殼牌氣化爐長周期運行探索

葉成亮

(云南大為制氨有限公司，云南 沾益 655338)

云南大為制氨有限公司 50萬t/a 合成氨裝置，引進并集成了國際領先的生產工藝、設備和控制技術。合成原料氣化采用殼牌粉煤氣化工藝技術，空分采用德國林德工藝技術，酸性氣體脫除和氣體精制采用德國林德公司低溫甲醇和液氮洗工藝技術，氨合成工藝采用丹麥托普索公司 18 MPa 低壓合成專利技術。

1 項目提出的背景

Shell粉煤加壓氣化技術是當今最先進的煤氣化技術之一，煤種適應范圍廣，可利用本地的褐煤、煙煤、次煙煤，碳轉化率達99%，冷煤氣效率達80%～83%。另外，14%～16%能量副產蒸汽，煤的總能量(包括回收蒸汽)利用率達95%以上。采用Shell粉煤加壓氣化代替現(xiàn)有常壓造氣，噸氨能耗可顯著降低，生產成本大幅度下降。

公司于2004年成功引進了一套投煤量2700t/d的Shell氣化爐，2008年5月正式投產。在近3年的使用過程中，由于殼牌煤氣化裝置設備結構復雜，工藝聯(lián)鎖控制系統(tǒng)繁多以及我公司原料煤質量不穩(wěn)定等問題，致使該煤氣化裝置運行不正常，未實現(xiàn)長周期、高負荷穩(wěn)定運行。

2 裝置長周期運行技術難點

1)燒嘴罩頻繁漏水，嚴重制約裝置長周期運行

氣化爐由承壓殼體、換熱內件、煤燒嘴、開工、點火燒嘴、振打器、恒力吊、各支吊架及各種儀表等構成。4個煤燒嘴自爐外延伸至水冷壁與承壓殼體之間，燒嘴與殼體之間通過燒嘴罩銜接。燒嘴罩形狀為圓錐形，由7～8圈冷卻水管環(huán)繞組成，中壓循環(huán)水系統(tǒng)經過分布總管，將鍋爐給水節(jié)流分布進每一圈環(huán)管。其作用是給煤燒嘴提供一個通道，保護燒嘴，防止渣流到燒嘴上，影響煤燒嘴的正常運行，同時，在煤燒嘴周圍進行換熱以降低燒嘴周圍的溫度。在裝置前期運行過程中，由于工藝、設備、儀表、煤質等原因，燒嘴罩頻繁損壞，產生漏水而影響裝置的正常運行，如圖1所示。

圖1 燒嘴罩損壞狀況

2)SGC反吹效果不好，“十字架”積灰嚴重，影響裝置負荷及運行周期

Shell煤氣化氣化爐蒸發(fā)器的“十字”支撐上方裝有一個吹灰器，以防止或至少降低飛灰在十字支撐上的沉積。飛灰吹除器分成4段，按照吹掃程序用高流速氮氣同時進行吹掃。在非吹掃模式下，吹灰器被供入一小股恒定的熱高壓氮氣流，以保持吹掃孔不被堵塞?！笆帧贝祷蚁到y(tǒng)采用水冷夾套管。該吹灰系統(tǒng)吹灰孔垂直向上，在運行過程中，僅能夠完成吹灰孔上部灰的有效清除，無法清除吹灰孔四周的積灰。這樣，造成反吹管上積灰，導致整個“十字”支撐上方被灰堵滿，引起停車。如圖2所示。

圖2 十字吊架積灰狀況

3)煤粉計量不精確，四條煤線計量偏差過大

Shell氣化采用N2或者CO2進行煤粉輸送，煤粉計量由速度計及密度計完成計量。由于煤粉粒度、輸送介質、速度計、密度計本身等因數影響，煤粉計量偏差較大，導致4條煤線送入氣化爐內煤量偏差很大，有的已經達到近20%的偏差。煤量偏差過大會導致燒嘴罩損壞、燒嘴損壞、氣化爐爐壁燒壞及氣化爐垮渣、渣系統(tǒng)堵等風險，最終引起氣化爐停車。

4)煤質特性偏差過大，部分煤不適合氣化爐使用

長期以來，只認為Shell氣化爐使用煤種范圍較寬(從褐煤到煙煤，再到無煙煤)，但不知道煤灰的組分、灰分、灰熔點對氣化爐的穩(wěn)定運行影響巨大，因此，在采購煤、堆存煤的過程中，沒有統(tǒng)一規(guī)劃，這也是造成裝置堵渣、設備損壞的關鍵原因。

3 技術改進措施

3.1 入爐煤粉選擇

在煤質上有幾方面會造成燒嘴罩的損壞：

1)煤灰熔點，包括煤在添加石灰石過程中的不均勻。

2)煤的操作窗口過窄。

3)煤的灰分過高。

3.1.1 煤灰熔點影響及處理措施

Shell粉煤氣化爐操作溫度要求比氣化使用煤種灰熔點高100～150 ℃。據經驗得知，最佳氣化使用煤種的灰熔點在1250～1350 ℃。如果灰熔點太低，容易導致氣化爐碳轉化率偏低，同時氣化爐膜式水冷壁上還無法實現(xiàn)正常掛渣，氣化爐膜式水冷壁無法實現(xiàn)“以渣抗渣”，導致水冷壁列管損壞，影響氣化爐的安全平穩(wěn)長周期運行[1]；如果灰熔點太高，超出Shell粉煤氣化的最高允許溫度，則需通過添加助熔劑石灰石將氣化煤種灰熔點降至合適范圍，否則將引起氣化爐高溫運行[2]。SGC激冷氣量不夠，僅能低負荷運行，同時，還有因激冷后溫度過高，導致SGC集灰堵塞的風險。加進助熔劑石灰石后，就會增加入爐煤的灰分，導致氣化爐內爐膛渣層增厚，漫入燒嘴罩，形成渣簾，損壞燒嘴罩。另外，即使使用煤種的灰熔點滿足氣化運行要求，當波動大于 50 ℃ 時，這樣的煤種在使用過程中，也會導致氣化爐爐膛內的流動渣層頻繁變化，在基本相同的爐內溫度下，灰熔點突然降低時，爐內水冷壁上的流動渣層流動突然變得相當好，大量流下，容易在燒嘴罩處掛簾損壞燒嘴罩，還容易引起中上部水冷壁上固定渣層脫離水冷壁引起垮渣危險；灰熔點突然升高時，水冷壁上固定渣層增厚，流動渣層很容易流進燒嘴罩引起燒嘴罩掛簾損壞，還會引起氣化爐運行溫度提高，引起SGC堵塞。

助溶劑石灰石的具體添加量一般通過三元相圖來確定。入爐煤粉灰組分中酸、堿組分比例直接影響煤的灰熔點，通過添加石灰石，改變酸、堿組分比例，達到降低煤的灰熔點的目的。圖3為公司通過混配后的某種煤種三元相圖。

圖3 混配后的某種再用煤種三元相圖

從圖3看出，可以通過添加助熔劑來降低灰熔點，使煤滿足氣化爐灰熔點的要求。滿足氣化爐在運行過程中，爐膛內有一定的渣層，實現(xiàn)Shell氣化爐以渣抗渣的要求。

通過三元相圖也可以發(fā)現(xiàn)，石灰石的添加量嚴重影響著煤的灰熔點，因此，必須保證：一是來煤的灰熔點穩(wěn)定，波動必須穩(wěn)定在 50 ℃ 范圍內，這樣，才能保證入爐煤粉的穩(wěn)定。按照礦點、煤層進行采購原煤，同時，對到現(xiàn)場原煤按照灰熔點進行分堆。二是磨煤單元石灰石添加系統(tǒng)的不穩(wěn)定導致入爐煤粉灰熔點的波動，為此，對石灰石計量系統(tǒng)進行全面檢查，對影響計量相關設施全面整改，石灰石輸送管道進行全面疏通。同時，利用現(xiàn)有變頻螺旋輸送機對石灰石加入量進行標定，實現(xiàn)不同負荷對石灰石的添加量，最終細化為變頻螺旋輸送機變頻值。這樣，有效的避免了石灰石添加量引起的灰熔點波動。實施后灰熔點情況見圖4所示。

圖4 煤灰熔點情況

3.1.2 操作窗口影響及處理措施

渣層的流動主要與熔融態(tài)的渣的特性有關。據Shell相關經驗，要求渣的運動黏度在 2 Pa·s～25 Pa·s 之間。影響爐渣黏溫特性的主要因素還是灰渣的組成，即組成灰渣的礦物質成分決定了爐渣的黏溫特性[2]?；以兄饕V物質成分有：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2、SO3等。實驗表明，二氧化硅是影響灰渣黏度的主要因素，高硅煤黏度就高；三氧化二鋁對灰渣黏度的影響不大，在同一溫度下，灰渣中三氧化二鐵含量越高，灰渣的黏度就越低，以此類推，在同一溫度下，堿金屬及堿土金屬的含量越高，灰渣的黏度也就越低[2]。圖5為公司某種煤種的黏溫曲線。

圖5 某種煤種的黏溫曲線

由于Shell氣化爐的自身特點，煤在氣化爐內反應較快。氣化爐內溫度變化很快，由于在運行過程中操作、儀表計量等原因，可能導致氣化爐內溫度波動，從而引起氣化爐內渣流動特性的改變。因此，嚴格規(guī)定每種使用煤必須有 100 ℃ 以上的操作窗口，這樣才能滿足操作需求，從圖5看出，該煤種的操作窗口有近 100 ℃，適合氣化爐操作運行要求。在2012年下半年，公司對周邊可能使用的煤種進行逐一取樣分析，編制出屬于大為制氨有限公司的煤種庫，選擇出適合公司使用煤種，杜絕不適合氣化爐運行的煤種進場。

3.1.3 入爐煤灰分影響及處理措施

Shell粉煤氣化工藝的重要原理之一就是“以渣抗渣”。所謂“以渣抗渣”是指利用熔融爐渣在氣化爐膜式水冷壁上形成一層動態(tài)渣層，來保護氣化爐內件及耐火材料，防止其承受高溫熱沖擊及高速合成氣流的沖刷磨蝕。動態(tài)渣層還能有效維持氣化爐溫度，減少熱損，從而對降低氣化爐氧耗、煤耗，提高氣化爐冷煤氣效率有很大幫助。實踐證明，對于液態(tài)排渣型Shell粉煤氣化爐，煤中灰分在12%～25%范圍內最佳[2]。

只有煤中灰分含量合適，才能在氣化爐膜式水冷壁上形成良好渣層。如果煤中灰分太低，就無法在氣化爐膜式水冷壁上形成保護渣層，或形成渣層太薄，達不到保護氣化爐內件效果；如果煤中灰分太高，氣化煤耗、氧耗越高，氣化爐及灰渣處理系統(tǒng)負擔也就越重，嚴重時會影響氣化爐的正常運行，最關鍵是會導致渣層過厚，渣流進燒嘴罩中，引起燒嘴罩損壞[3]。截至目前為止，公司來煤灰分均很高，特別是在公司內部煤礦采用機采后，煤的灰分很不均勻，灰分最高可以達到40%以上，最低也在28%以上。對來煤進行逐一分析，要求氣化分廠在煤場上按照灰熔點及灰分高低進行分堆后，灰熔點相近(50 ℃ 以內)的煤種就近堆，灰分不同相差在5%以上的就進行分開堆存。使用的時候，現(xiàn)選擇使用煤灰熔點范圍，將該灰熔點范圍內的不同灰分的煤取樣分析，按照分析結果進行混配，將煤的灰分控制在某個指標范圍以內。同時，混配要求盡可能均勻，如來煤灰分波動較大，需要在煤場利用配煤裝置才能基本實現(xiàn)混配均勻的。一律在煤場進行混配，混配后煤的灰分還超過運行指標時，就要求在磨煤單元混配石油焦，從而降低灰分，使入爐煤粉灰分在指標范圍內，避免因灰分波動或者灰分高導致的燒嘴罩損壞。圖6為實施上述對策后，公司入爐煤粉灰分情況。

圖6 技改后入爐煤粉情況

3.1.4 入爐煤粉粒度及清潔度的控制

Shell氣化是通過對煤粉密度及速度的測量來計算進入氣化爐中每條煤線的煤量，要求煤粉粒度5～90 μm 的占80%以上。只有滿足這樣的粒度要求，煤線上的密度計才相對準確。如果煤的可磨指數越高，煤越好磨，煤的粒度可能會因為磨煤單元調整不及時導致變細。這樣引起煤粉測量偏低，氣化反應不完全，反應不完的碳進入渣中，影響渣層特性。查閱相關文獻可以知道，在還原性氣氛下，初始含有1%左右的碳會使煤軟化溫度提高 80 ℃ 左右，但隨著碳含量再增加，對提高煤的軟化溫度影響減小[4]。含碳在3%～8%時，對煤灰渣的熔融性影響不大；當含碳量到達15%左右時，灰渣的各個特性溫度有隨著含碳量增加而提高的趨勢。碳在灰渣中作用是：抑制SiO2的玻璃態(tài)化[4]，造成局部的還原性氣氛來影響灰熔點，總體來說會使灰熔點有所提高。這樣，引起渣進入燒嘴罩引起燒嘴罩的損壞。如果煤的可磨指數越低，導致煤粉變粗，密度測量虛高；O2/C比高，過氧導致燒嘴罩損壞。同時，即使爐溫可以得到有效控制，但是由于煤粉在氣化爐內停留時間過短，導致大量未反應碳進入熔融渣中，引起渣溫特性變化，導致設備損壞。通過對入爐煤粉粒度的控制，有效降低灰、渣中的殘?zhí)?，提高煤粉的利用率，同時，也避免了燒嘴罩的損壞。

煤粉的清潔對煤線的穩(wěn)定也很重要，而公司的來煤主要通過汽車運輸，也有火車運輸的，在運輸過程中，難免會混入少許纖維。這些纖維會隨著煤一同進行系統(tǒng)中，當它們進入到咽喉部位(角閥)處，有很大可能造成角閥突然堵塞，引起燒嘴跳，回火燒壞燒嘴罩。加強對上煤系統(tǒng)篩網的清理，同時，對磨煤單元的原纖維分離器進行改造，有效的避免纖維等雜物帶進煤粉角閥，這樣可避免燒嘴跳停。

3.1.5 “十字”吹灰器堵塞措施

在蒸發(fā)器的十字支撐上方裝有一個吹灰器，以防止或至少降低飛灰在十字支撐上的沉積。飛灰吹除器分成4段，每一段都有專門的熱高壓氮氣供應管線。這4段按照吹掃程序用高流速同時被吹掃。在非吹掃模式下，吹灰器被供入一小股恒定的熱高壓氮氣流以保持銳孔不被堵塞。原吹灰器為鐵素體材料制成的水冷式夾套管結構，由水冷換熱從而抵抗高溫。吹灰器作為中壓水汽系統(tǒng)的組成部分有自己的給排管與容器外的管道工程相接。

改造后，吹灰器整體取消水冷夾套結構，簡化加工、安裝和維修難度。選擇能承受高溫及耐腐蝕的鎳基合金825材料。十字吊架吹灰器(水平吹掃)和蓋板吹灰器(四周及向下吹掃)同時吹掃，清理整個吊臂長度的積灰，蓋板及膜式壁周圍不會積灰。通過先進的水平吹掃，更有效地清理十字吊架及蓋板上的積灰，不會形成堵塞。

4 技術攻關后裝置運行情況

通過技改，2022年公司生產裝置連續(xù)運行225天，各種消耗降低，整個裝置產能達到提高。裝置沒有再因為燒嘴罩燒穿、“十字架”堵灰等原因被迫停車過，說明處理措施是有效的。