殼牌氣化爐合成氣冷卻器結(jié)垢分析

郭小杰

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

殼牌粉煤加壓氣化爐具有單臺(tái)投煤量大，環(huán)境友好，碳轉(zhuǎn)化率高，煤種適用廣泛等優(yōu)勢(shì)，備受國(guó)內(nèi)煤化工行業(yè)，發(fā)電行業(yè)推崇[1]。隨著各個(gè)項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)逐漸豐富，尤其掌握了配煤技術(shù)和苛刻的對(duì)煤種種穩(wěn)定性要求，克服了燒嘴罩頻繁泄露，飛灰過(guò)濾器濾芯損壞，合成氣冷卻器入口積灰，氣化爐反應(yīng)室堵渣等問(wèn)題，連續(xù)運(yùn)行百天，年累計(jì)運(yùn)行三百天以上已達(dá)到常態(tài)化。目前看來(lái)，合成冷卻器結(jié)垢問(wèn)題越來(lái)越突出，成為制約裝置穩(wěn)定，高負(fù)荷運(yùn)行的最大制約因素。從目前國(guó)內(nèi) Shell 氣化爐運(yùn)行情況來(lái)看，合成氣冷卻器積灰問(wèn)題已經(jīng)在神華、柳州、安慶、洞氮、大同[2]等多個(gè)廠家中出現(xiàn)。

以某山西大同60萬(wàn)t/a，甲醇項(xiàng)目為例，以2017年全年為例，在氣化爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，因合成氣冷卻器結(jié)垢被迫降低氣化爐負(fù)荷高達(dá)12天。占全年運(yùn)行天數(shù)的3.78%。如何減少飛灰在合成氣冷卻器換熱管表面結(jié)垢，成為殼牌用戶急需解決的問(wèn)題。

1 殼牌氣化爐的結(jié)構(gòu)形式

1.1 氣化爐全景三維結(jié)構(gòu)形式

圖1 殼牌氣化爐三維圖

殼牌氣化爐由反應(yīng)室，激冷區(qū)(激冷管和輸氣管)，氣體返混室(GRC)，合成氣冷卻器(SGC)組成。

1.2 合成氣冷卻器的結(jié)構(gòu)形式

圖2 殼牌氣化爐合成氣冷卻器示意圖

合成氣冷卻器水冷壁的管束是用不同直徑的管組裝而成的，纏繞成圓筒，每一圓筒管長(zhǎng)按大約250mm逐步縮小。每個(gè)圓筒由確定數(shù)量的水管組成。單個(gè)圓筒之間相互插入，用支撐結(jié)構(gòu)固定，以允許每個(gè)圓筒向下自由膨脹。水從圓筒水管的下部進(jìn)入，上部流出。

從上往下看，一共有四個(gè)換熱器：

過(guò)熱中壓蒸汽換熱器1個(gè)，中壓蒸汽換熱器3個(gè)。

在粗合成中氣體中含有部分飛灰，所以在合成氣冷卻器水冷壁管束區(qū)域極易結(jié)垢，這將導(dǎo)致合成氣冷卻器冷卻效率大副下降。

為了防止灰集聚現(xiàn)象發(fā)生，在合成氣冷卻器的各段都分布有74個(gè)氣動(dòng)振打裝置，來(lái)保持水冷壁清潔。

圖3 合成氣冷卻器盤道分布圖(從上往下看)

2 合成氣冷卻器結(jié)垢的表現(xiàn)

氣化爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，53萬(wàn)Nm3/h，4.0MPa，650～710℃粗合成氣帶著約2 t/h飛灰穿過(guò)合成氣冷卻器后，溫度達(dá)到300℃左右。

合成氣冷卻器一旦結(jié)垢，氣化爐的出口溫度由正常300℃左右，升高并持續(xù)處于340～360℃左右。振打裝置正常振打，但是效果不明顯。合成氣冷卻器整體換熱效果變差，吸熱后的水蒸發(fā)量減少。由36 kg/s左右降至30 kg/s以下 。

3 合成氣冷卻結(jié)垢原因分析

3.1 氣化爐漏水對(duì)合成氣冷卻器結(jié)垢的影響

采集了2017年9月6日到2017年9月14日的氣化爐運(yùn)行數(shù)據(jù)。使用同一批次煤種，煤質(zhì)穩(wěn)定。氧氣負(fù)荷為22.5 kg/s，振打器運(yùn)行正常。分別分析了氣化爐反應(yīng)室漏水情況與合成氣冷卻器結(jié)垢的相關(guān)性。

圖4 合成氣冷卻器結(jié)垢情況

圖4中可以看出，從9月6日到9月14日期間，經(jīng)過(guò)合成氣冷卻器換熱后的粗合成氣溫度由290.6℃升高至342.5℃，升高了50.1℃。9月7日，8日9日，分別粗合成氣溫度升高速率為7.8℃/天，5.7℃/天，1.5℃/天。9月10日，11日粗合成氣溫度升高速率為15.9℃/天，13.5℃/天，9月12,13,14日溫度保持平穩(wěn)。結(jié)論:合成氣冷卻器的換熱效果逐漸變差。

圖5 合成氣冷卻器結(jié)垢—蒸汽產(chǎn)量

圖5中可以看出，從9月6日到9月14日期間，經(jīng)過(guò)合成氣冷卻器換熱后的水蒸氣的產(chǎn)量由35.1kg/s降低至29.3kg/s，降低了5.8 kg/s。水經(jīng)過(guò)合成氣冷卻器與粗合成氣熱交換后，吸收熱量變?yōu)檎羝?。蒸汽量降低表示水吸收的熱量變少了。合成氣冷卻器換熱效果變差。

圖6 氣化爐泄露水量

圖6中可以看出，從9月6日到9月14日期間，泄漏到氣化爐的水量逐漸增加。由最初的16.9 t/h增加至24.8 t/h，并保持平穩(wěn)。增加了8.2 t/h。氣化爐泄漏量增加后，保持平穩(wěn)。

圖7 氣化爐反應(yīng)室泄露

圖7中可以看出，從9月6日到9月14日期間，粗合成氣中的H/C(氫氣和一氧化碳的比值)比值，逐漸升高，即合成氣氫氣含量增加，是由于水泄漏到氣化爐反應(yīng)室內(nèi)部，在1500℃左右下分解為氫氣，氫氣含量增加，同時(shí)，氧氣含量也增加。氧氣含量增加，與一氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成二氧化，合成氣中的一氧化碳含量減少，二氧化碳含量增加。

拆開(kāi)氣化爐后，發(fā)現(xiàn)燒嘴罩有孔，見(jiàn)圖8。

圖8 氣化爐反應(yīng)室燒嘴罩圖片

3.2 煤炭的灰中組分，對(duì)合成氣冷卻器結(jié)垢的影響

數(shù)據(jù)采集了2018年2月24日到2018年3月4日的運(yùn)行數(shù)據(jù)。采用不同批次煤種。氧氣負(fù)荷為22.5 kg/s，氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)漏水跡象。分別分析了煤灰組分中的鉀鈉含量與合成氣冷卻器結(jié)垢的相關(guān)性。

2018年2月24日到2018年2月28日的采用一個(gè)批次的煤種；

2018年2月28日到2018年3月4日的采用另一個(gè)批次的煤種。

圖9 煤粉的灰中組分鉀鈉含量變化

圖9中可以看出，從2月24日到3月4日期間，煤炭中灰組分中鉀鈉含量由0.5%增加至2.77%，后降低至0.64%?；医M分中鉀鈉含量的變化表明，2018年2月24日到2018年2月28日期間煤質(zhì)發(fā)生變化。2018年2月28日到2018年3月4日期間更換煤種后?；医M分中鉀鈉含量逐步降低，表明煤質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)好。

圖10 合成氣冷卻器結(jié)垢情況

圖10中可以看出，從2月24日到3月4日期間，經(jīng)過(guò)合成氣冷卻器換熱后的粗合成氣溫度(13TIZA-0018)由301.7℃，先升高至339.9℃，更換煤種后，13TIZA-0018降低至312.5℃。氣化爐未漏水，氣化爐負(fù)荷穩(wěn)定，合成氣冷卻器的換熱效果逐漸變差，更換煤種后，換熱效果變好。

煤炭中鉀鈉含量的升高，使飛灰的固化困難，增加飛灰的粘度。

結(jié)垢機(jī)理：熱的飛灰顆粒因?yàn)楣袒粔颍扯仍黾?，粘結(jié)在合成氣冷卻器換熱管外壁上，導(dǎo)致?lián)Q熱效果變差。垢層表面溫度進(jìn)一步升高，更多粘的飛灰將堆積在此，結(jié)垢層進(jìn)一步增加。

煤粉和氧氣進(jìn)入氣化爐反應(yīng)室后發(fā)生轉(zhuǎn)化和氧化反應(yīng)，生成CO、H2并放出大量顯熱，出氣化爐反應(yīng)室的合成氣溫度在1500℃左右，在激冷段與激冷氣壓縮機(jī)K-1301來(lái)的200℃的合成氣1.03∶1混合，溫度降低至900℃左右，并通過(guò)傳輸段、返回室后進(jìn)入合成氣冷卻器。合成氣冷卻器內(nèi)部為8圈的盤管換熱器，中心處為直徑96cm的托盤，有利于分散合成氣全部通過(guò)盤管換熱。

在合成氣冷卻器處，合成氣通道有效通過(guò)面積減小，如果飛灰粘性較高，易附著于盤管換熱器表面和中心托盤之上，飛灰粘性持續(xù)高狀態(tài)，則飛灰形成層層累積，加之原料煤煤質(zhì)的變化，形成年輪狀積灰，長(zhǎng)時(shí)間之后造成合成氣冷卻器換熱效果變差。

4 結(jié)論

氣化爐反應(yīng)段進(jìn)水或者燒嘴罩泄漏；會(huì)導(dǎo)致合成氣冷卻器結(jié)垢加劇。添加蒸汽的工廠，可采取少加或不加蒸汽的方式，改善合成氣冷卻器結(jié)垢情況.更換鉀鈉含量低的煤煤炭，可以緩解合成氣冷卻器結(jié)垢，建議鉀鈉低于1.5%。粗合成氣中的H/C比值升高，可判定氣化爐反應(yīng)室泄露水。