錐底磚的脫落使得激冷環暴露在高溫環境下，當熔融態灰渣流動時沖刷激冷水環管外壁，會導致激冷水分布不均，造成激冷室發生局部“干區”現象，嚴重時還會導致下降管沖刷磨蝕損壞甚至變形。為此，長青能化進行了三方面的技術改造：將錐底斜面高鉻磚種類由5種減至4種，結構縫隙由4個減為3個，增大單塊磚體積，減少薄弱環節，提高耐火磚的整體結構穩定性；將錐底向火面磚厚度增加50mm，提高其抗沖刷和耐侵蝕性能，延長其使用壽命；將渣口磚間距增大30.8mm，調整為易更換形狀，減弱熔融態灰渣對渣口磚脫落后暴露激冷環的磨損。此外，工藝操作中將燒嘴中心氧比例由15%調整為12% ～13%，工藝燒嘴壓差調整為0.6MPa，使得高溫區位置上移，以減輕高溫對錐底磚的損蝕。

分析激冷環空間結構發現，其內部無垢時，能減輕對下降管的損傷。為此，對激冷環進行相應改造：將進水管法蘭由卡箍密封結構改為活套密封，將非標密封墊更換為標準型金屬纏繞墊，以降低檢維修工作強度及工作量；將水環管改為鍛件形式并在其內壁堆焊噴涂耐磨層，以提高激冷水環管的耐磨性；在激冷環底部增設4×DN125小孔，一方面利于激冷水的均勻分布，另一方面利于檢修期間的灰渣清理，降低積渣對激冷水室的堵塞率。

2.4 渣水系統角閥及管線改進

針對黑水角閥磨損問題，技術人員根據角閥結構和黑水液位進行分析論證，決定對黑水角閥作如下改進：將角閥筒體增高5m，當黑水流速不變時，有利于減緩介質對筒體和底部堵板的沖刷；將角閥內腔設計為角式流線型，并將過渡處設計為大圓弧，避免液體滯留及急轉彎對角閥形成沖刷；閥體內部噴涂硬質合金，提高其耐蝕耐沖刷性能；據管道特性選擇合適的閥體內徑，避免出現閥腔及進出口縮徑現象，提高閥門的整體性能；在閥座后流道合適位置處內襯整體燒結的密度大且晶粒間粘合力強的碳化鎢硬質合金，增加閥座的硬度、強度及粘合力，提高其抗沖蝕和抗氣蝕性能。

針對渣水管線泄漏問題，作了如下改進：將角閥緩沖罐壁厚增至12mm，以延長其使用壽命；將真空閃蒸液位調節閥變徑和三通材質更換為Q345R、壁厚增加至25mm，并對變徑規格進行調整，提高其工作強度，減少焊接量。

3 優化改進效果及效益

上述優化改進措施落實后，取得了良好的效果：長青能化單臺氣化爐工藝燒嘴的運行周期平均延長約22d，合理安排倒爐，單臺氣化爐運行周期最高可達126d，且在運行后期未出現燒嘴壓差大幅波動的現象，粗煤氣中有效氣（CO＋H2）含量提高約3%；錐底磚結構的優化，減少了下降管壁局部干燒現象，至今未出現過下降管穿孔損傷現象，延長了氣化爐的有效運行時間。一系列優化改進措施產生的效益，不談可為整套生產系統帶來的直接效益與間接效益，僅計算減少倒爐與減少渣水系統漏氣產生的直接經濟效益，具體如下。

（1）氣化爐系統改造后減少倒爐產生的直接經濟效益：全年倒爐次數由12次降為9次，倒爐期間系統負荷為75%，時間為3.5h，甲醇產量減少24t／h，按精甲醇售價2000元／t、生產成本1720元／t計算，每年創造的效益為（12-9）×3.5×24×（2000-1720）÷10000=7.056

萬元；倒爐結束后需進行升壓，工藝氣放空火炬燃燒1.5h，工藝氣制備按煤耗36.58t／h、原料煤價格為575元／t、耗氧氣量21000m3／h、制氧成本0.281元／m3、耗高壓氮氣量3000m3／h、高壓氮氣成本0.08元／m3、耗低壓氮氣量5000 m3／h、低壓氮氣成本0.08元／m3計算，每年節省的生產成本為（12-9）×1.5×（36.58×575＋21000×0.281＋3000×0.08＋5000×0.08）÷10000=12.41萬元；每次倒爐，高壓清洗機費用3600元／d，清洗時間7d，備件材料45000元，每年節省的清洗和材料費用為［3600×7×（12-9）＋45000×（12-9）］÷10000=21.06萬元；每年工藝燒嘴修復減少3次、修復費用3萬元／次，每年激冷環材料更換由2次降為1次、更換費用41.3萬元／臺，每年節省的燒嘴修復費用與激冷環材料費用為3×3＋3×41.3=132.9萬元。

（2）渣水系統角閥及管線改造后產生的直接經濟效益：每年漏氣問題減少約8次，每次出現漏點切氣放空火炬燃燒2h，按粗煤氣制備煤耗36.58t／h、原料煤價格為575元／t、耗氧氣量21000m3／h、制氧成本0.281元／m3計算，每年可降耗增效8×2×（36.58×575＋21000×0.281）÷10000=43.10萬元；而本項技改投資僅68740元。

4 結束語

長青能化針對600kt／a甲醇項目GE水煤漿氣化裝置運行中存在的問題，進行了相應的優化改進，如嚴控原料煤質量、工藝燒嘴用材升級、激冷室設計優化改進、渣水系統閥門及管線改進等，從根本上解決了氣化裝置運行周期短的難題，保障了氣化裝置的安全、穩定、高效、長周期運行，實現了生產系統的節能減排、降本增效，可為業內提供一些參考與借鑒。