神華殼牌煤氣化裝置改造情況總結

趙宗凱（神華煤制油化工陜西咸陽化學工業有限公司,陜西 咸陽 712000）

1 概況

鄂爾多斯神華煤直接液化項目是國內新建大型煤化工項目，規劃煤液化工廠油品總生產能力為500萬噸/年，分兩期進行建設，其中一期100萬噸/年。煤制氫裝置是煤直接液化項目的主要生產裝置之一，其任務是為煤液化裝置和液化油提質加工裝置制氫裝置提供氫氣，分別稱為第一、第二煤制裝置（105/106單元），單套制氫裝置生產能力為287t/d(設計100%負荷)。每套制氫裝置分為煤氣化裝置和凈化裝置兩部分，其中煤氣化裝置采用Shell干煤粉加壓煤氣化工藝，設計單爐原煤用量為2000噸/天，單臺氣化爐的設計能力為有效氣150,000Nm3/h，年操作時間8000小時。該爐采用干煤粉加壓進料方式，純氧作為氣化劑，氣化爐膛溫度高達1400-1600℃，壓力3.96MPa，碳轉化率高達99%以上，氧耗低、冷煤氣效率高、液態排渣，有效氣體(CO+H2)高達85%（干基）以上。

在裝置試車初期，由于存在設計不足、設備缺陷以及操作人員經驗欠缺等問題，氣化裝置停車比較頻繁，很難實現安穩長滿優運行，給直接液化項目的試車也帶來一定的不利影響。近年來，隨著對裝置逐步進行技術改造，消除瓶頸問題，同時加強人員培訓，積累相關的運行經驗，兩套氣化裝置運行時間逐步提高，目前已達到百日運行常態化（A級連運），105單元A級運行最長時間185天，106單元A級運行最長時間137天。雖與國內最好的運行記錄仍有差距，但相信經過不斷的探索與發展，裝置運行會不斷進步，實現更好的運行記錄。

2 裝置存在的主要問題

2.1 合成器冷卻器十字吊架積灰

最初運行階段因為對爐溫控制經驗不足，曾經多次發生十字吊架積灰的情況。十字吊架積灰后造成通道變小，合成氣流速變高，系統阻力降增大，激冷氣下降，如果長時間運行，十字吊架處水冷管將會磨損嚴重，甚至磨漏。同時激冷氣下降還會導致合成器冷卻器入口溫度升高，系統被迫降低負荷運行。

2.2 高溫高壓陶瓷過濾器濾芯斷裂

飛灰高溫高壓過濾器是氣化裝置核心設備，主要作用是分離從合成器冷卻器出來的合成氣和飛灰。由于神華項目設計煤種灰分偏低，只有7%左右，因此該過濾器只設計了15組陶瓷濾芯，其它同規模廠家的24組濾芯相比，少了接近37.5%。

由于受當地煤質限制，裝置在實際投產時使用的煤種灰分在12%左右，遠高于設計煤種，導致高溫高壓過濾器設計余量不足，抗沖擊能力較差。同時因為濾芯組數偏少，反吹閥動作頻率高，達到了其它廠家的3倍多，因此閥門故障率高。在開車初期，濾芯出現頻繁斷裂現象，導致的停車次數占到了停車總數的1/3左右。

2.3 煤粉收集器布袋損壞

煤粉收集器是磨煤及干燥單元的主要設備，主要作用是分離過濾磨機出口的煤粉和熱惰性氣體，分離后的煤粉送入煤粉輸送單元。試車運行階段，煤粉收集器的布袋燒損現象嚴重，嚴重影響磨煤系統的安全、長周期運行，制約了裝置負荷提高，甚至造成裝置停車。

2.4 燒嘴頭、燒嘴罩泄漏

隨著裝置運行時間的增加，煤燒嘴的燒嘴頭、燒嘴罩泄漏成為影響氣化裝置長周期運行的重大因素。在燒嘴頭、燒嘴罩泄漏初期，泄漏的水汽對氣化爐爐溫變化較小，運行一段時間泄漏變大后，氣化爐渣口堵渣現象頻繁發生。為解決渣口堵渣的問題，氣化爐需要提高爐溫運行，這將導致氣化爐壁掛渣變薄，水冷壁銷釘磨損嚴重。爐溫升高還會導致合成氣冷卻器入口溫度升高，十字吊架處將會發生積灰現象，最終造成負荷降低，裝置停車。

2.5 撈渣機運行周期短

原設計的撈渣機為刮板式撈渣機，設計負荷為25t/h，主要由驅動裝置、刮板鏈條、殼（槽）體、貯水槽、放水閥（活動堰板）及控制系統等所組成。該撈渣機自2008年投入使用后，因設計出力偏低、部件材質不過關、工藝操作等原因，出現傳動鏈卡鏈、繃斷，斜升段軌道損壞、粉料盤損壞、減速機損壞、鋼結構梁損壞等現象，當氣化爐負荷到90%以上時，撈渣機的負荷很難滿足生產要求。

2.6 濾餅機故障頻繁

S1702真空皮帶過濾機是氣化裝置初步水處理單元的關鍵設備，對氣化水質有很大的影響，一旦皮帶過濾機故障，將造成氣化排放水質惡化，不能循環利用，在增大用水量的同時，還導致下游污水處理難度增加，工廠環保壓力增大。

2.7 設備、管線泄漏

煤氣化裝置工藝流程復雜，物料種類多樣，試車初期泄漏發生頻繁。既有含固氣液相輸送造成的設備及管線磨蝕泄露，又有合成氣腐蝕造成的管線、儀表引壓點泄漏，即污染了現場環境，又有可能引成工藝波動，嚴重的甚至造成裝置停車。煤氣化裝置因合成氣管線泄漏曾經多次停車。

2.8 產氣量未達到設計負荷

神華項目單臺氣化爐的設計能力為有效氣150000Nm3/h，試生產中進行的第一次100%負荷標定時實際有效氣產量僅為132000Nm3/h。造成這種情況的原因有兩個，一是氣化爐使用煤種與設計煤種存在偏差，設計的上灣煤灰分只有7%，但實際運行時原料煤灰分在10%-11%；二是由于諸多原因限制，裝置實際的碳轉化率在95%左右，未能達到SHELL宣稱的98%-99%；三是受限于激冷氣壓縮機的能力，系統無法實現超負荷運行。

由于目前使用的煤種與設計煤種有較大偏差，以及激冷氣壓縮機能力不足的原因，雖然經過長期的摸索，但氣化爐的實際最高運行負荷（氧負荷）只能維持在90%左右，遠低于設計能力，后續仍需繼續提高。

3 近年來裝置改造情況

針對在試車和運行過程中暴露出來的問題，從2009年開始，神華煤制油鄂爾多斯分公司聯合Shell公司和部分國內的設備制造商、科研單位一起對系統進行了一系列的技術改造，共完成了技改項目31項，科研項目6項，大部分取得了良好效果。

3.1 S1501濾芯改為金屬濾芯

2010 年開始分公司與北京安泰科技股份有限公司就S1501陶瓷濾芯國產化進行合作，金屬濾芯首次考核評價時間從2010年11月22日起，運行裝置為106單元，安裝濾芯1組共48支，至2011年7月7日裝置大修停車，使用時間約7個月，過濾系統最高氧負荷90%，濾芯運行狀態良好。運行數據與進口陶瓷濾芯基本一致。2011年9月7日，將使用后的1組國產金屬濾芯經清洗后加上4組全新金屬濾芯（合計192支）混合10組清洗后的陶瓷濾芯組重新使用至煤氣化裝置105單元，同時，106單元使用全新進口陶瓷濾芯，兩套裝置對比運行。兩套裝置氧負荷均基本穩定在90%，過濾系統操作壓力3.79MPa，操作溫度270℃，合成氣量380000Nm3/h，反吹氣壓力7.5MPa，反吹氣溫度225℃，105單元初期使用時壓差15-16KPa，比106單元低2KPa左右，說明金屬濾芯流通能力達到或優于進口陶瓷濾芯。

鑒于105、106兩套裝置的金屬濾芯試用情況，2012年8月將105單元S1501飛回過濾器的720根濾芯全部更換為國產金屬濾芯。

裝置運行了約8個月后，從濾芯壓差數據來看，運行狀態良好。更換金屬濾芯后，濾芯強度提高，抗波動能力明顯增強；備件投資額下降約1/3。

3.2 5.5MPa過熱蒸汽并網改造

在試車運行階段，由于SGC積灰情況超出預想，導致氣化爐自產過熱蒸汽溫度只能達到340℃，與原設計溫度400℃的指標偏差達60℃，達不到蒸汽并網的要求，兩套裝置約有70t/h的3.5MPa蒸汽只能就地排放，造成能源浪費。為了提高過熱蒸汽溫度，分公司分別對混煤比例、上水溫度、敲擊器頻率、供水方式等進行了多項改造和實驗，但收效甚微。

為了能回收這一部分蒸汽，降低消耗，結合全廠蒸汽系統不平衡，1.1MPa蒸汽不足的情況，我們采用了將這些蒸汽降溫減壓使用的方案，即增加減溫減壓器，將這部分蒸汽送至1.1MPa蒸汽管網。減溫減壓器按照80t/h×2設置，一開一備，布置在106裝置由106單元控制。改造完成當年即收回改造投資，并創造了可觀的效益，有效的降低了裝置的生產綜合能耗，此項改造對裝置的生產綜合能耗影響占約5.4%。

3.3 煤粉收集器改造

試車運行階段，煤粉收集器運行中經常出現布袋燒損現象，在帶來安全隱患的同時，嚴重影響制約磨煤系統的長時間運行。經過多次觀察與分析，我們認為導致布袋燒損主要是由于反吹氮氣不足、溫度偏低，煤粉收集器內部結構導致煤粉分布不均勻，局部堆積等原因造成的。

針對以上原因，裝置采用增大氣包容量、增加反吹氮氣緩沖罐；加粗氮氣緩沖罐至反吹氣包管線的管徑、更換脈沖閥等措施克服反吹氮氣量不足的瓶頸；通過上箱體內部增加保溫襯板，保證了箱體溫度，防止結露；通過對煤粉收集器內部結構進行改造，增加煤粉分配板，使煤粉均勻分配，且有部分煤粉不需要附著于濾袋而直接進入下一工序，增加了濾袋的使用壽命。經過上述改造后，備煤系統從09年運行良好，未再發生燒布袋現象，為裝置的長周期運行打下良好基礎。

3.4 撈渣機系統改造

撈渣機系統災運行初期，主要問題一是撈渣機本身故障率高，二是設備附屬閥門故障率高，因此該系統的改造分為兩部分進行：

第一次技改為T1401改造，即在T1401小室增加攪拌機，防止細渣沉積；將內部蝶閥改為外部球閥，便于檢修，同時減小下渣時渣水對閥門的沖擊，增加閥門的密閉性。改造后運行良好，閥門故障率明顯降低，密封性能更好，未再因閥門故障造成裝置污水溢流，閥門能夠在外部處理，檢修時間大大縮短；T1401小室增加攪拌器后，撈渣機未能撈凈的細渣能及時通過P1403被輸送，沉積物較少，大大減少了管線堵塞、機泵故障的發生率。

第二次技改為撈渣機技改，即將撈渣機拖動鏈條由板式鏈改為強度高、使用壽命長、易更換的圓環鏈，；刮板采用矩形刮板，且鑲焊耐磨板，增強刮板的耐磨性能，延長使用壽命，增強了刮板的抗彎性和抗扭強度；將拖動鏈輪改用鍛造凹齒鏈輪，具有承載能力高、耐磨損、壽命長、固定可靠等優點，不易造成夾鏈現象；將張緊機構由機頭改為機尾，更便于鏈條張緊且對頭部拖動機構不產生任何干涉，保證了設備平穩運行；撈渣機、斜升段的上部工作面全部鋪砌40mm厚的玄武巖鑄石襯板，鋪砌方式采用“帶耳板方形鑄石＋孔條斜鋪”的方式，不易脫落，延長了其使用壽命。撈渣機改造后，運行周期大大延長，維修費用顯著降低，取得了良好的效果

3.5 系統管道升級

針對氣化裝置管道泄漏比較集中的區域，廠家與專利商一起對管道進行過多次升級，一是將碳鋼管道升級為316L，包括氣化爐環形空間安全閥入口管線、13XV0033至氣化爐管線、吹掃氮氣線至SGC管線、氣化爐取壓總管、13XV0038至激冷氣管線、激冷氣入氣化爐管線等；二是將壓縮機防喘管線進行升級，升級為內襯8825管線；三是初步水處理系統管線升級，將P1704出口至T1702管線，P1709出口至S1702管線由碳鋼升級為雙相鋼材質。

管線升級后泄漏頻率明顯降低，但煤氣化裝置流程較長，工藝比較復雜，儀表點眾多，存在泄漏機會較高，后續仍需要繼續統計泄漏點出現的位置及頻率，對泄漏率較高的部位進行升級。

3.6 濾餅機長周期運行改造

濾餅機改造方案包括濾餅機增加真空泵技改及濾餅機長周期運行改造項目，主要是增大真空泵出力、增加濾餅機速度開關、皮帶增加光電式跑偏開關、增加沖洗水等。

濾餅機改造后，運行周期明顯延長，但由于濾餅機運行環境惡劣且無備機，一旦檢修時間較長，仍有可能導致1700單元水質惡化，因此濾餅機仍有繼續進行改造的需要以達到更長周期運行。

3.7 氣化爐出口溫度控制改造

試車運行階段，氣化爐合成氣冷卻器出口溫度（13TI0018）一度超過了設計值（380℃），且在采取降低爐溫、提高敲擊頻率、調節激冷氣量、改變煤粉粒度等多種措施后仍然無法得到控制，尤其是在高負荷生產情況下情況更為嚴重，嚴重制約了氣化爐負荷的提高。經過Shell公司的分析，認為最好也最有效的辦法就是將部分鍋爐給水直接注入合成氣冷卻器末端相對低溫的蒸汽發生器（E1303D），替代原來的強制循環鍋爐水，并提供了具體的實施方案。

改造投用后，發現氣化爐出口溫度降低并不明顯，只能降低6-8度，并未能有效緩解存在的問題，也未能對系統提高負荷提供空間，沒有達到預期的改造目標。因為造成問題的主要原因是原料煤中堿金屬含量高，飛灰粘度大，目前根據SHELL的建議及其它廠家的生產經驗，在原料煤中摻入高硫煤，有效的解決了出口溫度高的問題。

4 進一步的努力方向

4.1 實現煤燒嘴、燒嘴罩長周期運行

經過大量的技改及科研攻關，現在氣化爐長周期運行的主要瓶頸為燒嘴頭、燒嘴罩泄露，導致氣化爐運行惡劣，直至停工。

經過論證，延長燒嘴頭及燒嘴罩的使用周期，需從材料升級、燒嘴插入深度及煤線循環、煤線速度等各方面進行攻關，目前此項工作正在逐步實施。

4.2 力爭高溫高壓過濾器運行正常

由于裝置高溫高壓過濾器設計較小，更換完金屬濾芯后，濾芯抗沖擊能力變強，但使用清洗過后的濾芯，濾芯壓差上升較快，壓差長時間在高位運行，進入水洗單元的合成氣中飛灰含量變大，文丘里管處易堵塞，造成激冷氣量降低，限制氣化運行負荷。

此問題需要對濾芯長度、安裝質量等方面進一步優化，保證氣化裝置長時間運行后，高溫高壓過濾器過濾精度未受影響，保障后續裝置運行穩定。

4.3 避免設備、管線泄漏

隨著裝置運轉時間的延長，設備、管道的腐蝕、磨蝕現象會逐漸加重，關鍵部分管線尤其是合成氣部分設備、管線一旦泄漏，將會造成生產波動，甚至并且造成環境污染及人身傷害等重大事故。因此在對易腐蝕的設備管線加強檢查、檢測的同時，要根據現場情況，提前對這部分設備、管線進行技術改造和材質升級，保障裝置安全可靠，避免形成人身傷害。

4.4 延長部分轉動設備運行周期

目前氣化裝置部分轉動設備雖未影響裝置長周期穩定運行，但限制了裝置運行負荷，增加了裝置能耗，對生產裝置造成波動，對環保造成了一定影響。如單套磨機發生故障造成負荷降低；渣水泵故障頻繁造成低壓除氧水用量過大，堵渣后除渣效果降低等。

這些問題一方面要進一步加強設備的維護保養，提高計劃檢修的效率；另一方面對于設備的關鍵部位、易損部位進行升級改造；第三對于有條件的設備增加備用機泵，保障生產的可靠性。

5 結語

5.1 神華Shell氣化裝置進行了較多技術改造、科研、攻關，取得了良好的效果，氣化裝置運行周期明顯增加，運行周期由40天左右提高至現在的100天左右。

5.2 神華Shell氣化裝置仍存在部分瓶頸問題，如燒嘴頭及燒嘴罩泄漏、高溫高壓過濾器長期運行壓差高、設備和管線泄漏等，一定程度上限制了氣化裝置的長周期運行。

5.3 神華Shell氣化爐運行負荷偏低的問題仍然存在，主要是原始設計階段存在的設計缺陷造成的，需要有針對性的進行改造，以進一步提高氣化爐的運行負荷。