Shell氣化爐高負(fù)荷運(yùn)行問題及解決方案

張國富，呼延俊敬

(山西潞安煤基清潔能源有限責(zé)任公司，山西 長治 046200 )

引 言

我國能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是“缺油、少氣、多煤”，因此發(fā)展煤化工具有國家戰(zhàn)略意義。在2020年兩會(huì)中習(xí)總書記明確提出山西省堅(jiān)定不移地進(jìn)行煤炭清潔利用，而煤炭清潔利用最高效的方式即煤化工。煤氣化作為煤化工的龍頭企業(yè)，發(fā)展煤化工重點(diǎn)是氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。Shell煤氣化工藝(SCGP)是當(dāng)今世界最先進(jìn)的潔凈煤氣化技術(shù)之一，因其適配煤種廣泛、煤氣化效率高、自動(dòng)化程度高、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，被多家企業(yè)所引用[1-2]。

但Shell煤氣化工藝(SCGP)雖適配煤種廣泛，卻因其工藝特性，造成難以穩(wěn)定運(yùn)行，渣口堵渣和SGC段積灰等問題是所有使用Shell煤氣化工藝技術(shù)公司繞不開的一道坎。除此以外，山西煤基清潔能源公司使用的氣化爐為世界上最大產(chǎn)能(3 000 t/a)廢鍋流程的氣化爐，且同時(shí)運(yùn)行4套，在全國各化工企業(yè)運(yùn)行方面均無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可借鑒。作為該項(xiàng)目的龍頭，氣化爐是否能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈能否正常運(yùn)行，關(guān)系到大型煤化工的發(fā)展方向。因此，煤氣化裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于項(xiàng)目意義重大[3]。

1 Shell煤氣化工藝(SCGP)流程簡述

Shell氣化爐工藝流程(見圖1)為原料煤經(jīng)固體儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)輸送到碎煤倉中，通過稱重給煤機(jī)和石灰石稱重給料機(jī)進(jìn)行計(jì)量配比后，進(jìn)入磨煤系統(tǒng)。經(jīng)過磨煤干燥后的粉煤通過加壓輸送至氣化爐中，由氣化爐內(nèi)的氣化反應(yīng)生產(chǎn)出合成氣，產(chǎn)生的渣經(jīng)渣池冷卻后進(jìn)入渣系統(tǒng)排出，合成氣經(jīng)過干法除灰、濕法除灰后部分氣體送至下游，另有部分氣體返回至氣化爐激冷段用來降溫。氣化爐同時(shí)配備有廢鍋(SGC段)，利用氣化爐余熱可產(chǎn)出5.0 MPa過熱蒸汽、5.7 MPa飽和蒸汽及0.5 MPa飽和蒸汽。

圖1 殼牌煤氣化工藝流程示意圖

2 3 000 tShell氣化爐高負(fù)荷瓶頸

2.1 磨煤系統(tǒng)碎煤倉凍堵

因北方冬季氣溫普遍在-10 ℃左右，且使用煤種以水洗煤為主，造成碎煤倉凍堵嚴(yán)重，即使每班安排人員在碎煤倉處進(jìn)行疏通，仍多次(平均3 d～4 d)因凍堵無法向氣化系統(tǒng)提供粉煤，被迫降負(fù)荷運(yùn)行。并且碎煤倉凍堵后還會(huì)造成稱重給煤機(jī)跑偏、刮煤鏈條損壞等一系列次生問題。

2.2 煤線跳車數(shù)據(jù)分析

氣化系統(tǒng)煤線波動(dòng)運(yùn)行初期煤線頻繁跳停，(如圖2)，造成氣化爐負(fù)荷頻繁波動(dòng)，同時(shí)，煤線多次投用造成燒嘴及燒嘴罩使用壽命下降。

圖2 2019年上半年煤線跳車數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.3 循環(huán)氣壓縮機(jī)跳車及壓差迅速上漲

在我公司剛開始運(yùn)行階段循環(huán)氣壓縮機(jī)頻繁因振值高觸發(fā)聯(lián)鎖造成氣化爐跳車，導(dǎo)致氣化爐運(yùn)行周期短，甚至無法使全廠工藝流程打通。

循環(huán)氣壓縮機(jī)振值問題解決后，在氣化爐運(yùn)行周期達(dá)到90 d以上時(shí)，循環(huán)氣壓縮機(jī)過濾器壓差上漲較快，在不到1個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，上漲近100 kPa，造成激冷量降低2 kg/s左右。低激冷量容易將氣化爐內(nèi)分布器損壞。因此迫使氣化爐進(jìn)行停車檢修，使氣化爐無法長周期運(yùn)行。

2.4 高溫高壓過濾器(S1501)濾棒斷裂

在2017年9月至2018年5月期間，兩套氣化爐運(yùn)行過程中均發(fā)現(xiàn)高溫高壓過濾器濾棒發(fā)生斷裂或吹偏的現(xiàn)象，總計(jì)更換3次。每套過濾器的濾棒成本均在200萬元以上，過濾器濾棒頻繁損壞不僅增加了運(yùn)行成本，還因堵塞C1601(濕洗塔)文丘里及填料、磨損循環(huán)氣壓縮機(jī)的葉輪增加了檢修成本及周期。

運(yùn)行時(shí)負(fù)荷平均維持在85%左右，因此高溫高壓過濾器的過氣量及承受的剪切力遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)值。同比2 400 t氣化爐[2]設(shè)計(jì)，3 000 t氣化爐高溫高壓過濾器同樣為24組，每組48根，每根濾棒高度為1.5 m，因此考慮濾棒頻繁段因設(shè)計(jì)過濾面積較小引起的。

2.5 SGC積灰

我公司氣化爐SGC(合成氣冷卻器)段設(shè)計(jì)長為65 m，直徑為3.8 m，配備有86套敲擊器；對(duì)比2 800 t氣化爐[1]SGC段(長58 m，直徑3.6 m，配備有66套敲擊器)，已進(jìn)行明顯增大，但在運(yùn)行期間，氣化爐SGC段積灰仍較為嚴(yán)重，運(yùn)行周期未滿90 d時(shí)，十字吊架處堵塞達(dá)到85%(我公司十字吊架寬2.1 m)。

3 問題調(diào)研及改造

3.1 碎煤倉凍堵

經(jīng)過總結(jié)冬季運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及調(diào)研晉煤陽城電廠發(fā)現(xiàn)，碎煤倉凍堵主要集中于底錐下料口處，不僅因煤濕造成堵塞，還與高分子聚乙烯復(fù)合板脫落有關(guān)。除此以外，下料口在經(jīng)過堵塞再疏通的過程，極易造成稱重給煤機(jī)跑偏、皮帶卡澀的現(xiàn)象發(fā)生。因此進(jìn)行以下技改：

1) 取消膨脹節(jié)，在下料錐斗易堵部位增加旋轉(zhuǎn)下料機(jī)(見圖3)，防止碎煤在底錐下料口處因變徑而造成堵煤。

圖3 旋轉(zhuǎn)下料機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

2) 清除原設(shè)備內(nèi)部錐段的聚乙烯高分子襯板，改為專用的改進(jìn)襯板(見圖4)。避免因襯板磨損、脫落而造成堵煤。

圖4 高分子襯板簡圖

3) 在稱重給煤機(jī)底部增加保溫，防止清掃鏈清掃凍煤時(shí)導(dǎo)致鏈條損壞。

4) 在易凍堵的位置額外增加氮?dú)馀凇?/p>

5) 在底錐處增加伴熱，保證內(nèi)部溫度；同時(shí)，在合適的位置增加一處清堵口。

在經(jīng)過以上技改后，2019年未發(fā)生過一起因碎煤倉堵煤而造成被迫降負(fù)荷的情況。

3.2 煤線波動(dòng)及跳停[3]

經(jīng)過長期運(yùn)行摸索發(fā)現(xiàn)，煤線波動(dòng)的原因主要有：一是煤循環(huán)時(shí)標(biāo)定不到位，影響煤線的穩(wěn)定性；二是在U1200(粉煤加壓輸送)單元下料時(shí)，V1204(粉煤放料罐)充泄壓造成V1205(粉煤給料罐)壓力波動(dòng)；三是纖維分離器過濾效果差，有異物卡澀至煤線角閥處；四是速度計(jì)頻繁故障造成煤線聯(lián)鎖跳出。

因此針對(duì)以上問題，在生產(chǎn)運(yùn)行中做出以下改進(jìn)：

1) 每次開車初期，對(duì)所有儀表和閥門進(jìn)行調(diào)校和標(biāo)定，并確保煤線循環(huán)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2) 嚴(yán)格控制粉煤的水分及粒度，并對(duì)V1204(粉煤放料罐)的笛管處進(jìn)行改造，加強(qiáng)笛管處疏通效果，減少除橋次數(shù)，盡量穩(wěn)定系統(tǒng)壓力。其次優(yōu)化U1200(粉煤加壓輸送)單元順控，增加每次除橋時(shí)12PV0128B/228B(V1204泄壓閥門)自設(shè)開度，確保V1205(粉煤給料罐)的壓力。

3) 在S1107(纖維分離器)增加由15 mm×15 mm孔組成的旋轉(zhuǎn)篩狀板，篩板上增加耐高溫的永久磁鐵；并在設(shè)備上增設(shè)觀察口及檢修孔。確保纖維分離器能夠有效阻擋異物，防止堵塞V1205(粉煤給料罐)底錐及角閥。見圖5。

4) 將原外國進(jìn)口速度計(jì)改為國產(chǎn)定制生產(chǎn)的速度計(jì)，不僅減少了設(shè)備的采購周期，還降低了維修成本。

改造后效果見圖6。

圖5 纖維分離器改造前后對(duì)比

圖6 2019年6月至9月煤線跳車數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.3 循環(huán)氣壓縮機(jī)(K301)頻繁跳車及壓差迅速上漲

3.3.1 循環(huán)氣壓縮機(jī)因振值高跳車

1) 在開車初期，取消了循環(huán)機(jī)一回一防喘線，造成壓縮機(jī)入口氣體低溫、超流，使壓縮機(jī)短時(shí)間振值較高。

2) 管道熱應(yīng)力未消除，在氣化爐運(yùn)行后壓縮機(jī)振值上升。

針對(duì)以上兩點(diǎn)問題，經(jīng)過設(shè)計(jì)院及設(shè)備廠家再次核實(shí)改進(jìn)，將壓縮機(jī)出口閥門切斷閥去掉，并將閥門類型從兩位閥改為流量調(diào)節(jié)，增加至C1601(濕洗塔)至壓縮機(jī)入口的管線上(見圖7)，通過調(diào)整C1601(濕洗塔)進(jìn)壓縮機(jī)的冷氣流量維持壓縮機(jī)入口溫度在200 ℃以上，既避免了壓縮機(jī)入口低溫、超流致使壓縮機(jī)無法穩(wěn)定運(yùn)行的問題，又避免了低溫條件下合成氣中氯化銨對(duì)管道的腐蝕情況。

3) 重新對(duì)壓縮機(jī)的軸瓦等關(guān)鍵部件調(diào)整間隙，充分考慮熱應(yīng)力造成的影響。

圖7 K1301改造簡圖

改造后，2019年全年4臺(tái)氣化爐僅有1次因干氣密封損壞而導(dǎo)致壓縮機(jī)停車。

3.3.2 循環(huán)氣壓縮機(jī)壓差上漲

經(jīng)過調(diào)研中原大化、大唐煤化工的同類型公司發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后循環(huán)氣壓縮機(jī)壓差上漲是普遍現(xiàn)象。在氣化系統(tǒng)正常運(yùn)行期間內(nèi)，壓縮機(jī)入口管線材質(zhì)為碳鋼的情況下，其內(nèi)表面易形成一層薄薄的垢片，隨著氣化爐運(yùn)行時(shí)間的延長，內(nèi)表面的垢片易脫落堵塞壓縮機(jī)過濾器，導(dǎo)致K-1301激冷氣量下降，裝置被迫停車清理過濾器。

結(jié)合其他公司經(jīng)驗(yàn)，將壓縮機(jī)的入口過濾器骨架孔洞從Φ5更改為Φ10，同時(shí)將入口管線材質(zhì)升級(jí)改造從碳鋼升級(jí)為內(nèi)襯合金材質(zhì)。經(jīng)過此次改造其運(yùn)行效果極為明顯。

3.4 S1501(高溫高壓過濾器)斷裂

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，3 000 t/d氣化爐設(shè)計(jì)S1501與2 000 t/d的S1501過濾面積及過濾組相同，但3 000 t/d的氣化爐產(chǎn)量要大于2000 t/d氣化爐，因此過氣量超設(shè)計(jì)負(fù)荷造成陶瓷濾棒斷裂。于是S1501技改如下：

1) 將1.5 m高的陶瓷濾芯1152支更換為高金屬材料的2 m濾芯。

2) 相對(duì)應(yīng)地更換小管板底下的24片波齒墊片。

3) 更換M20×1685固定拉桿96根為更長的。

更改后2019年至2020年全年S1501未發(fā)生過濾棒斷裂的現(xiàn)象，并且壓差未超過20 kPa，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.5 SGC積灰

隨著氣化爐運(yùn)行周期的延長，SGC的十字吊架處容易積灰堵塞，在同類型的爐型中都出現(xiàn)過類似的情況，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞時(shí)，一方面將灰導(dǎo)氣化爐的激冷氣量降低，影響到氣化爐的高負(fù)荷運(yùn)行；另一方面，隨著流通面積的縮小，氣流的流速將大大加快，長時(shí)間將對(duì)SGC的水冷壁管造成嚴(yán)重的沖刷，從而最終將導(dǎo)致管壁減薄泄漏的情況。

因此針對(duì)性地做出以下調(diào)整：

1) 針對(duì)使用的氣化爐煤種，將13TI-0019(SGC入口溫度)溫度控制在650 ℃以下，降低飛灰的黏性。

2) 將SGC十字吊架處反吹的熱高壓氮進(jìn)行改造，在SGC段內(nèi)新增加一圈環(huán)管，重點(diǎn)對(duì)十字吊架處進(jìn)行吹掃。

通過以上技改，兩臺(tái)氣化爐在運(yùn)行112 d后壓差仍維持在13 kPa左右，為長周期運(yùn)行奠定先決基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

經(jīng)過一年多的摸索及改造，我公司Shell氣化爐裝置運(yùn)行逐漸趨于穩(wěn)定，平均氣化爐均能達(dá)到B級(jí)運(yùn)行100 d，最好的一臺(tái)氣化爐從點(diǎn)火至檢修達(dá)到B級(jí)運(yùn)行200 d以上。2019年全年氣化爐運(yùn)行率接近95%，非計(jì)劃性停車僅2次。在氣化爐高負(fù)荷長周期運(yùn)行下，下游裝置同樣能夠?qū)崿F(xiàn)滿負(fù)荷生產(chǎn)，相較2018年實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量翻倍的增長。雖仍有部分長周期運(yùn)行的問題(諸如十字吊架積灰)未能徹底得到解決，但得到有效緩解。

我公司3 000 t氣化爐成功長周期運(yùn)行，是煤氣化裝置新的突破，表明大型煤化工有發(fā)展空間，為山西能源轉(zhuǎn)型做出了表率作用。