殼牌煤氣化制甲醇激冷氣壓縮機問題分析和改進

李超華

(同煤廣發化學工業有限公司，山西 大同 037003)

甲醇是重要有機化工原料和優質燃料，在我國，煤制甲醇在所制造甲醇方法中占有很大的比例[1]。壓縮機是甲醇合成系統的動力心臟，尤其激冷氣壓縮機是殼牌煤氣化單元的關鍵設備，在殼牌煤氣化中發揮著為氣化爐合成氣提供激冷氣的作用，并且其內部構造繁瑣精密，一旦出現問題，將給煤氣化裝置安全生產帶來很大的威脅[2]。

1 殼牌粉煤氣化工藝及激冷氣壓縮機簡介

1.1 煤氣化工藝流程

某煤化工項目采用殼牌(shell)公司研發的粉煤氣化工藝及廢鍋激冷流程。煤粉和氧氣/蒸汽混合物在氣化爐內反應后，生成含一定量飛灰的高溫粗合成氣，與來自激冷系統的激冷氣(約210 ℃)混合，渣轉變成無黏結性的飛灰，與合成氣再經廢熱鍋爐冷卻到340 ℃，然后一部分去激冷系統用作熱干氣，剩余部分去濕洗單元。干法除塵飛灰經減壓、氣提、冷卻排出系統，濕洗的則部分直接作原料氣，部分與熱干氣混合后用作激冷氣。同時，為防止鹽等在濕洗系統中累積，部分廢水進入初級處理系統。殼牌粉煤氣化工藝流程，如第105頁圖1所示。

1.2 激冷氣壓縮機組成及作用

激冷氣壓縮機是殼牌煤氣化氣化單元的關鍵設備，其由通過膜片聯軸器聯接壓縮機、液力偶合器及電機組成，壓縮介質為過濾后及過濾并經水洗后氣化爐產生的混合氣。整個機組(除了液力偶合器)采用潤滑油站供油，且油站以及液力偶合器配套的泵站、板式換熱器等置于底層。同時，為了便于安裝找正，壓縮機整體布置于同一鋼制底座上。為了確保機組安全運轉，壓縮機組設有各種控制及保安裝置。

激冷氣壓縮機的作用是向氣化爐源源不斷地提供激冷氣，大幅降低進入激冷段的高溫合成氣溫度，以確保從氣化爐頂部出來的合成氣溫度能符合后續系統要求。也就是說，激冷氣離心壓縮機通過兩股氣的混合控制壓縮機介質的溫度。

2 運行中出現的問題及原因分析

2.1 分布器損壞

正常情況下，經壓縮機加壓的合成氣(又稱激冷氣)在激冷管進口彎頭與錐形平臺的環形空間形成一個“正壓區”，且壓縮機出口壓力始終比氣化爐反應室壓力高80 kPa以上，即呈穩定狀態，使高溫合成氣不能與分布器直接接觸，以保護分布器。然而，一旦“正壓區”局部壓力P1小于等于反應室的合成氣壓力P，分布器失去低溫氣體的保護很快被燒毀，從而造成激冷氣分布器難以發揮應有的作用。氣化爐激冷氣分布器結構，如第105頁圖2所示。

根據統計顯示，分布器損壞形式是高溫燒蝕穿孔或扭曲變形。同時，根據部分公司分布器損壞情況分析，造成此現象的原因為操作問題、分布器通道堵塞及激冷盒分布孔堵塞。其中，操作問題指一方面由于壓縮機出口背壓變化滯后于反應室壓力變化，另一方面激冷氣一部分從平衡孔進入氣化爐環隙，導致“正壓區”壓力相對不足，保護作用降低，嚴重時高溫氣體經過分布器流道竄到氣化爐環隙，在此過程中1 500 ℃左右的高溫氣體造成分布器大

圖1 Shell粉煤氣化裝置工藝流程圖

圖2 氣化爐激冷氣分布器結構

面積變形甚至燒蝕。而且，對于堵塞造成的分布器損壞而言，目前堵塞通道的情況一般不多，發現多數分布器損壞屬于激冷盒分布孔堵塞情況。

2.2 激冷壓縮機打量不足

殼牌煤氣化激冷流程中，激冷壓縮機發揮了向氣化爐源源不斷地提供激冷氣的作用。如果出現激冷壓縮機打量不足的情況，離開反應器頂部的高溫合成氣(溫度大約為1 500 ℃)就無法被正常降溫到后續系統所需的合適溫度，且被合成氣帶入后續系統的飛灰的黏性也會增強，因而也無法保證后續系統的安全穩定運行。

2.3 蝸殼與葉輪間縫隙結垢

激冷氣壓縮機在正式投運40多天后，拆開后發現入口過濾器濾網通孔堵塞較多，壓縮機蝸殼及管線內存在大量灰垢，葉輪前輪蓋外緣約10 mm寬的部位整體磨損等。究其原因，認為激冷氣壓縮機所輸送的介質含灰量較大，并有一定黏度，而通過檢查葉輪磨損部位及對工況的了解，葉輪磨損部位均為葉輪與支撐、端板配合間隙最小處，介質通過該部位時阻力增大，易聚集，結垢增多造成間隙逐漸變小，最后導致激冷氣壓縮機高速軸振值逐漸增大，葉輪磨損嚴重。

2.4 干氣密封安裝錯誤

殼牌煤氣化裝置中，主軸兩端干氣密封的各部位尺寸完全一樣，這種情況下就造成相關安裝人員由于失誤將兩端的干氣密封裝反，不能使工作中的干氣密封在動靜環之間形成有效的氣膜，干氣密封腔體內部有液體流出，這是由干氣密封損壞造成激冷氣壓縮機故障的一種形式。

3 改進及處理措施

3.1 分布器損壞維修措施

針對上述三種原因造成的分布器損壞現象，需要挖補或更換膨脹圈錐板穿孔處，更換燒毀或變形的導流葉片及分布器上、下下錐板等。同時，由圖2可知，分布器結構復雜，包含較多的零部件，同時空間狹小，切割打磨工具操作不方便，因此需要特別注意分布器的檢修拆除、恢復工作順序(恢復順序與拆除相反)，另外還需做好維修前準備工作，以保障維修過程的順利進行。具體的，拆除順序根據相關理論及實踐經驗總結為：膨脹圈→激冷水管與膨脹圈錐板及密封板→上、下錐板。同時，因分布器下方有上百根高速反吹管，故從上方維修相對較易，維修前準備工作有預制足夠數量和合適尺寸的導流葉片，足夠長度的膨脹圈，足夠大小的膨脹圈錐板，適合的上、下錐板等。

3.2 激冷壓縮機打量不足技改措施

1) 進口管線氣液分離器的技改。氣液分離器作為一個靜設備，其作用是分離合成氣中所夾帶的一部分水汽，以保證后續系統的安全穩定運行。然而，合成氣在通過氣液分離器的過程中，由于氣液分離器是一個靜設備，加之氣液分離器初始設計的容量較小等原因，難免會對氣體產生一定的緩沖力，給合成氣的流通帶來一定的阻力。因此，可以將其直接換成DN500的激冷氣管線，以增加壓縮機的通氣量，保證后續系統的安全穩定運行。

2) 進口管線過濾器的技改。急冷氣在管道內的輸送過程中難免會夾帶一些雜質，為了防止一些雜質對壓縮機葉輪和精密設備造成損壞，在急冷氣進口管線上有一個關鍵的設備——急冷氣過濾器，其過濾一些大的顆粒雜質的同時，也參與到了急冷壓縮機的連鎖保護之中，但同時也對急冷氣的輸送帶來了一定的阻力。因此，對急冷壓縮機進口過濾器進行拆除，并多次對急冷管線爆破清理，以防止一些雜質進入急冷壓縮機，使急冷壓縮機的打量有一定的提升，在一定程度上解決了制約氣化爐運行負荷的關鍵問題。

3) 進出口閥門的技改。進出口閥門的設計初衷是防止密封氮氣由于壓力變低失去對壓縮機的密封保護作用，故這2個閥門參與了急冷壓縮機的部分連鎖保護，但是對急冷氣的流通也產生了一定的阻力。因此，通過綜合分析與考慮，可將此2個閥門去掉，用膨脹節作為代替，以解決一些壓縮機打量不足的問題，確保從氣化爐頂部出來的合成氣能快速降到合適溫度。

4) 冷卻風機技改。將進口管線上的氣液分離器、過濾器及進出口閥門去掉之后，在長時間的運行過程中，特別是在室外大氣溫度高的時候，原來的冷卻風機因急冷壓縮機打量和負荷的提升，已經不能繼續將溫度降到合適的溫度。因此，針對前述所建議的三種技改措施，建議在冷卻風機后面加1個套筒，利用液氮在空氣中急劇氣化，對周圍的空氣進行冷卻，從而使驅動電機冷卻。

3.3 蝸殼與葉輪間縫隙結垢解決方案

經實踐分析發現，對于少量的積灰，及時進行吹除，避免飛灰集聚；在壓縮機蝸殼上鉆孔，引入高溫高壓氮氣，使其吹掃葉輪外緣處，防止飛灰停留；在壓縮機蝸殼外部增加中壓蒸汽伴熱、加厚保溫層，在一定程度上提高溫度，改善低溫狀態下的運行狀況等，可以在很大程度上解決蝸殼與葉輪間縫隙結垢的問題。

3.4 干氣密封安裝錯誤整改建議

動環反轉損壞干氣密封的密封面，造成干氣密封失效，進而燒壞的現象，則應該通過將裝反的兩端干氣密封的復原的方法，同時提醒操作人員務必下次注意，不能再出現類似情況的發生。

4 結語

通過故障原因分析以及對激冷氣壓縮機的技術改造，使氣化爐負荷得到了突破，夏季電機定子溫度也得到了控制，對現場巡檢和主控工藝人員的操作要求也變得更加嚴格，保證了激冷壓縮機能夠實現生產的長周期穩定運行，短期內對生產效益有很大的提升。