Shell煤氣化激冷氣量提高的必要性和方法探索

邢俊峰(中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司煤氣化生產(chǎn)中心; 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

Shell煤氣化激冷氣量提高的必要性和方法探索

邢俊峰(中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司煤氣化生產(chǎn)中心; 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

激冷氣壓縮機(jī)是Shell煤氣化中的關(guān)鍵設(shè)備，其主要作用是將濕洗和飛灰過濾后的部分合成氣混合后增壓進(jìn)入氣化爐激冷段，冷卻氣化爐產(chǎn)出的高溫粗合成氣。激冷氣量的大小對氣化爐的操作有重要意義，增大激冷氣量可以進(jìn)一步降低經(jīng)過冷卻器的合成氣溫度，能夠?qū)⒏邷卮趾铣蓺庵械娜廴陲w灰固化并失去粘性，可以防止合成氣冷卻器積灰，有利于氣化爐的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

現(xiàn)代煤化工;煤氣化;氧煤比;激冷氣;可控渦三元流;激冷比

現(xiàn)代煤化工是以煤炭為主要原料，以生產(chǎn)清潔能源和化工產(chǎn)品為主要目標(biāo)的現(xiàn)代化煤炭加工轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)，是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用，推進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)的重要途徑?，F(xiàn)代煤化工的發(fā)展對解決我國煤炭利用過程中存在的資源與環(huán)境問題，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。鄂爾多斯神華煤制油廠是世界首套百萬噸級的煤直接液化示范工廠，公司的煤氣化裝置選用的是目前世界上最先進(jìn)的Shell干煤粉加壓氣化技術(shù)，采用干煤粉氣力輸送，煤粉在氣化爐內(nèi)不完全燃燒，反應(yīng)生成粗合成氣。裝置投產(chǎn)以來經(jīng)常出現(xiàn)氣化爐合成氣冷卻器積灰的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響氣化裝置乃至整個(gè)公司的安穩(wěn)長滿優(yōu)運(yùn)行。

1 Shell煤氣化技術(shù)簡介

Shell煤氣化采用干煤粉加壓氣化技術(shù)，該氣化工藝是目前世界上最先進(jìn)、最典型的第二代煤氣化工藝之一。按進(jìn)料方式，Shell煤氣化屬氣流床(entrained bed)氣化，煤粉、氧氣并流進(jìn)入氣化爐內(nèi)，在極為短暫的時(shí)間內(nèi)完成升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒及轉(zhuǎn)化等一系列物理和化學(xué)過程。

Shell煤氣化主要特點(diǎn)：

干粉進(jìn)料，氣化溫度高(約1400～1600℃)，煤種適應(yīng)性廣；

碳轉(zhuǎn)化率高，煤氣中有效氣體(CO+H2)高；

氧耗低，與水煤漿氣化相比，氧耗低15%～25%，所以配套的空分裝置投資較小；

單爐生產(chǎn)能力大，日處理煤量可達(dá)3000噸；

氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，無耐火磚襯里，維護(hù)量較少，氣化爐內(nèi)無傳動(dòng)部件，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長；

氣化爐采用多個(gè)燒嘴，成雙對稱布置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，負(fù)荷變動(dòng)適應(yīng)能力強(qiáng)，煤燒嘴壽命理論上超過16000小時(shí)；

環(huán)境效益好，爐渣可用作建筑材料等。

2 激冷氣壓縮機(jī)工作原理介紹

2.1 工藝流程簡述

Shell煤氣化工藝中，原煤經(jīng)預(yù)干燥后進(jìn)入磨煤機(jī)制成煤粉，煤粉經(jīng)惰性氣(氮?dú)饣蚨趸?氣力輸送至4個(gè)氣化爐煤噴嘴，煤粉在噴嘴里與95%以上的純氧混合并與蒸汽一起進(jìn)入氣化爐反應(yīng)。氣化爐溫度為1400～1600℃，灰分熔化并流到氣化爐底部，經(jīng)淬冷后，變成一種玻璃態(tài)渣排出，粗煤氣則隨氣流上升到氣化爐出口，經(jīng)過一個(gè)激冷段，用除塵后的低溫粗煤氣(200℃左右)使高溫?zé)崦簹饧だ涞?00℃后進(jìn)入合成氣冷卻器回收熱量，氣化爐出來的280℃合成氣經(jīng)HpHT飛灰過濾器除塵后進(jìn)入洗滌塔，洗滌降溫后的合成氣大部分進(jìn)入下游變換工序，剩余部分與來自飛灰過濾器的高溫合成氣混合至200℃后進(jìn)入激冷氣壓縮機(jī)，經(jīng)過壓縮機(jī)增壓后的合成氣進(jìn)入到氣化爐激冷段，激冷氣工藝流程見圖1。

圖1

2.2 壓縮機(jī)基本參數(shù)

我公司的激冷氣壓縮機(jī)選用的是ELLIOTT生產(chǎn)的單級離心壓縮機(jī)，額定功率為1270kW，轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍3850-5723rpm。壓縮機(jī)采用變頻電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，電動(dòng)機(jī)額定功率為1500kW，電機(jī)采用角形接線，詳細(xì)參數(shù)如表1。

表1

3 氣化爐合成氣冷卻器積灰及影響因素

我公司采用的是Shell干煤粉加壓氣化工藝，正常生產(chǎn)中經(jīng)常遇到氣化爐合成氣冷卻器積灰的問題，嚴(yán)重制約氣化爐長周期穩(wěn)定運(yùn)行。Shell煤氣化爐主要由氣化爐本體、輸氣導(dǎo)管和合成氣冷卻器3大部分組成，積灰主要位于合成氣冷卻器的十字吊架底部。目前國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)的各家Shell煤氣化生產(chǎn)裝置均存在不同程度的積灰現(xiàn)象。據(jù)了解,荷蘭Demkolec工廠在1997年6月至1999年 8月的 8次非計(jì)劃停車中，有2次也就是因?yàn)楹铣蓺饫鋮s器積灰所導(dǎo)致的?？梢姾铣蓺饫鋮s器積灰問題是Shell煤氣化工藝中普遍存在的問題。

合成氣冷卻器積灰給裝置正常生產(chǎn)帶來諸多問題:1)合成氣冷卻器處積灰后會造成該部分氣流阻力增大，局部流速成倍增加，夾帶飛灰的粗合成氣對水冷壁管道的磨蝕沖刷加重，極易導(dǎo)致水冷壁管破損。2)合成氣冷卻器積灰后會大大降低冷卻器換熱效果，冷卻器出口合成氣溫度升高，給下游裝置生產(chǎn)和設(shè)備安全帶來隱患，副產(chǎn)蒸汽溫度不達(dá)標(biāo)，無法并網(wǎng)，造成浪費(fèi)。3)其次氣化爐壓差高會導(dǎo)致下游壓力不足，為滿足下游工況壓力需求，氣化爐需要不斷提高操作壓力，不利于氣化爐的操作和設(shè)備安全。經(jīng)過長期的摸索和分析總結(jié),造成合成氣冷卻器積灰主要有以下幾個(gè)影響因素。

3.1 原煤的特性

Shell氣化爐的特點(diǎn)是原煤適應(yīng)能力廣，然而實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，并不是所有煤種都適用于Shell氣化爐，不同煤種在合成氣冷卻器的積灰情況也有很大差異。在殼牌煤氣化生產(chǎn)工藝中，原煤中的灰分及灰熔點(diǎn)對氣化爐的操作至關(guān)重要，為確保氣化爐正常掛渣，合適的干煤粉中灰含量最適宜的比例是11-25%，灰熔點(diǎn)范圍為1300-1400℃。如果灰熔點(diǎn)太低，氣化爐水冷壁不容易掛渣；如果灰熔點(diǎn)太高，氣化爐容易堵渣，則需要提高氣化爐的操作溫度，同時(shí)也會導(dǎo)致進(jìn)入合成氣冷卻器的粗合成氣溫度升高。為保證氣化爐能順利排渣，氣化操作溫度要高于灰熔點(diǎn)FT約 100～150℃，介于煤的T1(煤灰流動(dòng)溫度)和T2(煤灰液化溫度)之間。

香檳區(qū)今年取得三個(gè)大獎(jiǎng)，當(dāng)中包括“最佳氣泡酒”、“最佳清蒸石班搭配美酒”及“最佳宮保雞丁搭配美酒”。在亞洲菜系方面，香檳以其“百搭”的配餐能力輕松取勝。但在筆者年中采訪香檳委員會（Comité Champagne）會長文佩森時(shí)候也曾談到，香檳市場的崛起中侍酒師群體對這一酒品的關(guān)注是一大助力。在即飲渠道上，侍酒師群體對終端消費(fèi)者的消費(fèi)指引及教育，對于香檳在亞洲市場上的銷售發(fā)展有著重要意義。亞洲人對香檳的口味是有接受基礎(chǔ)的，對于終端消費(fèi)者的葡萄酒教育也是未來香檳進(jìn)口商需要考慮的元素。

此外原煤中的硅鋁比大小也是影響合成氣冷卻器積灰的一個(gè)主要因素。硅鋁比在1.7-2.7之間，比值越高，操作空間會越大，合成氣冷卻器積灰風(fēng)險(xiǎn)越小。通過以上分析可以看出原煤的成分和特性對氣化爐的操作有很大影響，合適的原煤可以降低合成氣冷卻器積灰的可能性，延長氣化爐的運(yùn)行周期。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，各生產(chǎn)企業(yè)都在通過配煤來實(shí)現(xiàn)煤質(zhì)的改變。但由于煤種穩(wěn)定性差，配煤理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)相對缺乏，煤質(zhì)特性分析滯后等原因，導(dǎo)致配煤工作的難度很大，配煤之后的原料煤特性也往往很難達(dá)到理想的要求。我公司也一直在進(jìn)行配煤工作，通過多年的摸索，配煤工作取得了一定效果，優(yōu)化了操作工況，氣化爐掛渣情況也有所改善，但是合成氣冷卻器積灰的問題始終得不到很好解決。

3.2 氧煤比的控制

氧煤比是氣化爐操作溫度控制的主要手段。當(dāng)氧煤比控制較低時(shí)，其余條件都不變的情況下，進(jìn)入合成氣冷卻器的粗合成氣溫度會有所降低，飛灰中熔融組分會相對減少，但是較低的操作溫度可能會導(dǎo)致氣化爐排渣不暢，此外飛灰中的殘?zhí)冀?jīng)熱解后可能會在水冷壁上結(jié)垢和板結(jié)。相反如果為了防止堵渣，將氧煤比控制較高時(shí)，首先過高的爐溫可能會對煤燒嘴及燒嘴罩等設(shè)備部件造成損害；其次，進(jìn)入合成氣冷卻器的粗合成氣溫度也會升高，合成氣中所含熔融飛灰比例增加，容易導(dǎo)致合成氣冷卻器積灰；此外，氧煤比的提高也會造成有效氣體轉(zhuǎn)化率降低。

3.3 氣化爐負(fù)荷

當(dāng)氣化爐負(fù)荷越高時(shí)，進(jìn)入合成氣冷卻器的合成氣氣量首先會增大，伴隨著粗合成氣的溫度也會升高，在其他條件不變的情況下，飛灰的黏度會隨溫度升高而增加，冷卻器積灰的可能性就越大。相反，如果氣化爐負(fù)荷越低，產(chǎn)出的合成氣氣量就越小，經(jīng)過合成氣冷卻器的氣體流量和流速就越小。當(dāng)合成氣的氣量太小而吹不掉黏結(jié)在合成氣冷卻器上的飛灰時(shí),冷卻器管壁上積灰便會越來越多。只有當(dāng)管壁上的飛煤灰黏結(jié)速率與飛灰被合成氣吹掉的速率相等時(shí)才能達(dá)到平衡。然而在實(shí)際操作中通過調(diào)節(jié)合適的氣化爐負(fù)荷來抑制合成氣冷卻器積灰是不現(xiàn)實(shí)的，不利于整個(gè)公司的負(fù)荷調(diào)整和節(jié)能降耗。

3.4 敲擊器的設(shè)置

為了防止氣化爐水冷壁積灰,Shell氣化爐在激冷段、輸氣管及合成氣冷卻器設(shè)計(jì)了大量的敲擊器來振動(dòng)除灰,理論上適當(dāng)提高敲擊器的敲擊頻率，可以緩解或消除氣化爐積灰。然而通過長期的實(shí)踐證明，提高敲擊器的敲擊頻率對消除氣化爐的積灰效果不明顯，相反過高頻次的敲擊振動(dòng)還增加了敲擊器設(shè)備的故障率。

3.5 激冷比的控制

目前國內(nèi)投產(chǎn)的Shell煤氣化工藝均采用合成氣激冷流程，就是將洗滌降溫后的部分合成氣與來自飛灰過濾器的部分高溫合成氣混合至200℃后進(jìn)入激冷氣壓縮機(jī)，經(jīng)過壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入到氣化爐激冷段，用以降低進(jìn)入合成氣冷卻器的粗合成氣氣體溫度。若激冷比較小，經(jīng)激冷后的合成氣溫度仍然較高，此時(shí)合成氣中夾帶的部分飛灰仍處于熔融狀態(tài)，這種狀態(tài)下的飛灰很容易黏結(jié)在合成氣冷卻器上，造成積灰。當(dāng)提高極冷比時(shí)，進(jìn)入合成氣冷卻器的合成氣溫度會明顯降低，當(dāng)激冷后合成氣溫度低于灰熔點(diǎn)150℃以下時(shí)，飛灰就會失去黏性，則可大大降低積灰的可能性。所以，當(dāng)其他運(yùn)行情況都不變的情況下,適當(dāng)?shù)奶岣呒だ浔?可有效降低進(jìn)入冷卻器的合成氣溫度，進(jìn)而減少或避免積灰的發(fā)生。下圖表是我公司氣化爐運(yùn)行測試的幾組數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)對比可以明顯看出，當(dāng)激冷比增大時(shí)合成氣冷卻器入口溫度降低，合成氣冷卻器SGC過熱段壓差也偏低。(表2)

經(jīng)過分析和論證，造成Shell氣化爐合成氣冷卻器積灰的主要因素有以上五個(gè)，圍繞這幾個(gè)因素，國內(nèi)各Shell煤氣化生產(chǎn)企業(yè)也采取了各種各樣的方法和措施，取得了一定的效果。通過對比分析，筆者認(rèn)為，增大激冷氣氣量，提高激冷比是解決合成氣冷卻器積灰問題的最直接有效手段。

4 提高激冷氣量方法探索

為了不斷提高激冷氣量，有效解決合成氣冷卻器積灰問題，消除目前制約我公司shell氣化爐長周期、高負(fù)荷運(yùn)行的瓶頸，我公司各專業(yè)技術(shù)人員不斷摸索總結(jié)，開展了大量的工作，取得了一定的效果。目前正在積極嘗試新的方法和思路，通過不斷提高激冷氣氣量，增大激冷比，來真正解決合成氣冷卻器積灰問題。

表2

4.1 激冷氣壓縮機(jī)葉輪擴(kuò)能改造

據(jù)了解，目前多家Shell氣化裝置對激冷氣壓縮機(jī)進(jìn)行了葉輪擴(kuò)能改造。2015年檢修期間，我公司的一套煤氣化裝置激冷氣壓縮機(jī)也進(jìn)行了葉輪擴(kuò)能改造，委托國內(nèi)某流體機(jī)械設(shè)計(jì)制造單位重新設(shè)計(jì)和計(jì)算，采用的是高效節(jié)能的“可控渦”三元流技術(shù)，這種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對葉輪內(nèi)部全部流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制，其效率可比一般三元流葉輪高2%以上，單級效率可達(dá)85%左右。

壓縮機(jī)葉輪的加工采用先進(jìn)的制造工藝，同時(shí)采用焊后整體熱處理工藝調(diào)質(zhì)，不僅可確保葉輪的整體晶粒組織細(xì)密，而且可以消除焊后應(yīng)力，從而大大提高了葉輪的安全可靠性。各葉輪均經(jīng)過高于工作轉(zhuǎn)速15%的超速試驗(yàn)，整個(gè)轉(zhuǎn)子經(jīng)過精密動(dòng)平衡校正，保證運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠。該項(xiàng)目從設(shè)計(jì)改造到安裝投用，共歷時(shí)約6個(gè)月，轉(zhuǎn)子安裝投用后因驅(qū)動(dòng)電機(jī)及變頻器容量受限制，激冷氣量增加幅度約為5%左右，效果不是很理想。

4.2 降低激冷氣流程阻力

通過測量對比激冷氣流程上各部位壓力，可能引起壓力降的、形成阻力的部位主要有：入口過濾器、D1301入口分離罐頂部絲網(wǎng)除沫器、單向閥、出口孔板流量計(jì)等。由于壓縮機(jī)入口正常工況下不存在帶水可能，激冷氣流量可以通過入口流量表監(jiān)控，在風(fēng)險(xiǎn)可控的情況下，利用停工檢修機(jī)會將其中一套煤氣化裝置的壓縮機(jī)入口分離器D1301的頂部絲網(wǎng)除沫器拆除，將壓縮機(jī)入口錐形過濾器以及壓縮機(jī)出口孔板流量計(jì)拆除，降低激冷氣流程阻力。經(jīng)對比測試，在同等系統(tǒng)工況和相同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下，激冷氣量較之前增加約2%左右，效果不明顯。

4.3 進(jìn)一步提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速

我公司氣化爐在正常操作期間，系統(tǒng)壓力控制偏低，壓縮機(jī)正常入口壓力低于設(shè)計(jì)壓力3.8MPa。另外原設(shè)計(jì)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為1492rpm，增速箱增速比為3.654:1，所以壓縮機(jī)正常運(yùn)行最高轉(zhuǎn)速僅為5480rpm，無法達(dá)到原設(shè)計(jì)的5733rpm，所以激冷氣量也無法達(dá)到設(shè)計(jì)值。經(jīng)過咨詢設(shè)備廠家，如將電機(jī)轉(zhuǎn)速由額定1500rpm提高至需求轉(zhuǎn)速1570rpm，按照電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造考慮的余量，在超速20%的情況下仍可以持續(xù)長期運(yùn)行，當(dāng)1570rpm時(shí)超過額定轉(zhuǎn)速約4.5%左右，理論上可以長期運(yùn)行，但是必須加強(qiáng)對電機(jī)溫度的監(jiān)測。同時(shí)應(yīng)對變頻器加強(qiáng)監(jiān)控，保持變頻器輸出電壓穩(wěn)定在3450V左右，防止出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)磁路過飽和。此外可以考慮修改變頻器參數(shù)以及重新計(jì)算電機(jī)模型的操作方法，風(fēng)險(xiǎn)是可能會出現(xiàn)變頻器過負(fù)荷的情況。目前該方案我公司正在論證中，如果實(shí)施成功預(yù)計(jì)可以增加約5-8%左右的激冷氣量。

4.4 激冷氣壓縮機(jī)整體擴(kuò)能改造

為進(jìn)一步提高激冷氣量，可以考慮將原壓縮機(jī)整體擴(kuò)能更換，目前已知有多家Shell煤氣化生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了激冷氣壓縮機(jī)的整體擴(kuò)能改造，效果良好。值得注意的是，在整體擴(kuò)能前需要綜合考慮計(jì)算兩個(gè)問題，第一，計(jì)算高溫高壓飛灰過濾器在正常壓差范圍內(nèi)可以流通的氣體總量。第二，綜合考慮提高激冷氣量對輸氣導(dǎo)管以及飛灰過濾器分配管磨損的問題。根據(jù)目前工況的實(shí)際情況，選擇合適的激冷氣量，整體更換激冷氣壓縮機(jī)，可以有效解決合成氣冷卻器積灰現(xiàn)象，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣化爐的長周期高負(fù)荷運(yùn)行。

5 結(jié)語

合成氣冷卻器積灰問題是困擾Shell煤氣化生產(chǎn)裝置長周期高負(fù)荷運(yùn)行的公認(rèn)技術(shù)難題，造成冷卻器積灰的原因很多，其中原煤特性是影響積灰最重要的因素。但是通過以上分析對比和實(shí)踐證明，當(dāng)氣化爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)出的粗合成氣溫度會升高，同時(shí)激冷比會降低，很容易導(dǎo)致積灰的發(fā)生。增大激冷氣氣量，可以降低進(jìn)入合成氣冷卻器的氣體溫度，將高溫粗合成氣中的熔融飛灰固化并失去粘性，可以有效解決合成氣冷卻器積灰問題，這個(gè)方法也是目前Shell煤氣化生產(chǎn)裝置交流形成的共識。對于以上提到的幾種提高激冷氣氣量的方法和思路中，筆者認(rèn)為，整體擴(kuò)能改造激冷氣壓縮機(jī)可以直接有效的解決氣化爐合成氣冷卻器積灰問題，從而保障氣化爐長周期高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]DL/T 660-1998 煤灰高溫黏度特性試驗(yàn)方法[M].

[2]鄭振安.shell煤氣化技術(shù)(SCGP)的特點(diǎn)[J].煤化工，2003(2).