摘要 ：介紹了殼牌煤氣化裝置的工藝特點，對制約煤氣化裝置長周期穩(wěn)定運行因素的問題進行分析，通過對裝置進行技術(shù)改造和工藝優(yōu)化，使殼牌氣化爐達到長周期穩(wěn)定運行的目的。

 

引言

大同某60 萬t/a 煤制甲醇項目中的氣化裝置，采用的是干粉加壓氣流床的殼牌(Shell) 煤氣化技術(shù)(SCGP) [1]。煤氣化裝置運行的穩(wěn)定與否直接會影響到全廠的生產(chǎn)經(jīng)營狀況，自2014年開車運行以來，煤氣化裝置在生產(chǎn)運行過程中多次出現(xiàn)積灰、堵渣等一系列棘手的問題，嚴重制約了氣化爐的長周期穩(wěn)定運行，本文針對這一系列問題，通過技術(shù)改造和工藝優(yōu)化，使殼牌氣化裝置實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行。

 

1 殼牌煤氣化工藝特點

殼牌氣化爐按工藝功能可分為6 部分，即氣化反應(yīng)室、激冷段、輸氣管段、氣體返回室(GRC)、合成氣冷卻器(SGC)、輔助設(shè)備。煤粉和氧氣通過煤燒嘴進入氣化爐反應(yīng)室在1500℃、4MPa的條件下進行燃燒、反應(yīng)，生成合成氣和熔渣、飛灰。合成氣及飛灰從反應(yīng)室頂部流出，利用來自濕洗單元的“冷態(tài)”合成氣( 即激冷氣) 進入激冷段對剛產(chǎn)生的熱合成氣進行激冷，將合成氣溫度降低到900℃左右，隨后合成氣經(jīng)輸送管、氣體返回室、合成氣冷卻器進一步將溫度降低到350℃左右, 從合成氣冷卻器底部流出。反應(yīng)室產(chǎn)生的熔渣通過氣化爐底部渣口進入渣池，在水浴中急冷并分散成玻璃狀的小顆粒，同渣水排出氣化爐[2]。

 

2 制約煤氣化裝置長周期穩(wěn)定運行因素

制約殼牌煤氣化裝置長周期穩(wěn)定運行的因素很多，其中發(fā)生事故較多、影響較大的因素是 ：(1) 氣化爐渣口嚴重堵渣，迫使氣化爐緊急停車 ；(2) 氣化爐合成氣冷卻器(SGC) 入口積灰嚴重，導(dǎo)致水冷壁換熱效果差 ；(3)SGC 出口溫度高，限制了氣化爐的運行負荷 ；(4) 水冷壁內(nèi)側(cè)結(jié)垢積灰，造成換熱效果差。這些因素，不但會降低了企業(yè)的實際經(jīng)濟效益，還會影響到殼牌粉煤氣化技術(shù)未來的發(fā)展和推廣[3]。所以，需要采取一定的措施，解決其中的問題。

 

3 技術(shù)改造與工藝優(yōu)化

針對以上影響氣化爐長周期穩(wěn)定運行的因素，我們主要從工藝和設(shè)備兩方面解決，通過調(diào)整煤燒嘴角度、增加壓縮機的激冷量、改造SGC 入口反吹結(jié)構(gòu)及增加反吹氣流量、調(diào)整敲擊器敲擊方式及頻率等手段，降低事故發(fā)生的風險。

 

3.1 調(diào)整煤燒嘴角度，降低渣口堵渣風險

殼牌煤氣化技術(shù)采用液態(tài)排渣，通過“以渣抗渣”的原理保護設(shè)備[4]。在原設(shè)計中，氣化爐煤燒嘴插入角度為偏離中心4°，四個煤燒嘴分別從四個方向向氣化爐反應(yīng)室噴入粉煤和氧氣，通過充分接觸燃燒后產(chǎn)生兩股旋流，分別為氣體旋流和熔渣旋流，兩股旋流相互重疊，其中氣體旋流向氣化爐上部輸送產(chǎn)生的氣體和灰分，熔渣旋流在重力作用下從氣化爐底部渣口流出 ；旋流中心溫度較高，即爐溫。如果入爐煤的氣化溫度波動超出氣化操作窗口，則增加渣口堵渣風險。因此，將煤燒嘴角度由原來的4°加大到6° [5]。經(jīng)過改造，改善了反應(yīng)室爐膛內(nèi)的流場，提高了渣口上下對流氣體流量和燒嘴至渣口處的熱量交換，減少了渣口處的熱量損失，提高了換熱效果和渣口溫度，即放寬了氣化操作窗口，降低了渣口堵渣的風險。

 

3.2 增加壓縮機激冷量，降低SGC入口溫度，抑制積灰發(fā)生

在殼牌煤氣化工藝中，合成氣的初步冷卻是在激冷段由濕洗單元的“冷態(tài)”合成氣進入激冷段對剛生產(chǎn)的熱合成氣(1500℃左右)混合后實現(xiàn)的[6]。激冷氣量是由壓縮機轉(zhuǎn)速、氣化爐壓力等因素控制，當氣化爐正常運行時，壓縮機轉(zhuǎn)速和氣化爐壓力均達到工藝控制標準，此時限制流量的關(guān)鍵因素是激冷氣出口管線的孔板流量計(13FT-0008)。在工藝條件不變的情況下，將孔板流量計拆除后激冷氣量提高了8kg/s，滿足了SGC入口溫度需低于[2/3*FT( 煤的灰熔點溫度) ～150℃] 的要求[7]。

 

3.3 改造SGC入口吹灰器結(jié)構(gòu)及增加反吹氣流量，降低十字吊架積灰風險

SGC 由換熱盤管組成，在換熱盤管的較上部經(jīng)常發(fā)生積灰堵塞的現(xiàn)象。飛灰主要容易在SGC 十字吊架托盤、SGC 十字吊架下部盤管和十字吊架下部托盤這3 個區(qū)域沉積。

 

針對SGC 入口的積灰情況，將原設(shè)計的水冷吹灰器，改造成管式吹灰器。原有的吹灰器在十字吊架上部的吹掃范圍是180°，而改造后的吹灰器在蓋板頂部增加中央吹灰器，通過十字吊架吹灰器將氮氣引到蓋板頂部，對蓋板頂部進行吹掃，將吹掃范圍擴大了到360°，降低了蓋板頂部積灰的概率。 吹掃時增加吹掃氣量也能夠顯著改善十字吊架處積灰現(xiàn)象的發(fā)生[8]。將原有的吹掃程序時間間隔由原來的15min 改為30min，且每次吹掃時間由原來的10s改為20s，明顯加強了吹掃效果 ；其次，將吹掃管線上的限流孔板13RO-0032 的孔徑由原設(shè)計26.9mm擴大到34mm，增大了瞬間的反吹氣流量，極大的增強了反吹效果。

 

3.4 更改敲擊器敲擊方式及敲擊頻率，改善水冷壁換熱效果

敲擊器是SGC 的重要設(shè)備之一，主要目的是通過機械敲擊振打?qū)GC 段水冷壁上飛灰敲擊下來，保持氣化爐內(nèi)件水冷壁清潔[9]，從而保證足夠的換熱效率。

 

隨著氣化爐運行時間的增加，水冷壁上的結(jié)垢積灰情況也在不斷的惡化[10]，因此將敲擊器頻率由原來的1 次改為3 次，敲擊方式由較初的74 個敲擊器逐一敲擊的方式改為分成4 組并分別進行敲擊的方式。通過改造，氣化爐內(nèi)件水冷壁上的結(jié)垢速度降低，換熱效率提高，副產(chǎn)蒸汽增多，SGC 出口溫度降低，有效地保障了下游工藝操作。

 

4 結(jié)語

(1) 改變煤燒嘴角度，改善了氣化爐內(nèi)的熱量分布，尤其是減少了燒嘴至渣口處的熱量損失，有效的防止了堵渣現(xiàn)象的發(fā)生 ；(2) 在原有設(shè)計基礎(chǔ)上，取消激冷氣管線上的孔板，使激冷氣量增加了8kg/s，顯著增加了激冷比，控制了SGC 入口溫度 ；(3) 改進十字吊架處吹灰器結(jié)構(gòu)，使吹掃角度由180°改為360°，實現(xiàn)全方位吹掃無死角，托盤位置實現(xiàn)“零”積灰。 通過擴大反吹管線孔板的孔徑，增大吹掃氣量，極大改觀了吹掃效果，減小了積灰概率 ；(4) 通過改變敲擊器敲擊頻率和敲擊方式，加大敲擊器敲擊力度，有效的去除水冷壁上的結(jié)垢積灰，改善換熱效果，降低了SGC 出口合成氣溫度。通過技術(shù)改造和工藝優(yōu)化，大大降低了殼牌氣化爐出現(xiàn)事故的風險，有效地保障了整個氣化裝置長周期穩(wěn)定運行。