Shell氣化裝置高負(fù)荷運(yùn)行瓶頸問題分析及措施

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

Shell氣化裝置高負(fù)荷運(yùn)行瓶頸問題分析及措施

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

煤制氫裝置氣化原料煤與設(shè)計(jì)煤質(zhì)偏差較大，高負(fù)荷運(yùn)行瓶頸問題，導(dǎo)致不能達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)氫能力；高溫高壓飛灰過濾器S1501設(shè)計(jì)能力偏小，由于煤粉雜物導(dǎo)致煤燒嘴跳停頻繁，合成器冷卻器積灰嚴(yán)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(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行直接影響油品產(chǎn)量、液化裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性。煤制氫裝置采用shell粉煤氣化工藝，由于氣化原煤與設(shè)計(jì)煤質(zhì)偏差較大、高負(fù)荷運(yùn)行瓶頸問題的存在，導(dǎo)致煤制氫裝置沒有達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)氫能力，特別是單臺(tái)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(jīng)濟(jì)效益，不能滿足公司長(zhǎng)期發(fā)展的要求。

1 裝置供氫能力說明

煤直接液化項(xiàng)目第一條生產(chǎn)線第一、第二煤制氫裝置設(shè)計(jì)總供氫能力為287×2t/d（純氫），13.35萬×2Nm3/h（管網(wǎng)氫），單臺(tái)氣化爐設(shè)計(jì)日投煤量2148×2t/d，年耗煤70.88萬×2/a。由于氣化原料煤與設(shè)計(jì)煤質(zhì)偏差較大，性能考核期間最高產(chǎn)氫量12.33萬Nm3/h，氧負(fù)荷105%運(yùn)行72小時(shí)，合成氣冷卻器入口溫度748℃，性能考核結(jié)束后裝置停車檢修，合成氣冷卻器入口存在積灰現(xiàn)象。

近幾年裝置實(shí)際供氫量：第一煤制氫裝置2014年運(yùn)行7224小時(shí)，平均負(fù)荷90872Nm3/h；2015年運(yùn)行6624小時(shí)，平均負(fù)荷86593Nm3/h；2016年運(yùn)行7704小時(shí)，平均負(fù)荷84500Nm3/h；第二煤制氫裝置2014年運(yùn)行7416小時(shí)，平均負(fù)荷93378Nm3/h；2015年運(yùn)行6096小時(shí)，平均負(fù)荷87527Nm3/h；2016年運(yùn)行6864小時(shí)，平均負(fù)荷95900Nm3/h。對(duì)應(yīng)煤直接液化裝置負(fù)荷：2014年83%，2015年77.4%，2014年84%。

通過以上數(shù)據(jù)可以看出兩套煤制氫裝置實(shí)際產(chǎn)氫量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)產(chǎn)氫能力，主要由于以下問題存在：

（1）下游裝置沒有達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷，對(duì)氫氣的需求量偏低，導(dǎo)致煤制氫裝置處于相對(duì)較低負(fù)荷運(yùn)行；與下游裝置運(yùn)行負(fù)荷不同步，當(dāng)煤制氫裝置具有較高供氫能力時(shí)，下游裝置對(duì)氫氣需求較低，當(dāng)氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行至后半段時(shí)，不能滿足下游裝置對(duì)氫氣的需求。

（2）氣化原料煤煤質(zhì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)指標(biāo)存在較大差異，主要是原料煤灰含量較設(shè)計(jì)值偏高，設(shè)計(jì)7%，實(shí)際13%-15%之間，導(dǎo)致噸氫煤耗偏高，設(shè)計(jì)生產(chǎn)噸氫煤耗7.48噸，實(shí)際約8.9噸。

（3）影響煤制氫裝置高負(fù)荷長(zhǎng)周期運(yùn)行瓶頸問題的存在。

2 高負(fù)荷長(zhǎng)周期運(yùn)行瓶頸問題分析

2.1 高溫高壓飛灰過濾器S1501設(shè)計(jì)能力偏小

2.1.1 濾芯運(yùn)行情況說明

神華殼牌氣化爐配套飛灰過濾器S1501設(shè)計(jì)余量偏小濾芯負(fù)荷較高，容易超負(fù)荷運(yùn)行而發(fā)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(dǎo)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(fù)荷長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)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(shù)21%。

隨著金屬濾芯的使用，濾芯斷裂次數(shù)逐漸減少，但裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行至后期，濾芯管板（管板設(shè)計(jì)差壓70kPa）及墊片等薄弱部位長(zhǎng)時(shí)間在高差壓（最高45kPa）下工作，存在損壞風(fēng)險(xiǎn)影響裝置高負(fù)荷運(yùn)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(xù)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(hào)反吹閥下對(duì)應(yīng)安裝兩米金濾芯一組48支，一直運(yùn)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(shí)間是410天，運(yùn)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(dāng)；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(dāng)。通過測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，在保持原有反吹氮?dú)鈮毫?、反吹氮?dú)饬?、反吹氮?dú)鈬娮斓炔蛔兊那闆r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(dāng)。濾芯供應(yīng)商安泰環(huán)境工程技術(shù)有限公司對(duì)使用后2米濾芯進(jìn)行了解剖分析，濾芯的各項(xiàng)性能與1.5米濾芯相當(dāng)。

（2）控制合適的反吹氮?dú)鈮毫?，通過優(yōu)化S1501反吹氮?dú)忾y門動(dòng)作時(shí)間、調(diào)整反吹氮?dú)鈮毫Α⒏脑旆创祰娮?，增加反吹力度維持濾芯差壓穩(wěn)定[1]。

2.1.3 可能存在的風(fēng)險(xiǎn)

（1）在反吹氮?dú)鈮毫?、流量、反吹氮?dú)鈬婎^不變的情況下，由于濾芯長(zhǎng)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(fù)重，可能對(duì)管板有一定影響，需要設(shè)備供應(yīng)商進(jìn)一步核算評(píng)估。

（3）2米濾芯中部焊接部位強(qiáng)度偏低，抗系統(tǒng)波動(dòng)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(yùn)輸?shù)冗^程中都可能對(duì)焊接位置造成損傷，濾芯安裝前只能通過表觀進(jìn)行檢查，不能有效的發(fā)現(xiàn)濾芯焊接部位微觀損壞情況，給裝置穩(wěn)定運(yùn)行增加了風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 煤燒嘴跳停頻繁

2.2.1 燒嘴跳停情況說明：

單臺(tái)氣化爐設(shè)置4臺(tái)煤燒嘴，裝置正常運(yùn)行期間必須保持4臺(tái)燒同時(shí)運(yùn)行，確保氣化爐安全運(yùn)行。燒嘴頻繁跳車不僅影響氣化爐運(yùn)行負(fù)荷，同時(shí)會(huì)對(duì)氣化爐安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，2107年105單元由于1號(hào)燒嘴頻繁跳車，并且長(zhǎng)時(shí)間不能正常投用造成氣化爐內(nèi)部損壞，裝置被迫停車檢修。106單元同樣因?yàn)闊祛l繁跳車造成燒嘴罩膨脹節(jié)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(jì)跳停26次，106單元煤燒嘴累計(jì)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(tǒng)及煤粉給料輸送系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化檢修方案，確保檢修完成后，系統(tǒng)內(nèi)無任何檢修廢料。建立相應(yīng)的考核制度，磨煤制粉系統(tǒng)及煤粉給料系統(tǒng)檢修后正常投用，對(duì)應(yīng)的燒嘴如果出現(xiàn)頻繁跳車，對(duì)檢修人員及負(fù)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(tǒng)內(nèi)引起燒嘴跳車。

（2）對(duì)粉煤給料輸送系統(tǒng)易損部件進(jìn)行材料升級(jí)，防止損壞的設(shè)備部件掉入系統(tǒng)，引起燒嘴跳車。

將充氣錐、管道充氣器燒結(jié)金屬內(nèi)件材料進(jìn)行升級(jí)，即使發(fā)生損壞也不會(huì)導(dǎo)致碎片掉入系統(tǒng)影響煤線運(yùn)行；對(duì)笛管固定方式進(jìn)行了改造，避免了笛管固定管箍掉入粉煤系統(tǒng)影響燒嘴運(yùn)行。

粉煤系統(tǒng)過濾器S1202、S1204底部增加格柵板，防止濾芯損壞碎片掉入系統(tǒng)影響煤線運(yùn)行。

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

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

前3項(xiàng)措施的實(shí)施燒嘴跳停次數(shù)較之前下降25%，但是原料煤中的雜物嚴(yán)重影響煤線的穩(wěn)定運(yùn)行，特別是外購(gòu)的高硫煤在運(yùn)輸及倒運(yùn)過程中雜物混入的風(fēng)險(xiǎn)極高，雜物通過磨煤系統(tǒng)進(jìn)入粉煤給料系統(tǒng)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(jù)煤灰的粘溫特性以及殼牌氣化爐實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)合成氣冷卻器入口溫度低于(2/3FT-150)度時(shí)，積灰的風(fēng)險(xiǎn)較低，因此正常運(yùn)行期間合成氣冷卻器入口溫度控制指標(biāo)應(yīng)低于(2/3FT-150)度。氣化裝置主要原料補(bǔ)連塔2-2煤煤灰的流動(dòng)溫度（FT）約1200度左右，按照（2/3×1200-150）計(jì)算，合成氣冷卻器入口溫度控制指標(biāo)應(yīng)低于650度。激冷氣量是按照合成氣冷卻器入口溫度750度設(shè)計(jì)，裝置實(shí)際控制指標(biāo)為650度，因此只能通過降低運(yùn)行負(fù)荷來保證控制指標(biāo)，減少積灰。

（2）通過配煤將入爐煤煤灰的流動(dòng)溫度調(diào)整至1350度左右，但主要原料煤煤灰仍然對(duì)積灰起主導(dǎo)作用，合成氣冷卻器入口溫度控制指標(biāo)仍然需要低于650度，限制氣化運(yùn)行負(fù)荷。即便溫度低于650度，當(dāng)氣化爐運(yùn)行時(shí)間超過120天時(shí)，合成氣冷卻器十字架開始積灰影響裝置高負(fù)荷長(zhǎng)周期運(yùn)行。

2.3.2 解決措施：

（1）通過改變十字架吹灰器結(jié)構(gòu)，降低積灰速率。目前多家殼牌氣化用戶對(duì)吹灰器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，改造后十字架積灰速率沒有明顯下降，沒有達(dá)到預(yù)期效果。

（2）通過優(yōu)化激冷氣壓縮機(jī)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(wǎng)、取消K1301出口管線流量孔板、取消K1301出口管線上調(diào)節(jié)閥13FV0008，激冷氣量增加約5000Nm3/h。

（3）取消洗滌塔出口管線上調(diào)節(jié)閥（DN400蝶閥）13PV0076，降低壓縮機(jī)入口與氣化爐激冷口的差壓，通過核算預(yù)計(jì)能增加激冷氣量約5000 Nm3/h。

裝置開工以來13PV0076閥長(zhǎng)期處于100%開度，閥前后差壓約35-40kPa，設(shè)計(jì)此閥的最初目的為，確保壓縮機(jī)入口壓力穩(wěn)定和協(xié)助13TV0020控制壓縮機(jī)入口溫度。實(shí)際上系統(tǒng)壓力波動(dòng)受制于16PV0008B控制，壓力波動(dòng)小于0.1MPa，并且壓力的波動(dòng)同時(shí)施加在壓縮機(jī)入口和出口，對(duì)壓縮機(jī)本身沒有太大影響。另外13TV0020已經(jīng)增加了旁路，溫度的控制完全可以通過調(diào)整13TV0020開度來實(shí)現(xiàn)。為了防止13PV0076誤動(dòng)作關(guān)閉導(dǎo)致系統(tǒng)憋壓，損壞壓縮機(jī)等惡性事件發(fā)生，2014年起對(duì)閥門進(jìn)行了機(jī)械限位。

（4）通過電機(jī)增容或更換電機(jī)、升級(jí)變頻器、優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)將K1301轉(zhuǎn)速提至額定轉(zhuǎn)速，增加激冷氣量。

2015年對(duì)106K1301進(jìn)行了葉輪擴(kuò)能改造，委托西安賽爾流體機(jī)械設(shè)計(jì)制造單位重新設(shè)計(jì)和計(jì)算，采用專利技術(shù)“全可控渦”閉式三元葉輪設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)施擴(kuò)能改造，利用新轉(zhuǎn)子的高效率壓縮技術(shù)，在原配動(dòng)力系統(tǒng)不變的情況下，增加流量，完成壓縮機(jī)核心部件葉輪的國(guó)產(chǎn)化擴(kuò)能改造。該項(xiàng)目從設(shè)計(jì)改造到安裝投用，共歷時(shí)約6個(gè)月，轉(zhuǎn)子安裝投用后因電機(jī)電流受限制，機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速達(dá)不到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，激冷氣量?jī)H增加約為4%左右，之后葉輪進(jìn)行過兩次返廠車削，投用后無明顯效果。原設(shè)計(jì)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為1492rpm，實(shí)際計(jì)算增速箱增速比為3.654:1（銘牌標(biāo)注為3.854:1），所以壓縮機(jī)正常運(yùn)行最高轉(zhuǎn)速僅為5480rpm，無法達(dá)到原設(shè)計(jì)的5733rpm，所以激冷氣量也無法達(dá)到設(shè)計(jì)值。

如果將變頻器和電動(dòng)機(jī)功率根據(jù)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(jī)更換、變頻器更新升級(jí)，不僅消除了老舊設(shè)備故障率逐年增加的隱患，更有利于提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而為提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提供安全便利的條件和空間，可以進(jìn)一步提高激冷氣氣量。

（5）整體更換激冷氣壓縮機(jī)提高激冷氣流量。

據(jù)悉河南能源集團(tuán)旗下鶴壁煤化工、中原大化、龍宇煤化工[3]分別對(duì)激冷氣壓縮機(jī)進(jìn)行了整體更換，鶴壁煤化工更換完激冷氣壓縮機(jī)后滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)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(jī)后滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)合成氣冷卻器入口溫度約650度左右。壓縮機(jī)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(fēng)險(xiǎn)

（1）激冷氣量增加，氣化爐輸氣導(dǎo)管段氣速增加，對(duì)導(dǎo)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(dǎo)管段耐火銷釘排布方式降低局部磨蝕風(fēng)險(xiǎn)。將規(guī)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(dòng)力粘度2Pa.S時(shí)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(jì)算出，氣化爐溫度操作空間為72℃左右，因此渣口容易發(fā)生堵渣。為保證氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行，要求入爐煤的氣化操作溫度空間大于氣化溫度波動(dòng)范圍。如果入爐煤的氣化操作空間小于氣化溫度波動(dòng)范圍，且氣化溫度向下限波動(dòng)，則可能出現(xiàn)渣流動(dòng)性過差，渣層變厚，增加渣口堵渣風(fēng)險(xiǎn)。

在假設(shè)入爐煤質(zhì)穩(wěn)定的條件下，其空氣干燥基碳含量Cad%可以視為常數(shù)，因此氧碳比與氧煤比成正比關(guān)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(cè)量精度偏低，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)定的氧煤比精度偏低，其正常的波動(dòng)范圍為0.13，由此對(duì)應(yīng)的氣化溫度波動(dòng)范圍為135℃。在實(shí)際氣化運(yùn)行過程中，入爐煤煤質(zhì)存在一定波動(dòng)，空氣干燥基碳含量Cad%不是常數(shù)，其波動(dòng)范圍為約6-8個(gè)百分點(diǎn)，由此引起的氣化溫度波動(dòng)范圍為30℃。

如果入爐煤的氣化操作空間小于氣化溫度波動(dòng)范圍，且氣化溫度向上限波動(dòng)，則可能出現(xiàn)渣流動(dòng)性過好，渣層變薄，增加渣屏結(jié)大渣、渣池堵渣風(fēng)險(xiǎn)。

2.4.2 解決措施

（1）與殼牌公司合作進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，通過調(diào)整煤燒嘴安裝角度、改變燒嘴頭結(jié)構(gòu)、對(duì)渣口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、重新核算渣口位置水冷管水流量等措施改變?cè)谖恢昧鲌?chǎng)、溫度場(chǎng)分布，提高渣口位置溫度，降低堵渣風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)悉大唐多倫煤化工已經(jīng)對(duì)燒嘴安裝角度進(jìn)行了調(diào)整、河南能源鶴壁公司對(duì)殼牌氣化爐燒嘴安裝角度也進(jìn)行了調(diào)整，燒嘴安裝角度調(diào)整后，對(duì)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(xiàn)有原煤進(jìn)行混配，提高氣化操作窗口至160℃-250℃。

3 進(jìn)一步的改進(jìn)方案

（1）重新設(shè)計(jì)制作葉輪，建立模型，根據(jù)氣量需求配置相匹配的變頻器和電動(dòng)機(jī)，改造完成后K1301轉(zhuǎn)速提至額定轉(zhuǎn)速，激冷氣量能滿足氣爐100%氧負(fù)荷運(yùn)行；拆除洗滌塔出口管線上調(diào)節(jié)閥，利用管線代替，預(yù)計(jì)能增加激冷氣量約5000 Nm3/h。

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

（3）繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，通過調(diào)整煤燒嘴安裝角度、改變燒嘴頭結(jié)構(gòu)、對(duì)渣口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、重新核算渣口位置水冷管水流量等措施改變?cè)谖恢昧鲌?chǎng)、溫度場(chǎng)分布，提高渣口位置溫度，降低堵渣風(fēng)險(xiǎn)。

（4）根據(jù)2米整體金屬濾芯試用情況，考慮整體升級(jí)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(yè)運(yùn)行效果.工業(yè)，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(yè)，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(xué)位，中級(jí)工程師，煤化工方向。