Shell粉煤氣化爐溫度控制策略研究

, ,

(1.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 ; 2.陜西延長中煤榆林能源化工有限公司， 陜西 榆林 719000)

?綜述與述評?

Shell粉煤氣化爐溫度控制策略研究

宋金榮1,李強1,孟西磊2

(1.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 ; 2.陜西延長中煤榆林能源化工有限公司， 陜西 榆林 719000)

介紹了Shell粉煤氣化爐的結構特點和“以渣抗渣”原理，并揭示了爐溫控制不當的后果。分析了影響氣化爐溫度的各種因素，并結合爐溫判斷方法和調節手段，提出了Shell粉煤氣化爐“溫和”控制策略。

Shell粉煤氣化 ； 爐溫控制 ； 優化策略 ； 煤質

0 引言

煤氣化是實現煤炭綜合利用和潔凈煤技術的重要技術和主要手段，是發展現代煤化工、煤制油、燃料煤氣等工業化生產的龍頭[1]。Shell煤氣化工藝是當今世界上較為先進的第二代煤氣化工藝之一，國內先后有21家單位累計引進27套Shell煤氣化裝置，但在陸續開車和后期運行中曾暴露出激冷氣管線腐蝕、合成氣冷卻器十字吊架積灰、堵渣、飛灰過濾器濾芯斷裂，以及燒嘴和燒嘴罩損壞等一系列問題[2-6]。伴隨著這些問題的逐步解決，國內Shell煤氣化裝置逐步實現了長周期運行。毋庸置疑，氣化爐是煤氣化裝置的核心設備，而爐溫控制始終是氣化爐操作的關鍵，科學合理的爐溫控制策略不僅能延長設備使用壽命，更是煤氣化裝置長周期運行的基本前提和重要保障。

1 Shell粉煤氣化爐

1.1氣化爐結構特點

Shell粉煤氣化爐采用干粉煤進料、多燒嘴對置、液態排渣的方式，具有尺寸大、噸位大，殼體厚、鍛件厚，結構復雜、管口多，接管定位基線統一以及分段制造和組裝等特點。日投煤2 200 t Shell氣化爐尺寸、質量與技術參數如表1所示[7]。

Shell粉煤氣化爐主要由耐高壓的外筒和耐高溫的內筒兩部分構成，兩者之間的環形空間用于設備檢修和維護。環形空間與內筒通過平衡孔均壓，內筒僅承受微小壓差；氣化爐內筒為膜式水冷壁結構，能有效阻隔高溫合成氣保護承壓殼體。整個氣化爐包括氣化爐反應器、輸送系統(激冷管、輸送導管)、氣體反向室及合成器冷卻器4段：煤粉和氧氣在反應器內發生燃燒和氣化反應，熔渣向下進入渣收集器，粗合成氣夾帶飛灰在激冷管被冷合成氣激冷降溫，經過輸送導管和氣體反向室后進入合成器冷卻器進一步回收顯熱，最后經過濾除灰和濕洗后得到干凈的合成氣。

表1 氣化爐尺寸、質量與技術參數

1.2“以渣抗渣”原理

Shell粉煤氣化爐反應溫度為1 500～1 600 ℃，出爐膛的合成氣激冷后依然高達900 ℃。膜式水冷壁向火面涂有一層薄的耐火材料，并焊接有銷釘，生產運行中高溫熔渣在重力作用下沿水冷壁向下流動。由于耐火材料和金屬銷釘具有良好的熱傳導作用，貼近壁面的熔渣其熱量被膜式水冷壁中快速流動的汽包循環水吸收，溫度低于灰熔點而形成固相渣層；而遠離壁面的熔渣由于傳熱阻力較大，溫度高于灰熔點而形成流動渣層。渣層的存在使得水冷壁避免了反應腐蝕、高溫燒蝕和熔渣磨蝕，使用壽命大大延長，此即為“以渣抗渣”。Shell粉煤氣化爐“以渣抗渣”原理如圖1所示。

圖1 “以渣抗渣”示意圖

2 爐溫控制不當的后果

對Shell粉煤氣化而言,爐溫控制是關鍵，很多裝置運行中發生的問題或多或少與爐溫控制相關：激冷氣管線腐蝕與合成氣成分、管線材質特性及激冷氣溫度控制有關；合成氣冷卻器十字吊架積灰涉及到灰分含量、黏溫特性、反吹頻率、激冷比等多個方面；煤燒嘴損壞與冷卻水供給、煤線穩定性和爐溫控制等緊密聯系，而燒嘴罩損壞與燒嘴罩結構、煤質變化和渣層厚度等密切相關；堵渣多由煤質突變、爐內漏水和爐溫控制不當引發，而反吹閥故障、反吹壓力不足、濾芯機械強度低等可能導致飛灰過濾器濾芯損壞。以水冷壁“掛渣”為例，裝置開車中爐溫偏高則水冷壁無法順利“掛渣”，運行中爐溫波動大則可能發生垮渣事故，停車中爐溫降得過快則導致固定渣層剝落，不同工況下水冷壁掛渣情況如圖2所示。生產運行中，Shell粉煤氣化爐操作需要統籌兼顧各種因素，根據煤質特性、設備特點和工藝指標要求確定合理的操作爐溫和操作窗口以保障裝置長周期運行。

圖2 水冷壁掛渣

3 爐溫調節和判斷

3.1爐溫調節方法

Shell粉煤氣化爐爐溫主要通過合成氣質量控制回路13QC1300控制，該復雜控制回路包括4個控制器：①O2/C比控制器。系統通過氣化爐負荷控制器13HC1300設定生產負荷(以每小時氧耗計算)，總負荷控制器13HC1300和單燒嘴負荷控制器13HC001X為主從控制，正常工況下4個煤燒嘴氧流量控制器13FIC0X03均投串級，氧量通過單燒嘴負荷控制器13HC001X均分到4個煤燒嘴上，而單燒嘴負荷控制器13HC001X和煤粉流量控制器13FIC0X01為主從控制，通過調節氧煤比可間接控制煤粉流量，是現行主要的爐溫調控手段。②蒸汽產量控制器。通過控制汽包小室蒸汽產量13FI0047來間接控制氧煤比，以小室蒸汽產量為主要工藝指標實現氣化爐爐溫控制。③CO2濃度控制器。通過控制合成氣CO2含量來間接控制氧煤比，以合成氣CO2含量為主要工藝指標實現氣化爐爐溫控制。④CH4濃度控制器。通過控制合成氣CH4含量來間接控制氧煤比，以合成氣CH4含量為主要工藝指標實現氣化爐爐溫控制。

3.2爐溫判斷方法

Shell粉煤氣化爐操作壓力3.5 MPa，爐膛溫度1 500～1 600 ℃，再考慮到爐壁熔融流動的爐渣、粗合成氣中夾帶的飛灰，爐內工作環境非常惡劣，目前還沒有直接測量爐膛溫度的有效手段。因此，Shell粉煤氣化爐爐溫只能通過其他參數和方法來綜合判斷。

3.2.1合成氣冷卻器入口溫度

13TI0019位于氣化爐冷卻器十字吊架處，系第一支探入爐內的熱電偶，是爐溫監控的關鍵指標之一。生產負荷不同，合成氣冷卻器入口溫度13TI0019就不同；激冷氣流量13FIC0008和激冷氣溫度13TI0020是影響合成氣激冷效果的重要因素，而激冷段、傳輸段或者十字吊架積灰必然影響水冷壁換熱效果，最終都對合成氣冷卻器入口溫度13TI0019有顯著影響。

3.2.2氣化爐計算溫度

13TI9001是通過物料平衡和能量平衡計算所得，并非實際測量溫度。在氣化爐工況平穩期間，該溫度能較好地表征氣化爐爐溫；氣化爐計算溫度涉及激冷氣量13FIC0008、激冷氣溫度13TI0014、合成氣產量16FI0003、洗滌塔補水16FIC0014、洗滌塔排水16FIC0016等數十個參數，任何一個有偏差均會造成計算溫度失準，故工況不穩時氣化爐計算溫度參考意義不大。

3.2.3汽包小室蒸汽產量

爐膛、渣裙、燒嘴罩內的汽包循環水吸收熱量后進入汽包小室，汽液分離得到高壓飽和蒸汽。爐膛溫度越高，小室蒸汽越多；爐膛溫度越低，小時蒸汽越少。當氣化爐工況變化時，比如煤燒嘴跳車、投運，或者煤質、氧煤比、汽包補水、系統壓力改變后，小室蒸汽13FI0047均能及時作出響應，汽包小室蒸汽產量不僅是關鍵生產指標之一，且對爐溫監控有重要的參考意義。

3.2.4氣化爐汽水混合密度

氣化爐激冷段和傳輸段安裝有密度計13DI0040/0041，汽包循環水與水冷壁換熱后汽水混合物流經此處可測量其密度，爐膛溫度越低，汽水混合密度越高。裝置開車過程中，煤燒嘴投運初期生產負荷較低，爐膛溫度較低，汽水混合密度明顯較高；而隨著生產負荷提高，爐膛溫度隨之升高，汽水混合密度逐漸減小并趨于穩定。需要指出的是，汽水混合密度受氣化爐激冷比和爐壁外管結垢影響，依此持續控制爐溫并不理想，但可作為爐溫高低的判斷依據之一。

3.2.5合成氣CH4/ CO2含量

爐內煤粉為不完全氧化，碳元素大部分以不完全氧化的CO形式存在，少量碳元素以還原態的CH4和完全氧化態的CO2形式存在，故合成氣中有少量CH4和CO2。一般而言，爐溫越高，CH4含量越低，而CO2含量越高；反之爐溫越低，CH4含量越高，而CO2含量越低。經驗證明，合成氣CH4/ CO2含量指示有約30 min滯后，不能第一時間反映氣化爐工況變化。

3.2.6爐渣

爐渣的主要構成是煤粉燃燒后產生的灰和少量未燃燒充分的煤粉。爐溫越高，針狀爐渣越多，帶粉越少、殘炭越低；爐溫越低，針狀爐渣越少，帶粉越多、殘炭越高。氣化爐排渣是由順序控制程序控制的間歇過程，取渣樣相對工況調整存有滯后，但渣樣依然是爐溫控制的重要參考。不同工況下的渣樣外觀如圖3所示。

3.2.7渣水密度和下料管壁溫

爐渣在水中的沉降速度取決于爐渣的密度和粒徑，密度和粒徑越大，沉降越容易。當爐溫偏低時，渣水中的細渣及未反應的煤粉增多，因較難沉降導致渣水密度增大，因此渣水密度也能間接反映爐溫高低。此外，渣池下料管壁溫14TI0001越高，說明熔渣的流動性越好，爐溫較高；反之，渣池下料管壁溫14TI0001越低，說明熔渣的流動性越差，此時爐溫較低。

圖3 不同工況下渣樣外觀

4 爐溫優化控制策略

Shell粉煤氣化爐溫度控制是一個復雜的工程問題，需要綜合考慮原料轉化率、運行經濟性、設備保護和工藝穩定等多個因素，適時監控爐渣和飛灰殘炭量、合成氣有效成分，確保水冷壁掛渣正常，防止渣口堵塞和合成氣冷卻器積灰，延長煤燒嘴、燒嘴罩使用壽命，從根本上保障長周期運行。

4.1加強配煤研究，保證煤質穩定

配煤是保障煤質穩定的重要手段，合格煤質是Shell粉煤氣化爐穩定運行的基礎，正常煤質控制指標為：原煤水分≤10%，灰分12%～25%，灰熔點(FT)1 250～1 550 ℃，爐渣黏度25～40 Pa·s，揮發分<35%，哈氏可磨指數(HGI)>65。煤質一旦改變，必須及時調整工況。

4.2優化消橋程序，保證煤線穩定

煤鎖斗放料時會造成高壓煤粉給料倉壓力的波動，進而影響煤線穩定性。優化消橋程序，同時為高壓煤粉給料倉充、泄壓閥門預設閥位，可以將放料及消橋過程中壓力波動降低到最小程度，避免爐溫隨煤線波動而波動。當煤質灰分含量相對偏高時，與灰分含量偏低時相比，煤線波動對有效成分碳量波動的影響會降低，此時對煤線穩定性要求可適當放寬。

4.3調校煤線儀表，準確計量煤量

單條煤線的煤量由速度、密度計算，并考慮溫度、壓力補償得到最終結果，任何一個參數失準都可能造成計量偏差。準確標定低壓煤粉貯倉稱重記錄儀，進而依次標定煤線相關儀表，是準確測量煤量、有效調控爐溫的基礎。實際生產中如果判斷某條煤線煤量偏差較大，必要時可單獨調節其單燒嘴氧煤比設定值，而不必與總氧煤比保持一致。

4.4氣化爐溫和操作，保護關鍵設備

爐溫偏高運行，原料轉化率提高，灰渣殘炭降低，熔渣流動性增強不易發生堵渣，但合成氣有效成分降低，且煤燒嘴、燒嘴罩容易高溫損壞；反之爐溫偏低運行，原料轉化率降低，灰渣殘炭升高，渣水密度上升、渣水泵磨損加劇，熔渣流動性降低容易發生堵渣，但合成氣有效成分升高，且煤燒嘴、燒嘴罩使用壽命得以延長。在渣水系統不堵渣、合成器冷卻器不積灰的前提下，氣化爐“溫和”操作，有利于保護關鍵設備不損壞。

4.5增加低跳聯鎖，縮短高跳時間

增加單燒嘴氧煤比低跳車聯鎖，聯鎖值設定為0.75，防止操作、監控不當，過量煤粉進入氣化爐造成堵渣或濾芯損壞。將氧煤比高跳車時間由10 s縮短到5 s，防止燒嘴頭過氧損壞。合理的氧煤比聯鎖保護是實現裝置長周期運行的重要舉措。生產中可將單個煤燒嘴氧量控制器打“手動”，防止單燒嘴跳車后其負荷自動分配到其他煤燒嘴發生過氧損壞。

4.6平穩調整負荷，手動干預閥位

設定負荷升降速率為36 kg/min，避免手動調整負荷幅度過大，造成爐溫劇烈波動；負荷調整時，如果煤閥相較氧閥動作響應偏慢，必要時將煤閥打手動調穩后再投串級控制，防止實際氧煤比長時間偏離設定值。調整負荷時，要嚴密監控水汽系統，及時調節氧煤比、汽包補水量和外送蒸汽管線閥位等，使氣化爐熱負荷與水汽系統相平衡。

4.7重點參考爐渣，控制蒸汽產量

爐渣間歇排出，取樣觀察渣型，可判斷爐溫高低；汽包小室蒸汽產量、合成氣冷卻器入口溫度是爐溫高低的直觀反映，根據煤質、負荷不同控制蒸汽產量，維持13TI0019穩定。氣化爐計算溫度、汽水混合密度、CH4/CO2含量等其他指標可作為輔助參考。

4.8判斷爐內漏水，密切觀察運行

一旦煤燒嘴、燒嘴罩或水冷壁發生漏水，通過調和水緩沖罐液位、汽包補水量及蒸汽產量等指標綜合判斷，適當降低調和水緩沖罐、汽包壓力來降低泄漏量。爐內漏水后爐溫會偏低，堵渣的風險和頻率增大，必須適當提高氧煤比以保證爐溫，此時氧煤比、CO2含量往往高于正常工況。一旦發生堵渣，必須第一時間果斷清堵，情況嚴重無法清通時停車處理。

5 結語

氣化爐是Shell粉煤氣化工藝的關鍵設備，爐溫控制是裝置實現長周期運行的重要前提。本文提出了以煤質和煤線穩定為前提，以O2/C比調節為主要手段，以小室蒸汽產量和合成器冷卻器入口溫度為控制指標，結合爐渣外觀和其他參數進行“溫和”操作的方法，該方法成功實現了Shell粉煤氣化爐溫控制，具有參考價值。

[1] 張曉慧.煤炭的高效清潔利用——煤氣化技術[J].河北化工,2007,30(11):23-25.

[2] 梁永煌,游 偉,章衛星,等.殼牌煤氣化裝置的常見腐蝕及對策[J].化工科技市場,2012,50(1):32-36.

[3] 高 原.Shell 粉煤氣化裝置合成氣冷卻器積灰結垢的分析與對策[J].化工技術與開發,2012,41(10):62-64.

[4] 宋金榮,李海賓.王 軍.Shell粉煤氣化爐堵渣處理與研究[J].化工時刊,2013,27(3):27-30.

[5] 吳國祥.陶瓷過濾器在Shell粉煤氣化中的應用及運行維護[J].內蒙古石油化工,2011(15):76-79.

[6] 李亞東.殼牌煤氣化爐II代燒嘴罩的設計特點[J].化肥設計,2009,47(6):35-37.

[7] 李 濤,都吉哲,王 青.大型殼牌煤氣化爐的制造與組裝[J].化工設備與管理,2008,45(2):35-40.

大連化物所二氧化碳加氫制低碳烯烴研究取得新進展

中國科學院大連化學物理研究所李燦團隊在CO2催化加氫制備低碳烯烴方面取得新進展：實現串聯式催化劑體系上直接將CO2高選擇性的轉化為低碳烯烴。

利用清潔能源制H2和CO2加氫直接轉化為低碳烯烴，是將溫室氣體CO2資源化利用的一條重要途徑。低碳烯烴(乙烯、丙烯、丁烯)是有機材料合成的最重要和最基本的化工原料，而傳統的合成方法主要是石腦油的裂解和煤經甲醇制備，均需要依賴化石資源(石油和煤)。因此，利用CO2轉化為具有高附加值的低碳烯烴，既可以實現CO2碳資源化利用，又可以起到減排CO2作用，具有重要的戰略意義。但由于CO2在熱力學上是比較惰性的分子，實現CO2的活化和高選擇性的轉化存在較大的困難和挑戰。本研究中，李燦團隊構建了ZnZrO固溶體氧化物/Zn改性SAPO分子篩串聯催化劑。該催化劑(ZnZrO/SAPO)在接近工業生產的反應條件下，烴類中低碳烯烴的選擇性可達到80%～90%，且具有較好的穩定性和抗硫中毒性能。在串聯催化劑體系的構建方面，李燦團隊發現在ZnZrO固溶體氧化物上CO2加氫可高選擇性地合成甲醇，在此基礎上將ZnZrO固溶體氧化物與SAPO催化劑串聯可實現CO2直接加氫制備低碳烯烴。紅外光譜和同位素實驗表明，CO2和H2在ZnZrO固溶體氧化物上被活化生成CHxO中間物種，中間物種從ZnZrO表面遷移到分子篩孔道中，進而完成碳碳鍵的生成。串聯催化劑之間的協同機制以及關鍵中間物種CHxO的表面遷移使CO2加氫直接到低碳烯烴反應在熱力學和動力學上的耦合得到實現。這項研究也為CO2轉化拓展了新的思路，同時也為低碳烯烴的合成開辟了新途徑。

StrategyStudyonTemperatureControlofShellPulverizedCoalGasifier

SONGJinrong1,LIQiang1,MENGXilei2

(1.China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co.Ltd , Erdos Coal to Liquid Branch Compary , Erdos 017209 , China ; 2.Shanxi Yanchang Coal Yulin Energy and Chemical Co.Ltd , Yulin 719000 , China)

Structure characteristics and “the slag resists the slag”principle of Shell pulverized coal gasifier are introduced,and the consequences of improper furnace temperature control is revealed.Various factors affecting the temperature of gasifier are analyzed.The “mild” control strategy of Shell pulverized coal gasifier is put forward according to the furnace temperature judgment method and adjustment method.

TQ520.5

A

1003-3467(2017)11-0007-05

KeywordsShell pulverized coal gasification ; oven temperature control ; optimization strategy ; coal quality ; coal line

2017-08-14

宋金榮(1983-)，男，工程師，從事煤氣化及其清潔轉化利用方面的研究工作，電話：13948375191，E-mail:songjinrong@foxmail.com。