殼牌下行水激冷煤氣化裝置長周期運行瓶頸探討

(呼倫貝爾金新化工有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000)

殼牌煤氣化工藝開發始于1972年，從1978年至1983年，在殼牌公司德國漢堡煉廠開始運行250～400 t/d的示范裝置?；诓煌拿悍N特性和客戶的不同需求，殼牌已經開發了3種類型的煤氣化爐：廢鍋流程工藝、合成氣上行水激冷和合成氣下行水激冷流程工藝，2012年10月在南京工業園區建成第一套下行水激冷示范裝置，2017年5月至11月創造了201天A級運行紀錄。

呼倫貝爾金新化工有限公司(以下簡稱金新化工)于2014年1月啟動原料及產品結構調整技術改造項目，引進一套有效氣(CO+H2)60 000 Nm3/h的殼牌(Shell)下行水激冷煤氣化工藝氣化爐，新增殼牌煤氣化裝置及相關公用工程裝置、關聯工藝裝置，該裝置于2015年10月完成機械竣工，2016年6月18日一次性投料試車成功產出合格粗煤氣，2016年10月完成裝置性能考核測試，截至2017年11月30日，金新化工殼牌下行水激冷煤氣化裝置已累計運行437 d(連續運轉率82.5%)。

1 制約本裝置長周期運行的問題

對于首套殼牌下行水激冷技術工業運行裝置，工藝設計、工程施工、工藝控制、儀表設備狀況、氣候環境等均會影響裝置運行的穩定性。通過幾年時間(自2016年6月運行至今)的運行檢驗和總結，影響氣化爐長周期運行的主要問題集中于煤粉加壓輸送系統、氣化爐頂部爆破片、氣化爐渣池積渣、灰水系統管線/設備結垢和技術消化吸收等，同時，這幾個問題也是殼牌下行水激冷煤氣化的關鍵工藝技術，下面將分別進行敘述。

1.1 高負荷運行粉煤給料緊張

為了實現粉煤連續加壓進料，粉煤氣化采用鎖斗加壓。每臺粉煤儲罐底部都設有充氣錐和管道充氣器，目前，充氣錐大多采用燒結金屬件。由于材質的限制，為滿足透氣性要求，充氣錐一般按承壓1.5 MPa(g)設計。實際運行過程中，由于上游氮氣壓力的波動以及粉煤放料順控的欠缺，放料罐通氣錐承受壓差常常超過設計值，容易造成通氣錐或管道充氣器的破裂，影響粉煤的加壓、除橋，易造成放料不暢[1]。

如果下料不暢，消架橋則較為頻繁，易造成相關煤線及氧煤比波動較大，此外，粉煤放料不暢會導致放料周期延長，也造成了放料能力的不足，氣化爐高負荷運行情況下較為顯著。

1.2 爆破片使用壽命受限、影響因素多

在殼牌下行水激冷氣化爐正常運行過程中，主要通過調節安全水封水量(滿水高度為1 500 mm)、頂錐吹掃氣量(13FI0059)、環隙吹掃氣量(13FIC0153)維持氣化爐反應室與爐膛內部壓差的平衡(正常波動范圍2～20 kPa)，當氣化爐反應室的壓力大于環形空間壓力15 kPa，水封中的水就會向上壓出，合成氣竄入環形空間。反之，環形空間的氣體會進入合成氣系統。此外，為了防止安全水封堵塞或下渣口堵塞導致內外壓差過大，造成氣化爐關鍵內件(膜式水冷壁、燒嘴金屬膨脹節)擠壓變形或損壞，在氣化爐頂錐設置了頂部安全泄放裝置(因爆破片安裝在氣化爐A4內人孔，更換必須停爐降溫置換)，因此，調控氣化爐內外壓差平衡，對氣化爐的穩定、長周期運行起著關鍵作用。

自2016年6月首次試開車以來，已發生兩次氣化爐頂部爆破片損壞，直接導致環隙空間溫度高高ESD聯鎖停車，此外，運行一定周期后，對爆破片進行檢查，發現均有不同程度的變形或損壞，其中氣化爐最長運行周期120.44 d，最短運行周期24.32 d，爆破片損壞。

1.3 渣水系統管線/設備結垢嚴重

殼牌下行水激冷氣化爐氣化區反應生成的合成氣、渣、飛灰和未反應的殘碳通過氣化爐底錐、下渣口、下降管進入渣池中被(粗細噴嘴噴淋水、渣池渣水)激冷到190～220 ℃，被水激冷后的粗合成氣進入文丘里洗滌器和濕洗塔進一步洗滌后送往變換裝置。在保持渣池液位穩定的情況下，將渣水、未沉淀的細渣排放至灰水處理單元，經二級閃蒸、冷卻、沉降/分離處理，大部分灰水經機泵加壓或除氧后再加壓作為洗滌水、噴淋水、激冷水或系統循環補水。同時，為了減少灰水系統循環過程中鈣鎂離子沉積和稀釋氯離子，需向系統中補入一定量新鮮水，保持恒定的外排水量(設計排放量：28 t/h)。

通過一年多的運行，多次檢修期間均發現灰水系統管道、設備結垢或積渣嚴重，對設備安全運行造成較大的威脅，主要集中在激冷環掛渣、下降管結垢、氣化爐渣池積渣、氣化爐出口至濕洗塔合成氣管線結垢(見圖1)、E1701灰水側換熱管結垢(見圖2)、V1701、V1702底部積渣、E3401灰水側換熱管結垢等。

圖1 合成氣管道結垢情況

圖2 E1701換熱管結垢情況

1.4 工藝技術未完全消化吸收

2016年6月至2017年11月30日間殼牌煤氣化下行水激冷煤氣化裝置共計停車14次(以煤燒嘴投煤計，見表1)，其中計劃停車4次(比例28.57%)，設備/儀表造成停車4次，工藝操作引起停車6次(比例達到42.85%)。通過歷次停車比例可明顯看出，工藝操作人員對新裝置、新工藝、新技術的消化吸收還需要進一步加強。

表1 殼牌煤氣化裝置開停車記錄

續表

2 下一步改進措施和改進建議探討

針對殼牌下行水激冷煤氣化裝置存在的問題 ，本裝置的項目建設、開車運行過程中，在抓好設計、施工源頭，確保儀表、設備運行正常的基礎上，已通過歷次開停車總結、運行過程總結、事故總結等積極地進行技術改進，解決了不少危及生產的緊急問題，并通過摸索煤線煤量計量不準對氣化爐運行工況的影響、優化調整氣化爐環隙/頂錐吹掃氣及安全水封水量，逐步提高了裝置連續運行時間。因此，從根本上解決殼牌下行水激冷氣煤化工藝裝置存在的問題，并防止新問題的出現，必須進一步研究如何改進影響裝置運行的可行措施并組織實施。

2.1 確保粉煤放料順暢和優化下料順控

優化粉煤加壓進料過程，確保各路充壓氮氣的均衡，可保證粉煤處于流化狀態，也是保證粉煤放料順暢的關鍵所在。同時，優化Shell粉煤放料順控，合理分配各路氮氣流量，并穩定上游氮氣壓力和加壓氮氣的流量。下面列舉可優化的方向及建議。

(1)擇機將金屬燒結材質笛管、充氣錐、充氣器更換為多孔板材質，減少設備故障/損壞對系統充氣、布氣的影響。

(2)進一步加強與設計院、布袋廠家溝通協調，通過調整順控邏輯和更改合適限流孔板尺寸，逐步優化V1204泄壓速率，減少或排除V1204泄壓造成S1201內件損壞的概率。

(3)根據氣化爐實際運行負荷，及時調整V1205料位低報警值，滿足氣化爐用煤負荷需求情況下，盡量減少煤粉在V1204停留時間，降低煤粉加壓壓實的風險。

2.2 優化爆破片

通過總結歷次開停車和運行經驗，可知影響爆破片使用壽命的關鍵因素為13PDI0065顯示是否準確和穩定、氣化爐頂錐工況(熱負荷)是否穩定。分別對這兩個關鍵影響因素采取如下措施，盡量延長爆破片的使用壽命。

2.2.1如何確保13PDI0065的準確性和穩定性

(1)每次停車檢修必須對氣化爐頂錐導壓管入口、安全水封、下渣口進行疏通處理和導壓管檢漏測試。

(2)每次檢修結束開車前對氣化爐壓差表(13PDI0065/66/72)進行零點校驗，并且通過13PDI0066與13PDI0072差值，對比13PDI0065是否顯示準確。

(3)氣化爐正常運行時穩定安全水封供水量3.0±0.5 kg/s、渣池液位33±2%、頂錐吹掃氣量0.05 kg/s，通過調整環隙吹掃氣量，確保氣化爐壓差13PDI0065在2～20 kPa范圍內波動。

(4)當環境溫度<5 ℃(當日最低溫度)，主動將氣化爐頂錐儀表吹掃氣由二氧化碳切換為氮氣，避免干冰堵塞導致吹掃氣量減少對該測點顯示不準確。

(5)考慮到氣化爐壓力波動是導致壓差波動的主要原因，需要繼續優化16PV0008B閥門PID參數和穩定變換系統的壓力(即優化BGL 3臺爐加煤的時間)，減少氣化爐壓力波動對壓差(16PDI0065)的影響頻次。

2.2.2如何穩定氣化爐頂錐工況

(1)控制氣化爐加減負荷速率：當氣化爐氧氣負荷6.0～7.0 kg/s，加減負荷按照0.1～0.2 kg/s；氧氣負荷>7.0 kg/s時，每小時加減負荷幅度不得大于0.15 kg/s。

(2)當發生1個燒嘴跳車時，必須待頂錐水汽密度穩定后才能加負荷操作；如果此時單燒嘴負荷大于1.8 kg/s，建議不加負荷或降低加負荷幅度(每小時加負荷幅度不得大于0.1 kg/s)。

(3)氣化爐正常運行時，控制適當高的熱負荷(>0.39 MW)，以降低頂錐渣層厚度，避免系統波動時發生頂錐厚渣層脫落。

(4)優化石灰石添加系統運行，確保穩定的石灰石輸送量。

2.3 如何延長設備使用周期

殼牌下行水激冷煤氣化技術產生的黑水中溶有一定量的腐蝕性氣體(H2S、CO2和O2)，同時還伴有容易沉降的Ca2+、Mg2+，且處于堿性環境中(灰水系統pH值在8～9之間波動)，當這些條件同時存在時容易造成設備、管道結垢。為了將結垢速率降低到最低限度，建議采取如下措施逐步改善灰水系統的運行。

(1)加強灰水系統加藥量的調整和監控，確?；宜疂岫?50 mg/L，總磷含量5～20 mg/L，緩解系統結垢速率。

(2)繼續加強與灰水處理藥劑廠家溝通、協調，繼續調整藥品配方，優化和改善P1705出口灰水水質(COD、SS、濁度、氨氮)。

(3)通過調整灰水處理藥劑配方、增大V1703閃蒸量、減少石灰石添加量、適量添加硝酸等措施，降低灰水系統運行pH值(建議pH值控制范圍6.5～7.5)。

(4)綜合考慮對管道腐蝕小、成本低、效率高的除垢方法,建議新增一套在線化學清洗系統。

(5)保證最低流量>33 kg/s，緩解激冷環周圍積渣，不定期增大渣池補水閥開度(13HV0036)，加強渣池攪動，防止渣池積渣。

2.4 加強工藝培訓和技術消化吸收

作為一套連續性生產的大型化工裝置,對工藝人員要求較高,必須具有扎實的工藝技術理論知識和熟悉現場工藝流程,方能為正常生產過程中的異常工況進行分析、判斷并及時采取處理措施。為了確保所有的工藝操作人員都具備相應崗位的工藝操作技能，應采取如下措施加強殼牌下行水激冷煤氣化技術的培訓和技術消化吸收：①制定具有針對性的技術培訓計劃，培訓內容應盡貼切實際生產、圖文并茂；②分崗進行技術培訓，并落實培訓責任人；③加強工藝技術培訓，培訓結束一周內抽查培訓效果；④采取多種培訓方式繼續做好后備人才的培訓、培養。

3 結語

通過總結分析制約殼牌下行水激冷煤氣化裝置長周期運行的瓶頸，可知影響殼牌下行水激冷煤氣化裝置長周期運行的問題主要集中在給料系統的優化控制、氣化爐爆破片的保護和灰水系統水質改善等關鍵工藝技術的消化、吸收及改進。為了解決這些問題，首要任務應加強操作人員的培訓，培養操作人員分析、處理問題的能力，以便更好地指導工藝生產；其次，擇機進行煤粉輸送系統設備改造，確保系統運行的本職安全；此外，應繼續加強灰水系統水質改善和氣化爐專利部件(煤燒嘴、粗細噴嘴)使用周期的研究，減少設備、管線的沖刷、磨蝕、結垢超溫損壞等，盡早實現裝置長周期(A級連續運行200 d)、安全、穩定運行。