Shell氣化爐堵渣原因分析及預(yù)防措施

胡嘉莉

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Shell氣化爐堵渣原因分析及預(yù)防措施

胡嘉莉

摘要通過Shell氣化爐發(fā)生的一次堵渣故障，對(duì)堵渣過程出現(xiàn)的問題及原因進(jìn)行分析，提出預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞Shell氣化爐；堵渣；氧煤比

0引言

同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司年產(chǎn)60萬t甲醇項(xiàng)目采用Shell干煤粉氣化技術(shù)，以煤為原料，生產(chǎn)粗合成氣，再經(jīng)催化合成精甲醇。粉煤氣化裝置生產(chǎn)能力為年產(chǎn)14億Nm3（CO+H2）合成氣，主設(shè)備殼牌氣化爐總重約1 813 t，日處理煤量2 600 t，是目前世界上單爐處理煤量和產(chǎn)氣能力最大的氣化爐。該氣化爐具有煤種適應(yīng)性廣、輸煤連續(xù)性好、碳轉(zhuǎn)化率高、氧消耗量低、冷煤氣效率高等特點(diǎn)。本文針對(duì)一次堵渣故障進(jìn)行深入剖析，查找原因，并提出預(yù)防措施，消除隱患。

1工藝原理

Shell煤氣化工藝采用粉煤加壓、氣流床反應(yīng)、液態(tài)排渣、水冷壁結(jié)構(gòu)的反應(yīng)室，余熱充分回收的氣化反應(yīng)，是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。不僅與氣化溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間有關(guān)，而且還受進(jìn)料組分濃度、溫度和煤的理化特性影響（如煤的粒度、活性、灰熔點(diǎn)及粘性等因素）。主要的氣化反應(yīng)：

C＋O2= CO2－393 MJ／kmol C＋CO2= 2CO＋173 MJ／kmol C＋H2O=CO＋H2＋131 MJ／kmol C＋2H2=CH4－75 MJ／kmol CO＋H2O=CO2＋H2－41 MJ／kmol CH4＋H2O=CO＋3H2＋211 MJ／kmol

Shell氣化爐排采用“液態(tài)排渣，以渣抗渣”工藝，設(shè)計(jì)氣化反應(yīng)壓力4.0 MPa、氣化反應(yīng)溫度1 400℃~1 600℃，爐內(nèi)1 500℃左右的熔融渣在水冷壁上形成相對(duì)平衡的動(dòng)態(tài)渣,部分熔融態(tài)灰渣顆粒與渣層表面相碰形成液態(tài)渣層沿壁面流下，最后從爐底排渣口流出氣化爐。

從目前同煤廣發(fā)化工公司殼牌氣化爐的運(yùn)行實(shí)踐來看，將鵲山煤與杏溝煤配比，其哈氏可磨指數(shù)在40~60、灰熔點(diǎn)高達(dá)1 500℃以上。通過在原料煤中加一定量的石灰石助溶劑降低煤熔融溫度至1 400℃以下，灰渣黏度控制在2 Pa.s~25 Pa.s，以滿足氣化爐排渣要求。當(dāng)氣化爐操作溫度較高和負(fù)荷較大時(shí)，灰的黏度低有利于排渣，但黏度太低會(huì)造成氣化爐的熱損較大、水冷壁掛渣困難甚至燒蝕銷釘和水冷壁；黏度太高難以流動(dòng)又不利于排渣，會(huì)導(dǎo)致氣化爐積渣，使氣流通道變窄，甚至堵塞排渣口，造成煤氣化裝置連鎖停車，影響生產(chǎn)。

2氣化爐堵渣故障

2015年8月17日15：00時(shí)煤氣化裝置主控操作人員發(fā)現(xiàn)，氣化爐渣口壓差開始出現(xiàn)較大波動(dòng)，V-1301氣化爐中部壓差達(dá)到+24 kPa，最終引起渣口垮渣，技術(shù)員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行排渣，發(fā)現(xiàn)煤渣已經(jīng)不能正常排出，由此推斷渣口堵死，氣化爐已無法正常運(yùn)行，?在19:02手動(dòng)停車。（見圖1）

圖1運(yùn)行過程趨勢(shì)（2015年8月17日）

由上圖分析可知，在14:30分之前，在氧煤比穩(wěn)定的情況下，氣化爐各項(xiàng)數(shù)值趨于穩(wěn)定：去用戶合成氣CO2含量在±11%，反應(yīng)室中部壓差在±3.3 kPa，汽包總蒸汽量大約在32 kg/s,小室蒸汽產(chǎn)量大約在3.0 kg/s。從14:30分開始，氣化爐中部壓差出現(xiàn)較小的波動(dòng)，若根據(jù)小室蒸汽產(chǎn)量向下降，則推斷氣化溫度是下降的趨勢(shì)；若根據(jù)CO2含量分析上升，則推斷氣化溫度是上升的趨勢(shì)。2條曲線推斷出的結(jié)論是相反的，已經(jīng)無法判斷氣化爐的真實(shí)反應(yīng)溫度。

為了獲得真實(shí)的氣化爐工況條件，儀表技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)核驗(yàn)了13PDI -0065A/B/C三塊儀表，判斷是否因儀表誤差而出現(xiàn)假值。在15:45儀表排表結(jié)果為正常，小室蒸汽產(chǎn)量數(shù)值繼續(xù)趨于下降，而此時(shí)去用戶合成氣CO2含量已經(jīng)不變，汽包總蒸汽產(chǎn)量流量也出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，渣口壓差依然波動(dòng)，由趨勢(shì)圖推斷出氣化爐爐溫過低。因此，需要緩慢提高氣化爐反應(yīng)溫度，將渣口處凝固的固態(tài)渣緩慢融化，同時(shí)又要防止因升溫過快造成垮渣，使大塊渣將渣口堵死的情況發(fā)生。

煤氣化過程主要是通過調(diào)整氧煤比來提高反應(yīng)溫度，具體的工況參數(shù)調(diào)整過程見表1：

表1氧煤比調(diào)整過程

從氧煤比調(diào)整過程的表1數(shù)據(jù)中可知：從15:40確認(rèn)為氣化溫度低開始，每次緩慢提升0.002，氧煤比從0.770上升到0.800。在18:49氣化工況出現(xiàn)垮渣現(xiàn)象，總蒸汽產(chǎn)量以及小室蒸汽產(chǎn)量都出現(xiàn)明顯上升，為保護(hù)設(shè)備不被高溫?zé)龘p，將氧煤比調(diào)整到0.794，之后小室蒸汽產(chǎn)量出現(xiàn)下降趨勢(shì)，將氧煤比再次提升至0.798，依然無法順利排渣，在19:02手動(dòng)停車。

經(jīng)深入分析煤氣化運(yùn)行過程趨勢(shì)變化與氧煤比調(diào)整過程表明，若短期通過及時(shí)調(diào)整氧煤比提升操作溫度，能使氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定，渣樣顯示溫度正常，則可排除堵渣故障。但是若在氧煤比穩(wěn)定的情況下正常運(yùn)行一段時(shí)間后，仍出現(xiàn)各組參數(shù)都波動(dòng)的工況，表明再次通過調(diào)整氧煤比已不能排除堵渣故障，需及時(shí)進(jìn)行手動(dòng)停車。

3氣化爐堵渣原因排查

3.1石灰石添加量

如果入爐煤的煤灰流動(dòng)溫度不穩(wěn)定，會(huì)影響氣化爐的液態(tài)排渣情況，是導(dǎo)致氣化爐液態(tài)排渣困難及堵渣的重要原因。為了降低能耗，降低操作溫度，需加入助熔劑石灰石降低灰熔點(diǎn)，Shell氣化爐石灰石的添加量設(shè)計(jì)值：＜25%，將灰熔點(diǎn)控制在1 200℃左右，從而降低煤灰熔融溫度，改善煤灰黏溫特性[1]。

2015年8月17日堵渣故障發(fā)生時(shí)石灰石添加情況詳見圖2：

圖2石灰石儲(chǔ)罐的料位變化曲線（2015年8月17日）

由圖2曲線可知，根據(jù)17.4 kg/s的氧氣負(fù)荷，可推算磨煤進(jìn)入燒嘴的時(shí)間大約為之后的8 hr~10 hr，因此需要檢查8月17日6點(diǎn)左右的石灰石添加情況。由圖中穩(wěn)定的斜率，可知石灰石添加量基本穩(wěn)定，為4.2 t/hr，是10點(diǎn)半左右添加石灰石，根據(jù)當(dāng)天磨煤量90 t/hr來計(jì)算，石灰石添加量保證在4.5% ~5%之間，符合操作要求。

為了準(zhǔn)確判斷石灰石的添加量，還取樣分析了粉煤給料倉V-1205四條煤線角閥處粉煤中CaO含量（見11頁表2）、爐渣中CaO的含量（見11頁表3）。

表2煤粉中CaO含量

由表2可知，根據(jù)4.5%~5%的石灰石添加量，煤粉中的CaO含量在15%左右，考慮到MgO的存在，可推斷石灰石添加量滿足工藝要求。

表3開爐清渣后渣中CaO的含量

表3是煤粉的灰成分中CaO含量，表明在堵渣之初，煤粉的CaO含量正常。

因此，從以上三組數(shù)據(jù)可以判斷：石灰石添加量正常，此條原因可以排除。

3.2石灰石中CaCO3含量

石灰石中CaCO3是降低煤粉灰熔點(diǎn)的有效成分，其含量直接影響氣化爐的流態(tài)排渣。8月17日石灰石稱重給料機(jī)X-1109A中石灰石樣品中CaCO3的含量見表4。

表4石灰石中CaCO3的含量

從4表中可知，MgCO3的含量較高，由石灰石降低灰熔點(diǎn)的機(jī)理可知，MgO也可以降低灰熔點(diǎn)，使總的降低灰熔點(diǎn)的有效組分達(dá)到了98.03%，因此，從以上數(shù)據(jù)可以判斷：石灰石的有效組分滿足工藝要求，此條原因可以排除。

3.3氣化原料煤煤質(zhì)

由于煤炭賦存地質(zhì)條件千差萬別，決定了煤質(zhì)指標(biāo)的波動(dòng)很難避免，而煤質(zhì)變化對(duì)Shell氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行非常關(guān)鍵，特別是灰成分中各物質(zhì)的比例直接影響流態(tài)排渣。

對(duì)8月17日煤粉給料倉四條煤線角閥處煤樣和堵渣的最底層處渣樣進(jìn)行了灰組分測(cè)試，分析了煤質(zhì)變化情況，煤樣與渣樣的主要化學(xué)成分含量分析見表5。由表5對(duì)比分析可知，煤灰的SiO2/Al2O3比小于3.0，各樣品中Fe2O3的含量相差接近2倍，而Fe2O3的含量設(shè)計(jì)值為≤8%，隨著Fe2O3含量增加，氣化爐灰渣的灰熔點(diǎn)升高、流動(dòng)性降低，造成堵渣故障。

表5 1#~4#角閥煤樣與各層渣樣含量分析

3.4燒嘴罩或水汽管道的密閉性

當(dāng)氣化爐正常運(yùn)行時(shí)，若出現(xiàn)燒嘴罩或反應(yīng)室內(nèi)的水冷壁管道發(fā)生泄漏（泄漏量在2 kg/s以上），會(huì)降低反應(yīng)室內(nèi)的溫度，使渣的流動(dòng)性下降造成堵渣。

氣化爐在拆開后，進(jìn)行了2次5.2 MPa的水壓試驗(yàn)，第1次發(fā)現(xiàn)2#、4#燒嘴罩有輕微滲水泄露，補(bǔ)漏完成后，繼續(xù)做水壓試驗(yàn)，整個(gè)反應(yīng)室及上部激冷管線密閉性良好、未發(fā)生泄漏，因此此原因可排除。

4預(yù)防措施

4.1改善煤質(zhì)

合理選用原料煤，及時(shí)跟蹤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)，避免頻繁更換煤種，確保煤質(zhì)穩(wěn)定。可采取優(yōu)化配煤或添加助溶劑等方式，控制灰分±6%以內(nèi)，灰熔點(diǎn)波動(dòng)± 100℃以內(nèi)，保證煤質(zhì)中關(guān)鍵指標(biāo)符合氣化爐設(shè)計(jì)要求[2]。4.2確定合適爐溫

根據(jù)煤的灰熔點(diǎn)和黏溫曲線，通過調(diào)節(jié)氧煤比控制合適的氣化爐操作溫度，保證灰渣流動(dòng)性。Shell氣化爐一般要求爐溫的操作彈性＞100℃，爐壁底部總渣厚＞20 mm，渣口流動(dòng)部分厚度＜15 mm，操作爐溫大于煤的灰熔點(diǎn)200℃左右。實(shí)操中，主控人員要嚴(yán)格按照規(guī)程操作，以防操作工況大幅度變化使氣化爐堵渣。4.3加強(qiáng)數(shù)據(jù)監(jiān)控

加強(qiáng)對(duì)16QI-0004 C、13PDI-0065 A/B/C、13FI-0044、13FY6-0047等關(guān)鍵儀表測(cè)量點(diǎn)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常，特別是渣口壓差出現(xiàn)明顯變化時(shí)要配合

蒸汽流量、CO2含量、氣化爐溫度等及時(shí)進(jìn)行氣化爐參數(shù)的調(diào)整，準(zhǔn)確判斷堵渣位置。

5結(jié)語

經(jīng)過對(duì)氣化爐操作工況參數(shù)的全面分析可知，本次堵渣故障是由于煤的灰組分中鐵含量大幅上升，降低了灰渣的熔融流動(dòng)性，形成渣口堵渣。

通過排查堵渣原因，認(rèn)識(shí)到穩(wěn)定煤質(zhì)對(duì)Shell粉煤氣化工藝至關(guān)重要，探索出不同煤種的運(yùn)行工藝參數(shù)；同時(shí)也提高了操作控制水平，避免堵渣故障。今后要優(yōu)化配煤，強(qiáng)化煤質(zhì)分析檢驗(yàn)，健全氣化原料煤管理，穩(wěn)定入爐煤質(zhì)，保障氣化爐夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]項(xiàng)愛娟.煤灰分對(duì)Shell煤氣化工藝的影響[J] .化肥工業(yè)，2006 （12）：33.

[2]宋金榮，李海賓，王軍. Shell粉煤氣化爐堵渣處理與研究[J] .化肥時(shí)刊，2013，3（3）：27-30.

胡嘉莉，現(xiàn)在同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司工作。

The Analysis and Prevention Measures for Slag Blocking of Shell Gasifier

Hu Jiali

Abstract:Through the blocking slag accident of Shell gasifier, the problem and reason in the process of blocking slag was investigated, and the prevention measures are proposed.

Key words:Shell coal gasifier；slag blockage；oxygen-coal mole ratio

收稿日期：2016-01-02

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)TQ546

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B

文章編號(hào)1000-4866 (2016) 01-0009-03