邢俊峰(中國(guó)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(guó)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(guò)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(duì)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(guò)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(zhǎng)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(duì)解決我國(guó)煤炭利用過(guò)程中存在的資源與環(huán)境問(wèn)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(wàn)噸級(jí)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(lái)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(zhǎng)滿優(yōu)運(yùn)行。

1 Shell煤氣化技術(shù)簡(jiǎn)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(guò)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??；

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(wú)耐火磚襯里，維護(hù)量較少，氣化爐內(nèi)無(wú)傳動(dòng)部件，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)；

氣化爐采用多個(gè)燒嘴，成雙對(duì)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(guò)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(jiǎn)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(guò)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(lái)的280℃合成氣經(jīng)HpHT飛灰過(guò)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(lái)自飛灰過(guò)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(guò)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(jiàn)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(jí)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(wèn)題，嚴(yán)重制約氣化爐長(zhǎng)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(guó)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。可見(jiàn)合成氣冷卻器積灰問(wèn)題是Shell煤氣化工藝中普遍存在的問(wèn)題。

合成氣冷卻器積灰給裝置正常生產(chǎn)帶來(lái)諸多問(wèn)題:1)合成氣冷卻器處積灰后會(huì)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(duì)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(huì)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(lái)隱患，副產(chǎn)蒸汽溫度不達(dá)標(biāo)，無(wú)法并網(wǎng)，造成浪費(fèi)。3)其次氣化爐壓差高會(huì)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(guò)長(zhǎng)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(duì)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(huì)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(huì)（Comité Champagne）會(huì)長(zhǎng)文佩森時(shí)候也曾談到，香檳市場(chǎng)的崛起中侍酒師群體對(duì)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(duì)終端消費(fèi)者的消費(fèi)指引及教育，對(duì)于香檳在亞洲市場(chǎng)上的銷售發(fā)展有著重要意義。亞洲人對(duì)香檳的口味是有接受基礎(chǔ)的，對(duì)于終端消費(fèi)者的葡萄酒教育也是未來(lái)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(huì)越大，合成氣冷卻器積灰風(fēng)險(xiǎn)越小。通過(guò)以上分析可以看出原煤的成分和特性對(duì)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(zhǎng)氣化爐的運(yùn)行周期。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，各生產(chǎn)企業(yè)都在通過(guò)配煤來(lái)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(duì)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(guò)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(wèn)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(huì)有所降低，飛灰中熔融組分會(huì)相對(duì)減少，但是較低的操作溫度可能會(huì)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(huì)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(guò)高的爐溫可能會(huì)對(duì)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(huì)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(huì)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(huì)增大，伴隨著粗合成氣的溫度也會(huì)升高，在其他條件不變的情況下，飛灰的黏度會(huì)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(guò)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(huì)越來(lái)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(guò)調(diào)節(jié)合適的氣化爐負(fù)荷來(lái)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(lái)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(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐證明，提高敲擊器的敲擊頻率對(duì)消除氣化爐的積灰效果不明顯，相反過(guò)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(guó)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(lái)自飛灰過(guò)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(guò)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(huì)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(huì)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(cè)試的幾組數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)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(guò)熱段壓差也偏低。(表2)

經(jīng)過(guò)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(guó)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(guò)對(duì)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(wèn)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(wèn)題，消除目前制約我公司shell氣化爐長(zhǎng)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(kāi)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(guò)不斷提高激冷氣氣量，增大激冷比，來(lái)真正解決合成氣冷卻器積灰問(wèn)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(duì)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(guó)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(duì)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(jí)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(guò)高于工作轉(zhuǎn)速15%的超速試驗(yàn)，整個(gè)轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)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(guò)測(cè)量對(duì)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(guò)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(guò)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(huì)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(guò)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(duì)比測(cè)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(wú)法達(dá)到原設(shè)計(jì)的5733rpm，所以激冷氣量也無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值。經(jīng)過(guò)咨詢?cè)O(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(zhǎng)期運(yùn)行，當(dāng)1570rpm時(shí)超過(guò)額定轉(zhuǎn)速約4.5%左右，理論上可以長(zhǎng)期運(yùn)行，但是必須加強(qiáng)對(duì)電機(jī)溫度的監(jiān)測(cè)。同時(shí)應(yīng)對(duì)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(guò)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(huì)出現(xiàn)變頻器過(guò)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(wèn)題，第一，計(jì)算高溫高壓飛灰過(guò)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(duì)輸氣導(dǎo)管以及飛灰過(guò)濾器分配管磨損的問(wèn)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(zhǎng)周期高負(fù)荷運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

合成氣冷卻器積灰問(wèn)題是困擾Shell煤氣化生產(chǎn)裝置長(zhǎng)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(guò)以上分析對(duì)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(huì)升高，同時(shí)激冷比會(huì)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(wèn)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(shí)。對(duì)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(wèn)題，從而保障氣化爐長(zhǎng)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).