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        殼牌氣化爐合成氣冷卻器結(jié)垢分析

        2018-09-20 12:04:04郭小杰
        山東化工 2018年17期

        郭小杰

        (同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司,山西 大同 037000)

        殼牌粉煤加壓氣化爐具有單臺投煤量大,環(huán)境友好,碳轉(zhuǎn)化率高,煤種適用廣泛等優(yōu)勢,備受國內(nèi)煤化工行業(yè),發(fā)電行業(yè)推崇[1]。隨著各個(gè)項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)逐漸豐富,尤其掌握了配煤技術(shù)和苛刻的對煤種種穩(wěn)定性要求,克服了燒嘴罩頻繁泄露,飛灰過濾器濾芯損壞,合成氣冷卻器入口積灰,氣化爐反應(yīng)室堵渣等問題,連續(xù)運(yùn)行百天,年累計(jì)運(yùn)行三百天以上已達(dá)到常態(tài)化。目前看來,合成冷卻器結(jié)垢問題越來越突出,成為制約裝置穩(wěn)定,高負(fù)荷運(yùn)行的最大制約因素。從目前國內(nèi) Shell 氣化爐運(yùn)行情況來看,合成氣冷卻器積灰問題已經(jīng)在神華、柳州、安慶、洞氮、大同[2]等多個(gè)廠家中出現(xiàn)。

        以某山西大同60萬t/a,甲醇項(xiàng)目為例,以2017年全年為例,在氣化爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),因合成氣冷卻器結(jié)垢被迫降低氣化爐負(fù)荷高達(dá)12天。占全年運(yùn)行天數(shù)的3.78%。如何減少飛灰在合成氣冷卻器換熱管表面結(jié)垢,成為殼牌用戶急需解決的問題。

        1 殼牌氣化爐的結(jié)構(gòu)形式

        1.1 氣化爐全景三維結(jié)構(gòu)形式

        圖1 殼牌氣化爐三維圖

        殼牌氣化爐由反應(yīng)室,激冷區(qū)(激冷管和輸氣管),氣體返混室(GRC),合成氣冷卻器(SGC)組成。

        1.2 合成氣冷卻器的結(jié)構(gòu)形式

        圖2 殼牌氣化爐合成氣冷卻器示意圖

        合成氣冷卻器水冷壁的管束是用不同直徑的管組裝而成的,纏繞成圓筒,每一圓筒管長按大約250mm逐步縮小。每個(gè)圓筒由確定數(shù)量的水管組成。單個(gè)圓筒之間相互插入,用支撐結(jié)構(gòu)固定,以允許每個(gè)圓筒向下自由膨脹。水從圓筒水管的下部進(jìn)入,上部流出。

        從上往下看,一共有四個(gè)換熱器:

        過熱中壓蒸汽換熱器1個(gè),中壓蒸汽換熱器3個(gè)。

        在粗合成中氣體中含有部分飛灰,所以在合成氣冷卻器水冷壁管束區(qū)域極易結(jié)垢,這將導(dǎo)致合成氣冷卻器冷卻效率大副下降。

        為了防止灰集聚現(xiàn)象發(fā)生,在合成氣冷卻器的各段都分布有74個(gè)氣動振打裝置,來保持水冷壁清潔。

        圖3 合成氣冷卻器盤道分布圖(從上往下看)

        2 合成氣冷卻器結(jié)垢的表現(xiàn)

        氣化爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),53萬Nm3/h,4.0MPa,650~710℃粗合成氣帶著約2 t/h飛灰穿過合成氣冷卻器后,溫度達(dá)到300℃左右。

        合成氣冷卻器一旦結(jié)垢,氣化爐的出口溫度由正常300℃左右,升高并持續(xù)處于340~360℃左右。振打裝置正常振打,但是效果不明顯。合成氣冷卻器整體換熱效果變差,吸熱后的水蒸發(fā)量減少。由36 kg/s左右降至30 kg/s以下 。

        3 合成氣冷卻結(jié)垢原因分析

        3.1 氣化爐漏水對合成氣冷卻器結(jié)垢的影響

        采集了2017年9月6日到2017年9月14日的氣化爐運(yùn)行數(shù)據(jù)。使用同一批次煤種,煤質(zhì)穩(wěn)定。氧氣負(fù)荷為22.5 kg/s,振打器運(yùn)行正常。分別分析了氣化爐反應(yīng)室漏水情況與合成氣冷卻器結(jié)垢的相關(guān)性。

        圖4 合成氣冷卻器結(jié)垢情況

        圖4中可以看出,從9月6日到9月14日期間,經(jīng)過合成氣冷卻器換熱后的粗合成氣溫度由290.6℃升高至342.5℃,升高了50.1℃。9月7日,8日9日,分別粗合成氣溫度升高速率為7.8℃/天,5.7℃/天,1.5℃/天。9月10日,11日粗合成氣溫度升高速率為15.9℃/天,13.5℃/天,9月12,13,14日溫度保持平穩(wěn)。結(jié)論:合成氣冷卻器的換熱效果逐漸變差。

        圖5 合成氣冷卻器結(jié)垢—蒸汽產(chǎn)量

        圖5中可以看出,從9月6日到9月14日期間,經(jīng)過合成氣冷卻器換熱后的水蒸氣的產(chǎn)量由35.1kg/s降低至29.3kg/s,降低了5.8 kg/s。水經(jīng)過合成氣冷卻器與粗合成氣熱交換后,吸收熱量變?yōu)檎羝?。蒸汽量降低表示水吸收的熱量變少了。合成氣冷卻器換熱效果變差。

        圖6 氣化爐泄露水量

        圖6中可以看出,從9月6日到9月14日期間,泄漏到氣化爐的水量逐漸增加。由最初的16.9 t/h增加至24.8 t/h,并保持平穩(wěn)。增加了8.2 t/h。氣化爐泄漏量增加后,保持平穩(wěn)。

        圖7 氣化爐反應(yīng)室泄露

        圖7中可以看出,從9月6日到9月14日期間,粗合成氣中的H/C(氫氣和一氧化碳的比值)比值,逐漸升高,即合成氣氫氣含量增加,是由于水泄漏到氣化爐反應(yīng)室內(nèi)部,在1500℃左右下分解為氫氣,氫氣含量增加,同時(shí),氧氣含量也增加。氧氣含量增加,與一氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成二氧化,合成氣中的一氧化碳含量減少,二氧化碳含量增加。

        拆開氣化爐后,發(fā)現(xiàn)燒嘴罩有孔,見圖8。

        圖8 氣化爐反應(yīng)室燒嘴罩圖片

        3.2 煤炭的灰中組分,對合成氣冷卻器結(jié)垢的影響

        數(shù)據(jù)采集了2018年2月24日到2018年3月4日的運(yùn)行數(shù)據(jù)。采用不同批次煤種。氧氣負(fù)荷為22.5 kg/s,氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定,無漏水跡象。分別分析了煤灰組分中的鉀鈉含量與合成氣冷卻器結(jié)垢的相關(guān)性。

        2018年2月24日到2018年2月28日的采用一個(gè)批次的煤種;

        2018年2月28日到2018年3月4日的采用另一個(gè)批次的煤種。

        圖9 煤粉的灰中組分鉀鈉含量變化

        圖9中可以看出,從2月24日到3月4日期間,煤炭中灰組分中鉀鈉含量由0.5%增加至2.77%,后降低至0.64%。灰組分中鉀鈉含量的變化表明,2018年2月24日到2018年2月28日期間煤質(zhì)發(fā)生變化。2018年2月28日到2018年3月4日期間更換煤種后?;医M分中鉀鈉含量逐步降低,表明煤質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)好。

        圖10 合成氣冷卻器結(jié)垢情況

        圖10中可以看出,從2月24日到3月4日期間,經(jīng)過合成氣冷卻器換熱后的粗合成氣溫度(13TIZA-0018)由301.7℃,先升高至339.9℃,更換煤種后,13TIZA-0018降低至312.5℃。氣化爐未漏水,氣化爐負(fù)荷穩(wěn)定,合成氣冷卻器的換熱效果逐漸變差,更換煤種后,換熱效果變好。

        煤炭中鉀鈉含量的升高,使飛灰的固化困難,增加飛灰的粘度。

        結(jié)垢機(jī)理:熱的飛灰顆粒因?yàn)楣袒粔?,粘度增加,粘結(jié)在合成氣冷卻器換熱管外壁上,導(dǎo)致?lián)Q熱效果變差。垢層表面溫度進(jìn)一步升高,更多粘的飛灰將堆積在此,結(jié)垢層進(jìn)一步增加。

        煤粉和氧氣進(jìn)入氣化爐反應(yīng)室后發(fā)生轉(zhuǎn)化和氧化反應(yīng),生成CO、H2并放出大量顯熱,出氣化爐反應(yīng)室的合成氣溫度在1500℃左右,在激冷段與激冷氣壓縮機(jī)K-1301來的200℃的合成氣1.03∶1混合,溫度降低至900℃左右,并通過傳輸段、返回室后進(jìn)入合成氣冷卻器。合成氣冷卻器內(nèi)部為8圈的盤管換熱器,中心處為直徑96cm的托盤,有利于分散合成氣全部通過盤管換熱。

        在合成氣冷卻器處,合成氣通道有效通過面積減小,如果飛灰粘性較高,易附著于盤管換熱器表面和中心托盤之上,飛灰粘性持續(xù)高狀態(tài),則飛灰形成層層累積,加之原料煤煤質(zhì)的變化,形成年輪狀積灰,長時(shí)間之后造成合成氣冷卻器換熱效果變差。

        4 結(jié)論

        氣化爐反應(yīng)段進(jìn)水或者燒嘴罩泄漏;會導(dǎo)致合成氣冷卻器結(jié)垢加劇。添加蒸汽的工廠,可采取少加或不加蒸汽的方式,改善合成氣冷卻器結(jié)垢情況.更換鉀鈉含量低的煤煤炭,可以緩解合成氣冷卻器結(jié)垢,建議鉀鈉低于1.5%。粗合成氣中的H/C比值升高,可判定氣化爐反應(yīng)室泄露水。

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