殼牌煤氣化激冷氣壓縮機穩定運行分析及對策研究

張家秋

(河南能源化工集團鶴壁煤化工公司，河南鶴壁 458000)

殼牌煤氣化屬于較典型的氣流床氣化技術，該裝置具有碳轉化效率高、適用煤種廣、單套產能大、熱效率高、環境效益好等特點，自2006年國內第一套裝置投產以來，在業內被廣泛認知。

1 激冷氣壓縮機的作用

殼牌煤氣化采用粉煤加壓進料，以氧氣和水蒸氣為氣化劑，在爐膛內高溫、高壓環境下發生一系列反應，生成有效氣(H2+CO)體積分數大于90%的合成氣。與其他煤氣化技術不同的是，殼牌氣化爐采用合成氣激冷。爐膛上行的1 600 ℃高溫合成氣夾帶大量熔融態飛灰，在氣化爐激冷段與激冷氣壓縮機送來溫度為200 ℃的合成氣充分混合，使之溫度驟降至900 ℃。經過激冷后，熔融態飛灰迅速固化、黏度降低，避免因為飛灰黏度過高引起后系統換熱器積灰從而導致停車。

2 運行現狀

據了解，行業內有好幾套裝置曾因激冷氣壓縮機不能正常啟動導致裝置長時間停車的案例。因激冷氣壓縮機在殼牌氣化裝置中的核心作用，壓縮機的保養維護成為各廠家關注的重中之重[1]。但是由于激冷氣的特性以及壓縮機的工作環境等因素，經過長時間運行后，激冷氣壓縮機或多或少會存在一些問題，影響設備及整個裝置的穩定運行。

以本裝置為例，自2017年1月新機組投入使用后，設備運行狀況優良。但是隨著運行時間的推移，問題逐漸暴露。對此，公司組織技術人員不斷總結摸索，并與同類型廠家積極交流，致力為行業穩定發展總結經驗。

3 主要問題

以本裝置為例，激冷氣壓縮機作為一種結構比較簡單的單級離心型壓縮機組，主要由定子、轉子、大齒輪、齒輪箱、支撐軸承、支推軸承、干氣密封構成。臨界轉速為5 280 r/min，正常工況轉速為7 792 r/min。在投入使用初期，設備運行工況良好。連續運行20個月后，問題逐漸顯現。當壓縮機正常工況運行時，設備運行無異常且參數穩定。但當遇到裝置跳車等突發狀況時，壓縮機重新啟動，經過臨界轉速時，高速軸振值升高，甚至達到聯鎖跳車值，影響機組的正常啟動。針對此類問題，與國內同類型裝置廠家交流，發現壓縮機運行時間超過2 a以上，普遍存在壓縮機啟動時高速軸振值較高的問題。有些廠家為了避免壓縮機因為高速軸振值高影響設備正常啟動，在裝置跳車、短停時保持壓縮機不停車運行。此種操作會對除塵單元的金屬濾芯(也有廠家采用陶瓷濾芯)造成較大損傷，但委實也是無奈之舉。

4 原因分析

通過不斷探索，找數據、查流程、分析總結，最終確定導致該問題頻繁出現的原因。

(1)激冷氣壓縮機的輸送介質是經過除塵單元與濕洗單元的合成氣，根據質量比大約為1∶4混合而成，工藝要求溫度為200 ℃。通過壓縮機增壓，合成氣經激冷盒進入急冷管(見圖1)，激冷氣中含有大量的水蒸氣、H2S以及少量的NH3、HCN、HCl、HF。當介質溫度達不到要求時，裝置會出現露點腐蝕現象，尤其是對葉輪的腐蝕，打破了原有的設備動平衡，影響設備啟動。

圖1 殼牌煤氣化激冷氣裝置簡圖

(2) 來自氣化爐冷卻器的合成氣經過除塵單元后，幾乎將所有的飛灰除去(過濾后質量濃度小于20 mg/m3)，但是還有少量的飛灰進入后系統。部分飛灰附著于葉輪，形成均勻致密的垢層。當系統突發停車時，由于工況變化，導致葉輪上部分垢層脫落，再次啟動過程中，會出現高速軸振值升高的情況[2]。

(3) 殼牌氣化裝置濕洗單元主要是脫除合成氣中NH3、HCN、HCl、HF以及少量固體顆粒。為提高合成氣中酸性氣體的脫除效率，根據設計要求，濕洗單元需要加入少量質量分數為20% 的氫氧化鈉溶液，洗滌液的pH值控制在7～8。飛灰中的鈣、鎂離子在堿性溶液中會形成沉淀，造成局部結垢，影響整體濕洗效果。一部分酸性氣體及飛灰顆粒進入后系統，導致激冷氣壓縮機工作環境更為惡劣。

(4) 激冷氣管線上設有3處止回閥，分別位于除塵單元去壓縮機支管、濕洗單元去壓縮機支管以及壓縮機出口總管。當壓縮機故障跳車時，止回閥的主要作用是防止氣化爐內高溫合成氣倒流，損壞設備。如果止回閥因密封面腐蝕而不能起到有效的止回作用時，可能會發生以下情形：

當氣化爐跳車，系統需要立即泄壓時，主工藝流程中除塵單元的濾棒與濕洗單元的填料存在阻力，而由于激冷氣管線阻力較小，會有部分合成氣通過激冷氣管線倒流至后系統。倒流的合成氣會夾帶大量飛灰，附著于壓縮機葉輪和進出口管線上。

除渣單元的渣收集罐(渣池)液位發生飄移，真實液位比實際液位略高，與爐內高溫區較為接近。受爐內高溫影響，部分水蒸氣蒸發至氣化爐爐膛。氣化爐開車準備階段需要對系統進行抽負壓操作，部分水蒸氣經過激冷氣管線倒流，在保溫薄弱處(如壓縮機缸體、激冷氣管線距氣化爐最遠端等處)冷凝，冷凝的水汽造成設備及管線內附著的均勻飛灰受潮、脫落，破壞壓縮機動平衡。管線內脫落的灰渣在運行過程中，有堵塞壓縮機進口濾網及激冷盒的可能，進而影響壓縮機工作效率。

(5) 前系統突發跳車事故，壓縮機干氣密封氣源得不到有效保證，特別是潤滑油的低壓隔離氮氣，導致壓縮機倉促停車，對干氣密封造成損傷。再次啟動時，影響設備高速軸振值。

5 應對措施

(1) 嚴格控制激冷氣溫度在200～205 ℃，防止露點腐蝕的發生。

(2) 優化改良除塵單元濾芯材質及固定方式:將原設計長度為1.5 m的陶瓷濾芯更換為2 m的鐵鋁復合金屬濾芯；濾芯管板密封方式由墊片改為焊接密封;嚴格控制除灰單元出口合成氣塵含量指標，從而保證后系統管線及設備的清潔程度；定期用高壓水槍對壓縮機葉輪進行離線清理，保證葉輪清潔[3-4]。

(3) 與設計廠家溝通，適當調整濕洗單元洗滌液的pH值，將原設計值7～8優化為6～7，防止濕洗單元結垢。在保護設備的前提下，實現預期的濕洗效果，以達到裝置安全穩定運行目的。

(4) 定期檢查更換激冷氣系統3處止回閥，防止出現非正常工況下合成氣和水蒸氣倒流。

5 結語

實施改進措施后，設備運行時間超過3 a，雖然運行參數與投用初期有所差異，但壓縮機啟動過程中超過臨界轉速、 高速軸振值高的問題基本解決，設備運行的瓶頸問題得到了有效改善，保證了裝置正常開車。