Shell气化炉异常工况分析及处理

高 亭

（河南能源化工集团鹤壁煤化工有限公司，河南鹤壁 458000）

0 引 言

河南能源化工集团鹤壁煤化工有限公司（简称鹤壁煤化）600kt／a甲醇项目气化装置采用荷兰壳牌 （Shell）干煤粉加压气化工艺（SCGP），属气流床气化技术，具有鲜明的技术特色，是当今世界上先进的第二代干煤粉气化工艺。鹤壁煤化Shell气化装置由荷兰壳牌公司提供基础工艺包，中国五环工程有限公司进行详细设计，中国化学工程第十一建设有限公司施工建设，设计投煤量2850t／d，为目前国内单台投煤量最大的Shell气化炉，规模经济效益比较明显。气化装置于2013年投产，2016年实现CO2工况（即煤粉输送载气为CO2，可减少惰性气放空夹带，相较于N2工况能耗更低）下的满负荷运行，2018年实现了达标达产甚至超产，2017年、2018年、2019年每年累计运行时间均超过300d，获得Shell公司评选的效能最佳运行奖。

气化炉为煤化工装置中的核心设备。Shell气化炉反应温度较高，不挑煤种，煤利用率较高，环保性能较优，但由于其气化反应剧烈，因而对设备参数要求苛刻；而且，由于固体物料输送和反应的特殊性，气化炉内由于物料磨损和高温老化易出现膜式壁及相关换热设备的泄漏，一旦泄漏，炉内反应条件会发生变化，对工艺上造成较大的影响。近期鹤壁煤化Shell气化装置出现了一系列工况异常现象，最为明显的是气化外排废水的氨氮含量偏高，给污水处理系统造成较大的环保压力。分析工况异常现象，推断为气化炉内水汽系统泄漏所致，之后通过及时对工艺进行微调细调实现了气化装置的安全稳定运行及按计划停车检修消缺，以下就有关情况作一简介。

1 Shell气化炉工况异常现象及原因分析

随着鹤壁煤化气化装置的长周期运行，Shell气化炉内静设备不可避免地出现了各种问题，大部分为内件泄漏问题，主要集中在水汽系统，且每次泄漏发生的位置都不一样。就近期来说，气化装置于2020年12月10完成大修，一次性点火成功并打通甲醇生产全流程，随即提升至满负荷运行，但由于气化炉水汽系统泄漏（经评估，少量水漏至合成气系统为可控工况，在保障安全的前提下气化炉可低负荷观察运行），气化炉出现了一系列工况异常现象，使得本次气化炉运行周期较短，2021年3月10日计划停车检修。从Shell气化装置本轮生产期的运行情况来看，初期各项工艺参数都比较正常，但随着运行时间的延长，出现了如下几方面的异常。

1.1 气化炉炉膛蒸汽小室产汽量逐渐降低

Shell气化炉炉膛蒸汽小室产汽量逐渐降低，由开车初期的5.2kg／s逐渐降至1.4kg／s，其变化过程如下：2020年12月10—25日，产汽量在5.2kg／s左右波动；2020年12月25日—2021年1月18日，产汽量由5.2kg／s降至4.0 kg／s；2021年1月18—29日，产汽量由4.0kg／s降至1.4kg／s；2021年1月29日—3月10日，产汽量维持在1.4kg／s。

Shell气化炉运行管理技术人员都清楚，蒸汽小室的产汽量是气化炉运行的重要参数，其能直接反映气化炉运行工况的好坏，产汽所需热量由气化炉激冷口以前换热设备换热所得，包括由烧嘴罩、渣裙及挡渣坪等换热设备移出的热量。此路蒸汽产量降低，可能的原因有两个：一是气化炉入炉煤灰熔点较高，而石灰石（助熔剂）调节未与煤进行匹配，造成煤的流动温度过高，炉内渣流动性不好造成渣层较厚，影响换热，且渣层过厚还存在垮渣的风险，有安全隐患，不利于气化炉的长周期运行；二是蒸汽小室换热设备局部出现泄漏，造成锅炉水泄漏至炉膛内部而未将热量带至小室，导致蒸汽小室产汽量过低。

为此，进行了一段时间的摸索，调整入炉煤煤质和石灰石添加量，借以调整炉内渣层厚度，但蒸汽小室的产汽量一直无法提升（蒸汽产量逐渐降低），后一直稳定在较低值（1.4kg／s），故认为蒸汽小室产汽量逐渐降低的原因应该是换热设备出现了泄漏。为避免炉水泄漏对炉膛及排渣系统的运行产生不利影响，随即在正常范围内略微上调了气化炉的操作温度。

1.2 气化炉出口粗煤气成分发生变化

在蒸汽小室产汽量逐渐降低的过程中，对气化炉出口粗煤气成分进行跟踪分析，发现气化炉出口粗煤气中CO2含量总体呈逐渐上涨趋势：2020年12月10—22日，CO2含量在8.0% ～10.0% （体积分数，下同）之间波动；2020年12月22日—2021年1月24日，CO2含量在8.0%～9.0%之间波动；2021年1月24日—2月10日，CO2含量逐渐上涨至15.0%；2021年2月10日—3月10日，CO2含量维持在15.0%。可以看出，气化炉出口粗煤气中的CO2含量存有一个稳定期——稳定在8.0% ～10.0%，随气化炉氧煤比的变化，炉内气体成分有少许的变化，这属于正常现象；但随着时间的推移，CO2含量逐步上涨至另一个稳定值——15.0%，而此过程中气化炉氧煤比基本上维持在一个稳定的范围内，表明气化炉内发生了一定的变换反应，造成粗煤气中CO2含量明显上涨。

Shell气化炉原设计采用的气化剂包括氧气和蒸汽，但鹤壁煤化在实践中发现，现有原料煤（煤种）气化，不添加蒸汽也可满足生产所需，故本台气化炉一直未投用蒸汽，由此进一步验证了气化炉内发生变换反应所需的水（反应物之一）来自蒸汽小室换热设备泄漏出的锅炉水。

因气化炉内发生了部分变换反应，气化炉出口粗煤气中CO含量有所降低、H2含量有所上升，为保证甲醇合成系统所需的正常的氢碳比，下游系统主要表征为变换反应深度降低、蒸汽耗量减少，这在一定程度上可减轻变换系统的压力，总体而言下游系统运行比较正常。

1.3 气化外排废水氨氮含量明显上涨

Shell气化炉在这3个月的运行周期中，外排至污水处理系统的气化废水氨氮含量变化较大，由低于100mg／L逐渐涨至低于300mg／L，甲醇装置变换系统不产生氨氮类物质，废水中的氨氮基本上全为气化系统夹带而来，而甲醇变换系统所排放的工艺冷凝液中氨氮含量也达3000 mg／L（指标为低于800mg／L），导致污水处理难度逐渐增大，给鹤壁煤化污水处理系统造成较大的环保压力。经分析，原因如下：①气化炉内水汽系统的泄漏造成炉内局部区域温度降低，局部低温造成煤中挥发分未完全分解，其中部分氨氮化合物随粗煤气后移，影响系统氨氮总产生量；②水汽系统所漏的锅炉水与CO发生了变换反应，粗煤气中H2含量较以往高约5%，在气化炉内温度高于1350℃的环境下，富氢粗煤气中发生了一定的氨合成反应。

正常生产中，要求气化装置外排废水COD＜200mg／L、氨氮含量＜100mg／L。自气化炉内出现漏点以来，外排废水中COD基本平稳，氨氮含量却逐渐上升，由2021年1月中旬时的80 mg／L涨至3月上旬停车前的240～270mg／L。此种情况下，鹤壁煤化对污水生化处理系统进行了优化调整，适当延长处理时间，并采取了补充生化处理细菌、增加生化反应强度、投用高效处理药剂等措施，保障了总外排水指标在正常范围内，但污水处理系统的运行成本有所增高。

1.4 洗涤塔出口粗煤气温度过高

从外送粗煤气温度来看，虽气化炉蒸汽过热段温度无明显升高，一直维持在350℃左右，但原有洗涤水量已无法控制洗涤塔出口粗煤气的温度，其温度由168℃逐渐上涨至185℃。经分析，虽洗涤塔进气温度上涨不多，但因锅炉水泄漏，煤气中夹带大量过热蒸汽（含有大量的潜热），进而造成洗涤塔出口粗煤气温度过高。

1.5 过热蒸汽温度波动

输气段废热锅炉整体上各温度点温度均有不同程度的上涨，为稳定气化炉运行，延长其运行周期，通过调整工况，控制输气段废热锅炉和蒸汽换热器温度（将其稳定在合理区间），过热蒸汽温度趋于稳定。输气段废热锅炉前期产生的过热蒸汽温度由365℃左右降至356℃左右，通过调整原料煤配比及优化调控炉温，此过热蒸汽温度稳定在360℃以上。

1.6 除渣单元下渣量及灰渣残炭增高

除渣单元下渣量明显偏多；现场通过捞渣机看到，煤泥也较之前明显增多；之前渣残炭大部分时候在1%之内（有时检测不到），本轮生产期工况出现波动之后，大部分时候渣残炭在4%～5%，甚至偶尔检测到渣残炭在10%以上，也反映出有关问题。

1.7 净化收灰单元收灰量偏少

净化收灰单元收灰时间为10800s，收灰计时完成后，灰锁斗泄压，向后系统排灰，排灰完成后锁斗充压，进行下一轮收灰。本轮生产期工况出现异常后，每轮收灰量较之前明显减少，由20t左右降至15t左右；由于粗煤气含水量较正常工况高，飞灰过滤器滤棒压差由12kPa缓慢涨至18kPa（此压差尚在设计范围之内）。

1.8 气化炉整体压差有所上涨

由于粗煤气中水汽含量较高，造成灰黏着性较强，较以往以更快的速度粘在了气化炉激冷段以后换热设备上，造成炉内盘管和十字架积灰过多，本轮生产期内，气化炉整体压差有所上涨，由11kPa涨至15kPa（在可承受范围之内）。

本轮生产期，由于仪表阀门故障，期间气化装置有过一次18h的短停，后于2021年1月21日凌晨点火成功，之后负荷逐渐提升至100%，气化炉B级运行共计90d；其中，2021年1月25日前后，通过对各有关工艺参数的对比，判断气化炉内水汽系统漏量变大，为稳定气化炉渣口压差，同时兼顾避免十字架积灰，经分析与讨论，气化炉操作温度提升5℃，调节目标以保障下渣稳定为主，通过生产管理及技术人员的精心摸索和操作人员的认真维护，并对配煤比例的微调细调以及对石灰石添加量的精细化管控，气化炉运行稳定，出渣正常，且破渣系统没有较大的波动，在保障安全的前提下实现了计划停车。

2 气化炉水汽系统检修消缺情况

针对Shell气化炉的运行工况，确认气化炉内水汽系统泄漏后，经分析和研判，及时对系统进行了停车检查：查漏过程中发现4＃烧嘴烧嘴罩第六、第七道管存在4处黄豆般大小的漏点，烧嘴头有一处较大漏点（约1cm2），烧嘴罩和烧嘴头漏点相互对应，认为泄漏过程中可能存在互相影响，如烧嘴头先发生泄漏，冲击烧嘴罩造成对应位置发生泄漏；充压检查，气化炉水汽系统不存在其他漏点。之后，开展了8d（2021年3月11—17日）的检修消缺工作，对4＃烧嘴头和烧嘴罩一并进行了更换，对4＃烧嘴上方膜式水冷壁部分受损减薄区域进行植钉及浇筑耐火涂料，并对整个气化炉进行检查清灰，未发现其他问题。综合分析运行与检修过程，此次水汽系统的泄漏对工艺上造成了较为明显的影响。

3 气化装置重启后的运行情况

经过8d的检修消缺后，2021年3月18日气化装置顺利重启，迄今运行已近3个月，从目前监控到的各运行参数和分析数据来看，气化炉现阶段运行非常正常，气化炉各温度及运行指标正常，输气段废热锅炉运行正常，过热蒸汽温度在365℃以上，系统整体压差较低，灰渣质量稳定且渣中残炭在1%以内，气化外排废水各项指标也逐步恢复至正常水平且很稳定（见表1）。总体而言，气化装置运行情况较优，这也表明本次检修取得了圆满成功。

表1 检修前后气化外排废水部分指标（均值） mg／L

4 结束语

本次Shell气化炉内水汽系统泄漏后，通过紧盯工艺参数，及时发现各指标的变化，及时对工艺进行微调细调，通过精细化的管理实现了气化装置的安全稳定运行及按计划停车；而且，通过本次检修，积累了生产运行维护经验，利于实现后续生产中类似问题的可防可控。此外，总结本次泄漏事故的经验教训，积极进行技术改造，在后续的技术管理中，就如何尽量避免Shell气化炉水汽系统泄漏问题的出现及降低泄漏造成的影响，控制粗煤气出界区温度，同时保证污水处理系统的安全稳定运行，将是今后生产管理中持续攻关与提升的方向之一。