Shell粉煤氣化爐溫度控制策略研究

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(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(nèi)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(qiáng)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(nèi)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)和“以渣抗渣”原理，并揭示了爐溫控制不當(dāng)?shù)暮蠊?。分析了影響氣化爐溫度的各種因素，并結(jié)合爐溫判斷方法和調(diào)節(jié)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(yōu)化策略 ； 煤質(zhì)

0 引言

煤氣化是實(shí)現(xiàn)煤炭綜合利用和潔凈煤技術(shù)的重要技術(shù)和主要手段，是發(fā)展現(xiàn)代煤化工、煤制油、燃料煤氣等工業(yè)化生產(chǎn)的龍頭[1]。Shell煤氣化工藝是當(dāng)今世界上較為先進(jìn)的第二代煤氣化工藝之一，國內(nèi)先后有21家單位累計(jì)引進(jìn)27套Shell煤氣化裝置，但在陸續(xù)開車和后期運(yùn)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(nèi)Shell煤氣化裝置逐步實(shí)現(xiàn)了長周期運(yùn)行。毋庸置疑，氣化爐是煤氣化裝置的核心設(shè)備，而爐溫控制始終是氣化爐操作的關(guān)鍵，科學(xué)合理的爐溫控制策略不僅能延長設(shè)備使用壽命，更是煤氣化裝置長周期運(yùn)行的基本前提和重要保障。

1 Shell粉煤氣化爐

1.1氣化爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

Shell粉煤氣化爐采用干粉煤進(jìn)料、多燒嘴對置、液態(tài)排渣的方式，具有尺寸大、噸位大，殼體厚、鍛件厚，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、管口多，接管定位基線統(tǒng)一以及分段制造和組裝等特點(diǎn)。日投煤2 200 t Shell氣化爐尺寸、質(zhì)量與技術(shù)參數(shù)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(nèi)筒兩部分構(gòu)成，兩者之間的環(huán)形空間用于設(shè)備檢修和維護(hù)。環(huán)形空間與內(nèi)筒通過平衡孔均壓，內(nèi)筒僅承受微小壓差；氣化爐內(nèi)筒為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，能有效阻隔高溫合成氣保護(hù)承壓殼體。整個(gè)氣化爐包括氣化爐反應(yīng)器、輸送系統(tǒng)(激冷管、輸送導(dǎo)管)、氣體反向室及合成器冷卻器4段：煤粉和氧氣在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生燃燒和氣化反應(yīng)，熔渣向下進(jìn)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(jīng)過輸送導(dǎo)管和氣體反向室后進(jìn)入合成器冷卻器進(jìn)一步回收顯熱，最后經(jīng)過濾除灰和濕洗后得到干凈的合成氣。

表1 氣化爐尺寸、質(zhì)量與技術(shù)參數(shù)

1.2“以渣抗渣”原理

Shell粉煤氣化爐反應(yīng)溫度為1 500～1 600 ℃，出爐膛的合成氣激冷后依然高達(dá)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(chǎn)運(yùn)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(dǎo)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(huán)水吸收，溫度低于灰熔點(diǎn)而形成固相渣層；而遠(yuǎn)離壁面的熔渣由于傳熱阻力較大，溫度高于灰熔點(diǎn)而形成流動渣層。渣層的存在使得水冷壁避免了反應(yīng)腐蝕、高溫?zé)g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(dāng)?shù)暮蠊?/h2>

對Shell粉煤氣化而言,爐溫控制是關(guān)鍵，很多裝置運(yùn)行中發(fā)生的問題或多或少與爐溫控制相關(guān)：激冷氣管線腐蝕與合成氣成分、管線材質(zhì)特性及激冷氣溫度控制有關(guān)；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(gè)方面；煤燒嘴損壞與冷卻水供給、煤線穩(wěn)定性和爐溫控制等緊密聯(lián)系，而燒嘴罩損壞與燒嘴罩結(jié)構(gòu)、煤質(zhì)變化和渣層厚度等密切相關(guān)；堵渣多由煤質(zhì)突變、爐內(nèi)漏水和爐溫控制不當(dāng)引發(fā)，而反吹閥故障、反吹壓力不足、濾芯機(jī)械強(qiáng)度低等可能導(dǎo)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(yùn)行中爐溫波動大則可能發(fā)生垮渣事故，停車中爐溫降得過快則導(dǎo)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(chǎn)運(yùn)行中，Shell粉煤氣化爐操作需要統(tǒng)籌兼顧各種因素，根據(jù)煤質(zhì)特性、設(shè)備特點(diǎn)和工藝指標(biāo)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(yùn)行。

圖2 水冷壁掛渣

3 爐溫調(diào)節(jié)和判斷

3.1爐溫調(diào)節(jié)方法

Shell粉煤氣化爐爐溫主要通過合成氣質(zhì)量控制回路13QC1300控制，該復(fù)雜控制回路包括4個(gè)控制器：①O2/C比控制器。系統(tǒng)通過氣化爐負(fù)荷控制器13HC1300設(shè)定生產(chǎn)負(fù)荷(以每小時(shí)氧耗計(jì)算)，總負(fù)荷控制器13HC1300和單燒嘴負(fù)荷控制器13HC001X為主從控制，正常工況下4個(gè)煤燒嘴氧流量控制器13FIC0X03均投串級，氧量通過單燒嘴負(fù)荷控制器13HC001X均分到4個(gè)煤燒嘴上，而單燒嘴負(fù)荷控制器13HC001X和煤粉流量控制器13FIC0X01為主從控制，通過調(diào)節(jié)氧煤比可間接控制煤粉流量，是現(xiàn)行主要的爐溫調(diào)控手段。②蒸汽產(chǎn)量控制器。通過控制汽包小室蒸汽產(chǎn)量13FI0047來間接控制氧煤比，以小室蒸汽產(chǎn)量為主要工藝指標(biāo)實(shí)現(xiàn)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(biāo)實(shí)現(xiàn)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(biāo)實(shí)現(xiàn)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(nèi)工作環(huán)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(shù)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(nèi)的熱電偶，是爐溫監(jiān)控的關(guān)鍵指標(biāo)之一。生產(chǎn)負(fù)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(jì)算溫度

13TI9001是通過物料平衡和能量平衡計(jì)算所得，并非實(shí)際測量溫度。在氣化爐工況平穩(wěn)期間，該溫度能較好地表征氣化爐爐溫；氣化爐計(jì)算溫度涉及激冷氣量13FIC0008、激冷氣溫度13TI0014、合成氣產(chǎn)量16FI0003、洗滌塔補(bǔ)水16FIC0014、洗滌塔排水16FIC0016等數(shù)十個(gè)參數(shù)，任何一個(gè)有偏差均會造成計(jì)算溫度失準(zhǔn)，故工況不穩(wěn)時(shí)氣化爐計(jì)算溫度參考意義不大。

3.2.3汽包小室蒸汽產(chǎn)量

爐膛、渣裙、燒嘴罩內(nèi)的汽包循環(huán)水吸收熱量后進(jìn)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(shí)蒸汽越少。當(dāng)氣化爐工況變化時(shí)，比如煤燒嘴跳車、投運(yùn)，或者煤質(zhì)、氧煤比、汽包補(bǔ)水、系統(tǒng)壓力改變后，小室蒸汽13FI0047均能及時(shí)作出響應(yīng)，汽包小室蒸汽產(chǎn)量不僅是關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)之一，且對爐溫監(jiān)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(jì)13DI0040/0041，汽包循環(huán)水與水冷壁換熱后汽水混合物流經(jīng)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(yùn)初期生產(chǎn)負(fù)荷較低，爐膛溫度較低，汽水混合密度明顯較高；而隨著生產(chǎn)負(fù)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(wěn)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(jié)垢影響，依此持續(xù)控制爐溫并不理想，但可作為爐溫高低的判斷依據(jù)之一。

3.2.5合成氣CH4/ CO2含量

爐內(nèi)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(tài)的CH4和完全氧化態(tài)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(jīng)驗(yàn)證明，合成氣CH4/ CO2含量指示有約30 min滯后，不能第一時(shí)間反映氣化爐工況變化。

3.2.6爐渣

爐渣的主要構(gòu)成是煤粉燃燒后產(chǎn)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?zhí)吭降?；爐溫越低，針狀爐渣越少，帶粉越多、殘?zhí)吭礁?。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(diào)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(dāng)爐溫偏低時(shí)，渣水中的細(xì)渣及未反應(yīng)的煤粉增多，因較難沉降導(dǎo)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(shí)爐溫較低。

圖3 不同工況下渣樣外觀

4 爐溫優(yōu)化控制策略

Shell粉煤氣化爐溫度控制是一個(gè)復(fù)雜的工程問題，需要綜合考慮原料轉(zhuǎn)化率、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、設(shè)備保護(hù)和工藝穩(wěn)定等多個(gè)因素，適時(shí)監(jiān)控爐渣和飛灰殘?zhí)苛?、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(yùn)行。

4.1加強(qiáng)配煤研究，保證煤質(zhì)穩(wěn)定

配煤是保障煤質(zhì)穩(wěn)定的重要手段，合格煤質(zhì)是Shell粉煤氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，正常煤質(zhì)控制指標(biāo)為：原煤水分≤10%，灰分12%～25%，灰熔點(diǎn)(FT)1 250～1 550 ℃，爐渣黏度25～40 Pa·s，揮發(fā)分<35%，哈氏可磨指數(shù)(HGI)>65。煤質(zhì)一旦改變，必須及時(shí)調(diào)整工況。

4.2優(yōu)化消橋程序，保證煤線穩(wěn)定

煤鎖斗放料時(shí)會造成高壓煤粉給料倉壓力的波動，進(jìn)而影響煤線穩(wěn)定性。優(yōu)化消橋程序，同時(shí)為高壓煤粉給料倉充、泄壓閥門預(yù)設(shè)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(dāng)煤質(zhì)灰分含量相對偏高時(shí)，與灰分含量偏低時(shí)相比，煤線波動對有效成分碳量波動的影響會降低，此時(shí)對煤線穩(wěn)定性要求可適當(dāng)放寬。

4.3調(diào)校煤線儀表，準(zhǔn)確計(jì)量煤量

單條煤線的煤量由速度、密度計(jì)算，并考慮溫度、壓力補(bǔ)償?shù)玫阶罱K結(jié)果，任何一個(gè)參數(shù)失準(zhǔn)都可能造成計(jì)量偏差。準(zhǔn)確標(biāo)定低壓煤粉貯倉稱重記錄儀，進(jìn)而依次標(biāo)定煤線相關(guān)儀表，是準(zhǔn)確測量煤量、有效調(diào)控爐溫的基礎(chǔ)。實(shí)際生產(chǎn)中如果判斷某條煤線煤量偏差較大，必要時(shí)可單獨(dú)調(diào)節(jié)其單燒嘴氧煤比設(shè)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(hù)關(guān)鍵設(shè)備

爐溫偏高運(yùn)行，原料轉(zhuǎn)化率提高，灰渣殘?zhí)拷档?，熔渣流動性增?qiáng)不易發(fā)生堵渣，但合成氣有效成分降低，且煤燒嘴、燒嘴罩容易高溫?fù)p壞；反之爐溫偏低運(yùn)行，原料轉(zhuǎn)化率降低，灰渣殘?zhí)可?，渣水密度上升、渣水泵磨損加劇，熔渣流動性降低容易發(fā)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(tǒng)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(hù)關(guān)鍵設(shè)備不損壞。

4.5增加低跳聯(lián)鎖，縮短高跳時(shí)間

增加單燒嘴氧煤比低跳車聯(lián)鎖，聯(lián)鎖值設(shè)定為0.75，防止操作、監(jiān)控不當(dāng)，過量煤粉進(jìn)入氣化爐造成堵渣或?yàn)V芯損壞。將氧煤比高跳車時(shí)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(lián)鎖保護(hù)是實(shí)現(xiàn)裝置長周期運(yùn)行的重要舉措。生產(chǎn)中可將單個(gè)煤燒嘴氧量控制器打“手動”，防止單燒嘴跳車后其負(fù)荷自動分配到其他煤燒嘴發(fā)生過氧損壞。

4.6平穩(wěn)調(diào)整負(fù)荷，手動干預(yù)閥位

設(shè)定負(fù)荷升降速率為36 kg/min，避免手動調(diào)整負(fù)荷幅度過大，造成爐溫劇烈波動；負(fù)荷調(diào)整時(shí)，如果煤閥相較氧閥動作響應(yīng)偏慢，必要時(shí)將煤閥打手動調(diào)穩(wěn)后再投串級控制，防止實(shí)際氧煤比長時(shí)間偏離設(shè)定值。調(diào)整負(fù)荷時(shí)，要嚴(yán)密監(jiān)控水汽系統(tǒng)，及時(shí)調(diào)節(jié)氧煤比、汽包補(bǔ)水量和外送蒸汽管線閥位等，使氣化爐熱負(fù)荷與水汽系統(tǒng)相平衡。

4.7重點(diǎn)參考爐渣，控制蒸汽產(chǎn)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(chǎn)量、合成氣冷卻器入口溫度是爐溫高低的直觀反映，根據(jù)煤質(zhì)、負(fù)荷不同控制蒸汽產(chǎn)量，維持13TI0019穩(wěn)定。氣化爐計(jì)算溫度、汽水混合密度、CH4/CO2含量等其他指標(biāo)可作為輔助參考。

4.8判斷爐內(nèi)漏水，密切觀察運(yùn)行

一旦煤燒嘴、燒嘴罩或水冷壁發(fā)生漏水，通過調(diào)和水緩沖罐液位、汽包補(bǔ)水量及蒸汽產(chǎn)量等指標(biāo)綜合判斷，適當(dāng)降低調(diào)和水緩沖罐、汽包壓力來降低泄漏量。爐內(nèi)漏水后爐溫會偏低，堵渣的風(fēng)險(xiǎn)和頻率增大，必須適當(dāng)提高氧煤比以保證爐溫，此時(shí)氧煤比、CO2含量往往高于正常工況。一旦發(fā)生堵渣，必須第一時(shí)間果斷清堵，情況嚴(yán)重?zé)o法清通時(shí)停車處理。

5 結(jié)語

氣化爐是Shell粉煤氣化工藝的關(guān)鍵設(shè)備，爐溫控制是裝置實(shí)現(xiàn)長周期運(yùn)行的重要前提。本文提出了以煤質(zhì)和煤線穩(wěn)定為前提，以O(shè)2/C比調(diào)節(jié)為主要手段，以小室蒸汽產(chǎn)量和合成器冷卻器入口溫度為控制指標(biāo)，結(jié)合爐渣外觀和其他參數(shù)進(jìn)行“溫和”操作的方法，該方法成功實(shí)現(xiàn)了Shell粉煤氣化爐溫控制，具有參考價(jià)值。

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大連化物所二氧化碳加氫制低碳烯烴研究取得新進(jìn)展

中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦團(tuán)隊(duì)在CO2催化加氫制備低碳烯烴方面取得新進(jìn)展：實(shí)現(xiàn)串聯(lián)式催化劑體系上直接將CO2高選擇性的轉(zhuǎn)化為低碳烯烴。

利用清潔能源制H2和CO2加氫直接轉(zhuǎn)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(jī)材料合成的最重要和最基本的化工原料，而傳統(tǒng)的合成方法主要是石腦油的裂解和煤經(jīng)甲醇制備，均需要依賴化石資源(石油和煤)。因此，利用CO2轉(zhuǎn)化為具有高附加值的低碳烯烴，既可以實(shí)現(xiàn)CO2碳資源化利用，又可以起到減排CO2作用，具有重要的戰(zhàn)略意義。但由于CO2在熱力學(xué)上是比較惰性的分子，實(shí)現(xiàn)CO2的活化和高選擇性的轉(zhuǎn)化存在較大的困難和挑戰(zhàn)。本研究中，李燦團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了ZnZrO固溶體氧化物/Zn改性SAPO分子篩串聯(lián)催化劑。該催化劑(ZnZrO/SAPO)在接近工業(yè)生產(chǎn)的反應(yīng)條件下，烴類中低碳烯烴的選擇性可達(dá)到80%～90%，且具有較好的穩(wěn)定性和抗硫中毒性能。在串聯(lián)催化劑體系的構(gòu)建方面，李燦團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)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(chǔ)上將ZnZrO固溶體氧化物與SAPO催化劑串聯(lián)可實(shí)現(xiàn)CO2直接加氫制備低碳烯烴。紅外光譜和同位素實(shí)驗(yàn)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(jìn)而完成碳碳鍵的生成。串聯(lián)催化劑之間的協(xié)同機(jī)制以及關(guān)鍵中間物種CHxO的表面遷移使CO2加氫直接到低碳烯烴反應(yīng)在熱力學(xué)和動力學(xué)上的耦合得到實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)研究也為CO2轉(zhuǎn)化拓展了新的思路，同時(shí)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(zhuǎn)化利用方面的研究工作，電話：13948375191，E-mail:songjinrong@foxmail.com。