氣化爐長周期運行瓶頸問題分析

張家秋

(河南能源化工集團鶴壁煤化工公司， 河南鶴壁 458000)

河南能源化工集團鶴壁煤化工公司(簡稱鶴壁煤化工)設計甲醇產量為60萬t/a，采用殼牌干煤粉加壓氣化工藝，日投煤量為2 850 t，有效合成氣體積流量為169 500 m3/h。

裝置于2008年開工建設，2013年投產。投產后，通過修改煤燒嘴角度、優化激冷氣壓縮機葉輪、調整配煤結構、改型S1501濾棒材質等措施，于2016年6月實現二氧化碳工況滿負荷運行。

之后新的問題又暴露出來：一是激冷氣量不足，高溫合成氣經過激冷后溫度依然較高，積灰問題嚴重；二是除灰單元高溫高壓過濾器壓差高，系統頻繁出現漏灰現象，成為困擾裝置長周期運行的新瓶頸。

公司針對存在的問題積極尋找解決方法，先后對激冷氣壓縮機及S1501濾棒進行改型改造，為氣化爐長周期高負荷運行打下堅實基礎。自2017年以來，裝置年累計運行時間超過300 d，甲醇年產量為63.5萬t，實現殼牌氣化爐制甲醇裝置達標達產運行。

1 現階段影響裝置長周期運行問題

經過數年的改造與磨合，裝置運行逐漸走上正軌。實際運行過程中，氣化爐積灰問題得到有效改善，但是還未徹底解決，分析導致積灰的具體原因[1-3]。

1.1 氣化爐爐膛漏水導致堵渣、積灰

鶴壁煤化工氣化爐原始設計用煤以鶴壁本地煤種為基礎，設計灰分質量分數為25%。投產運行以來，根據工況需要，由單一煤種調整為煙煤與無煙煤摻配的混煤，經過多年的總結與探索，配煤方式也逐漸穩定。摻配后的混煤，灰分質量分數降至12%。根據“以渣抗渣”理論，在實際運行中，過低的灰分會造成爐膛耐火料、耐火銷釘燒蝕脫落，導致燒嘴罩、水冷壁高溫炭化，引發泄漏[4]。此時，氣化爐渣系統極為脆弱，系統一旦波動，就會導致氣化爐堵渣進而停車。為了防止堵渣，就需要提高氣化爐爐溫，來保證渣口溫度，確保渣的流動性。這樣就有可能導致后系統因超溫而出現積灰，需要針對相應工況制定應對措施，以保證氣化爐正常運行[4]。

1.2 合成氣冷卻器磨蝕漏水導致積灰

氣化爐用煤原本為以本地貧瘦煤為主，現更換為揮發分含量較高的長焰煤，與無煙煤摻配。由于長焰煤灰熔點較低，更容易引起氣化爐冷卻段積灰。裝置實現滿負荷運行后，針對積灰問題，對裝置進行了多項技改，均未達到預期目的。2017年1月，對激冷氣壓縮機進行改造后，問題得到了基本解決。氣化爐用煤及壓縮機改造前，滿負荷運行工況下，設計產氣體積流量為169 500 m3/h，激冷氣體積流量為260 000 m3/h。在未積灰的情況下，合成氣冷卻器(SGC)進口十字架處氣體流速為6.0～7.0 m/s，氣化爐人孔A12處流速為6.5～7.5 m/s，人孔A13/14處流速為8.0～9.0 m/s。現有煤種產氣體積流量為190 000 m3/h左右，激冷氣體積流量約為400 000 m3/h。在未積灰的情況下，氣化爐人孔A11處十字架處氣體流速為8.5～9.5 m/s，A12處流速為9.0～10.0 m/s，A13/14處流速為11.5～12.5 m/s。氣體流速較設計值有大幅提升，對氣化爐冷卻段盤管及水冷壁磨損更大，影響設備運行壽命。

上述數值都是基于在氣化爐冷卻段未積灰、流通面積未發生變化的條件下計算出來的。當氣化爐出現積灰情況時，合成氣流速會進一步上升，積灰情況越嚴重，氣體流速越快，設備沖刷磨損越大。當A11處積灰過半時，氣化爐十字架壓差(13PDI0077)為18～20 kPa，氣體流速達到17.0～20.0 m/s，水汽系統出現微小漏點；當積灰至3/4時，13PDI0077為25 kPa，SGC進口十字架處氣體流速達到35.0～40.0 m/s；當13PDI0077達到30 kPa時，設備內部流通量只剩1/8～1/10，氣體流速為100.0 m/s左右。按照運行經驗來看，當壓差為30 kPa時，14 d內設備會出現較大漏點。久而久之，水汽系統漏點越來越大，飛灰黏度隨之增加，更容易積灰。高流速合成氣對設備沖刷加劇，漏點更大，積灰更嚴重，這樣就形成惡性循環，最終導致裝置被迫停車。

1.3 激冷系統波動導致積灰

除灰單元與濕洗單元出口合成氣通過一定比例混配，調整至合適溫度，由激冷氣壓縮機加壓輸送至氣化爐爐膛出口，形成的氣化裝置激冷氣對爐內溫度為1 600 ℃的合成氣進行急冷。濕洗單元洗滌塔(C1601)氣相出口溫度設計指標為166 ℃，蒸汽分壓占總壓的20%，飽和狀態下濕洗合成氣帶走水汽量相對穩定。隨著煤種、負荷以及合成氣量的變化，C1601氣相出口溫度上升至175 ℃，直接影響激冷氣溫度以及氣化爐激冷效果。同時，激冷氣中水組分增加，合成氣中未過濾完全的灰分容易長期附著在激冷管線和壓縮機葉輪上。一旦工況出現變化，這些灰分就會脫落，堵塞過濾網，打破葉輪動平衡的同時，直接弱化氣化爐激冷效果，導致SGC積灰。

2 應對措施

綜上所述，影響氣化爐運行周期最根本的原因是氣化爐積灰，為此需要解決2個關鍵問題。一是嚴格控制SGC進口十字架處溫度(13TI0019)，降低合成氣中飛灰黏度，減少盤管掛灰的幾率。溫度控制應結合多項控制指標，其中最直接的反應是氣化爐副產過熱蒸汽溫度(13TI0044)下降(積灰影響副產過熱蒸汽換熱效率，導致溫度下降)。在負荷及煤種穩定的情況下，13TI0044長期穩定在同一區間，說明氣化爐積灰達到平衡點，此時的運行工況最佳。二是在運行過程中對設備進行保護，防止冷卻段水汽系統出現漏點。系統一旦出現漏點，停車只是時間早晚的問題，堅持時間過長，只會對設備造成更嚴重的損傷。合成氣冷卻器內換熱器(E1303B/C/D)及E1306的管線分布復雜，結合其他廠家經驗，換熱器深處出現的磨損，基本上無法檢查，已成為各企業裝置長周期運行的最大隱患。

為了緩解設備在運行過程中的壓力，最終達到氣化爐長周期運行的目的，結合本裝置運行情況，提出以下建議：

(1) 嚴格控制13TI0019。以本裝置為例，煙煤與無煙煤質量配比在6∶4的情況下，控制13TI0019在640 ℃以下較為合適，此時13TI0044最為穩定。當該指標出現明顯下降時，說明積灰情況加劇，需要人為對負荷及配煤進行干預，穩定13TI0019。

(2) 氣化爐負荷與激冷氣量相匹配，保證SGC不積灰、少積灰。殼牌氣化爐在進入中國初期，SGC積灰問題普遍存在，各企業為了應對這一問題，紛紛對激冷氣壓縮機進行擴能改造，取得良好效果。但是，隨著各套裝置產能逐漸釋放，氣化爐負荷逐漸增加，激冷氣量出現與負荷不匹配的情況。這時需要理性控制負荷，在防止SGC超溫的同時，避免合成氣流速過快，加劇設備磨蝕。

(3) 經過近幾年的磨合，氣化爐運行周期較以往有極大延長，但對于煤源變化問題，行業內普遍應對滯后。煤質變化后，需要經過一段時間的調整和摸索，總結出新的指標控制范圍。氣化爐積灰是一個不可逆過程，在調整和摸索期，會在原有的平衡基礎上增加積灰量，影響裝置的長周期運行。需要盡量保持煤源以及配比穩定(包括煙煤與無煙煤的比例、煙煤與煙煤的比例、無煙煤與無煙煤的比例)。

(4) 當氣化爐壓差過高或者出現漏點時，及時停車。壓差高一定會出現漏點，出現漏點后一定會造壓差急劇上升，需要以系統壓差為依據來確定停車的標準。當壓差大于25 kPa時，局部氣體流速為30～40 m/s，系統計劃停車檢修；當壓差大于30 kPa時，局部氣體流速為100 m/s，繼續運行意義不大。此時即使無漏點發生，設備磨損形成的內傷，也會直接影響運行質量；出現漏點只是時間問題，屆時清灰及檢修難度會大幅上升。有幾家同類型裝置在積灰嚴重的情況下堅持運行，最終停車檢修時，清灰時間長達1個月左右。

(5) 控制C1601氣相出口溫度在設計范圍。C1601氣相出口溫度直接影響氣化爐激冷效果。同時，合成氣中水汽分壓過高，會導致激冷氣管線黏灰，影響設備長周期穩定運行。2021年年初，本裝置爐膛出現大量漏水情況，合成氣中水汽分壓過高，造成濕洗單元外排水氨氮含量大幅上升，這其中存在某種聯系，需要繼續探索。本裝置于2021年11月對C1601氣相出口溫度可控調節進行了改造(圖1)，使用冷卻水對C1601洗滌循環水進行降溫，達到自由調節C1601氣相出口溫度的目的。改造完成后，氣化裝置于2021年12月15日開車運行，在滿負荷工況下，合成氣洗滌塔出口溫度由原來的173 ℃降至169 ℃，有效減少了濕洗后合成氣的帶水量，降低了激冷氣中水汽分壓以及溫度，提高氣化爐激冷效率的同時，也降低了合成氣中飛灰黏度，運行工況大為改善。

圖1 C1601降溫改造示意圖

3 結語

隨著時間不斷推移，行業內會不斷出現新的問題，需要廣大同仁共同努力，及時分享、交流，取長補短，加強技術交流合作，未來的路才會越走越遠。