Shell煤气化长周期运行的总结与探讨

戚继涛(中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司煤气化中心,内蒙古 鄂尔多斯 017209)

鄂尔多斯煤制油分公司选用Shell干粉煤气化技术，其任务是为煤液化装置和液化油提质加工装置提供氢气。两套煤气化装置平行布置，设计日投煤量为2000 t，设计具有完全相同的制氢能力。

1 气化炉的自身缺陷

1.1 煤种使用受限

多个厂家的生产运行的实际表明，并不是任何单一的煤种都能运用于Shell煤气化工艺。选用灰熔点低、活性好、灰分含量在8%-20%、水分含量在5%-10%、适合Shell气化的良好煤种，才能有效保证气化炉长周期安全运行。

1.2 烧嘴罩易泄漏

Shell气化进料的煤烧嘴设计为两通道进料。中心通道进料为粉煤，由载体气（氮气）加压输送喷出，环隙通道进料为氧气或氧气和蒸汽混合体，由外管网输送喷出。实际生产中，氧气和蒸汽的混合为均相流，其流量相对来说是比较容易控制的；而煤粉输送为气固混相流，其固体物的流量、流速相对来说较难控制，出现波动在所难免，难以稳定控制的结果将导致氧煤比在瞬间失衡，失衡的差异会导致煤粉燃烧不充分或燃烧过氧。

1.3 “十字架”冷却器积灰

目前国内运行Shell煤气化工艺的公司，普遍经历过十字架冷却器积灰问题，导致生产停止。造成十字架冷却器积灰的原因有：煤种及配煤问题、负荷较高的情况下激冷气量不足、氧煤比失调超温等。实际运行中，供煤煤质的不稳定是影响合十字架却器积灰的主要因素。

壳牌公司对于此问题的分析为：由于煤中飞灰的固化温度不一致，有部分飞灰在气化时未能固化，在通过十字架冷却器后温度进一步下降,部分有黏性的飞灰在十字架冷却器上挂壁结垢，使得换热效率降低，最终形成超温。通过配煤或添加剂改变煤中灰的固化温度，以防止结垢，或者通过循环压缩机叶轮扩能来增加压缩机激冷气量，降低激冷后合成气的温度来改善此情况。

2 煤粉输送的一致性及稳定性

2.1 煤粉输送的一致性分析

在Shell粉煤气化工艺中，由于固体悬浮物的不规则流动性及操作的实际，一般采用中压载气气力经输煤管道输送，而准确测量输煤管道进料粉煤质量流量是Shell粉煤气化装置实现长周期稳定运行的关键。

四条输煤管道内的粉煤依靠中压氮气进行密相输送，由于气固两相非均相流的特殊性，每条输煤管道内的粉煤流量无法直接测量，是通过测量管道内粉煤速度和密度，再通过温压补偿及输送管道的管径计算得出。输煤管道上的不同仪表、阀门往往导致粉煤计量不够准确，因此在开车前需对输煤管道上更换或维修的密度、速度等计量仪表进行校正、标定，以实现气化炉总控制氧煤比一致的目的。

2.1.1 磨煤单元制出合格煤粉，颗粒大于90μm＜10%，颗粒小于5μm＜10%，水分含量为＜3%；

2.1.2 四条煤粉管线按要求投用伴热，要求温度大于80℃。鄂尔多斯煤制油公司原设计为每条煤线一根低温电伴热，因无法满足煤粉稳定的要求，技改在每条煤粉管线上增加了一根高温电伴热。

2.1.3 由于四条煤粉供料由对应的两个煤粉贮仓供料，两个贮仓称重仪存在的偏差不一致，导致煤循环标定不一致，建议将煤循环标定改在同一煤粉贮仓进行（见图一），以实现在同条件下煤粉输送的一致性。

2.1.4 粉煤流量标定，需在单位时间段（大于30分钟）内煤粉输送稳定，如果该时间段内煤粉稳定性较差，须重复该稳定数据采集。

2.1.5 煤粉测量的重复性好。模拟煤粉给料仓与气化炉保持一定压差下，煤粉以不同负荷经输煤管道送至煤粉贮仓中，修正单位时间内煤粉贮仓增加量与输煤管道煤粉累积量，得出归纳公式。

2.1.6 煤循环的准确性确定。对循环修正后计算出来的煤流量按实际生产中运行的常用负荷进行实际数据验证，以确定该负荷生产运行下的煤量偏差为最小。

2.2 煤粉输送的稳定性分析

Shell煤气化炉的炉温控制是以进入气化炉的氧气量不变，通过生产控制的氧煤比来决定进入气化炉的煤粉量的多少来实现的，煤粉的进料量决定气化反应。由此可见，煤粉流量的准确、稳定对煤粉加入量、气化效率等起到决定性的作用。

2.2.1 通过煤粉给料单元的充泄压阀门的PID参数优化，解决控制滞后的问题，减少煤粉给料仓压力常规PID调节时间对气化炉压力波动的影响，降低粉煤锁斗罐与给料罐连通时的压力波动，同时避免与除桥造成的压力波动重叠；

2.2.2 通过煤粉给料单元的顺控逻辑优化，在顺控中设置阀门预置阀位，降低粉煤锁斗罐架桥除桥时的压力波动；

2.2.3 提高粉煤系统伴热等级，以提高伴热温度，解决煤粉中水分析出造成的板结、架桥现象，保证下料顺畅。

因此，使用Shell煤气化工艺的企业，应在投料试车阶段及生产运行阶段对煤粉管线输送的一致性及稳定性引起重视，流量一致及稳定的运行对烧嘴及烧嘴罩的长周期运行有很大好处。

3 气化炉系统的运行控制

3.1 原煤质量的控制

Shell气化炉的正常运行需对原料煤的供煤稳定引起足够的重视，检验分析的准确性及及时性是掌握原料煤变化情况的重要保障。煤灰分的熔融性决定着粉煤气化的温度，在一定时间间隔内及时对制出的煤粉取样分析，才能掌握进炉煤粉的指标参数，最终为气化炉的生产运行控制提供有效的操作依据；灰分的突然变化增加了十字架冷却器积灰及渣口积渣的风险，影响稳定生产。因此把控好原料煤供应，有利于Shell气化炉运行稳定。

3.2 气化炉炉温的控制

气化炉炉温无法直接测量，需通过气化炉间接指标、激冷段等多个测温点、合成气组分含量及各相关指标的复杂计算近似得出。过高的炉温，既影响合成气的有效成分、降低气化效率，又能导致气化炉煤烧嘴、烧嘴罩、水冷壁等设备内件高温烧蚀损坏，导致水汽泄漏至炉膛。长期低温操作，由于渣的流动性变差，将在渣倒锥处形成较厚的挂渣，最终在渣收集器中形成架桥，导致堵渣。

长周期下气化炉炉温的控制的原则为在保证液态排渣的前提下尽可能保持相对较低的温度，排渣时应及时观察渣的形态，以参考指导炉温控制。炉温调整需保证炉膛的温度不会出现大幅度的波动，氧煤比的K3值应按15分钟内不超过0.005的速率进行限速控制。

因此，炉温控制影响煤粉的气化率、水冷壁的使用周期及气化系统的稳定，监控好气化炉各段的温度指示，当局部热偶损坏时，可通过各换热设备后的热偶温度差及工艺气成分的变化来综合判断。

3.3 加减负荷的控制

加减负荷时不可大幅度操作，而应小幅匀速进行操作，将负荷控制器的升降速率由设计的432千克/分调整至36千克/分，这样平稳的工况可有效吸收小幅度的波动。

3.4 气化炉压力的控制

气化炉压力的高低，是决定煤线速度能否达到较高及烧嘴与气化炉压差的一个主要指标。当系统压力波动幅度不大时，可小幅度进行微量调整或不调整；如果波动幅度过大时，应根据速度及炉温对煤线进行干预。

3.5 排渣系统的操作

排渣系统是将气化炉产生的粗渣定时排出。在正常生产中，操作员可根据渣系统运行时的液位、差压、流量、电流及皮带称重仪等一些参数判断堵渣或其他异常工况。当排渣系统出现故障时，及时的发现和处理是很重要的。

若有堵渣发生，采取上顶下压法破除，以实现连续运行。鄂尔多斯煤制油公司在渣锁斗罐下渣堵渣处做过技改，将循环水泵来低压水改至渣锁斗罐下部，若排渣不利时，可采取开启循环水泵来低压水反冲的方法以疏松架桥，再适当带压排渣的方式消除渣架桥。

采用气化炉相对低温操作模式后，导致粉煤气化效率有所下降，灰、渣中碳含量上升，细渣较多。细渣悬浮于渣收集器，不易被排出，由此造成渣水循环泵蜗壳及叶轮等磨蚀较重、频次较高，潜在泄漏不可控风险，制定定期切换检查渣水泵机制，杜绝泄漏发生。

3.6 飞灰过滤器的优化

配煤生产后，过滤器设计负荷偏小，且运行强度稍差。通过试用，技改将陶瓷滤芯升级为铁铝合金滤芯，提高了生产波动时的强度；

高压反吹阀门供气由气化炉激冷段及飞灰过滤器共同供气，改造为飞灰过滤器单独供气，避开反吹用氮的冲突及解决反吹压力不足的现象，有效保证了反吹效果。

3.7 洗涤塔的运行控制

严格控制洗涤塔pH值，防止盐份、灰分等结垢。若结垢一旦形成，将导致文丘里及填料阻力增加，结垢物的脱落，经循环后堵塞喷淋管及喷淋头,影响整个喷淋水洗效果，为此优化改造将喷淋管的孔径适当扩放，以减缓堵塞及延长使用周期。

3.8 AUGRS阀门双阀憋压

双阀憋压的主要原因可能是填料泄漏、阀体密封泄漏、阀体外漏以及连接件松动等情况，常有的故障现象为轴断、执行机构齿轮齿条、连接件损坏等。

AUGRS阀门为浮动球球阀，在有压力作用下，球体能产生微量的位移并紧压在出口端的密封面上，保证出口端强制密封。优化改造将消除憋压现象，使阀门在压力均衡下开启。

4 气化废水的排放控制

面对依然严峻的环保形势，加强环境保护和污水治理，是势在必行。

采用气化炉相对低温操作模式后，导致粉煤气化效率下降，滤饼产量明显增加。由此带来的废水处理问题已逐步显现、暴露，若不能有效改善及合理的消除，必将是长周期运行中又一绊脚石。

4.1 气化废水异常原因

4.1.1 细渣量较大。

4.1.2 沉降槽内沉降空间不足。

4.2 气化废水异常处理

4.2.1 依生产周期，可周期性的间断提高操作炉温，减少细渣量，同时适当熔融渣屏的挂渣，以减薄其积渣的厚度，以防堵渣的风险；

4.2.2 加大滤饼排出量，及时排出由于各环节影响泥浆排出工作进行而延误积攒的滤饼，以保证进出滤饼量平衡；

5 结语

笔者认为以上措施是气化炉长周期稳定运行的关键，同时渣水、合成气所涉及的设备、管道的磨损和腐蚀及运行中的一些不可控因素也是影响长周期的因素。因此对停炉检修也提出了更高的要求，高质量的停炉检修，是气化炉长周期稳定运行的前提。即在正常运行期间对气化工况进行正确控制，在停炉检修期间对装置全面、细致的消缺，可实现气化炉运行达到长周期，单台气化炉的运行周期可以轻易超过百天。

严格控制操作指标与不断优化操作，是长周期运行的根本保证。Shell粉煤气化应根据原煤及负荷的变化，不断优化操作，确定最佳运行操作指标，并严格按照确定的指标执行生产，当关键指标产生偏离，及时做出相应的调整。

为确保Shell煤气化装置的长周期运行，还需加强技术攻关，对装置实行严密监控。坚持每日对装置进行监控，将关键运行参数进行对比分析，发现波动或异常情况立即进行相应的调整处理，及时遏制或消除各类影响装置安稳运行的问题。