Shell氣化裝置高負荷運行瓶頸問題分析及措施

董亞軍（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古鄂爾多斯017209）

Shell氣化裝置高負荷運行瓶頸問題分析及措施

董亞軍（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古鄂爾多斯017209）

煤制氫裝置氣化原料煤與設計煤質偏差較大，高負荷運行瓶頸問題，導致不能達到設計產氫能力；高溫高壓飛灰過濾器S1501設計能力偏小，由于煤粉雜物導致煤燒嘴跳停頻繁，合成器冷卻器積灰嚴重。

shell粉煤氣化；高溫高壓飛灰過濾器；煤燒嘴；合成氣冷卻器；激冷氣

神華鄂爾多斯煤制油公司兩套煤制氫裝置為煤直接液化裝置提供氫氣，煤制氫裝置的高負荷穩定運行直接影響油品產量、液化裝置的運行穩定性。煤制氫裝置采用shell粉煤氣化工藝，由于氣化原煤與設計煤質偏差較大、高負荷運行瓶頸問題的存在，導致煤制氫裝置沒有達到設計產氫能力，特別是單臺氣化爐檢修期間，為了確保供氫量，造成天然氣制氫裝置天然氣消耗較大，影響公司經濟效益，不能滿足公司長期發展的要求。

1 裝置供氫能力說明

煤直接液化項目第一條生產線第一、第二煤制氫裝置設計總供氫能力為287×2t/d（純氫），13.35萬×2Nm3/h（管網氫），單臺氣化爐設計日投煤量2148×2t/d，年耗煤70.88萬×2/a。由于氣化原料煤與設計煤質偏差較大，性能考核期間最高產氫量12.33萬Nm3/h，氧負荷105%運行72小時，合成氣冷卻器入口溫度748℃，性能考核結束后裝置停車檢修，合成氣冷卻器入口存在積灰現象。

近幾年裝置實際供氫量：第一煤制氫裝置2014年運行7224小時，平均負荷90872Nm3/h；2015年運行6624小時，平均負荷86593Nm3/h；2016年運行7704小時，平均負荷84500Nm3/h；第二煤制氫裝置2014年運行7416小時，平均負荷93378Nm3/h；2015年運行6096小時，平均負荷87527Nm3/h；2016年運行6864小時，平均負荷95900Nm3/h。對應煤直接液化裝置負荷：2014年83%，2015年77.4%，2014年84%。

通過以上數據可以看出兩套煤制氫裝置實際產氫量遠遠低于設計產氫能力，主要由于以下問題存在：

（1）下游裝置沒有達到設計負荷，對氫氣的需求量偏低，導致煤制氫裝置處于相對較低負荷運行；與下游裝置運行負荷不同步，當煤制氫裝置具有較高供氫能力時，下游裝置對氫氣需求較低，當氣化裝置長周期運行至后半段時，不能滿足下游裝置對氫氣的需求。

（2）氣化原料煤煤質指標與設計指標存在較大差異，主要是原料煤灰含量較設計值偏高，設計7%，實際13%-15%之間，導致噸氫煤耗偏高，設計生產噸氫煤耗7.48噸，實際約8.9噸。

（3）影響煤制氫裝置高負荷長周期運行瓶頸問題的存在。

2 高負荷長周期運行瓶頸問題分析

2.1 高溫高壓飛灰過濾器S1501設計能力偏小

2.1.1 濾芯運行情況說明

神華殼牌氣化爐配套飛灰過濾器S1501設計余量偏小濾芯負荷較高，容易超負荷運行而發生斷裂[2]。

2010年至2013年，煤氣化裝置高溫高壓飛灰過濾器濾芯損壞是導致裝置停車的主要因素,因此濾芯的性能水平是裝置能否高負荷長周期運行的關鍵。2010年1月至2013年105/106單元總共停車47次，其中由于濾芯斷裂引起停車共10次，占停車總次數21%。

隨著金屬濾芯的使用，濾芯斷裂次數逐漸減少，但裝置長周期運行至后期，濾芯管板（管板設計差壓70kPa）及墊片等薄弱部位長時間在高差壓（最高45kPa）下工作，存在損壞風險影響裝置高負荷運行。

2.1.2 解決措施：

（1）使用1.5米金屬濾芯替代原有1.5米陶瓷濾芯、繼續試用2米金屬濾芯逐步替代1.5米金屬濾芯，增加過濾面積降低濾芯差壓。

表2：濾芯試用周期表

2015年7月10 日，氣化105單元S1501 11號反吹閥下對應安裝兩米金濾芯一組48支，一直運行到2016年9月18日，停車檢修取出前濾芯差壓約40kPa，整體使用時間是410天，運行情況良好，沒有斷裂情況，焊接部位沒有任何泄漏情況，表面積灰均勻，3mm左右，與1.5m濾芯表面積灰相當；花板上積灰高度大約在250mm-300mm之間，與1.5m濾芯花板上積灰高度相當。通過測量數據可以看出，在保持原有反吹氮氣壓力、反吹氮氣量、反吹氮氣噴嘴等不變的情況下，2米濾芯花板積灰厚度、濾芯表面濾餅層厚度均與1.5米濾芯相當。濾芯供應商安泰環境工程技術有限公司對使用后2米濾芯進行了解剖分析，濾芯的各項性能與1.5米濾芯相當。

（2）控制合適的反吹氮氣壓力，通過優化S1501反吹氮氣閥門動作時間、調整反吹氮氣壓力、改造反吹噴嘴，增加反吹力度維持濾芯差壓穩定[1]。

2.1.3 可能存在的風險

（1）在反吹氮氣壓力、流量、反吹氮氣噴頭不變的情況下，由于濾芯長度增加，濾芯中下部濾餅層可能偏厚，花板部位飛灰堆積厚度可能增加影響過濾能力。

（2）如果全部使用2米濾芯，濾芯自重增加33%，約增加1.3噸，增加了管板負重，可能對管板有一定影響，需要設備供應商進一步核算評估。

（3）2米濾芯中部焊接部位強度偏低，抗系統波動能力較1.5米濾芯偏低。在2米濾芯安裝、拆除、清洗、清洗后運輸等過程中都可能對焊接位置造成損傷，濾芯安裝前只能通過表觀進行檢查，不能有效的發現濾芯焊接部位微觀損壞情況，給裝置穩定運行增加了風險。

2.2 煤燒嘴跳停頻繁

2.2.1 燒嘴跳停情況說明：

單臺氣化爐設置4臺煤燒嘴，裝置正常運行期間必須保持4臺燒同時運行，確保氣化爐安全運行。燒嘴頻繁跳車不僅影響氣化爐運行負荷，同時會對氣化爐安全穩定運行造成影響，2107年105單元由于1號燒嘴頻繁跳車，并且長時間不能正常投用造成氣化爐內部損壞，裝置被迫停車檢修。106單元同樣因為燒嘴頻繁跳車造成燒嘴罩膨脹節短接燒毀，裝置被迫停車檢修。2017年1月至6月份105單元煤燒嘴累計跳停26次，106單元煤燒嘴累計跳停29次，105/106單元拆角閥25次，20次拆出雜物。

2.2.2 解決措施：

（1）編制磨煤制粉系統及煤粉給料輸送系統標準化檢修方案，確保檢修完成后，系統內無任何檢修廢料。建立相應的考核制度，磨煤制粉系統及煤粉給料系統檢修后正常投用，對應的燒嘴如果出現頻繁跳車，對檢修人員及負債組織檢修的人員給于考核。消除由于人為原因造成雜物遺留在系統內引起燒嘴跳車。

（2）對粉煤給料輸送系統易損部件進行材料升級，防止損壞的設備部件掉入系統，引起燒嘴跳車。

將充氣錐、管道充氣器燒結金屬內件材料進行升級，即使發生損壞也不會導致碎片掉入系統影響煤線運行；對笛管固定方式進行了改造，避免了笛管固定管箍掉入粉煤系統影響燒嘴運行。

粉煤系統過濾器S1202、S1204底部增加格柵板，防止濾芯損壞碎片掉入系統影響煤線運行。

（3）提高粉煤給料系統伴熱溫度防止由于溫度過低煤粉積塊影響煤線穩定性。由0.45MPa蒸汽伴熱改為1.1MPa蒸汽伴熱；對煤線電伴熱進行升級改造，保溫進行加厚，確保煤線溫度在85℃左右。

（4）煤粉系統增加纖維篩防止煤中雜物通過磨煤系統進入粉煤供料系統堵塞角閥引起燒嘴跳車

前3項措施的實施燒嘴跳停次數較之前下降25%，但是原料煤中的雜物嚴重影響煤線的穩定運行，特別是外購的高硫煤在運輸及倒運過程中雜物混入的風險極高，雜物通過磨煤系統進入粉煤給料系統堵塞角閥引起燒嘴跳車。

2.3 合成氣冷卻器入口積灰

2.3.1 積灰情況說明：

（1）依據煤灰的粘溫特性以及殼牌氣化爐實際運行經驗，當合成氣冷卻器入口溫度低于(2/3FT-150)度時，積灰的風險較低，因此正常運行期間合成氣冷卻器入口溫度控制指標應低于(2/3FT-150)度。氣化裝置主要原料補連塔2-2煤煤灰的流動溫度（FT）約1200度左右，按照（2/3×1200-150）計算，合成氣冷卻器入口溫度控制指標應低于650度。激冷氣量是按照合成氣冷卻器入口溫度750度設計，裝置實際控制指標為650度，因此只能通過降低運行負荷來保證控制指標，減少積灰。

（2）通過配煤將入爐煤煤灰的流動溫度調整至1350度左右，但主要原料煤煤灰仍然對積灰起主導作用，合成氣冷卻器入口溫度控制指標仍然需要低于650度，限制氣化運行負荷。即便溫度低于650度，當氣化爐運行時間超過120天時，合成氣冷卻器十字架開始積灰影響裝置高負荷長周期運行。

2.3.2 解決措施：

（1）通過改變十字架吹灰器結構，降低積灰速率。目前多家殼牌氣化用戶對吹灰器的結構進行了改造，改造后十字架積灰速率沒有明顯下降，沒有達到預期效果。

（2）通過優化激冷氣壓縮機K1301出入口管線配置，降低管線阻力，增加激冷氣量。取消K1301入口過濾器骨架、取消K1301入口分液罐頂部除沫網、取消K1301出口管線流量孔板、取消K1301出口管線上調節閥13FV0008，激冷氣量增加約5000Nm3/h。

（3）取消洗滌塔出口管線上調節閥（DN400蝶閥）13PV0076，降低壓縮機入口與氣化爐激冷口的差壓，通過核算預計能增加激冷氣量約5000 Nm3/h。

裝置開工以來13PV0076閥長期處于100%開度，閥前后差壓約35-40kPa，設計此閥的最初目的為，確保壓縮機入口壓力穩定和協助13TV0020控制壓縮機入口溫度。實際上系統壓力波動受制于16PV0008B控制，壓力波動小于0.1MPa，并且壓力的波動同時施加在壓縮機入口和出口，對壓縮機本身沒有太大影響。另外13TV0020已經增加了旁路，溫度的控制完全可以通過調整13TV0020開度來實現。為了防止13PV0076誤動作關閉導致系統憋壓，損壞壓縮機等惡性事件發生，2014年起對閥門進行了機械限位。

（4）通過電機增容或更換電機、升級變頻器、優化葉輪結構將K1301轉速提至額定轉速，增加激冷氣量。

2015年對106K1301進行了葉輪擴能改造，委托西安賽爾流體機械設計制造單位重新設計和計算，采用專利技術“全可控渦”閉式三元葉輪設計與制造技術，對壓縮機轉子實施擴能改造，利用新轉子的高效率壓縮技術，在原配動力系統不變的情況下，增加流量，完成壓縮機核心部件葉輪的國產化擴能改造。該項目從設計改造到安裝投用，共歷時約6個月，轉子安裝投用后因電機電流受限制，機組運行轉速達不到設計轉速，激冷氣量僅增加約為4%左右，之后葉輪進行過兩次返廠車削，投用后無明顯效果。原設計電機最高轉速為1492rpm，實際計算增速箱增速比為3.654:1（銘牌標注為3.854:1），所以壓縮機正常運行最高轉速僅為5480rpm，無法達到原設計的5733rpm，所以激冷氣量也無法達到設計值。

如果將變頻器和電動機功率根據工藝需求激冷氣量同比增大，理論上可以滿足激冷氣量的需求。能夠通過電機更換、變頻器更新升級，不僅消除了老舊設備故障率逐年增加的隱患，更有利于提高電機轉速，進而為提高壓縮機轉速提供安全便利的條件和空間，可以進一步提高激冷氣氣量。

（5）整體更換激冷氣壓縮機提高激冷氣流量。

據悉河南能源集團旗下鶴壁煤化工、中原大化、龍宇煤化工[3]分別對激冷氣壓縮機進行了整體更換，鶴壁煤化工更換完激冷氣壓縮機后滿負荷運行時合成氣冷卻器入口溫度約630度左右；中原大化更換完激冷氣壓縮機后滿負荷運行時合成氣冷卻器入口溫度約650度左右。壓縮機更換完成后，合成氣冷卻器十字架積灰速率明顯降低。

2.3.3 可能存在的風險

（1）激冷氣量增加，氣化爐輸氣導管段氣速增加，對導管段的磨蝕速率增加，可能造成水冷管由于磨蝕泄漏。通過改變導管段耐火銷釘排布方式降低局部磨蝕風險。將規整排列的銷釘改為雜亂排列，避免了局部磨蝕。

（2）激冷氣量增加造成通過S1501高溫高壓飛灰過濾器的氣量增加，引起濾芯差壓增加。通過逐步使用2米金屬濾芯增加過濾面積，降低濾芯差壓。

2.4 氣化爐煤種操作窗口小

2.4.1 操作窗口

氣化爐煤種操作窗口小，氣化爐操作難度大。氣化溫度操作空間=動力粘度2Pa.S時的渣溫度-渣液化溫度。通過目前氣化爐入爐煤煤灰粘溫特性曲線可以計算出，氣化爐溫度操作空間為72℃左右，因此渣口容易發生堵渣。為保證氣化爐穩定運行，要求入爐煤的氣化操作溫度空間大于氣化溫度波動范圍。如果入爐煤的氣化操作空間小于氣化溫度波動范圍，且氣化溫度向下限波動，則可能出現渣流動性過差，渣層變厚，增加渣口堵渣風險。

在假設入爐煤質穩定的條件下，其空氣干燥基碳含量Cad%可以視為常數，因此氧碳比與氧煤比成正比關系，shell粉煤氣化工藝使用氧煤比控制氣化爐溫。由于粉煤流量的測量精度偏低，導致實際測定的氧煤比精度偏低，其正常的波動范圍為0.13，由此對應的氣化溫度波動范圍為135℃。在實際氣化運行過程中，入爐煤煤質存在一定波動，空氣干燥基碳含量Cad%不是常數，其波動范圍為約6-8個百分點，由此引起的氣化溫度波動范圍為30℃。

如果入爐煤的氣化操作空間小于氣化溫度波動范圍，且氣化溫度向上限波動，則可能出現渣流動性過好，渣層變薄，增加渣屏結大渣、渣池堵渣風險。

2.4.2 解決措施

（1）與殼牌公司合作進行技術攻關，通過調整煤燒嘴安裝角度、改變燒嘴頭結構、對渣口結構進行優化、重新核算渣口位置水冷管水流量等措施改變渣口位置流場、溫度場分布，提高渣口位置溫度，降低堵渣風險。據悉大唐多倫煤化工已經對燒嘴安裝角度進行了調整、河南能源鶴壁公司對殼牌氣化爐燒嘴安裝角度也進行了調整，燒嘴安裝角度調整后，對緩解氣化爐堵渣起到了積極作用。

（2）選擇操作窗口較寬的煤種與現有原煤進行混配，提高氣化操作窗口至160℃-250℃。

3 進一步的改進方案

（1）重新設計制作葉輪，建立模型，根據氣量需求配置相匹配的變頻器和電動機，改造完成后K1301轉速提至額定轉速，激冷氣量能滿足氣爐100%氧負荷運行；拆除洗滌塔出口管線上調節閥，利用管線代替，預計能增加激冷氣量約5000 Nm3/h。

（2）與纖維篩廠商開展技術交流，盡快確定粉煤系統增加纖維篩的具體方案，力爭在裝置檢修期間完成改造。

（3）繼續進行技術攻關，通過調整煤燒嘴安裝角度、改變燒嘴頭結構、對渣口結構進行優化、重新核算渣口位置水冷管水流量等措施改變渣口位置流場、溫度場分布，提高渣口位置溫度，降低堵渣風險。

（4）根據2米整體金屬濾芯試用情況，考慮整體升級更換為2米整體金屬濾芯。

[1]董亞軍.Shell煤氣化工藝高溫高壓飛灰過濾器S1501分析及解決措施.河北化工，2012.35（1）18-21.

[2]趙宗凱.神華殼牌煤氣化裝置高溫高壓過濾器改造及工業運行效果.工業，2015.25（7）7-9.

[3]郭肖選，張彥民.煤氣冷卻器積灰原因與解決措施.化肥工業，2013.40（4）27-29.

董亞軍（1982-），男，漢，河北省石家莊人，神華鄂爾多斯煤制油公司，碩士學位，中級工程師，煤化工方向。