壳牌下行水激冷煤气化装置长周期运行瓶颈探讨

　　摘要:针对壳牌下行水激冷煤气化装置长周期运行的瓶颈进行分析和预判，并根据影响长周期运行的问题提出相应的整改措施和建议，为壳牌下行水激冷煤气化装置的“安稳长满优”运行提供一定的参考.

　　关键词:壳牌;煤气化装置;下行水激冷;瓶颈

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　　这篇环境保护论文发表了煤气化工艺清洁生产与环境保护，煤炭燃料在火力发电中占有了极大的比重，但是煤炭的燃烧率低是对资源的极大浪费，论文对目前常见的煤气化工艺进行了简单概述，介绍了煤气化工艺，实现煤气化工艺的清洁生产，助力我国可持续发展战略的实施。

　　壳牌煤气化工艺开发始于1972年，从1978年至1983年，在壳牌公司德国汉堡炼厂开始运行250~400t/d的示范装置.基于不同的煤种特性和客户的不同需求，壳牌已经开发了3种类型的煤气化炉:废锅流程工艺、合成气上行水激冷和合成气下行水激冷流程工艺，2012年10月在南京工业园区建成第一套下行水激冷示范装置，2017年5月至11月创造了201天A级运行纪录.呼伦贝尔金新化工有限公司(以下简称金新化工)于2014年1月启动原料及产品结构调整技术改造项目，引进一套有效气(CO+H2)60000Nm3/h的壳牌(Shell)下行水激冷煤气化工艺气化炉，新增壳牌煤气化装置及相关公用工程装置、关联工艺装置，该装置于2015年10月完成机械竣工，2016年6月18日一次性投料试车成功产出合格粗煤气，2016年10月完成装置性能考核测试，截至2017年11月30日，金新化工壳牌下行水激冷煤气化装置已累计运行437d(连续运转率82.5%).

　　1制约本装置长周期运行的问题

　　对于首套壳牌下行水激冷技术工业运行装置，工艺设计、工程施工、工艺控制、仪表设备状况、气候环境等均会影响装置运行的稳定性.通过几年时间(自2016年6月运行至今)的运行检验和总结，影响气化炉长周期运行的主要问题集中于煤粉加压输送系统、气化炉顶部爆破片、气化炉渣池积渣、灰水系统管线/设备结垢和技术消化吸收等，同时，这几个问题也是壳牌下行水激冷煤气化的关键工艺技术，下面将分别进行叙述.

　　1.1高负荷运行粉煤给料紧张

　　为了实现粉煤连续加压进料，粉煤气化采用锁斗加压.每台粉煤储罐底部都设有充气锥和管道充气器，目前，充气锥大多采用烧结金属件.由于材质的限制，为满足透气性要求，充气锥一般按承压1.5MPa(g)设计.实际运行过程中，由于上游氮气压力的波动以及粉煤放料顺控的欠缺，放料罐通气锥承受压差常常超过设计值，容易造成通气锥或管道充气器的破裂，影响粉煤的加压、除桥，易造成放料不畅[1].如果下料不畅，消架桥则较为频繁，易造成相关煤线及氧煤比波动较大，此外，粉煤放料不畅会导致放料周期延长，也造成了放料能力的不足，气化炉高负荷运行情况下较为显著.

　　1.2爆破片使用寿命受限、影响因素多

　　在壳牌下行水激冷气化炉正常运行过程中，主要通过调节安全水封水量(满水高度为1500mm)、顶锥吹扫气量(13FI0059)、环隙吹扫气量(13FIC0153)维持气化炉反应室与炉膛内部压差的平衡(正常波动范围2~20kPa)，当气化炉反应室的压力大于环形空间压力15kPa，水封中的水就会向上压出，合成气窜入环形空间.反之，环形空间的气体会进入合成气系统.此外，为了防止安全水封堵塞或下渣口堵塞导致内外压差过大，造成气化炉关键内件(膜式水冷壁、烧嘴金属膨胀节)挤压变形或损坏，在气化炉顶锥设置了顶部安全泄放装置(因爆破片安装在气化炉A4内人孔，更换必须停炉降温置换)，因此，调控气化炉内外压差平衡，对气化炉的稳定、长周期运行起着关键作用.自2016年6月首次试开车以来，已发生两次气化炉顶部爆破片损坏，直接导致环隙空间温度高高ESD联锁停车，此外，运行一定周期后，对爆破片进行检查，发现均有不同程度的变形或损坏，其中气化炉最长运行周期120.44d，最短运行周期24.32d，爆破片损坏.

　　1.3渣水系统管线/设备结垢严重

　　壳牌下行水激冷气化炉气化区反应生成的合成气、渣、飞灰和未反应的残碳通过气化炉底锥、下渣口、下降管进入渣池中被(粗细喷嘴喷淋水、渣池渣水)激冷到190~220℃，被水激冷后的粗合成气进入文丘里洗涤器和湿洗塔进一步洗涤后送往变换装置.在保持渣池液位稳定的情况下，将渣水、未沉淀的细渣排放至灰水处理单元，经二级闪蒸、冷却、沉降/分离处理，大部分灰水经机泵加压或除氧后再加压作为洗涤水、喷淋水、激冷水或系统循环补水.同时，为了减少灰水系统循环过程中钙镁离子沉积和稀释氯离子，需向系统中补入一定量新鲜水，保持恒定的外排水量(设计排放量:28t/h).通过一年多的运行，多次检修期间均发现灰水系统管道、设备结垢或积渣严重，对设备安全运行造成较大的威胁，主要集中在激冷环挂渣、下降管结垢、气化炉渣池积渣、气化炉出口至湿洗塔合成气管线结垢、E1701灰水侧换热管结垢、V1701、V1702底部积渣、E3401灰水侧换热管结垢等.

　　1.4工艺技术未完全消化吸收

　　2016年6月至2017年11月30日间壳牌煤气化下行水激冷煤气化装置共计停车14次，其中计划停车4次(比例28.57%)，设备/仪表造成停车4次，工艺操作引起停车6次(比例达到42.85%).通过历次停车比例可明显看出，工艺操作人员对新装置、新工艺、新技术的消化吸收还需要进一步加强.

　　2下一步改进措施和改进建议探讨

　　针对壳牌下行水激冷煤气化装置存在的问题，本装置的项目建设、开车运行过程中，在抓好设计、施工源头，确保仪表、设备运行正常的基础上，已通过历次开停车总结、运行过程总结、事故总结等积极地进行技术改进，解决了不少危及生产的紧急问题，并通过摸索煤线煤量计量不准对气化炉运行工况的影响、优化调整气化炉环隙/顶锥吹扫气及安全水封水量，逐步提高了装置连续运行时间.因此，从根本上解决壳牌下行水激冷气煤化工艺装置存在的问题，并防止新问题的出现，必须进一步研究如何改进影响装置运行的可行措施并组织实施.

　　2.1确保粉煤放料顺畅和优化下料顺控

　　优化粉煤加压进料过程，确保各路充压氮气的均衡，可保证粉煤处于流化状态，也是保证粉煤放料顺畅的关键所在.同时，优化Shell粉煤放料顺控，合理分配各路氮气流量，并稳定上游氮气压力和加压氮气的流量.下面列举可优化的方向及建议.(1)择机将金属烧结材质笛管、充气锥、充气器更换为多孔板材质，减少设备故障/损坏对系统充气、布气的影响.(2)进一步加强与设计院、布袋厂家沟通协调，通过调整顺控逻辑和更改合适限流孔板尺寸，逐步优化V1204泄压速率，减少或排除V1204泄压造成S1201内件损坏的概率.(3)根据气化炉实际运行负荷，及时调整V1205料位低报警值，满足气化炉用煤负荷需求情况下，尽量减少煤粉在V1204停留时间，降低煤粉加压压实的风险.

　　2.2优化爆破片

　　通过总结历次开停车和运行经验，可知影响爆破片使用寿命的关键因素为13PDI0065显示是否准确和稳定、气化炉顶锥工况(热负荷)是否稳定.分别对这两个关键影响因素采取如下措施，尽量延长爆破片的使用寿命.

　　2.2.1如何确保13PDI0065的准确性和稳定性

　　(1)每次停车检修必须对气化炉顶锥导压管入口、安全水封、下渣口进行疏通处理和导压管检漏测试.(2)每次检修结束开车前对气化炉压差表(13PDI0065/66/72)进行零点校验，并且通过13PDI0066与13PDI0072差值，对比13PDI0065是否显示准确.(3)气化炉正常运行时稳定安全水封供水量3.0±0.5kg/s、渣池液位33±2%、顶锥吹扫气量0.05kg/s，通过调整环隙吹扫气量，确保气化炉压差13PDI0065在2~20kPa范围内波动.(4)当环境温度<5℃(当日最低温度)，主动将气化炉顶锥仪表吹扫气由二氧化碳切换为氮气，避免干冰堵塞导致吹扫气量减少对该测点显示不准确.(5)考虑到气化炉压力波动是导致压差波动的主要原因，需要继续优化16PV0008B阀门PID参数和稳定变换系统的压力(即优化BGL3台炉加煤的时间)，减少气化炉压力波动对压差(16PDI0065)的影响频次.

　　2.2.2如何稳定气化炉顶锥工况

　　(1)控制气化炉加减负荷速率:当气化炉氧气负荷6.0~7.0kg/s，加减负荷按照0.1~0.2kg/s;氧气负荷>7.0kg/s时，每小时加减负荷幅度不得大于0.15kg/s.(2)当发生1个烧嘴跳车时，必须待顶锥水汽密度稳定后才能加负荷操作;如果此时单烧嘴负荷大于1.8kg/s，建议不加负荷或降低加负荷幅度(每小时加负荷幅度不得大于0.1kg/s).(3)气化炉正常运行时，控制适当高的热负荷(>0.39MW)，以降低顶锥渣层厚度，避免系统波动时发生顶锥厚渣层脱落.(4)优化石灰石添加系统运行，确保稳定的石灰石输送量.

　　2.3如何延长设备使用周期

　　壳牌下行水激冷煤气化技术产生的黑水中溶有一定量的腐蚀性气体(H2S、CO2和O2)，同时还伴有容易沉降的Ca2+、Mg2+，且处于碱性环境中(灰水系统pH值在8~9之间波动)，当这些条件同时存在时容易造成设备、管道结垢.为了将结垢速率降低到最低限度，建议采取如下措施逐步改善灰水系统的运行.(1)加强灰水系统加药量的调整和监控，确保灰水浊度<50mg/L，总磷含量5~20mg/L，缓解系统结垢速率.(2)继续加强与灰水处理药剂厂家沟通、协调，继续调整药品配方，优化和改善P1705出口灰水水质(COD、SS、浊度、氨氮).(3)通过调整灰水处理药剂配方、增大V1703闪蒸量、减少石灰石添加量、适量添加硝酸等措施，降低灰水系统运行pH值(建议pH值控制范围6.5~7.5).(4)综合考虑对管道腐蚀小、成本低、效率高的除垢方法，建议新增一套在线化学清洗系统.(5)保证最低流量>33kg/s，缓解激冷环周围积渣，不定期增大渣池补水阀开度(13HV0036)，加强渣池搅动，防止渣池积渣.

　　2.4加强工艺培训和技术消化吸收

　　作为一套连续性生产的大型化工装置，对工艺人员要求较高，必须具有扎实的工艺技术理论知识和熟悉现场工艺流程，方能为正常生产过程中的异常工况进行分析、判断并及时采取处理措施.为了确保所有的工艺操作人员都具备相应岗位的工艺操作技能，应采取如下措施加强壳牌下行水激冷煤气化技术的培训和技术消化吸收:①制定具有针对性的技术培训计划，培训内容应尽贴切实际生产、图文并茂;②分岗进行技术培训，并落实培训责任人;③加强工艺技术培训，培训结束一周内抽查培训效果;④采取多种培训方式继续做好后备人才的培训、培养.

　　3结语

　　通过总结分析制约壳牌下行水激冷煤气化装置长周期运行的瓶颈，可知影响壳牌下行水激冷煤气化装置长周期运行的问题主要集中在给料系统的优化控制、气化炉爆破片的保护和灰水系统水质改善等关键工艺技术的消化、吸收及改进.为了解决这些问题，首要任务应加强操作人员的培训，培养操作人员分析、处理问题的能力，以便更好地指导工艺生产;其次，择机进行煤粉输送系统设备改造，确保系统运行的本职安全;此外，应继续加强灰水系统水质改善和气化炉专利部件(煤烧嘴、粗细喷嘴)使用周期的研究，减少设备、管线的冲刷、磨蚀、结垢超温损坏等，尽早实现装置长周期(A级连续运行200d)、安全、稳定运行.

　　参考文献:

　　[1]徐国壮，周红军，周广林，等.Shell粉煤气化装置主要运行问题的分析[J].煤化工，2010(3):15G19.