殼牌下行水激冷煤氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行瓶頸探討

(呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000)

殼牌煤氣化工藝開(kāi)發(fā)始于1972年，從1978年至1983年，在殼牌公司德國(guó)漢堡煉廠開(kāi)始運(yùn)行250～400 t/d的示范裝置?；诓煌拿悍N特性和客戶的不同需求，殼牌已經(jīng)開(kāi)發(fā)了3種類(lèi)型的煤氣化爐：廢鍋流程工藝、合成氣上行水激冷和合成氣下行水激冷流程工藝，2012年10月在南京工業(yè)園區(qū)建成第一套下行水激冷示范裝置，2017年5月至11月創(chuàng)造了201天A級(jí)運(yùn)行紀(jì)錄。

呼倫貝爾金新化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱金新化工)于2014年1月啟動(dòng)原料及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整技術(shù)改造項(xiàng)目，引進(jìn)一套有效氣(CO+H2)60 000 Nm3/h的殼牌(Shell)下行水激冷煤氣化工藝氣化爐，新增殼牌煤氣化裝置及相關(guān)公用工程裝置、關(guān)聯(lián)工藝裝置，該裝置于2015年10月完成機(jī)械竣工，2016年6月18日一次性投料試車(chē)成功產(chǎn)出合格粗煤氣，2016年10月完成裝置性能考核測(cè)試，截至2017年11月30日，金新化工殼牌下行水激冷煤氣化裝置已累計(jì)運(yùn)行437 d(連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率82.5%)。

1 制約本裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的問(wèn)題

對(duì)于首套殼牌下行水激冷技術(shù)工業(yè)運(yùn)行裝置，工藝設(shè)計(jì)、工程施工、工藝控制、儀表設(shè)備狀況、氣候環(huán)境等均會(huì)影響裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。通過(guò)幾年時(shí)間(自2016年6月運(yùn)行至今)的運(yùn)行檢驗(yàn)和總結(jié)，影響氣化爐長(zhǎng)周期運(yùn)行的主要問(wèn)題集中于煤粉加壓輸送系統(tǒng)、氣化爐頂部爆破片、氣化爐渣池積渣、灰水系統(tǒng)管線/設(shè)備結(jié)垢和技術(shù)消化吸收等，同時(shí)，這幾個(gè)問(wèn)題也是殼牌下行水激冷煤氣化的關(guān)鍵工藝技術(shù)，下面將分別進(jìn)行敘述。

1.1 高負(fù)荷運(yùn)行粉煤給料緊張

為了實(shí)現(xiàn)粉煤連續(xù)加壓進(jìn)料，粉煤氣化采用鎖斗加壓。每臺(tái)粉煤儲(chǔ)罐底部都設(shè)有充氣錐和管道充氣器，目前，充氣錐大多采用燒結(jié)金屬件。由于材質(zhì)的限制，為滿足透氣性要求，充氣錐一般按承壓1.5 MPa(g)設(shè)計(jì)。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于上游氮?dú)鈮毫Φ牟▌?dòng)以及粉煤放料順控的欠缺，放料罐通氣錐承受壓差常常超過(guò)設(shè)計(jì)值，容易造成通氣錐或管道充氣器的破裂，影響粉煤的加壓、除橋，易造成放料不暢[1]。

如果下料不暢，消架橋則較為頻繁，易造成相關(guān)煤線及氧煤比波動(dòng)較大，此外，粉煤放料不暢會(huì)導(dǎo)致放料周期延長(zhǎng)，也造成了放料能力的不足，氣化爐高負(fù)荷運(yùn)行情況下較為顯著。

1.2 爆破片使用壽命受限、影響因素多

在殼牌下行水激冷氣化爐正常運(yùn)行過(guò)程中，主要通過(guò)調(diào)節(jié)安全水封水量(滿水高度為1 500 mm)、頂錐吹掃氣量(13FI0059)、環(huán)隙吹掃氣量(13FIC0153)維持氣化爐反應(yīng)室與爐膛內(nèi)部壓差的平衡(正常波動(dòng)范圍2～20 kPa)，當(dāng)氣化爐反應(yīng)室的壓力大于環(huán)形空間壓力15 kPa，水封中的水就會(huì)向上壓出，合成氣竄入環(huán)形空間。反之，環(huán)形空間的氣體會(huì)進(jìn)入合成氣系統(tǒng)。此外，為了防止安全水封堵塞或下渣口堵塞導(dǎo)致內(nèi)外壓差過(guò)大，造成氣化爐關(guān)鍵內(nèi)件(膜式水冷壁、燒嘴金屬膨脹節(jié))擠壓變形或損壞，在氣化爐頂錐設(shè)置了頂部安全泄放裝置(因爆破片安裝在氣化爐A4內(nèi)人孔，更換必須停爐降溫置換)，因此，調(diào)控氣化爐內(nèi)外壓差平衡，對(duì)氣化爐的穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。

自2016年6月首次試開(kāi)車(chē)以來(lái)，已發(fā)生兩次氣化爐頂部爆破片損壞，直接導(dǎo)致環(huán)隙空間溫度高高ESD聯(lián)鎖停車(chē)，此外，運(yùn)行一定周期后，對(duì)爆破片進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)均有不同程度的變形或損壞，其中氣化爐最長(zhǎng)運(yùn)行周期120.44 d，最短運(yùn)行周期24.32 d，爆破片損壞。

1.3 渣水系統(tǒng)管線/設(shè)備結(jié)垢嚴(yán)重

殼牌下行水激冷氣化爐氣化區(qū)反應(yīng)生成的合成氣、渣、飛灰和未反應(yīng)的殘?zhí)纪ㄟ^(guò)氣化爐底錐、下渣口、下降管進(jìn)入渣池中被(粗細(xì)噴嘴噴淋水、渣池渣水)激冷到190～220 ℃，被水激冷后的粗合成氣進(jìn)入文丘里洗滌器和濕洗塔進(jìn)一步洗滌后送往變換裝置。在保持渣池液位穩(wěn)定的情況下，將渣水、未沉淀的細(xì)渣排放至灰水處理單元，經(jīng)二級(jí)閃蒸、冷卻、沉降/分離處理，大部分灰水經(jīng)機(jī)泵加壓或除氧后再加壓作為洗滌水、噴淋水、激冷水或系統(tǒng)循環(huán)補(bǔ)水。同時(shí)，為了減少灰水系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程中鈣鎂離子沉積和稀釋氯離子，需向系統(tǒng)中補(bǔ)入一定量新鮮水，保持恒定的外排水量(設(shè)計(jì)排放量：28 t/h)。

通過(guò)一年多的運(yùn)行，多次檢修期間均發(fā)現(xiàn)灰水系統(tǒng)管道、設(shè)備結(jié)垢或積渣嚴(yán)重，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行造成較大的威脅，主要集中在激冷環(huán)掛渣、下降管結(jié)垢、氣化爐渣池積渣、氣化爐出口至濕洗塔合成氣管線結(jié)垢(見(jiàn)圖1)、E1701灰水側(cè)換熱管結(jié)垢(見(jiàn)圖2)、V1701、V1702底部積渣、E3401灰水側(cè)換熱管結(jié)垢等。

圖1 合成氣管道結(jié)垢情況

圖2 E1701換熱管結(jié)垢情況

1.4 工藝技術(shù)未完全消化吸收

2016年6月至2017年11月30日間殼牌煤氣化下行水激冷煤氣化裝置共計(jì)停車(chē)14次(以煤燒嘴投煤計(jì)，見(jiàn)表1)，其中計(jì)劃停車(chē)4次(比例28.57%)，設(shè)備/儀表造成停車(chē)4次，工藝操作引起停車(chē)6次(比例達(dá)到42.85%)。通過(guò)歷次停車(chē)比例可明顯看出，工藝操作人員對(duì)新裝置、新工藝、新技術(shù)的消化吸收還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

表1 殼牌煤氣化裝置開(kāi)停車(chē)記錄

續(xù)表

2 下一步改進(jìn)措施和改進(jìn)建議探討

針對(duì)殼牌下行水激冷煤氣化裝置存在的問(wèn)題 ，本裝置的項(xiàng)目建設(shè)、開(kāi)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，在抓好設(shè)計(jì)、施工源頭，確保儀表、設(shè)備運(yùn)行正常的基礎(chǔ)上，已通過(guò)歷次開(kāi)停車(chē)總結(jié)、運(yùn)行過(guò)程總結(jié)、事故總結(jié)等積極地進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，解決了不少危及生產(chǎn)的緊急問(wèn)題，并通過(guò)摸索煤線煤量計(jì)量不準(zhǔn)對(duì)氣化爐運(yùn)行工況的影響、優(yōu)化調(diào)整氣化爐環(huán)隙/頂錐吹掃氣及安全水封水量，逐步提高了裝置連續(xù)運(yùn)行時(shí)間。因此，從根本上解決殼牌下行水激冷氣煤化工藝裝置存在的問(wèn)題，并防止新問(wèn)題的出現(xiàn)，必須進(jìn)一步研究如何改進(jìn)影響裝置運(yùn)行的可行措施并組織實(shí)施。

2.1 確保粉煤放料順暢和優(yōu)化下料順控

優(yōu)化粉煤加壓進(jìn)料過(guò)程，確保各路充壓氮?dú)獾木?，可保證粉煤處于流化狀態(tài)，也是保證粉煤放料順暢的關(guān)鍵所在。同時(shí)，優(yōu)化Shell粉煤放料順控，合理分配各路氮?dú)饬髁?，并穩(wěn)定上游氮?dú)鈮毫图訅旱獨(dú)獾牧髁?。下面列舉可優(yōu)化的方向及建議。

(1)擇機(jī)將金屬燒結(jié)材質(zhì)笛管、充氣錐、充氣器更換為多孔板材質(zhì)，減少設(shè)備故障/損壞對(duì)系統(tǒng)充氣、布?xì)獾挠绊憽?/p>

(2)進(jìn)一步加強(qiáng)與設(shè)計(jì)院、布袋廠家溝通協(xié)調(diào)，通過(guò)調(diào)整順控邏輯和更改合適限流孔板尺寸，逐步優(yōu)化V1204泄壓速率，減少或排除V1204泄壓造成S1201內(nèi)件損壞的概率。

(3)根據(jù)氣化爐實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷，及時(shí)調(diào)整V1205料位低報(bào)警值，滿足氣化爐用煤負(fù)荷需求情況下，盡量減少煤粉在V1204停留時(shí)間，降低煤粉加壓壓實(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 優(yōu)化爆破片

通過(guò)總結(jié)歷次開(kāi)停車(chē)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可知影響爆破片使用壽命的關(guān)鍵因素為13PDI0065顯示是否準(zhǔn)確和穩(wěn)定、氣化爐頂錐工況(熱負(fù)荷)是否穩(wěn)定。分別對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵影響因素采取如下措施，盡量延長(zhǎng)爆破片的使用壽命。

2.2.1如何確保13PDI0065的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性

(1)每次停車(chē)檢修必須對(duì)氣化爐頂錐導(dǎo)壓管入口、安全水封、下渣口進(jìn)行疏通處理和導(dǎo)壓管檢漏測(cè)試。

(2)每次檢修結(jié)束開(kāi)車(chē)前對(duì)氣化爐壓差表(13PDI0065/66/72)進(jìn)行零點(diǎn)校驗(yàn)，并且通過(guò)13PDI0066與13PDI0072差值，對(duì)比13PDI0065是否顯示準(zhǔn)確。

(3)氣化爐正常運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定安全水封供水量3.0±0.5 kg/s、渣池液位33±2%、頂錐吹掃氣量0.05 kg/s，通過(guò)調(diào)整環(huán)隙吹掃氣量，確保氣化爐壓差13PDI0065在2～20 kPa范圍內(nèi)波動(dòng)。

(4)當(dāng)環(huán)境溫度<5 ℃(當(dāng)日最低溫度)，主動(dòng)將氣化爐頂錐儀表吹掃氣由二氧化碳切換為氮?dú)?，避免干冰堵塞?dǎo)致吹掃氣量減少對(duì)該測(cè)點(diǎn)顯示不準(zhǔn)確。

(5)考慮到氣化爐壓力波動(dòng)是導(dǎo)致壓差波動(dòng)的主要原因，需要繼續(xù)優(yōu)化16PV0008B閥門(mén)PID參數(shù)和穩(wěn)定變換系統(tǒng)的壓力(即優(yōu)化BGL 3臺(tái)爐加煤的時(shí)間)，減少氣化爐壓力波動(dòng)對(duì)壓差(16PDI0065)的影響頻次。

2.2.2如何穩(wěn)定氣化爐頂錐工況

(1)控制氣化爐加減負(fù)荷速率：當(dāng)氣化爐氧氣負(fù)荷6.0～7.0 kg/s，加減負(fù)荷按照0.1～0.2 kg/s；氧氣負(fù)荷>7.0 kg/s時(shí)，每小時(shí)加減負(fù)荷幅度不得大于0.15 kg/s。

(2)當(dāng)發(fā)生1個(gè)燒嘴跳車(chē)時(shí)，必須待頂錐水汽密度穩(wěn)定后才能加負(fù)荷操作；如果此時(shí)單燒嘴負(fù)荷大于1.8 kg/s，建議不加負(fù)荷或降低加負(fù)荷幅度(每小時(shí)加負(fù)荷幅度不得大于0.1 kg/s)。

(3)氣化爐正常運(yùn)行時(shí)，控制適當(dāng)高的熱負(fù)荷(>0.39 MW)，以降低頂錐渣層厚度，避免系統(tǒng)波動(dòng)時(shí)發(fā)生頂錐厚渣層脫落。

(4)優(yōu)化石灰石添加系統(tǒng)運(yùn)行，確保穩(wěn)定的石灰石輸送量。

2.3 如何延長(zhǎng)設(shè)備使用周期

殼牌下行水激冷煤氣化技術(shù)產(chǎn)生的黑水中溶有一定量的腐蝕性氣體(H2S、CO2和O2)，同時(shí)還伴有容易沉降的Ca2+、Mg2+，且處于堿性環(huán)境中(灰水系統(tǒng)pH值在8～9之間波動(dòng))，當(dāng)這些條件同時(shí)存在時(shí)容易造成設(shè)備、管道結(jié)垢。為了將結(jié)垢速率降低到最低限度，建議采取如下措施逐步改善灰水系統(tǒng)的運(yùn)行。

(1)加強(qiáng)灰水系統(tǒng)加藥量的調(diào)整和監(jiān)控，確?；宜疂岫?50 mg/L，總磷含量5～20 mg/L，緩解系統(tǒng)結(jié)垢速率。

(2)繼續(xù)加強(qiáng)與灰水處理藥劑廠家溝通、協(xié)調(diào)，繼續(xù)調(diào)整藥品配方，優(yōu)化和改善P1705出口灰水水質(zhì)(COD、SS、濁度、氨氮)。

(3)通過(guò)調(diào)整灰水處理藥劑配方、增大V1703閃蒸量、減少石灰石添加量、適量添加硝酸等措施，降低灰水系統(tǒng)運(yùn)行pH值(建議pH值控制范圍6.5～7.5)。

(4)綜合考慮對(duì)管道腐蝕小、成本低、效率高的除垢方法,建議新增一套在線化學(xué)清洗系統(tǒng)。

(5)保證最低流量>33 kg/s，緩解激冷環(huán)周?chē)e渣，不定期增大渣池補(bǔ)水閥開(kāi)度(13HV0036)，加強(qiáng)渣池?cái)噭?dòng)，防止渣池積渣。

2.4 加強(qiáng)工藝培訓(xùn)和技術(shù)消化吸收

作為一套連續(xù)性生產(chǎn)的大型化工裝置,對(duì)工藝人員要求較高,必須具有扎實(shí)的工藝技術(shù)理論知識(shí)和熟悉現(xiàn)場(chǎng)工藝流程,方能為正常生產(chǎn)過(guò)程中的異常工況進(jìn)行分析、判斷并及時(shí)采取處理措施。為了確保所有的工藝操作人員都具備相應(yīng)崗位的工藝操作技能，應(yīng)采取如下措施加強(qiáng)殼牌下行水激冷煤氣化技術(shù)的培訓(xùn)和技術(shù)消化吸收：①制定具有針對(duì)性的技術(shù)培訓(xùn)計(jì)劃，培訓(xùn)內(nèi)容應(yīng)盡貼切實(shí)際生產(chǎn)、圖文并茂；②分崗進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，并落實(shí)培訓(xùn)責(zé)任人；③加強(qiáng)工藝技術(shù)培訓(xùn)，培訓(xùn)結(jié)束一周內(nèi)抽查培訓(xùn)效果；④采取多種培訓(xùn)方式繼續(xù)做好后備人才的培訓(xùn)、培養(yǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)總結(jié)分析制約殼牌下行水激冷煤氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的瓶頸，可知影響殼牌下行水激冷煤氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的問(wèn)題主要集中在給料系統(tǒng)的優(yōu)化控制、氣化爐爆破片的保護(hù)和灰水系統(tǒng)水質(zhì)改善等關(guān)鍵工藝技術(shù)的消化、吸收及改進(jìn)。為了解決這些問(wèn)題，首要任務(wù)應(yīng)加強(qiáng)操作人員的培訓(xùn)，培養(yǎng)操作人員分析、處理問(wèn)題的能力，以便更好地指導(dǎo)工藝生產(chǎn)；其次，擇機(jī)進(jìn)行煤粉輸送系統(tǒng)設(shè)備改造，確保系統(tǒng)運(yùn)行的本職安全；此外，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)灰水系統(tǒng)水質(zhì)改善和氣化爐專利部件(煤燒嘴、粗細(xì)噴嘴)使用周期的研究，減少設(shè)備、管線的沖刷、磨蝕、結(jié)垢超溫?fù)p壞等，盡早實(shí)現(xiàn)裝置長(zhǎng)周期(A級(jí)連續(xù)運(yùn)行200 d)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。