Shell粉煤氣化裝置合成氣冷卻器積灰結(jié)垢的分析與對(duì)策

高 原

（神華鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

Shell煤氣化是目前世界上最為先進(jìn)的第二代煤氣化工藝之一。按進(jìn)料方式,Shell煤氣化屬氣流床氣化。因其相對(duì)于其他類型氣化爐具有碳轉(zhuǎn)化率高、煤種適應(yīng)性廣、有效氣含量高、環(huán)境污染小等優(yōu)勢，最近幾年受到國內(nèi)化肥、甲醇、發(fā)電行業(yè)的推崇。目前影響Shell氣化爐長周期運(yùn)行的因素主要在燒嘴罩泄漏失效和合成氣冷卻器結(jié)垢，其中合成氣冷卻器積灰問題是目前困擾氣化裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的公認(rèn)技術(shù)難題。造成合成氣冷卻器積灰的因素眾多，如激冷氣比例控制不當(dāng)，氧煤比調(diào)節(jié)不合適，配煤，煤中灰成分等等。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[1]等多個(gè)廠家中出現(xiàn)。經(jīng)過技術(shù)人員在實(shí)踐中的摸索，目前SGC積灰問題得到有效的控制，并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)闡述如下。

1 Shell煤氣化工藝流程簡述

Shell煤氣化技術(shù)的主要工藝流程為：來自空分裝置的氧氣經(jīng)氧氣預(yù)熱器加熱到一定的溫度后與中壓過熱蒸汽混合并導(dǎo)入噴嘴，噴入氣化爐的煤粉、氧氣和蒸汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生粗合成氣。在氣化爐的頂部，約1500℃的高溫合成原料氣被來自壓縮機(jī)冷的合成氣激冷至900℃左右依次進(jìn)入輸氣導(dǎo)管和合成氣冷卻器，所有的傳熱器回路均有高壓鍋爐水進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)，回收熱量后，合成原料氣溫度降至300℃左右進(jìn)入陶瓷過濾器，99%的粉塵被除去，然后進(jìn)入洗滌塔洗滌除塵并降溫至150℃左右，合成原料氣一部分返回氣化爐作冷激氣，其余的送出界區(qū)進(jìn)入下游工序。Shell煤氣化簡易工藝流程如圖1所示。

圖1 殼牌煤氣化工藝（SCGP）流程簡圖

2 合成氣冷卻器結(jié)垢的表現(xiàn)

2.1 入口和出口溫度上漲

合成氣冷卻器結(jié)垢首先體現(xiàn)在其入口和出口溫度呈現(xiàn)上漲趨勢，合成氣冷卻器的入口溫度上漲最為明顯，因?yàn)橐坏┌l(fā)生結(jié)垢，冷卻器換熱效果變差，熔融的飛灰粘結(jié)在測溫原件上，這2個(gè)因素均造成測量值偏高。

2.2 合成氣冷卻器過熱段差壓持續(xù)上漲

正常情況下，過熱段的壓差是恒定的，水冷壁上飛灰的粘結(jié)速率與合成氣/超高壓氮?dú)獯祾叩乃俾氏喈?dāng)?shù)臅r(shí)候，這個(gè)時(shí)候達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)氣化爐高負(fù)荷運(yùn)行或煤質(zhì)發(fā)生變化的時(shí)候，若激冷氣量相對(duì)不足，合成氣中夾帶的一部分飛灰經(jīng)激冷后仍然處于熔融狀態(tài)，經(jīng)過輸氣導(dǎo)管才冷凝，沉積在合成器冷卻器十字吊架周圍，造成過熱段差壓持續(xù)上漲。

3 合成氣冷卻器結(jié)垢的危害

（1）結(jié)垢只有在合成氣冷卻器入口被堵塞50%時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，將迫使工廠降負(fù)荷生產(chǎn)乃至非計(jì)劃停車；

（2）如果進(jìn)一步惡化的話，合成氣冷卻器通道被堵塞，堵塞形成后還繼續(xù)運(yùn)行，高速合成氣對(duì)輸氣導(dǎo)管及合成器造成磨蝕開口，最終造成高溫爐水泄漏，造成洗滌塔出口溫度高而引起連鎖停車。

當(dāng)停工檢修的時(shí)候，打開合成氣冷卻器檢查的時(shí)候，往往發(fā)現(xiàn)60%以上的通道完全被堵死（圖2）。

圖2 嚴(yán)重堵塞的合成氣冷卻器的入口段

4 避免結(jié)垢的措施

4.1 配煤改變原料煤中的灰分組成

煤灰中SiO2和Al2O3的含量比為1.18（即2SiO2·Al2O3）時(shí)，灰熔點(diǎn)一般較高。隨著該比值增加，灰熔點(diǎn)逐漸降低，這是由于灰分中存在游離氧化硅。游離氧化硅在高溫下可能與堿性氧化物結(jié)合成低熔點(diǎn)的共晶體，因而使灰熔點(diǎn)下降。以國內(nèi)補(bǔ)連塔的煤為例，燃燒后的灰分組分見表1。

表1 燃燒后的灰分成分表

更多實(shí)驗(yàn)表明，原料煤中的堿性氧化物（Fe2O3+CaO+MgO+KNaO）能降低灰熔點(diǎn)。其中Fe2O3的影響較復(fù)雜，灰渣所處的介質(zhì)性質(zhì)不同而有不同影響，但總的趨勢是降低灰熔融性溫度。CaO和MgO有減低灰熔點(diǎn)的助熔作用，且有利于形成短渣，但其含量超過一定值（大約25%~30%）時(shí)，卻可以提高灰熔點(diǎn)。K2O和Na2O能促進(jìn)熔點(diǎn)很低的共熔體的形成，因而使變形溫度DT降低。

綜上所述，大多數(shù)煤灰SiO2含量較高，多呈酸性。在酸性灰渣中，堿性氧化物的存在起到了降低灰熔融溫度的作用。

國內(nèi)廠家經(jīng)過摸索交流，解決合成氣冷卻器結(jié)垢首先通過配煤或者摻燒石灰石，一般情況下，通過配煤降低灰熔點(diǎn)或選用中低灰熔點(diǎn)的煤，典型的灰熔點(diǎn)在1350℃，SiO2/Al2O3為2[2]或者更高。

4.2 增加激冷氣量，控制SGC入口溫度

激冷后的合成氣溫度為灰融點(diǎn)溫度的2/3，從激冷口經(jīng)過輸氣導(dǎo)管到過熱器入口時(shí)，合成氣溫度會(huì)下降150℃左右。當(dāng)激冷氣溫度過高或著激冷量不足時(shí)，激冷后的合成氣溫度接近灰融點(diǎn)，飛灰雖然已經(jīng)固化，但沒有失去黏性，到達(dá)合成氣返回室轉(zhuǎn)向時(shí)就會(huì)粘附在中壓過熱器十字架或管壁上，形成結(jié)垢。當(dāng)激冷后溫度低于灰熔點(diǎn)150℃時(shí)，飛灰就會(huì)失去黏性，則可大大降低結(jié)垢的可能性。在實(shí)際生產(chǎn)中，我們往往采用“過度激冷”，激冷氣壓縮機(jī)的變頻器提高到97%以上，提高激冷比，一般大于1.2，典型的激冷后溫度850℃左右，冷卻器過熱段入口溫度小于750℃。

4.2 控制飛灰粒徑[3]

飛灰粒徑一般在1~100μm之間，飛灰粒徑分布見圖3。研究表明，飛灰的粒徑分布和SGC結(jié)垢有著密切的關(guān)系。當(dāng)＜1μm的飛灰粒子居多，容易造成SGC堵塞，而＞100μm的飛灰顆粒對(duì)于換熱管束的磨蝕較為嚴(yán)重，只有粒徑在10~20μm的飛灰顆粒容易在換熱管壁形成穩(wěn)定的飛灰滯留層，能對(duì)管束起到清潔作用。此外，合成氣的流速對(duì)飛灰的沉積也有影響，5~9m·s-1為宜。

圖3 飛灰粒徑分布

4.3 調(diào)整敲擊器的震打頻率

氣動(dòng)操作的敲擊器在要清潔的受熱面上進(jìn)行脈動(dòng)敲擊，帶粘性沉淀物的受熱面筒體被聲波加速到一定程度后，在受熱面和沉淀物質(zhì)的不同慣性作用下，沉淀物被抖落下來。

敲擊作用需要的能量是由安裝在壓力容器外部的氣動(dòng)敲擊圓筒體提供。用氮?dú)庾鲃?dòng)力，通過壓力密封和動(dòng)力傳送系統(tǒng)，送到受熱面。為防止因脈動(dòng)傳輸可能對(duì)受熱面引起的損壞，把一帶冷卻裝置的砧形板焊在受熱面上。敲擊裝置共有58個(gè)，分別由7個(gè)儀表控制臺(tái)控制。敲擊的時(shí)候分為單敲和雙敲，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有結(jié)垢趨勢時(shí)，可采取雙敲，加大氣源壓力來處理。

4.4 氧煤比的調(diào)節(jié)

以原料中煤的灰含量為10%舉例說明，有效氣體成分以（CO+H2）計(jì)算，那么氧煤比在0.9時(shí)為最優(yōu)，在生產(chǎn)中，實(shí)際的氧煤比往往比理論值要高，不僅僅是因?yàn)橐簯B(tài)排渣的需要，而且要關(guān)注飛灰中的碳含量這一重要指標(biāo)。一旦SGC發(fā)生結(jié)垢，未燒盡的粉煤會(huì)加劇合成氣冷卻器十字吊架的堵塞，這是煤的中溫?zé)峤庠斐傻?，?00~600℃，煤熱解生成半焦、焦油、熱解水、烴類氣體和碳氧化合物。焦油類物質(zhì)和固態(tài)灰混合后形成致密的垢層。此外爐膛內(nèi)介質(zhì)性質(zhì)不同時(shí)，灰渣中的鐵具有不同的價(jià)態(tài)。在弱還原氣體介質(zhì)中，鐵呈氧化亞鐵（熔點(diǎn)1420℃)，在氧化性介質(zhì)中呈氧化鐵（熔點(diǎn)1565℃）。氧化亞鐵最容易與灰渣中的氧化硅形成低熔點(diǎn)的共熔（FeSiO4），所以在弱還原性介質(zhì)中，灰熔點(diǎn)最低，在氧化性介質(zhì)中，灰熔點(diǎn)要高一些。一旦在氣化爐爐膛發(fā)生泄漏，隨著合成氣中水蒸汽的增加，灰分中Fe2O3被還原為FeO、FeS、Fe，后兩者增加了飛灰的粘度，容易造成輸氣導(dǎo)管及合成氣冷卻器結(jié)垢。因此在氣化爐操作時(shí)，必須維持適當(dāng)?shù)臓t溫，溫度過高對(duì)爐膛內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生有害影響，偏低的爐溫易造成冷卻器結(jié)垢。

4.5 合成氣冷卻器入口采用新吹灰器

針對(duì)十字吊架處容易積灰的特點(diǎn)，首先增加反吹的頻次，其次是在十字吊架臂上安裝新的吹灰器，清理整個(gè)吊臂的長度，在蓋板頂部也新安裝一個(gè)中央吹灰器，這樣吹掃的面大了，松散的灰更容易脫落下來。

5 結(jié)語

殼牌干粉煤氣化技術(shù)（SCGP）作為潔凈煤氣化的新技術(shù)在中國投入生產(chǎn)已接近7年，各家企業(yè)的氣化裝置在運(yùn)行過程中都經(jīng)歷了諸多問題，不過我們也看到大部分裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)情況已經(jīng)越來越好，存在的技術(shù)問題是可以解決的。隨著國內(nèi)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，企業(yè)間管理經(jīng)驗(yàn)和操作訣竅的交流，煤種穩(wěn)定性的重視及操作人員的培養(yǎng)，煤氣化裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行是可以實(shí)現(xiàn)的。其中2011年8月22日[6]，安慶石化殼牌煤氣化裝置實(shí)現(xiàn)A級(jí)連續(xù)運(yùn)行138d，刷新由荷蘭NUON工廠2006年創(chuàng)造的137.2d世界最長記錄，創(chuàng)造了世界同類型裝置運(yùn)行最好水平。因此，筆者相信隨著一個(gè)個(gè)技術(shù)難題的解決，將會(huì)使該項(xiàng)技術(shù)在我國劣質(zhì)煤氣化的市場競爭中處在有利的地位，進(jìn)一步推廣使用該項(xiàng)技術(shù)的前景也會(huì)更加廣闊。

[1] 李亞東.Shell粉煤氣化裝置合成氣冷卻器積灰結(jié)垢的控制[J].化肥設(shè)計(jì)，2010，48（2）：27-28.

[2] 牛玉奇，段志廣，沈小炎. Shell氣化爐合成氣冷卻器積灰原因及應(yīng)對(duì)策略[J].化肥設(shè)計(jì)，2009，47（4）：22-25.

[3] 廖漢湘.現(xiàn)代煤炭轉(zhuǎn)化與煤化工新技術(shù)新工藝實(shí)用全書[M].合肥：安徽文化音像出版社，2004.611-616.