殼牌煤氣化激冷氣壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行分析及對(duì)策研究

張家秋

(河南能源化工集團(tuán)鶴壁煤化工公司，河南鶴壁 458000)

殼牌煤氣化屬于較典型的氣流床氣化技術(shù)，該裝置具有碳轉(zhuǎn)化效率高、適用煤種廣、單套產(chǎn)能大、熱效率高、環(huán)境效益好等特點(diǎn)，自2006年國(guó)內(nèi)第一套裝置投產(chǎn)以來(lái)，在業(yè)內(nèi)被廣泛認(rèn)知。

1 激冷氣壓縮機(jī)的作用

殼牌煤氣化采用粉煤加壓進(jìn)料，以氧氣和水蒸氣為氣化劑，在爐膛內(nèi)高溫、高壓環(huán)境下發(fā)生一系列反應(yīng)，生成有效氣(H2+CO)體積分?jǐn)?shù)大于90%的合成氣。與其他煤氣化技術(shù)不同的是，殼牌氣化爐采用合成氣激冷。爐膛上行的1 600 ℃高溫合成氣夾帶大量熔融態(tài)飛灰，在氣化爐激冷段與激冷氣壓縮機(jī)送來(lái)溫度為200 ℃的合成氣充分混合，使之溫度驟降至900 ℃。經(jīng)過激冷后，熔融態(tài)飛灰迅速固化、黏度降低，避免因?yàn)轱w灰黏度過高引起后系統(tǒng)換熱器積灰從而導(dǎo)致停車。

2 運(yùn)行現(xiàn)狀

據(jù)了解，行業(yè)內(nèi)有好幾套裝置曾因激冷氣壓縮機(jī)不能正常啟動(dòng)導(dǎo)致裝置長(zhǎng)時(shí)間停車的案例。因激冷氣壓縮機(jī)在殼牌氣化裝置中的核心作用，壓縮機(jī)的保養(yǎng)維護(hù)成為各廠家關(guān)注的重中之重[1]。但是由于激冷氣的特性以及壓縮機(jī)的工作環(huán)境等因素，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，激冷氣壓縮機(jī)或多或少會(huì)存在一些問題，影響設(shè)備及整個(gè)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

以本裝置為例，自2017年1月新機(jī)組投入使用后，設(shè)備運(yùn)行狀況優(yōu)良。但是隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，問題逐漸暴露。對(duì)此，公司組織技術(shù)人員不斷總結(jié)摸索，并與同類型廠家積極交流，致力為行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

3 主要問題

以本裝置為例，激冷氣壓縮機(jī)作為一種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的單級(jí)離心型壓縮機(jī)組，主要由定子、轉(zhuǎn)子、大齒輪、齒輪箱、支撐軸承、支推軸承、干氣密封構(gòu)成。臨界轉(zhuǎn)速為5 280 r/min，正常工況轉(zhuǎn)速為7 792 r/min。在投入使用初期，設(shè)備運(yùn)行工況良好。連續(xù)運(yùn)行20個(gè)月后，問題逐漸顯現(xiàn)。當(dāng)壓縮機(jī)正常工況運(yùn)行時(shí)，設(shè)備運(yùn)行無(wú)異常且參數(shù)穩(wěn)定。但當(dāng)遇到裝置跳車等突發(fā)狀況時(shí)，壓縮機(jī)重新啟動(dòng)，經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，高速軸振值升高，甚至達(dá)到聯(lián)鎖跳車值，影響機(jī)組的正常啟動(dòng)。針對(duì)此類問題，與國(guó)內(nèi)同類型裝置廠家交流，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間超過2 a以上，普遍存在壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)高速軸振值較高的問題。有些廠家為了避免壓縮機(jī)因?yàn)楦咚佥S振值高影響設(shè)備正常啟動(dòng)，在裝置跳車、短停時(shí)保持壓縮機(jī)不停車運(yùn)行。此種操作會(huì)對(duì)除塵單元的金屬濾芯(也有廠家采用陶瓷濾芯)造成較大損傷，但委實(shí)也是無(wú)奈之舉。

4 原因分析

通過不斷探索，找數(shù)據(jù)、查流程、分析總結(jié)，最終確定導(dǎo)致該問題頻繁出現(xiàn)的原因。

(1)激冷氣壓縮機(jī)的輸送介質(zhì)是經(jīng)過除塵單元與濕洗單元的合成氣，根據(jù)質(zhì)量比大約為1∶4混合而成，工藝要求溫度為200 ℃。通過壓縮機(jī)增壓，合成氣經(jīng)激冷盒進(jìn)入急冷管(見圖1)，激冷氣中含有大量的水蒸氣、H2S以及少量的NH3、HCN、HCl、HF。當(dāng)介質(zhì)溫度達(dá)不到要求時(shí)，裝置會(huì)出現(xiàn)露點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象，尤其是對(duì)葉輪的腐蝕，打破了原有的設(shè)備動(dòng)平衡，影響設(shè)備啟動(dòng)。

圖1 殼牌煤氣化激冷氣裝置簡(jiǎn)圖

(2) 來(lái)自氣化爐冷卻器的合成氣經(jīng)過除塵單元后，幾乎將所有的飛灰除去(過濾后質(zhì)量濃度小于20 mg/m3)，但是還有少量的飛灰進(jìn)入后系統(tǒng)。部分飛灰附著于葉輪，形成均勻致密的垢層。當(dāng)系統(tǒng)突發(fā)停車時(shí)，由于工況變化，導(dǎo)致葉輪上部分垢層脫落，再次啟動(dòng)過程中，會(huì)出現(xiàn)高速軸振值升高的情況[2]。

(3) 殼牌氣化裝置濕洗單元主要是脫除合成氣中NH3、HCN、HCl、HF以及少量固體顆粒。為提高合成氣中酸性氣體的脫除效率，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，濕洗單元需要加入少量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% 的氫氧化鈉溶液，洗滌液的pH值控制在7～8。飛灰中的鈣、鎂離子在堿性溶液中會(huì)形成沉淀，造成局部結(jié)垢，影響整體濕洗效果。一部分酸性氣體及飛灰顆粒進(jìn)入后系統(tǒng)，導(dǎo)致激冷氣壓縮機(jī)工作環(huán)境更為惡劣。

(4) 激冷氣管線上設(shè)有3處止回閥，分別位于除塵單元去壓縮機(jī)支管、濕洗單元去壓縮機(jī)支管以及壓縮機(jī)出口總管。當(dāng)壓縮機(jī)故障跳車時(shí)，止回閥的主要作用是防止氣化爐內(nèi)高溫合成氣倒流，損壞設(shè)備。如果止回閥因密封面腐蝕而不能起到有效的止回作用時(shí)，可能會(huì)發(fā)生以下情形：

當(dāng)氣化爐跳車，系統(tǒng)需要立即泄壓時(shí)，主工藝流程中除塵單元的濾棒與濕洗單元的填料存在阻力，而由于激冷氣管線阻力較小，會(huì)有部分合成氣通過激冷氣管線倒流至后系統(tǒng)。倒流的合成氣會(huì)夾帶大量飛灰，附著于壓縮機(jī)葉輪和進(jìn)出口管線上。

除渣單元的渣收集罐(渣池)液位發(fā)生飄移，真實(shí)液位比實(shí)際液位略高，與爐內(nèi)高溫區(qū)較為接近。受爐內(nèi)高溫影響，部分水蒸氣蒸發(fā)至氣化爐爐膛。氣化爐開車準(zhǔn)備階段需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽負(fù)壓操作，部分水蒸氣經(jīng)過激冷氣管線倒流，在保溫薄弱處(如壓縮機(jī)缸體、激冷氣管線距氣化爐最遠(yuǎn)端等處)冷凝，冷凝的水汽造成設(shè)備及管線內(nèi)附著的均勻飛灰受潮、脫落，破壞壓縮機(jī)動(dòng)平衡。管線內(nèi)脫落的灰渣在運(yùn)行過程中，有堵塞壓縮機(jī)進(jìn)口濾網(wǎng)及激冷盒的可能，進(jìn)而影響壓縮機(jī)工作效率。

(5) 前系統(tǒng)突發(fā)跳車事故，壓縮機(jī)干氣密封氣源得不到有效保證，特別是潤(rùn)滑油的低壓隔離氮?dú)?，?dǎo)致壓縮機(jī)倉(cāng)促停車，對(duì)干氣密封造成損傷。再次啟動(dòng)時(shí)，影響設(shè)備高速軸振值。

5 應(yīng)對(duì)措施

(1) 嚴(yán)格控制激冷氣溫度在200～205 ℃，防止露點(diǎn)腐蝕的發(fā)生。

(2) 優(yōu)化改良除塵單元濾芯材質(zhì)及固定方式:將原設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1.5 m的陶瓷濾芯更換為2 m的鐵鋁復(fù)合金屬濾芯；濾芯管板密封方式由墊片改為焊接密封;嚴(yán)格控制除灰單元出口合成氣塵含量指標(biāo)，從而保證后系統(tǒng)管線及設(shè)備的清潔程度；定期用高壓水槍對(duì)壓縮機(jī)葉輪進(jìn)行離線清理，保證葉輪清潔[3-4]。

(3) 與設(shè)計(jì)廠家溝通，適當(dāng)調(diào)整濕洗單元洗滌液的pH值，將原設(shè)計(jì)值7～8優(yōu)化為6～7，防止?jié)裣磫卧Y(jié)垢。在保護(hù)設(shè)備的前提下，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的濕洗效果，以達(dá)到裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行目的。

(4) 定期檢查更換激冷氣系統(tǒng)3處止回閥，防止出現(xiàn)非正常工況下合成氣和水蒸氣倒流。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)施改進(jìn)措施后，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間超過3 a，雖然運(yùn)行參數(shù)與投用初期有所差異，但壓縮機(jī)啟動(dòng)過程中超過臨界轉(zhuǎn)速、 高速軸振值高的問題基本解決，設(shè)備運(yùn)行的瓶頸問題得到了有效改善，保證了裝置正常開車。