干粉煤氣化激冷氣系統(tǒng)試驗(yàn)及優(yōu)化改造

張水合

(河南能化鶴壁煤化工有限公司，河南 鶴壁 458000)

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干粉煤氣化激冷氣系統(tǒng)試驗(yàn)及優(yōu)化改造

張水合

(河南能化鶴壁煤化工有限公司，河南 鶴壁 458000)

河南能化鶴壁煤化工有限公司60萬t/a甲醇項(xiàng)目，采用殼牌干粉煤氣化工藝，為國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的單爐能力最大的粉煤氣化裝置。裝置于2013年投料生產(chǎn)，運(yùn)行期間由于氣化爐合成氣冷卻器“十字架”積灰造成氣化爐負(fù)荷低、運(yùn)行周期短等問題。為解決氣化爐積灰問題，提高裝置負(fù)荷，進(jìn)行激冷氣系統(tǒng)多條件試驗(yàn)及優(yōu)化改造，緩解了合成氣冷卻器的積灰問題，改造實(shí)施后，達(dá)到了預(yù)期效果。

氣化爐；激冷氣；試驗(yàn)；改造

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.013

河南能化鶴壁煤化工有限公司氣化裝置采用干粉煤氣化工藝，氣化爐生產(chǎn)能力為：設(shè)計(jì)投煤2 800t/d，有效合成氣產(chǎn)量165 000 Nm3/h(H2+CO)，氣化裝置工藝流程包括煤粉制備、加壓給料、氣化及合成氣冷卻、粗煤氣凈化、灰水處理、公用工程和火炬系統(tǒng)等。

氣化爐為立式壓力容器，爐內(nèi)為水冷壁組成的氣化室，煤氣化燒嘴位于氣化室中下部，4個(gè)燒嘴2個(gè)1組對(duì)稱布置。由煤氣化燒嘴噴入的煤粉、氧氣、蒸汽的混合物在1 500℃高溫下，瞬間完成煤的氣化反應(yīng)，生成(CO+H2)含量高且?guī)в酗w灰的粗合成氣，由下向上從氣化爐頂經(jīng)循環(huán)氣激冷段進(jìn)入合成氣冷卻器。為防止飛灰黏結(jié)在后續(xù)設(shè)備，在氣化爐反應(yīng)段出口處均勻噴入循環(huán)返回的200℃低溫激冷氣，將合成氣激冷至750℃左右，使高溫合成氣快速降溫，合成氣中的液態(tài)飛灰冷卻成無黏性固態(tài)，從而防止后系統(tǒng)合成氣冷卻器堵塞和超溫。

1 鶴壁氣化爐激冷氣系統(tǒng)改造前情況

激冷氣壓縮機(jī)(K1301)是煤氣化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，來自干法除灰裝置(S1501)和濕洗裝置(C1601)后的清潔無塵氣體混合后(溫度為200℃)，經(jīng)激冷氣壓縮機(jī)加壓后送往氣化爐激冷段激冷合成氣。

該公司氣化裝置(K1301)壓縮機(jī)原工藝設(shè)計(jì)正常運(yùn)行時(shí)，激冷氣量為56.2kg/s，設(shè)計(jì)值59kg/s，最大為73kg/s，激冷后的合成氣溫度降為750℃。

在項(xiàng)目建設(shè)階段，公司采購德國(guó)FIMA公司生產(chǎn)的壓縮機(jī)，最大壓縮氣量為78kg/s，為設(shè)計(jì)正常氣量的139%，配套電機(jī)1 800kW，配套變頻器2 000kW。K1301壓縮氣量為83kg/s，激冷后的合成氣溫度為700℃，氣化負(fù)荷在80%上下運(yùn)行，最大時(shí)達(dá)到88%，在該負(fù)荷時(shí)，激冷后的合成氣溫度仍不能使飛灰充分冷卻固化，多次造成合成氣冷卻器“十字架”積灰停車處理。每次停車清灰短則7天，長(zhǎng)則10天左右，嚴(yán)重影響了裝置的高負(fù)荷、長(zhǎng)周期運(yùn)行。由于裝置不能穩(wěn)定正常運(yùn)行，2014年全年生產(chǎn)甲醇30萬t，僅完成設(shè)計(jì)能力的50%，2015年全年生產(chǎn)甲醇42萬t。

正常激冷后的合成氣溫度為灰融點(diǎn)溫度的2/3，從激冷口到合成氣冷卻器入口時(shí)，合成氣溫度會(huì)下降150℃左右。當(dāng)激冷氣溫度過高或者激冷量不足時(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)黏附在合成氣冷卻器十字架或管壁上，形成結(jié)垢，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成結(jié)垢層越來越厚，堵塞水冷管間隙，使合成氣流通面積變小。由于K1301壓縮氣量不足，激冷后的合成氣溫度高，氣化負(fù)荷在80%左右運(yùn)行較為正常，在80%以上負(fù)荷時(shí)，激冷后的合成氣溫度不能使飛灰充分冷卻固化，造成合成氣冷卻器“十字架”積灰停車處理。針對(duì)系統(tǒng)激冷氣量不足的情況，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了一系列改造。

2 激冷氣多種條件試驗(yàn)

激冷氣多種條件試驗(yàn)見表1(整個(gè)過程負(fù)荷基本在80%左右 )。

表1 激冷氣多種條件試驗(yàn)

2015年6月1日至6日，全部使用濕合成氣進(jìn)行激冷，K1301振值升高，分析原因?yàn)闈窈铣蓺鈱?dǎo)致K1301葉輪結(jié)垢，造成了壓縮機(jī)振值升高，因此恢復(fù)壓縮機(jī)入口合成氣至原設(shè)計(jì)比例。

6月7日至11日，在K1301出口遠(yuǎn)端加入了激冷蒸汽，加入量6t/h，蒸汽溫度310℃，壓力4.9MPa(g)，合成氣冷卻器入口壓差開始上漲。分析原因?yàn)橐蚣だ錃庵屑尤胝羝?，合成氣?jīng)過激冷后，有凝結(jié)水產(chǎn)生，凝結(jié)水與合成氣中灰分反應(yīng)，生成類似于硅酸鈣類的物質(zhì)黏結(jié)在合成氣冷卻器入口，導(dǎo)致合成氣冷卻器入口壓差上漲。

6月11日至6月23日，二氧化碳輸送煤粉工況改為氮?dú)廨斔兔悍酆螅瑝翰铋_始下降，恢復(fù)正常，此現(xiàn)象與之前一致。

通過本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無論是全部采用U1600出來的濕合成氣激冷，還是在合成氣中加入蒸汽進(jìn)行激冷，均不能達(dá)到理想的結(jié)果。

3 在K1301出口端加入高壓二氧化碳

2016年1月，隨著氣化爐負(fù)荷逐步升高，氣化爐對(duì)激冷氣量的需求增加，但激冷氣壓縮機(jī)K1301已經(jīng)滿載，無法保證激冷氣量的供應(yīng)，氣化爐十字架溫度13TI0019突破680℃時(shí)，根據(jù)原煤特性，溫度超過680℃時(shí)，灰的黏度增加，長(zhǎng)時(shí)間積累會(huì)造成氣化爐合成氣冷卻器嚴(yán)重積灰，系統(tǒng)急需增加激冷氣量。

從CO2壓縮機(jī)出來的超高壓CO2，經(jīng)放空閥30XV0008引至激冷氣壓縮機(jī)K1301出口，有效增加氣化爐激冷氣量。通過此項(xiàng)改造，激冷氣量較原來增加約3kg/s，氣化爐十字架溫度由680℃降為670℃，緩解了合成氣冷卻器積灰的現(xiàn)象。二氧化碳作為激冷氣示意見圖1。

圖1 二氧化碳作為激冷氣示意(虛線為增加管線)

4 激冷氣壓縮機(jī)K1301改造

4.1 壓縮機(jī)本體改造

2015年3月，在不改變電機(jī)的情況下，西安交大賽爾利用其三元流技術(shù)對(duì)K1301的葉輪和靜葉片的設(shè)計(jì)及加氣和抽氣的流道進(jìn)行了改進(jìn)，提高壓縮機(jī)效率，改造后的壓縮機(jī)的激冷氣量提高5%。

4.2 對(duì)電機(jī)實(shí)施強(qiáng)制降溫

2016年4月，氣化爐負(fù)荷達(dá)到93%，此負(fù)荷下K1301電機(jī)溫度超過110℃，對(duì)液氮采用安全措施后，由空分液氮泵出口處引一液氮管線至激冷氣壓縮機(jī)K1301電機(jī)外，用液氮自然蒸發(fā)后的冷量對(duì)激冷氣壓縮機(jī)K1301電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制降溫。本著既保證液氮霧化時(shí)不浪費(fèi)，又保證激冷氣壓縮機(jī)K1301電機(jī)溫度明顯下降的原則，制訂了相應(yīng)的操作方案。

通過液氮蒸發(fā)的冷量對(duì)激冷氣壓縮機(jī)K1301電機(jī)強(qiáng)制降溫，避免了K1301長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)行對(duì)電機(jī)壽命造成的影響，同時(shí)提高激冷氣量，為氣化爐長(zhǎng)周期、高負(fù)荷運(yùn)行提供了有利條件。本次改造實(shí)施后，K1301電機(jī)運(yùn)行效果良好，壓縮氣量提升至100kg/s，氣化爐負(fù)荷由原來的93%提高至100%，實(shí)現(xiàn)了氣化爐的滿負(fù)荷運(yùn)行。

5 新激冷氣壓縮機(jī)K1302的應(yīng)用

5.1 技改實(shí)施的必要性分析

該公司經(jīng)過對(duì)K1301的多項(xiàng)改造，氣化爐負(fù)荷提升至100%運(yùn)行，但K1301已經(jīng)在超負(fù)荷狀態(tài)下工作，存在嚴(yán)重的安全隱患，因此，增加1臺(tái)新的激冷氣壓縮機(jī)是很有必要的。

針對(duì)氣化爐存在的問題，經(jīng)氣化專利商計(jì)算后，建議新增壓縮機(jī)擴(kuò)能后的激冷氣量為93.84kg/s，為原始設(shè)計(jì)的166%。

考慮到煤質(zhì)波動(dòng)和氣化爐的不同操作工況，結(jié)合技改前氣化爐80%負(fù)荷下相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行的工況，激冷氣量已達(dá)83kg/s，在激冷比不變的情況下，擬新增壓縮機(jī)激冷氣量正常為100kg/s，為氣化專利商原始設(shè)計(jì)的178%，最大量為112kg/s。

5.2 新增激冷氣壓縮機(jī)(K1302)設(shè)備選型

5.2.1 國(guó)外壓縮機(jī)分析

干粉煤氣化技術(shù)引進(jìn)后，由于配套激冷氣壓縮機(jī)壓縮氣量大、合成氣進(jìn)口溫度高、進(jìn)出壓縮機(jī)壓力高、國(guó)內(nèi)配套制造經(jīng)驗(yàn)不足等，已建類似煤氣化項(xiàng)目所選激冷氣壓縮機(jī)均為進(jìn)口設(shè)備。

干粉煤氣化裝置配套的激冷氣壓縮機(jī)的國(guó)外制造商有美國(guó)ELLIOTT、瑞典ATLAS.COPCO、德國(guó)FIMA、西門子等廠家。這些制造商均為國(guó)際上著名的離心式壓縮機(jī)制造商，為客戶提供各種非標(biāo)的氣體輸送和壓縮裝備。

壓縮機(jī)按照API相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足連續(xù)不間斷運(yùn)行3年的設(shè)計(jì)要求。壓縮機(jī)設(shè)計(jì)為符合API617要求的懸臂式結(jié)構(gòu)，葉輪直接與齒輪箱高速軸連接，這種設(shè)計(jì)使得備件數(shù)量、檢維修工作量最小。在正常操作條件下，壓縮機(jī)的效率達(dá)到了80.8%。

5.2.2 國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)分析

激冷氣壓縮機(jī)組是粉煤氣化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，隨著干粉煤氣化裝置的運(yùn)行，激冷氣壓縮機(jī)能力普遍偏小的問題逐漸暴露出來。迫于生產(chǎn)負(fù)荷受限，采購的國(guó)外壓縮機(jī)制造周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，作為國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)制造的龍頭企業(yè)，沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)先后為河南開祥、云天化、山西潞安等十幾家用戶研制了單懸臂循環(huán)氣壓縮機(jī)，滿足了氣化裝置激冷氣壓縮機(jī)壓力等級(jí)高、介質(zhì)為混合氣體、含有毒有害和強(qiáng)腐蝕成分、對(duì)葉輪材料、氣密性、耐磨性有較高要求等諸多條件。

國(guó)內(nèi)此類型機(jī)組的研制成功，主要性能和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，該產(chǎn)品已生產(chǎn)有10余臺(tái)套，已投產(chǎn)的此類壓縮機(jī)最大的能力為75kg/s。本項(xiàng)目選購的壓縮機(jī)最大能力為112kg/s，放大風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)降低。

沈鼓對(duì)整套設(shè)備的報(bào)價(jià)，比采購國(guó)外進(jìn)口設(shè)備大約節(jié)約800余萬元人民幣，且設(shè)備交付周期比國(guó)外少6個(gè)月。經(jīng)過多方權(quán)衡，最終選擇國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)。

5.3 新增壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)

新增壓縮機(jī)K1302激冷氣量正常為100kg/s，最大量為112kg/s，配套電機(jī)3 000kW。機(jī)型為SV12-M，離心式壓縮機(jī)，單級(jí)懸臂結(jié)構(gòu)。電機(jī)和壓縮機(jī)采用公用底座，機(jī)組單層布置：①數(shù)量為1臺(tái)套；②驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)；③流量調(diào)節(jié)為變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，防喘振閥調(diào)節(jié)；④軸端密封形式為串聯(lián)式+中間迷宮干氣密封。

新增激冷氣壓縮機(jī)產(chǎn)品規(guī)格及主要參數(shù)見表2，介質(zhì)組分見表3。

表2 新增激冷氣壓縮機(jī)產(chǎn)品規(guī)格及主要參數(shù)

表3 介質(zhì)組分

5.4 K1302投用后的效果

K1302投入使用后，氣化爐運(yùn)行負(fù)荷100%，K1302激冷合成氣流量維持在100kg/s，13TI0019溫度可控制在650℃左右，保證了氣化爐合成氣飛灰由液態(tài)冷卻成固態(tài)，氣化爐合成氣冷卻器壓差平穩(wěn)。在外界環(huán)境10℃左右情況下，K1302電機(jī)電流155A，電機(jī)溫度70℃左右，遠(yuǎn)在額定電流190A、高報(bào)溫度140℃以下，還有一定的提升空間，且消除了K1301運(yùn)行時(shí)存在的安全隱患，為煤氣化裝置的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了條件。新增壓縮機(jī)前后工況對(duì)比見表4。

表4 新增壓縮機(jī)前后工況的對(duì)比

由表4可見，新循環(huán)氣壓縮機(jī)投入使用后，氣化爐負(fù)荷可以提高至100%運(yùn)行，且氣化爐“十字架”合成氣溫度13TI0019可以控制在650℃以下，各項(xiàng)工藝指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)。技改實(shí)施后，較之前氮?dú)廨斔兔悍蹥饣?0%負(fù)荷，甲醇日產(chǎn)量增加了400多t，實(shí)現(xiàn)了裝置的日產(chǎn)1 818t產(chǎn)能，最高日產(chǎn)量達(dá)1 846t的目標(biāo)，有效降低了系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)成本，增加了裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]張水合.大投煤量殼牌氣化爐流場(chǎng)優(yōu)化改選[J].化肥設(shè)計(jì)，2017，55(1):52-55.

[2]趙艷玲，蘇洪洋.燒嘴罩瑟燒嘴頭泄露導(dǎo)致殼牌氣化爐停車的過程分析與預(yù)防措施[J].化肥設(shè)計(jì)，2013，51(5)：38-40.

修改稿日期： 2017-03-28

Test and Optimization of Dry Gasification and Gasification

ZHANG Shui-he

(HenanNenghaHebiCoalChemicalIndustryCo.，Ltd.，HenanHebi458000，China)

The 600 000 t / a methanol project of Henan Nengha Hebi Coal Chemical Co.，Ltd. adopted Shell dry pulverized coal gasification process，which was the largest pulverized coal gasification unit that had been put into operation in China. The installation of the device was put into production in 2013. During the operation，problems bubbled like low gasifier load，short operating cycle and other issues due to the dust deposit of gasifier synthesis gas cooler "cross". In order to solve the problem of gasification furnace dust deposit and increase the load of the gasifier，the multi-condition test and optimization of the cooling air system are carried out to alleviate the fouling problem of the synthesis gas cooler. The expected effect was achieved after the transformation and implementation.

gasifier；cool air；test；transformation

張水合(1966年—)，男，河南禹州人，1986年7月畢業(yè)于鄭州大學(xué)化學(xué)系，工程師，2015年—2016年任鶴壁煤電股份有限公司化工分公司總經(jīng)理，負(fù)責(zé)鶴壁煤電年產(chǎn)60萬噸甲醇工程的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)工作，現(xiàn)任河南能化鶴壁煤化工有限公司董事長(zhǎng)。

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1004-8901(2017)03-0048-04