Shell气化炉高负荷运行问题及解决方案

张国富，呼延俊敬

(山西潞安煤基清洁能源有限责任公司，山西 长治 046200 )

引 言

我国能源结构的特点是“缺油、少气、多煤”，因此发展煤化工具有国家战略意义。在2020年两会中习总书记明确提出山西省坚定不移地进行煤炭清洁利用，而煤炭清洁利用最高效的方式即煤化工。煤气化作为煤化工的龙头企业，发展煤化工重点是气化装置的稳定运行。Shell煤气化工艺(SCGP)是当今世界最先进的洁净煤气化技术之一，因其适配煤种广泛、煤气化效率高、自动化程度高、安全性能好等优点，被多家企业所引用[1-2]。

但Shell煤气化工艺(SCGP)虽适配煤种广泛，却因其工艺特性，造成难以稳定运行，渣口堵渣和SGC段积灰等问题是所有使用Shell煤气化工艺技术公司绕不开的一道坎。除此以外，山西煤基清洁能源公司使用的气化炉为世界上最大产能(3 000 t/a)废锅流程的气化炉，且同时运行4套，在全国各化工企业运行方面均无相关经验可借鉴。作为该项目的龙头，气化炉是否能够安全稳定运行直接关系到整个产业链能否正常运行，关系到大型煤化工的发展方向。因此，煤气化装置的长周期稳定运行对于项目意义重大[3]。

1 Shell煤气化工艺(SCGP)流程简述

Shell气化炉工艺流程(见图1)为原料煤经固体储运系统输送到碎煤仓中，通过称重给煤机和石灰石称重给料机进行计量配比后，进入磨煤系统。经过磨煤干燥后的粉煤通过加压输送至气化炉中，由气化炉内的气化反应生产出合成气，产生的渣经渣池冷却后进入渣系统排出，合成气经过干法除灰、湿法除灰后部分气体送至下游，另有部分气体返回至气化炉激冷段用来降温。气化炉同时配备有废锅(SGC段)，利用气化炉余热可产出5.0 MPa过热蒸汽、5.7 MPa饱和蒸汽及0.5 MPa饱和蒸汽。

图1 壳牌煤气化工艺流程示意图

2 3 000 tShell气化炉高负荷瓶颈

2.1 磨煤系统碎煤仓冻堵

因北方冬季气温普遍在-10 ℃左右，且使用煤种以水洗煤为主，造成碎煤仓冻堵严重，即使每班安排人员在碎煤仓处进行疏通，仍多次(平均3 d～4 d)因冻堵无法向气化系统提供粉煤，被迫降负荷运行。并且碎煤仓冻堵后还会造成称重给煤机跑偏、刮煤链条损坏等一系列次生问题。

2.2 煤线跳车数据分析

气化系统煤线波动运行初期煤线频繁跳停，(如图2)，造成气化炉负荷频繁波动，同时，煤线多次投用造成烧嘴及烧嘴罩使用寿命下降。

图2 2019年上半年煤线跳车数据统计

2.3 循环气压缩机跳车及压差迅速上涨

在我公司刚开始运行阶段循环气压缩机频繁因振值高触发联锁造成气化炉跳车，导致气化炉运行周期短，甚至无法使全厂工艺流程打通。

循环气压缩机振值问题解决后，在气化炉运行周期达到90 d以上时，循环气压缩机过滤器压差上涨较快，在不到1个月的时间内，上涨近100 kPa，造成激冷量降低2 kg/s左右。低激冷量容易将气化炉内分布器损坏。因此迫使气化炉进行停车检修，使气化炉无法长周期运行。

2.4 高温高压过滤器(S1501)滤棒断裂

在2017年9月至2018年5月期间，两套气化炉运行过程中均发现高温高压过滤器滤棒发生断裂或吹偏的现象，总计更换3次。每套过滤器的滤棒成本均在200万元以上，过滤器滤棒频繁损坏不仅增加了运行成本，还因堵塞C1601(湿洗塔)文丘里及填料、磨损循环气压缩机的叶轮增加了检修成本及周期。

运行时负荷平均维持在85%左右，因此高温高压过滤器的过气量及承受的剪切力远未达到设计值。同比2 400 t气化炉[2]设计，3 000 t气化炉高温高压过滤器同样为24组，每组48根，每根滤棒高度为1.5 m，因此考虑滤棒频繁段因设计过滤面积较小引起的。

2.5 SGC积灰

我公司气化炉SGC(合成气冷却器)段设计长为65 m，直径为3.8 m，配备有86套敲击器；对比2 800 t气化炉[1]SGC段(长58 m，直径3.6 m，配备有66套敲击器)，已进行明显增大，但在运行期间，气化炉SGC段积灰仍较为严重，运行周期未满90 d时，十字吊架处堵塞达到85%(我公司十字吊架宽2.1 m)。

3 问题调研及改造

3.1 碎煤仓冻堵

经过总结冬季运行经验及调研晋煤阳城电厂发现，碎煤仓冻堵主要集中于底锥下料口处，不仅因煤湿造成堵塞，还与高分子聚乙烯复合板脱落有关。除此以外，下料口在经过堵塞再疏通的过程，极易造成称重给煤机跑偏、皮带卡涩的现象发生。因此进行以下技改：

1) 取消膨胀节，在下料锥斗易堵部位增加旋转下料机(见图3)，防止碎煤在底锥下料口处因变径而造成堵煤。

图3 旋转下料机结构简图

2) 清除原设备内部锥段的聚乙烯高分子衬板，改为专用的改进衬板(见图4)。避免因衬板磨损、脱落而造成堵煤。

图4 高分子衬板简图

3) 在称重给煤机底部增加保温，防止清扫链清扫冻煤时导致链条损坏。

4) 在易冻堵的位置额外增加氮气炮。

5) 在底锥处增加伴热，保证内部温度；同时，在合适的位置增加一处清堵口。

在经过以上技改后，2019年未发生过一起因碎煤仓堵煤而造成被迫降负荷的情况。

3.2 煤线波动及跳停[3]

经过长期运行摸索发现，煤线波动的原因主要有：一是煤循环时标定不到位，影响煤线的稳定性；二是在U1200(粉煤加压输送)单元下料时，V1204(粉煤放料罐)充泄压造成V1205(粉煤给料罐)压力波动；三是纤维分离器过滤效果差，有异物卡涩至煤线角阀处；四是速度计频繁故障造成煤线联锁跳出。

因此针对以上问题，在生产运行中做出以下改进：

1) 每次开车初期，对所有仪表和阀门进行调校和标定，并确保煤线循环的准确性和稳定性。

2) 严格控制粉煤的水分及粒度，并对V1204(粉煤放料罐)的笛管处进行改造，加强笛管处疏通效果，减少除桥次数，尽量稳定系统压力。其次优化U1200(粉煤加压输送)单元顺控，增加每次除桥时12PV0128B/228B(V1204泄压阀门)自设开度，确保V1205(粉煤给料罐)的压力。

3) 在S1107(纤维分离器)增加由15 mm×15 mm孔组成的旋转筛状板，筛板上增加耐高温的永久磁铁；并在设备上增设观察口及检修孔。确保纤维分离器能够有效阻挡异物，防止堵塞V1205(粉煤给料罐)底锥及角阀。见图5。

4) 将原外国进口速度计改为国产定制生产的速度计，不仅减少了设备的采购周期，还降低了维修成本。

改造后效果见图6。

图5 纤维分离器改造前后对比

图6 2019年6月至9月煤线跳车数据统计

3.3 循环气压缩机(K301)频繁跳车及压差迅速上涨

3.3.1 循环气压缩机因振值高跳车

1) 在开车初期，取消了循环机一回一防喘线，造成压缩机入口气体低温、超流，使压缩机短时间振值较高。

2) 管道热应力未消除，在气化炉运行后压缩机振值上升。

针对以上两点问题，经过设计院及设备厂家再次核实改进，将压缩机出口阀门切断阀去掉，并将阀门类型从两位阀改为流量调节，增加至C1601(湿洗塔)至压缩机入口的管线上(见图7)，通过调整C1601(湿洗塔)进压缩机的冷气流量维持压缩机入口温度在200 ℃以上，既避免了压缩机入口低温、超流致使压缩机无法稳定运行的问题，又避免了低温条件下合成气中氯化铵对管道的腐蚀情况。

3) 重新对压缩机的轴瓦等关键部件调整间隙，充分考虑热应力造成的影响。

图7 K1301改造简图

改造后，2019年全年4台气化炉仅有1次因干气密封损坏而导致压缩机停车。

3.3.2 循环气压缩机压差上涨

经过调研中原大化、大唐煤化工的同类型公司发现，经过一段时间运行后循环气压缩机压差上涨是普遍现象。在气化系统正常运行期间内，压缩机入口管线材质为碳钢的情况下，其内表面易形成一层薄薄的垢片，随着气化炉运行时间的延长，内表面的垢片易脱落堵塞压缩机过滤器，导致K-1301激冷气量下降，装置被迫停车清理过滤器。

结合其他公司经验，将压缩机的入口过滤器骨架孔洞从Φ5更改为Φ10，同时将入口管线材质升级改造从碳钢升级为内衬合金材质。经过此次改造其运行效果极为明显。

3.4 S1501(高温高压过滤器)断裂

经调研发现，3 000 t/d气化炉设计S1501与2 000 t/d的S1501过滤面积及过滤组相同，但3 000 t/d的气化炉产量要大于2000 t/d气化炉，因此过气量超设计负荷造成陶瓷滤棒断裂。于是S1501技改如下：

1) 将1.5 m高的陶瓷滤芯1152支更换为高金属材料的2 m滤芯。

2) 相对应地更换小管板底下的24片波齿垫片。

3) 更换M20×1685固定拉杆96根为更长的。

更改后2019年至2020年全年S1501未发生过滤棒断裂的现象，并且压差未超过20 kPa，保证了系统的稳定运行。

3.5 SGC积灰

随着气化炉运行周期的延长，SGC的十字吊架处容易积灰堵塞，在同类型的炉型中都出现过类似的情况，当出现严重堵塞时，一方面将灰导气化炉的激冷气量降低，影响到气化炉的高负荷运行；另一方面，随着流通面积的缩小，气流的流速将大大加快，长时间将对SGC的水冷壁管造成严重的冲刷，从而最终将导致管壁减薄泄漏的情况。

因此针对性地做出以下调整：

1) 针对使用的气化炉煤种，将13TI-0019(SGC入口温度)温度控制在650 ℃以下，降低飞灰的黏性。

2) 将SGC十字吊架处反吹的热高压氮进行改造，在SGC段内新增加一圈环管，重点对十字吊架处进行吹扫。

通过以上技改，两台气化炉在运行112 d后压差仍维持在13 kPa左右，为长周期运行奠定先决基础。

4 结论

经过一年多的摸索及改造，我公司Shell气化炉装置运行逐渐趋于稳定，平均气化炉均能达到B级运行100 d，最好的一台气化炉从点火至检修达到B级运行200 d以上。2019年全年气化炉运行率接近95%，非计划性停车仅2次。在气化炉高负荷长周期运行下，下游装置同样能够实现满负荷生产，相较2018年实现了产量翻倍的增长。虽仍有部分长周期运行的问题(诸如十字吊架积灰)未能彻底得到解决，但得到有效缓解。

我公司3 000 t气化炉成功长周期运行，是煤气化装置新的突破，表明大型煤化工有发展空间，为山西能源转型做出了表率作用。