殼牌氣化爐長周期運行總結(jié)

韓延陽

(河南能源化工集團鶴壁煤化工有限公司 ， 河南鶴壁 458000)

河南能源化工集團鶴壁煤化工有限公司(簡稱鶴壁煤化工)是河南能源化工集團有限責任公司的子公司，一期年產(chǎn)60萬t甲醇、副產(chǎn)6 000 t硫酸，已于2012年4月建成投產(chǎn)。該項目采用殼牌干煤粉加壓煤氣化工藝，投煤量為2 850 t/d，合成氣產(chǎn)量為241 349 m3/h，空分裝置制氧能力為69 000 m3/h。

1 殼牌煤氣化 (SCGP) 工藝介紹

SCGP工藝開發(fā)始于1972年。殼牌公司的阿姆斯特丹實驗室曾于1976年試運行6 t/d的GASCO研究裝置，1978—1983年殼牌公司在德國漢堡運行150 t/d的中試裝置，1986—1991年殼牌公司在美國鹿園運行250～400 t/d的示范裝置。自1994年起該工藝工業(yè)化應用，荷蘭比赫訥姆DEMKOLEC的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(IGCC)消耗2 000 t/d的國際商品煤。

SCGP工藝采用多個燃燒器的膜式水冷壁氣化爐，并采用專門設(shè)計的水管式合成氣冷卻器(廢熱鍋爐)，使氣化爐可在更高的溫度下運行。

膜式水冷壁室是強制水/蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的一部分，被懸置在氣化爐壓力容器內(nèi)，合成氣冷卻器與膜式水冷壁室一起構(gòu)成水/蒸汽循環(huán)系統(tǒng)。一定比例的氧氣和蒸汽混合后，與輸送單元(U1200)來的煤粉一起，通過4個對側(cè)均勻分布的燒嘴進入膜式水冷壁氣化爐。發(fā)生轉(zhuǎn)化反應后生成1 400 ℃的合成氣。氣化過程中產(chǎn)生的合成氣向上流動，在頂部離開反應器，此時液體熔渣沿垂直圓筒內(nèi)壁向下流動，并通過底錐進入渣池，在渣池內(nèi)變成固體后分散成小顆粒；反應生成的H2、CO、CO2、H2S等氣體，在氣化爐的頂部出口經(jīng)激冷氣壓縮機激冷到900 ℃以下后，進入合成氣冷卻器，再分別經(jīng)急冷管(E1301)、輸氣管(E1302)、合成氣冷卻器(E1306)中壓蒸汽過熱器、E1306中壓蒸汽蒸發(fā)器(E1303)換熱后，溫度降至340 ℃，經(jīng)過除灰單元(U1500)干法灰脫除后，進入洗滌單元(U1600)進行濕洗，脫除剩余的灰及酸性氣體、鹵素，灰水進入初級水處理單元(U1700)進行處理，洗滌后的合成氣被送往凈化系統(tǒng)等待進一步處理。

由飛灰過濾器(S1501)出口返回的急冷合成氣(3.88 MPa、335 ℃)在飛灰過濾器出口合成氣調(diào)節(jié)閥(13TV0020)控制下，與來自洗滌塔(C1601)的急冷合成氣(3.80 MPa、166 ℃)混合后，其溫度降為205 ℃，進入循環(huán)氣壓縮機(K1301)壓縮至4.04 MPa、209 ℃后送至氣化爐急冷段。K1301循環(huán)氣壓縮機轉(zhuǎn)速需根據(jù)合成氣產(chǎn)量和激冷氣流量調(diào)節(jié)。

2 生產(chǎn)概況

裝置投產(chǎn)初期，因原料煤煤質(zhì)頻繁變化，煤氣化裝置生產(chǎn)負荷一般維持在50%～80%，產(chǎn)率低。

2012—2015年，為氣化裝置試車、試運行階段，裝置問題較多，如氣化爐燒嘴罩泄漏、十字架積灰、堵渣等。經(jīng)過不斷摸索和改造，2015年氣化裝置穩(wěn)定運行286 d，全年運轉(zhuǎn)率達到78%。2016年10月，煤化工重點技改項目K-1302實施并投入使用，氣化爐負荷由之前的85%提高至100%。

2018年，氣化裝置在穩(wěn)定煤源和配煤的前提下，運轉(zhuǎn)率和長周期運行時間大幅提升，全年運行315 d，運轉(zhuǎn)率達到86%。2017年和2018年運行數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 2017年、2018年運行數(shù)據(jù)對比

3 氣化裝置運行中出現(xiàn)的問題

3.1 煤質(zhì)變換頻繁

氣化裝置運行中曾采用多種原料煤，包括石窯店沫煤、西灣、德林榮澤、寧條塔、張家峁、石巖溝、郭家灣、鑫輪沫煤、趙固等，最多時采用4～5種配煤，造成進入氣化爐的煤質(zhì)變化快、操作困難，易堵渣和積灰[1]。

3．2 管線腐蝕嚴重

K1301入口，特別是三通處管線腐蝕嚴重。

3.3 氣化煤粉鎖斗高壓

氣化煤粉鎖斗高壓，導致過濾器濾棒折斷。

3.4 氣化爐堵渣

因原料煤煤質(zhì)問題，其灰含量、揮發(fā)分和灰熔點變化較大，煤粉黏度曲線差別明顯，造成操作窗口溫度范圍較窄。在這種操作工況下，熔渣的流動性低，抵抗爐溫波動的能力較差。煤質(zhì)變化波動較大時，導致渣口堵塞，突然垮渣會引起壓差聯(lián)鎖跳車。

另外，堆頭堆尾配煤不均勻，也有可能造成氣化爐堵渣。

3.5 氣化爐十字架積灰

氣化爐十字架積灰[2]的主要原因為：

(1) 煤種變換頻繁，灰含量高，操作窗口窄。

(2) 原料煤的灰熔點太低或者太高。

(3) 氣化爐負荷過高，導致激冷氣量不足。

(4) 氣化爐反應段進水或者燒嘴罩泄漏。

(5) 原料煤中Na、K、Cl含量過高，易引起飛灰結(jié)垢。

4 氣化裝置運行中解決的問題

避免堵渣的要點為保證原料煤配煤的均勻，并選用操作窗口相對較寬的煤種[3]，提高氣化爐抗波動能力。

避免氣化爐十字架積灰的要點為選用大功率激冷氣壓縮機，合理提高激冷氣量；選用合適的煤種，穩(wěn)定入爐煤的煤質(zhì)。

通過優(yōu)化操作，單臺磨煤機的負荷提升到95 t/h以上，滿足了氣化90%負荷的需要，由開2臺磨煤機改為1開1備(間斷開)，節(jié)省了大量電能。但是，雙系列磨煤仍有其局限性。

鎖斗(V-1204)底錐管道充氣器由燒結(jié)金屬改為多孔板，目前運行狀況良好。

K1301入口溫度較低，無法滿足設(shè)計要求，在13TV0020處增加副線后，可達到要求的溫度。

飛灰氣體罐下料閥(15XV-0015)由球閥改為盤閥，運行情況良好，較好解決了下灰系統(tǒng)球閥卡澀問題。

將A系列下料煤粉鎖斗平衡閥、煤粉鎖斗下料閥、煤粉給料罐放空閥的閥門改為盤閥，運行效果良好，解決了球閥運行過程中故障率高的難題。

5 K1301技改情況

5.1 技改目的

增加激冷氣量，提高氣化爐負荷，避免氣化爐十字架積灰。

5.2 新K1301設(shè)計

K1301功率為2 800 kW，正常質(zhì)量流量為78.6 kg/s，最大質(zhì)量流量為100.6 kg/s ，入口壓力為3.80 MPa，入口溫度為200 ℃。改造后氣化裝置100%氧負荷生產(chǎn)時氣化爐合成氣冷卻器入口合成氣溫度低于700 ℃。

5.3 改造情況

新K1301可滿足氣化爐高負荷運行。由于打氣量增大，液態(tài)飛灰在激冷段迅速凝固，氣化爐十字架處流速增大，有效延緩了該處積灰速度，提高了氣化裝置長周期運行時長。K1301技改工藝流程見圖1，改造前后工藝數(shù)據(jù)對比見表2。

S1501—飛灰過濾器；C1601—洗滌塔；K1301—循環(huán)氣壓縮機；新加K1301—新改造的循環(huán)氣壓縮機；S1307—壓縮機入口過濾器。

6 需注意的問題

(1) 建設(shè)時期，要確保安裝過程中煤粉系統(tǒng)、氣化爐水汽系統(tǒng)、二氧化碳/氮氣系統(tǒng)干凈。

(2) 石灰石的添加量要穩(wěn)定。

(3) O/C操作幅度不要大。

(4) 原料煤煤種要相對穩(wěn)定。

(5) 對飛灰過濾器的保護要到位。

(6) 需要保證激冷氣量，但也不能過量。

7 影響長周期運行及達標達產(chǎn)因素

(1) 煤的灰分含量對渣口及排渣系統(tǒng)的影響較大，對十字架積灰影響較大。

(2) 灰熔點/渣黏度決定助熔劑的添加量。

(3) 灰渣的黏度—溫度特性決定氣化爐內(nèi)渣流動性及排渣系統(tǒng)運行情況。原料煤煤質(zhì)變化頻繁，煤質(zhì)分析滯后會造成氣化操作困難，易引起氣化爐堵渣、燒嘴罩損壞，甚至水冷壁損壞。煤質(zhì)熱值整體偏低，灰分偏高，有效氣產(chǎn)量受到制約，達不到設(shè)計要求。

(4) 飛灰過濾器(S1501)濾棒是裝置的關(guān)鍵設(shè)備，對濾棒加強保護也是長周期運行的關(guān)鍵[4]。

(5) 氣化爐輸送段易磨損，磨損嚴重時會造成水冷壁損壞。

(6) C1601循環(huán)水系統(tǒng)的氯離子特別容易引起雙相鋼的焊縫腐蝕。C1601補水三通處的焊縫腐蝕嚴重，為氣化裝置穩(wěn)定運行埋下隱患。

8 結(jié)語

SCGP工藝整體運行比較平穩(wěn)，雖然操作過程復雜、聯(lián)鎖較多，但安全性比較高，干法除灰效果好，水處理運行平穩(wěn)，合成氣中帶灰比較少，對下游系統(tǒng)影響較小，渣水系統(tǒng)結(jié)垢現(xiàn)象大大降低。目前，SCGP工藝的維護及投入成本較高，若備件全部采用國產(chǎn)化，經(jīng)濟效益可觀，值得推廣使用。