氣化爐長周期運(yùn)行瓶頸問題分析

張家秋

(河南能源化工集團(tuán)鶴壁煤化工公司， 河南鶴壁 458000)

河南能源化工集團(tuán)鶴壁煤化工公司(簡稱鶴壁煤化工)設(shè)計(jì)甲醇產(chǎn)量為60萬t/a，采用殼牌干煤粉加壓氣化工藝，日投煤量為2 850 t，有效合成氣體積流量為169 500 m3/h。

裝置于2008年開工建設(shè)，2013年投產(chǎn)。投產(chǎn)后，通過修改煤燒嘴角度、優(yōu)化激冷氣壓縮機(jī)葉輪、調(diào)整配煤結(jié)構(gòu)、改型S1501濾棒材質(zhì)等措施，于2016年6月實(shí)現(xiàn)二氧化碳工況滿負(fù)荷運(yùn)行。

之后新的問題又暴露出來：一是激冷氣量不足，高溫合成氣經(jīng)過激冷后溫度依然較高，積灰問題嚴(yán)重；二是除灰單元高溫高壓過濾器壓差高，系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)漏灰現(xiàn)象，成為困擾裝置長周期運(yùn)行的新瓶頸。

公司針對(duì)存在的問題積極尋找解決方法，先后對(duì)激冷氣壓縮機(jī)及S1501濾棒進(jìn)行改型改造，為氣化爐長周期高負(fù)荷運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。自2017年以來，裝置年累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過300 d，甲醇年產(chǎn)量為63.5萬t，實(shí)現(xiàn)殼牌氣化爐制甲醇裝置達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)運(yùn)行。

1 現(xiàn)階段影響裝置長周期運(yùn)行問題

經(jīng)過數(shù)年的改造與磨合，裝置運(yùn)行逐漸走上正軌。實(shí)際運(yùn)行過程中，氣化爐積灰問題得到有效改善，但是還未徹底解決，分析導(dǎo)致積灰的具體原因[1-3]。

1.1 氣化爐爐膛漏水導(dǎo)致堵渣、積灰

鶴壁煤化工氣化爐原始設(shè)計(jì)用煤以鶴壁本地煤種為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%。投產(chǎn)運(yùn)行以來，根據(jù)工況需要，由單一煤種調(diào)整為煙煤與無煙煤摻配的混煤，經(jīng)過多年的總結(jié)與探索，配煤方式也逐漸穩(wěn)定。摻配后的混煤，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至12%。根據(jù)“以渣抗渣”理論，在實(shí)際運(yùn)行中，過低的灰分會(huì)造成爐膛耐火料、耐火銷釘燒蝕脫落，導(dǎo)致燒嘴罩、水冷壁高溫炭化，引發(fā)泄漏[4]。此時(shí)，氣化爐渣系統(tǒng)極為脆弱，系統(tǒng)一旦波動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致氣化爐堵渣進(jìn)而停車。為了防止堵渣，就需要提高氣化爐爐溫，來保證渣口溫度，確保渣的流動(dòng)性。這樣就有可能導(dǎo)致后系統(tǒng)因超溫而出現(xiàn)積灰，需要針對(duì)相應(yīng)工況制定應(yīng)對(duì)措施，以保證氣化爐正常運(yùn)行[4]。

1.2 合成氣冷卻器磨蝕漏水導(dǎo)致積灰

氣化爐用煤原本為以本地貧瘦煤為主，現(xiàn)更換為揮發(fā)分含量較高的長焰煤，與無煙煤摻配。由于長焰煤灰熔點(diǎn)較低，更容易引起氣化爐冷卻段積灰。裝置實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行后，針對(duì)積灰問題，對(duì)裝置進(jìn)行了多項(xiàng)技改，均未達(dá)到預(yù)期目的。2017年1月，對(duì)激冷氣壓縮機(jī)進(jìn)行改造后，問題得到了基本解決。氣化爐用煤及壓縮機(jī)改造前，滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，設(shè)計(jì)產(chǎn)氣體積流量為169 500 m3/h，激冷氣體積流量為260 000 m3/h。在未積灰的情況下，合成氣冷卻器(SGC)進(jìn)口十字架處氣體流速為6.0～7.0 m/s，氣化爐人孔A12處流速為6.5～7.5 m/s，人孔A13/14處流速為8.0～9.0 m/s?，F(xiàn)有煤種產(chǎn)氣體積流量為190 000 m3/h左右，激冷氣體積流量約為400 000 m3/h。在未積灰的情況下，氣化爐人孔A11處十字架處氣體流速為8.5～9.5 m/s，A12處流速為9.0～10.0 m/s，A13/14處流速為11.5～12.5 m/s。氣體流速較設(shè)計(jì)值有大幅提升，對(duì)氣化爐冷卻段盤管及水冷壁磨損更大，影響設(shè)備運(yùn)行壽命。

上述數(shù)值都是基于在氣化爐冷卻段未積灰、流通面積未發(fā)生變化的條件下計(jì)算出來的。當(dāng)氣化爐出現(xiàn)積灰情況時(shí)，合成氣流速會(huì)進(jìn)一步上升，積灰情況越嚴(yán)重，氣體流速越快，設(shè)備沖刷磨損越大。當(dāng)A11處積灰過半時(shí)，氣化爐十字架壓差(13PDI0077)為18～20 kPa，氣體流速達(dá)到17.0～20.0 m/s，水汽系統(tǒng)出現(xiàn)微小漏點(diǎn)；當(dāng)積灰至3/4時(shí)，13PDI0077為25 kPa，SGC進(jìn)口十字架處氣體流速達(dá)到35.0～40.0 m/s；當(dāng)13PDI0077達(dá)到30 kPa時(shí)，設(shè)備內(nèi)部流通量只剩1/8～1/10，氣體流速為100.0 m/s左右。按照運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，當(dāng)壓差為30 kPa時(shí)，14 d內(nèi)設(shè)備會(huì)出現(xiàn)較大漏點(diǎn)。久而久之，水汽系統(tǒng)漏點(diǎn)越來越大，飛灰黏度隨之增加，更容易積灰。高流速合成氣對(duì)設(shè)備沖刷加劇，漏點(diǎn)更大，積灰更嚴(yán)重，這樣就形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致裝置被迫停車。

1.3 激冷系統(tǒng)波動(dòng)導(dǎo)致積灰

除灰單元與濕洗單元出口合成氣通過一定比例混配，調(diào)整至合適溫度，由激冷氣壓縮機(jī)加壓輸送至氣化爐爐膛出口，形成的氣化裝置激冷氣對(duì)爐內(nèi)溫度為1 600 ℃的合成氣進(jìn)行急冷。濕洗單元洗滌塔(C1601)氣相出口溫度設(shè)計(jì)指標(biāo)為166 ℃，蒸汽分壓占總壓的20%，飽和狀態(tài)下濕洗合成氣帶走水汽量相對(duì)穩(wěn)定。隨著煤種、負(fù)荷以及合成氣量的變化，C1601氣相出口溫度上升至175 ℃，直接影響激冷氣溫度以及氣化爐激冷效果。同時(shí)，激冷氣中水組分增加，合成氣中未過濾完全的灰分容易長期附著在激冷管線和壓縮機(jī)葉輪上。一旦工況出現(xiàn)變化，這些灰分就會(huì)脫落，堵塞過濾網(wǎng)，打破葉輪動(dòng)平衡的同時(shí)，直接弱化氣化爐激冷效果，導(dǎo)致SGC積灰。

2 應(yīng)對(duì)措施

綜上所述，影響氣化爐運(yùn)行周期最根本的原因是氣化爐積灰，為此需要解決2個(gè)關(guān)鍵問題。一是嚴(yán)格控制SGC進(jìn)口十字架處溫度(13TI0019)，降低合成氣中飛灰黏度，減少盤管掛灰的幾率。溫度控制應(yīng)結(jié)合多項(xiàng)控制指標(biāo)，其中最直接的反應(yīng)是氣化爐副產(chǎn)過熱蒸汽溫度(13TI0044)下降(積灰影響副產(chǎn)過熱蒸汽換熱效率，導(dǎo)致溫度下降)。在負(fù)荷及煤種穩(wěn)定的情況下，13TI0044長期穩(wěn)定在同一區(qū)間，說明氣化爐積灰達(dá)到平衡點(diǎn)，此時(shí)的運(yùn)行工況最佳。二是在運(yùn)行過程中對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，防止冷卻段水汽系統(tǒng)出現(xiàn)漏點(diǎn)。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)漏點(diǎn)，停車只是時(shí)間早晚的問題，堅(jiān)持時(shí)間過長，只會(huì)對(duì)設(shè)備造成更嚴(yán)重的損傷。合成氣冷卻器內(nèi)換熱器(E1303B/C/D)及E1306的管線分布復(fù)雜，結(jié)合其他廠家經(jīng)驗(yàn)，換熱器深處出現(xiàn)的磨損，基本上無法檢查，已成為各企業(yè)裝置長周期運(yùn)行的最大隱患。

為了緩解設(shè)備在運(yùn)行過程中的壓力，最終達(dá)到氣化爐長周期運(yùn)行的目的，結(jié)合本裝置運(yùn)行情況，提出以下建議：

(1) 嚴(yán)格控制13TI0019。以本裝置為例，煙煤與無煙煤質(zhì)量配比在6∶4的情況下，控制13TI0019在640 ℃以下較為合適，此時(shí)13TI0044最為穩(wěn)定。當(dāng)該指標(biāo)出現(xiàn)明顯下降時(shí)，說明積灰情況加劇，需要人為對(duì)負(fù)荷及配煤進(jìn)行干預(yù)，穩(wěn)定13TI0019。

(2) 氣化爐負(fù)荷與激冷氣量相匹配，保證SGC不積灰、少積灰。殼牌氣化爐在進(jìn)入中國初期，SGC積灰問題普遍存在，各企業(yè)為了應(yīng)對(duì)這一問題，紛紛對(duì)激冷氣壓縮機(jī)進(jìn)行擴(kuò)能改造，取得良好效果。但是，隨著各套裝置產(chǎn)能逐漸釋放，氣化爐負(fù)荷逐漸增加，激冷氣量出現(xiàn)與負(fù)荷不匹配的情況。這時(shí)需要理性控制負(fù)荷，在防止SGC超溫的同時(shí)，避免合成氣流速過快，加劇設(shè)備磨蝕。

(3) 經(jīng)過近幾年的磨合，氣化爐運(yùn)行周期較以往有極大延長，但對(duì)于煤源變化問題，行業(yè)內(nèi)普遍應(yīng)對(duì)滯后。煤質(zhì)變化后，需要經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)整和摸索，總結(jié)出新的指標(biāo)控制范圍。氣化爐積灰是一個(gè)不可逆過程，在調(diào)整和摸索期，會(huì)在原有的平衡基礎(chǔ)上增加積灰量，影響裝置的長周期運(yùn)行。需要盡量保持煤源以及配比穩(wěn)定(包括煙煤與無煙煤的比例、煙煤與煙煤的比例、無煙煤與無煙煤的比例)。

(4) 當(dāng)氣化爐壓差過高或者出現(xiàn)漏點(diǎn)時(shí)，及時(shí)停車。壓差高一定會(huì)出現(xiàn)漏點(diǎn)，出現(xiàn)漏點(diǎn)后一定會(huì)造壓差急劇上升，需要以系統(tǒng)壓差為依據(jù)來確定停車的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)壓差大于25 kPa時(shí)，局部氣體流速為30～40 m/s，系統(tǒng)計(jì)劃停車檢修；當(dāng)壓差大于30 kPa時(shí)，局部氣體流速為100 m/s，繼續(xù)運(yùn)行意義不大。此時(shí)即使無漏點(diǎn)發(fā)生，設(shè)備磨損形成的內(nèi)傷，也會(huì)直接影響運(yùn)行質(zhì)量；出現(xiàn)漏點(diǎn)只是時(shí)間問題，屆時(shí)清灰及檢修難度會(huì)大幅上升。有幾家同類型裝置在積灰嚴(yán)重的情況下堅(jiān)持運(yùn)行，最終停車檢修時(shí)，清灰時(shí)間長達(dá)1個(gè)月左右。

(5) 控制C1601氣相出口溫度在設(shè)計(jì)范圍。C1601氣相出口溫度直接影響氣化爐激冷效果。同時(shí)，合成氣中水汽分壓過高，會(huì)導(dǎo)致激冷氣管線黏灰，影響設(shè)備長周期穩(wěn)定運(yùn)行。2021年年初，本裝置爐膛出現(xiàn)大量漏水情況，合成氣中水汽分壓過高，造成濕洗單元外排水氨氮含量大幅上升，這其中存在某種聯(lián)系，需要繼續(xù)探索。本裝置于2021年11月對(duì)C1601氣相出口溫度可控調(diào)節(jié)進(jìn)行了改造(圖1)，使用冷卻水對(duì)C1601洗滌循環(huán)水進(jìn)行降溫，達(dá)到自由調(diào)節(jié)C1601氣相出口溫度的目的。改造完成后，氣化裝置于2021年12月15日開車運(yùn)行，在滿負(fù)荷工況下，合成氣洗滌塔出口溫度由原來的173 ℃降至169 ℃，有效減少了濕洗后合成氣的帶水量，降低了激冷氣中水汽分壓以及溫度，提高氣化爐激冷效率的同時(shí)，也降低了合成氣中飛灰黏度，運(yùn)行工況大為改善。

圖1 C1601降溫改造示意圖

3 結(jié)語

隨著時(shí)間不斷推移，行業(yè)內(nèi)會(huì)不斷出現(xiàn)新的問題，需要廣大同仁共同努力，及時(shí)分享、交流，取長補(bǔ)短，加強(qiáng)技術(shù)交流合作，未來的路才會(huì)越走越遠(yuǎn)。