GE水煤漿氣化裝置運(yùn)行周期短原因分析及對(duì)策

何圣龍

（陜西長(zhǎng)青能源化工有限公司，陜西鳳翔 721405）

0 引 言

陜西長(zhǎng)青能源化工有限公司（簡(jiǎn)稱長(zhǎng)青能化）一期煤化工項(xiàng)目設(shè)計(jì)產(chǎn)能為600kt／a甲醇，其氣化裝置采用GE水煤漿加壓氣化工藝，分為煤漿制備、煤漿氣化及渣水處理3個(gè)工段［1］，配置3臺(tái)氣化爐（兩開一備），單臺(tái)氣化爐產(chǎn)干氣量119956.58m3／h。氣化裝置工藝流程為：水煤漿和氧氣經(jīng)燒嘴噴入設(shè)計(jì)壓力6.5MPa、溫度1350℃的氣化爐內(nèi)，發(fā)生部分氧化反應(yīng)生成主要成分為（CO＋H2）的粗煤氣；反應(yīng)生成的熔融性液態(tài)渣經(jīng)冷卻、過濾等后送出界區(qū)；粗煤氣經(jīng)激冷、洗滌后送入變換系統(tǒng)，粗煤氣洗滌過程中產(chǎn)生的廢水經(jīng)閃蒸、沉降以及過濾等工序處理后循環(huán)利用，分離出的濾渣則經(jīng)真空過濾機(jī)過濾后送出界區(qū)。

長(zhǎng)青能化600kt／a甲醇項(xiàng)目自2013年5月投產(chǎn)以來，總體運(yùn)行狀況較好，但其GE水煤漿氣化裝置一直存在著一些瓶頸問題，如原料煤煤質(zhì)波動(dòng)大、工藝燒嘴磨蝕、激冷室部件損壞、渣水系統(tǒng)管線沖刷泄漏等，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行周期短、檢修時(shí)間長(zhǎng)及生產(chǎn)成本增高等。為此，技術(shù)人員理論聯(lián)系實(shí)際，分析癥結(jié)所在，經(jīng)反復(fù)論證后，制定并實(shí)施了一系列優(yōu)化改進(jìn)措施，保證了系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行，有效提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 GE水煤漿氣化裝置運(yùn)行中存在的問題

1.1 原料煤煤質(zhì)波動(dòng)大

原料煤煤質(zhì)特性對(duì)氣化裝置運(yùn)行狀況的影響非常大，水煤漿氣化工藝主要是通過原料煤的反應(yīng)活性、成漿性以及灰熔融溫度來衡量原料煤的適用性。

研究表明，在相同的反應(yīng)溫度下，煤的灰分越高，一方面燃燒產(chǎn)生的渣越多，高溫高壓環(huán)境下會(huì)加劇對(duì)耐火磚的沖蝕；另一方面會(huì)增加氧耗和煤耗（煤中灰分每增加1%，氧耗增加0.7%～0.8%，煤耗增加1.3% ～1.5%），使粗煤氣中的CO2增多、 （CO＋H2）減少，導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)量降低。GE氣化爐采用液態(tài)排渣方式，當(dāng)氣化爐運(yùn)行溫度高于原料煤灰熔點(diǎn)30～50℃時(shí)，才能保證液態(tài)渣具有良好的流動(dòng)性。原料煤的灰熔點(diǎn)增高，一方面燃燒產(chǎn)生的液態(tài)渣流動(dòng)性差，易堵塞氣化爐排渣口；另一方面會(huì)使得氣化爐的操作溫度提高，加劇灰渣對(duì)耐火磚的沖蝕，降低耐火磚的使用壽命。實(shí)踐表明，氣化爐運(yùn)行溫度因煤灰熔點(diǎn)每提高50℃，耐火磚腐蝕率將增大1倍。原料煤內(nèi)水含量決定著水煤漿的濃度，當(dāng)內(nèi)水含量增大時(shí)，一方面導(dǎo)致水煤漿含水量增大，氣化反應(yīng)所需熱量增多，增加氧耗和煤耗；另一方面會(huì)使同體積水煤漿濃度降低，氣化反應(yīng)生成的（CO＋H2）減少，降低氣化效率。

水煤漿濃度、渣流動(dòng)性、設(shè)備運(yùn)行率及工藝參數(shù)，主要取決于原料煤的灰分、灰熔點(diǎn)、內(nèi)水含量、固定碳含量及硫含量等特性參數(shù)。長(zhǎng)青能化對(duì)供應(yīng)商所供原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)GE氣化裝置所用原料煤的發(fā)熱量23～29 MJ／kg、灰分8%～16%、硫含量0.2%～1.4%、灰熔點(diǎn)（FT）1100～1400℃、全水含量8%～14%、內(nèi)水含量＜5%、固定碳含量53% ～62%。簡(jiǎn)言之，長(zhǎng)青能化氣化原料煤品種多（供應(yīng)商多）、煤質(zhì)參差不齊，加之多煤種混燒配比波動(dòng)大，導(dǎo)致粗煤氣中有效氣（CO＋H2）含量波動(dòng)較大，多次出現(xiàn)耐火磚沖刷腐蝕嚴(yán)重、渣流動(dòng)性差、氣化爐爐溫過高及水煤漿濃度低等問題，嚴(yán)重影響氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，增加裝置的運(yùn)行成本。

1.2 工藝燒嘴損壞

長(zhǎng)青能化GE水煤漿氣化爐采用的工藝燒嘴為三流道燒嘴，檢查發(fā)現(xiàn)燒嘴存在頭部水室端面燒穿及坑蝕、冷卻水盤管泄漏、法蘭密封槽泄漏等問題，每年被迫停車倒?fàn)t更換燒嘴高達(dá)12次，氣化爐運(yùn)行周期平均為50～55d，與業(yè)內(nèi)燒嘴平均使用壽命約80d相差甚遠(yuǎn)。燒嘴運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題主要表現(xiàn)在如下方面：一是煤漿噴頭磨損（因磨損噴頭由φ47mm增至φ58mm）、霧化效果變差等問題，導(dǎo)致粗煤氣組分波動(dòng)大，有效氣（CO＋H2）產(chǎn)量降低；二是發(fā)生煤漿偏流現(xiàn)象，導(dǎo)致氣化爐爐壁局部溫度過高，加劇了耐火磚的沖蝕；三是燒嘴冷卻水盤管長(zhǎng)期處于高溫高壓環(huán)境下，極易出現(xiàn)裂紋。以上種種問題使得工藝燒嘴的使用壽命縮短，使氣化裝置生產(chǎn)的安全性得不到保障。

1.3 激冷室部件損壞

目前長(zhǎng)青能化3臺(tái)氣化爐（兩開一備）每年的平均檢維修次數(shù)約為12次，其中被迫停爐檢修率高達(dá)80%以上，且通常采取更換設(shè)備或修復(fù)的方式，檢維修費(fèi)用高昂。除上述燒嘴使用壽命短外，還存在激冷環(huán)磨蝕和堵塞嚴(yán)重、上升管和下降管燒穿以及耐火磚大面積損壞破裂等問題。通常表現(xiàn)為，氣化爐錐底渣口磚長(zhǎng)期受到高溫熔融態(tài)爐渣的沖刷磨蝕，使得爐渣不斷滲入侵蝕至錐底磚內(nèi)部，在徑向和軸向應(yīng)力不協(xié)調(diào)的情況下發(fā)生渣口磚脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致激冷環(huán)暴露在高溫環(huán)境下與熔融態(tài)灰渣直接接觸而被磨蝕，進(jìn)一步引發(fā)下降管熱沖刷磨蝕損壞現(xiàn)象。下降管損壞則會(huì)發(fā)生竄氣現(xiàn)象，導(dǎo)致氣化爐托板磚溫度升高；下降管水膜破碎，爐壁內(nèi)易出現(xiàn)掛渣現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)排渣不暢，氣化爐激冷室液位波動(dòng)大，從而引發(fā)系統(tǒng)降負(fù)荷甚至停車。

1.4 渣水系統(tǒng)管線及黑水角閥磨損泄漏

渣水系統(tǒng)主要是對(duì)黑水進(jìn)行濃縮處理，并達(dá)到灰水再生、循環(huán)使用的目的。實(shí)際生產(chǎn)中，由于渣水系統(tǒng)介質(zhì)具有多相混合且溫度高、灰渣含量高、顆粒硬度大及腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)［2］，當(dāng)氣、液、固三相流經(jīng)閥門和管線時(shí)，易造成閥門和管線的沖蝕及氣蝕，從而形成漏點(diǎn)——多次出現(xiàn)黑水角閥緩沖罐底部泄漏和管線沖刷漏氣現(xiàn)象，不僅導(dǎo)致大量酸性氣和渣水泄漏，而且高頻次的維修（閥門同位置平均檢維修次數(shù)每年超過20次）大幅降低了黑水角閥的使用壽命，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。長(zhǎng)青能化為防止大量酸性氣及渣水泄漏（此種情況存在極大的安全隱患），一般采取氣化爐切氣泄壓后對(duì)泄漏部位隔離置換進(jìn)行焊接，以及黑水角閥使用后期經(jīng)常對(duì)其緩沖罐底部進(jìn)行貼補(bǔ)的處理方式，但頻繁地切氣消漏不僅嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，而且會(huì)大幅增加裝置的運(yùn)行成本。

2 原因分析及優(yōu)化改進(jìn)

2.1 源頭把控原料煤煤質(zhì)

原料煤煤質(zhì)波動(dòng)大往往是水煤漿氣化裝置運(yùn)行不穩(wěn)定的根本原因。分析與研究原料煤的灰分、水分、灰熔點(diǎn)及粘溫特性、揮發(fā)分等對(duì)水煤漿氣化工藝的影響：粘溫特性是衡量液態(tài)渣流動(dòng)特性的主要指標(biāo)，粘度高熔融態(tài)灰渣流動(dòng)性差，易造成渣口堵塞，粘度低會(huì)加劇對(duì)耐火磚的沖刷；原料煤揮發(fā)分高，有利于提高氣化反應(yīng)速率；原料煤中硫含量較高時(shí)，會(huì)使氣化爐內(nèi)金屬組織變得疏松多孔，且會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成Ni3S2，Ni3S2低熔點(diǎn)共晶物，呈薄膜狀分布于晶界，降低金屬的硬度，即原料煤中硫含量越高工藝燒嘴越易損壞。

結(jié)合水煤漿氣化裝置安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需求，對(duì)氣化原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與總結(jié)，長(zhǎng)青能化設(shè)定原料煤煤質(zhì)控制指標(biāo)為：發(fā)熱量（收到基低位發(fā)熱量）≥25MJ／kg、灰分＜12%、硫含量≤1.0%、灰熔點(diǎn)（FT）≤1230℃、全水含量≤14%、內(nèi)水含量＜5%、固定碳含量＞55%［3］。基于此，同時(shí)制定了以下改進(jìn)措施：嚴(yán)格按照原料煤煤質(zhì)控制指標(biāo)進(jìn)行采購(gòu)，制定采購(gòu)、制樣、化驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不符合要求的煤炭一律采取予以退貨或降價(jià)讓步接收的處理方式，確保原料煤合格率≥90%；采用自動(dòng)和人工取樣兩種煤炭質(zhì)量檢驗(yàn)手段，建立各煤炭供應(yīng)商煤炭質(zhì)量在線分析曲線30余條，保證人工與在線分析數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差在±1%以內(nèi)。

某一時(shí)間同一批次各供應(yīng)商供貨的原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表1?？梢钥吹剑?yīng)商4、供應(yīng)商6、供應(yīng)商8所供氣化原料煤不符合原料煤煤質(zhì)控制指標(biāo)要求，長(zhǎng)青能化對(duì)供應(yīng)商6的供貨采取了退貨處理，對(duì)供應(yīng)商4和供應(yīng)商8的供貨采取了降價(jià)的讓步接收方式。

表1 某一時(shí)間同一批次各供應(yīng)商供貨的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

2.2 工藝燒嘴優(yōu)化改進(jìn)

工藝燒嘴長(zhǎng)期處于高溫高壓環(huán)境中，當(dāng)系統(tǒng)工況發(fā)生變化時(shí)，溫度變化幅度較大，此時(shí)容易引起材料的疲勞裂紋；當(dāng)水煤漿流量減少或氧氣過量時(shí)，燒嘴頭部將出現(xiàn)氧化損壞；原料煤中含有大量硫元素時(shí)，燃燒生成物會(huì)腐蝕冷卻水盤管；當(dāng)水煤漿中含有大量煤粉顆粒時(shí)，在一定流速下會(huì)對(duì)燒嘴噴頭內(nèi)腔產(chǎn)生物理沖刷磨蝕，從而損壞工藝燒嘴［4］。

分析長(zhǎng)青能化工藝燒嘴損壞的原因，主要為燒嘴各部位所用材料耐受性能限制所致?；诖耍瑢炖鋮s水盤管材質(zhì)由Incone1600改為Incone1625，以提高盤管的耐硫腐蝕性能；針對(duì)燒嘴的物理沖刷磨蝕損壞，采取在燒嘴煤漿噴頭內(nèi)腔表面鑲嵌耐磨合金套的方法來提高其耐磨性，延長(zhǎng)工藝燒嘴的使用壽命；燒嘴噴頭環(huán)隙規(guī)格主要與燒嘴壓差有關(guān)，為使水煤漿霧化效果達(dá)到最佳，以提高氣化效率和增加有效氣成分，將燒嘴壓差由0.4MPa提高至0.6MPa，并對(duì)噴頭間隙進(jìn)行微調(diào)。

2.3 激冷室設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)

水煤漿氣化所得粗煤氣中攜帶有熔融態(tài)煤渣，在高溫高壓環(huán)境下流動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)錐底渣口磚形成剪切和沖刷磨蝕，長(zhǎng)期作用下微小爐渣會(huì)滲入磚縫內(nèi)，導(dǎo)致錐底磚在溫差和熱膨脹不均等因素下產(chǎn)生破裂和塊狀脫落現(xiàn)象［5］，錐底磚的脫落使得激冷環(huán)暴露在高溫環(huán)境下，當(dāng)熔融態(tài)灰渣流動(dòng)時(shí)沖刷激冷水環(huán)管外壁，會(huì)導(dǎo)致激冷水分布不均，造成激冷室發(fā)生局部“干區(qū)”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致下降管沖刷磨蝕損壞甚至變形。為此，長(zhǎng)青能化進(jìn)行了三方面的技術(shù)改造：將錐底斜面高鉻磚種類由5種減至4種，結(jié)構(gòu)縫隙由4個(gè)減為3個(gè)，增大單塊磚體積，減少薄弱環(huán)節(jié)，提高耐火磚的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；將錐底向火面磚厚度增加50mm，提高其抗沖刷和耐侵蝕性能，延長(zhǎng)其使用壽命；將渣口磚間距增大30.8mm，調(diào)整為易更換形狀，減弱熔融態(tài)灰渣對(duì)渣口磚脫落后暴露激冷環(huán)的磨損。此外，工藝操作中將燒嘴中心氧比例由15%調(diào)整為12% ～13%，工藝燒嘴壓差調(diào)整為0.6MPa，使得高溫區(qū)位置上移，以減輕高溫對(duì)錐底磚的損蝕。

分析激冷環(huán)空間結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部無垢時(shí)，能減輕對(duì)下降管的損傷。為此，對(duì)激冷環(huán)進(jìn)行相應(yīng)改造：將進(jìn)水管法蘭由卡箍密封結(jié)構(gòu)改為活套密封，將非標(biāo)密封墊更換為標(biāo)準(zhǔn)型金屬纏繞墊，以降低檢維修工作強(qiáng)度及工作量；將水環(huán)管改為鍛件形式并在其內(nèi)壁堆焊噴涂耐磨層，以提高激冷水環(huán)管的耐磨性；在激冷環(huán)底部增設(shè)4×DN125小孔，一方面利于激冷水的均勻分布，另一方面利于檢修期間的灰渣清理，降低積渣對(duì)激冷水室的堵塞率。

2.4 渣水系統(tǒng)角閥及管線改進(jìn)

針對(duì)黑水角閥磨損問題，技術(shù)人員根據(jù)角閥結(jié)構(gòu)和黑水液位進(jìn)行分析論證，決定對(duì)黑水角閥作如下改進(jìn)：將角閥筒體增高5m，當(dāng)黑水流速不變時(shí)，有利于減緩介質(zhì)對(duì)筒體和底部堵板的沖刷；將角閥內(nèi)腔設(shè)計(jì)為角式流線型，并將過渡處設(shè)計(jì)為大圓弧，避免液體滯留及急轉(zhuǎn)彎對(duì)角閥形成沖刷；閥體內(nèi)部噴涂硬質(zhì)合金，提高其耐蝕耐沖刷性能；據(jù)管道特性選擇合適的閥體內(nèi)徑，避免出現(xiàn)閥腔及進(jìn)出口縮徑現(xiàn)象，提高閥門的整體性能；在閥座后流道合適位置處內(nèi)襯整體燒結(jié)的密度大且晶粒間粘合力強(qiáng)的碳化鎢硬質(zhì)合金，增加閥座的硬度、強(qiáng)度及粘合力，提高其抗沖蝕和抗氣蝕性能。

針對(duì)渣水管線泄漏問題，作了如下改進(jìn)：將角閥緩沖罐壁厚增至12mm，以延長(zhǎng)其使用壽命；將真空閃蒸液位調(diào)節(jié)閥變徑和三通材質(zhì)更換為Q345R、壁厚增加至25mm，并對(duì)變徑規(guī)格進(jìn)行調(diào)整，提高其工作強(qiáng)度，減少焊接量。

3 優(yōu)化改進(jìn)效果及效益

上述優(yōu)化改進(jìn)措施落實(shí)后，取得了良好的效果：長(zhǎng)青能化單臺(tái)氣化爐工藝燒嘴的運(yùn)行周期平均延長(zhǎng)約22d，合理安排倒?fàn)t，單臺(tái)氣化爐運(yùn)行周期最高可達(dá)126d，且在運(yùn)行后期未出現(xiàn)燒嘴壓差大幅波動(dòng)的現(xiàn)象，粗煤氣中有效氣（CO＋H2）含量提高約3%；錐底磚結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減少了下降管壁局部干燒現(xiàn)象，至今未出現(xiàn)過下降管穿孔損傷現(xiàn)象，延長(zhǎng)了氣化爐的有效運(yùn)行時(shí)間。一系列優(yōu)化改進(jìn)措施產(chǎn)生的效益，不談可為整套生產(chǎn)系統(tǒng)帶來的直接效益與間接效益，僅計(jì)算減少倒?fàn)t與減少渣水系統(tǒng)漏氣產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益，具體如下。

（1）氣化爐系統(tǒng)改造后減少倒?fàn)t產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益：全年倒?fàn)t次數(shù)由12次降為9次，倒?fàn)t期間系統(tǒng)負(fù)荷為75%，時(shí)間為3.5h，甲醇產(chǎn)量減少24t／h，按精甲醇售價(jià)2000元／t、生產(chǎn)成本1720元／t計(jì)算，每年創(chuàng)造的效益為（12-9）×3.5×24×（2000-1720）÷10000=7.056

萬元；倒?fàn)t結(jié)束后需進(jìn)行升壓，工藝氣放空火炬燃燒1.5h，工藝氣制備按煤耗36.58t／h、原料煤價(jià)格為575元／t、耗氧氣量21000m3／h、制氧成本0.281元／m3、耗高壓氮?dú)饬?000m3／h、高壓氮?dú)獬杀?.08元／m3、耗低壓氮?dú)饬?000 m3／h、低壓氮?dú)獬杀?.08元／m3計(jì)算，每年節(jié)省的生產(chǎn)成本為（12-9）×1.5×（36.58×575＋21000×0.281＋3000×0.08＋5000×0.08）÷10000=12.41萬元；每次倒?fàn)t，高壓清洗機(jī)費(fèi)用3600元／d，清洗時(shí)間7d，備件材料45000元，每年節(jié)省的清洗和材料費(fèi)用為［3600×7×（12-9）＋45000×（12-9）］÷10000=21.06萬元；每年工藝燒嘴修復(fù)減少3次、修復(fù)費(fèi)用3萬元／次，每年激冷環(huán)材料更換由2次降為1次、更換費(fèi)用41.3萬元／臺(tái)，每年節(jié)省的燒嘴修復(fù)費(fèi)用與激冷環(huán)材料費(fèi)用為3×3＋3×41.3=132.9萬元。

（2）渣水系統(tǒng)角閥及管線改造后產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益：每年漏氣問題減少約8次，每次出現(xiàn)漏點(diǎn)切氣放空火炬燃燒2h，按粗煤氣制備煤耗36.58t／h、原料煤價(jià)格為575元／t、耗氧氣量21000m3／h、制氧成本0.281元／m3計(jì)算，每年可降耗增效8×2×（36.58×575＋21000×0.281）÷10000=43.10萬元；而本項(xiàng)技改投資僅68740元。

4 結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)青能化針對(duì)600kt／a甲醇項(xiàng)目GE水煤漿氣化裝置運(yùn)行中存在的問題，進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)，如嚴(yán)控原料煤質(zhì)量、工藝燒嘴用材升級(jí)、激冷室設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)、渣水系統(tǒng)閥門及管線改進(jìn)等，從根本上解決了氣化裝置運(yùn)行周期短的難題，保障了氣化裝置的安全、穩(wěn)定、高效、長(zhǎng)周期運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能減排、降本增效，可為業(yè)內(nèi)提供一些參考與借鑒。