Shell煤氣化長周期運行的總結與探討

戚繼濤(中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司煤氣化中心,內蒙古 鄂爾多斯 017209)

鄂爾多斯煤制油分公司選用Shell干粉煤氣化技術，其任務是為煤液化裝置和液化油提質加工裝置提供氫氣。兩套煤氣化裝置平行布置，設計日投煤量為2000 t，設計具有完全相同的制氫能力。

1 氣化爐的自身缺陷

1.1 煤種使用受限

多個廠家的生產運行的實際表明，并不是任何單一的煤種都能運用于Shell煤氣化工藝。選用灰熔點低、活性好、灰分含量在8%-20%、水分含量在5%-10%、適合Shell氣化的良好煤種，才能有效保證氣化爐長周期安全運行。

1.2 燒嘴罩易泄漏

Shell氣化進料的煤燒嘴設計為兩通道進料。中心通道進料為粉煤，由載體氣（氮氣）加壓輸送噴出，環隙通道進料為氧氣或氧氣和蒸汽混合體，由外管網輸送噴出。實際生產中，氧氣和蒸汽的混合為均相流，其流量相對來說是比較容易控制的；而煤粉輸送為氣固混相流，其固體物的流量、流速相對來說較難控制，出現波動在所難免，難以穩定控制的結果將導致氧煤比在瞬間失衡，失衡的差異會導致煤粉燃燒不充分或燃燒過氧。

1.3 “十字架”冷卻器積灰

目前國內運行Shell煤氣化工藝的公司，普遍經歷過十字架冷卻器積灰問題，導致生產停止。造成十字架冷卻器積灰的原因有：煤種及配煤問題、負荷較高的情況下激冷氣量不足、氧煤比失調超溫等。實際運行中，供煤煤質的不穩定是影響合十字架卻器積灰的主要因素。

殼牌公司對于此問題的分析為：由于煤中飛灰的固化溫度不一致，有部分飛灰在氣化時未能固化，在通過十字架冷卻器后溫度進一步下降,部分有黏性的飛灰在十字架冷卻器上掛壁結垢，使得換熱效率降低，最終形成超溫。通過配煤或添加劑改變煤中灰的固化溫度，以防止結垢，或者通過循環壓縮機葉輪擴能來增加壓縮機激冷氣量，降低激冷后合成氣的溫度來改善此情況。

2 煤粉輸送的一致性及穩定性

2.1 煤粉輸送的一致性分析

在Shell粉煤氣化工藝中，由于固體懸浮物的不規則流動性及操作的實際，一般采用中壓載氣氣力經輸煤管道輸送，而準確測量輸煤管道進料粉煤質量流量是Shell粉煤氣化裝置實現長周期穩定運行的關鍵。

四條輸煤管道內的粉煤依靠中壓氮氣進行密相輸送，由于氣固兩相非均相流的特殊性，每條輸煤管道內的粉煤流量無法直接測量，是通過測量管道內粉煤速度和密度，再通過溫壓補償及輸送管道的管徑計算得出。輸煤管道上的不同儀表、閥門往往導致粉煤計量不夠準確，因此在開車前需對輸煤管道上更換或維修的密度、速度等計量儀表進行校正、標定，以實現氣化爐總控制氧煤比一致的目的。

2.1.1 磨煤單元制出合格煤粉，顆粒大于90μm＜10%，顆粒小于5μm＜10%，水分含量為＜3%；

2.1.2 四條煤粉管線按要求投用伴熱，要求溫度大于80℃。鄂爾多斯煤制油公司原設計為每條煤線一根低溫電伴熱，因無法滿足煤粉穩定的要求，技改在每條煤粉管線上增加了一根高溫電伴熱。

2.1.3 由于四條煤粉供料由對應的兩個煤粉貯倉供料，兩個貯倉稱重儀存在的偏差不一致，導致煤循環標定不一致，建議將煤循環標定改在同一煤粉貯倉進行（見圖一），以實現在同條件下煤粉輸送的一致性。

2.1.4 粉煤流量標定，需在單位時間段（大于30分鐘）內煤粉輸送穩定，如果該時間段內煤粉穩定性較差，須重復該穩定數據采集。

2.1.5 煤粉測量的重復性好。模擬煤粉給料倉與氣化爐保持一定壓差下，煤粉以不同負荷經輸煤管道送至煤粉貯倉中，修正單位時間內煤粉貯倉增加量與輸煤管道煤粉累積量，得出歸納公式。

2.1.6 煤循環的準確性確定。對循環修正后計算出來的煤流量按實際生產中運行的常用負荷進行實際數據驗證，以確定該負荷生產運行下的煤量偏差為最小。

2.2 煤粉輸送的穩定性分析

Shell煤氣化爐的爐溫控制是以進入氣化爐的氧氣量不變，通過生產控制的氧煤比來決定進入氣化爐的煤粉量的多少來實現的，煤粉的進料量決定氣化反應。由此可見，煤粉流量的準確、穩定對煤粉加入量、氣化效率等起到決定性的作用。

2.2.1 通過煤粉給料單元的充泄壓閥門的PID參數優化，解決控制滯后的問題，減少煤粉給料倉壓力常規PID調節時間對氣化爐壓力波動的影響，降低粉煤鎖斗罐與給料罐連通時的壓力波動，同時避免與除橋造成的壓力波動重疊；

2.2.2 通過煤粉給料單元的順控邏輯優化，在順控中設置閥門預置閥位，降低粉煤鎖斗罐架橋除橋時的壓力波動；

2.2.3 提高粉煤系統伴熱等級，以提高伴熱溫度，解決煤粉中水分析出造成的板結、架橋現象，保證下料順暢。

因此，使用Shell煤氣化工藝的企業，應在投料試車階段及生產運行階段對煤粉管線輸送的一致性及穩定性引起重視，流量一致及穩定的運行對燒嘴及燒嘴罩的長周期運行有很大好處。

3 氣化爐系統的運行控制

3.1 原煤質量的控制

Shell氣化爐的正常運行需對原料煤的供煤穩定引起足夠的重視，檢驗分析的準確性及及時性是掌握原料煤變化情況的重要保障。煤灰分的熔融性決定著粉煤氣化的溫度，在一定時間間隔內及時對制出的煤粉取樣分析，才能掌握進爐煤粉的指標參數，最終為氣化爐的生產運行控制提供有效的操作依據；灰分的突然變化增加了十字架冷卻器積灰及渣口積渣的風險，影響穩定生產。因此把控好原料煤供應，有利于Shell氣化爐運行穩定。

3.2 氣化爐爐溫的控制

氣化爐爐溫無法直接測量，需通過氣化爐間接指標、激冷段等多個測溫點、合成氣組分含量及各相關指標的復雜計算近似得出。過高的爐溫，既影響合成氣的有效成分、降低氣化效率，又能導致氣化爐煤燒嘴、燒嘴罩、水冷壁等設備內件高溫燒蝕損壞，導致水汽泄漏至爐膛。長期低溫操作，由于渣的流動性變差，將在渣倒錐處形成較厚的掛渣，最終在渣收集器中形成架橋，導致堵渣。

長周期下氣化爐爐溫的控制的原則為在保證液態排渣的前提下盡可能保持相對較低的溫度，排渣時應及時觀察渣的形態，以參考指導爐溫控制。爐溫調整需保證爐膛的溫度不會出現大幅度的波動，氧煤比的K3值應按15分鐘內不超過0.005的速率進行限速控制。

因此，爐溫控制影響煤粉的氣化率、水冷壁的使用周期及氣化系統的穩定，監控好氣化爐各段的溫度指示，當局部熱偶損壞時，可通過各換熱設備后的熱偶溫度差及工藝氣成分的變化來綜合判斷。

3.3 加減負荷的控制

加減負荷時不可大幅度操作，而應小幅勻速進行操作，將負荷控制器的升降速率由設計的432千克/分調整至36千克/分，這樣平穩的工況可有效吸收小幅度的波動。

3.4 氣化爐壓力的控制

氣化爐壓力的高低，是決定煤線速度能否達到較高及燒嘴與氣化爐壓差的一個主要指標。當系統壓力波動幅度不大時，可小幅度進行微量調整或不調整；如果波動幅度過大時，應根據速度及爐溫對煤線進行干預。

3.5 排渣系統的操作

排渣系統是將氣化爐產生的粗渣定時排出。在正常生產中，操作員可根據渣系統運行時的液位、差壓、流量、電流及皮帶稱重儀等一些參數判斷堵渣或其他異常工況。當排渣系統出現故障時，及時的發現和處理是很重要的。

若有堵渣發生，采取上頂下壓法破除，以實現連續運行。鄂爾多斯煤制油公司在渣鎖斗罐下渣堵渣處做過技改，將循環水泵來低壓水改至渣鎖斗罐下部，若排渣不利時，可采取開啟循環水泵來低壓水反沖的方法以疏松架橋，再適當帶壓排渣的方式消除渣架橋。

采用氣化爐相對低溫操作模式后，導致粉煤氣化效率有所下降，灰、渣中碳含量上升，細渣較多。細渣懸浮于渣收集器，不易被排出，由此造成渣水循環泵蝸殼及葉輪等磨蝕較重、頻次較高，潛在泄漏不可控風險，制定定期切換檢查渣水泵機制，杜絕泄漏發生。

3.6 飛灰過濾器的優化

配煤生產后，過濾器設計負荷偏小，且運行強度稍差。通過試用，技改將陶瓷濾芯升級為鐵鋁合金濾芯，提高了生產波動時的強度；

高壓反吹閥門供氣由氣化爐激冷段及飛灰過濾器共同供氣，改造為飛灰過濾器單獨供氣，避開反吹用氮的沖突及解決反吹壓力不足的現象，有效保證了反吹效果。

3.7 洗滌塔的運行控制

嚴格控制洗滌塔pH值，防止鹽份、灰分等結垢。若結垢一旦形成，將導致文丘里及填料阻力增加，結垢物的脫落，經循環后堵塞噴淋管及噴淋頭,影響整個噴淋水洗效果，為此優化改造將噴淋管的孔徑適當擴放，以減緩堵塞及延長使用周期。

3.8 AUGRS閥門雙閥憋壓

雙閥憋壓的主要原因可能是填料泄漏、閥體密封泄漏、閥體外漏以及連接件松動等情況，常有的故障現象為軸斷、執行機構齒輪齒條、連接件損壞等。

AUGRS閥門為浮動球球閥，在有壓力作用下，球體能產生微量的位移并緊壓在出口端的密封面上，保證出口端強制密封。優化改造將消除憋壓現象，使閥門在壓力均衡下開啟。

4 氣化廢水的排放控制

面對依然嚴峻的環保形勢，加強環境保護和污水治理，是勢在必行。

采用氣化爐相對低溫操作模式后，導致粉煤氣化效率下降，濾餅產量明顯增加。由此帶來的廢水處理問題已逐步顯現、暴露，若不能有效改善及合理的消除，必將是長周期運行中又一絆腳石。

4.1 氣化廢水異常原因

4.1.1 細渣量較大。

4.1.2 沉降槽內沉降空間不足。

4.2 氣化廢水異常處理

4.2.1 依生產周期，可周期性的間斷提高操作爐溫，減少細渣量，同時適當熔融渣屏的掛渣，以減薄其積渣的厚度，以防堵渣的風險；

4.2.2 加大濾餅排出量，及時排出由于各環節影響泥漿排出工作進行而延誤積攢的濾餅，以保證進出濾餅量平衡；

5 結語

筆者認為以上措施是氣化爐長周期穩定運行的關鍵，同時渣水、合成氣所涉及的設備、管道的磨損和腐蝕及運行中的一些不可控因素也是影響長周期的因素。因此對停爐檢修也提出了更高的要求，高質量的停爐檢修，是氣化爐長周期穩定運行的前提。即在正常運行期間對氣化工況進行正確控制，在停爐檢修期間對裝置全面、細致的消缺，可實現氣化爐運行達到長周期，單臺氣化爐的運行周期可以輕易超過百天。

嚴格控制操作指標與不斷優化操作，是長周期運行的根本保證。Shell粉煤氣化應根據原煤及負荷的變化，不斷優化操作，確定最佳運行操作指標，并嚴格按照確定的指標執行生產，當關鍵指標產生偏離，及時做出相應的調整。

為確保Shell煤氣化裝置的長周期運行，還需加強技術攻關，對裝置實行嚴密監控。堅持每日對裝置進行監控，將關鍵運行參數進行對比分析，發現波動或異常情況立即進行相應的調整處理，及時遏制或消除各類影響裝置安穩運行的問題。