殼牌煤氣化制甲醇激冷氣壓縮機(jī)問(wèn)題分析和改進(jìn)

李超華

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037003)

甲醇是重要有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料，在我國(guó)，煤制甲醇在所制造甲醇方法中占有很大的比例[1]。壓縮機(jī)是甲醇合成系統(tǒng)的動(dòng)力心臟，尤其激冷氣壓縮機(jī)是殼牌煤氣化單元的關(guān)鍵設(shè)備，在殼牌煤氣化中發(fā)揮著為氣化爐合成氣提供激冷氣的作用，并且其內(nèi)部構(gòu)造繁瑣精密，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，將給煤氣化裝置安全生產(chǎn)帶來(lái)很大的威脅[2]。

1 殼牌粉煤氣化工藝及激冷氣壓縮機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 煤氣化工藝流程

某煤化工項(xiàng)目采用殼牌(shell)公司研發(fā)的粉煤氣化工藝及廢鍋激冷流程。煤粉和氧氣/蒸汽混合物在氣化爐內(nèi)反應(yīng)后，生成含一定量飛灰的高溫粗合成氣，與來(lái)自激冷系統(tǒng)的激冷氣(約210 ℃)混合，渣轉(zhuǎn)變成無(wú)黏結(jié)性的飛灰，與合成氣再經(jīng)廢熱鍋爐冷卻到340 ℃，然后一部分去激冷系統(tǒng)用作熱干氣，剩余部分去濕洗單元。干法除塵飛灰經(jīng)減壓、氣提、冷卻排出系統(tǒng)，濕洗的則部分直接作原料氣，部分與熱干氣混合后用作激冷氣。同時(shí)，為防止鹽等在濕洗系統(tǒng)中累積，部分廢水進(jìn)入初級(jí)處理系統(tǒng)。殼牌粉煤氣化工藝流程，如第105頁(yè)圖1所示。

1.2 激冷氣壓縮機(jī)組成及作用

激冷氣壓縮機(jī)是殼牌煤氣化氣化單元的關(guān)鍵設(shè)備，其由通過(guò)膜片聯(lián)軸器聯(lián)接壓縮機(jī)、液力偶合器及電機(jī)組成，壓縮介質(zhì)為過(guò)濾后及過(guò)濾并經(jīng)水洗后氣化爐產(chǎn)生的混合氣。整個(gè)機(jī)組(除了液力偶合器)采用潤(rùn)滑油站供油，且油站以及液力偶合器配套的泵站、板式換熱器等置于底層。同時(shí)，為了便于安裝找正，壓縮機(jī)整體布置于同一鋼制底座上。為了確保機(jī)組安全運(yùn)轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)組設(shè)有各種控制及保安裝置。

激冷氣壓縮機(jī)的作用是向氣化爐源源不斷地提供激冷氣，大幅降低進(jìn)入激冷段的高溫合成氣溫度，以確保從氣化爐頂部出來(lái)的合成氣溫度能符合后續(xù)系統(tǒng)要求。也就是說(shuō)，激冷氣離心壓縮機(jī)通過(guò)兩股氣的混合控制壓縮機(jī)介質(zhì)的溫度。

2 運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題及原因分析

2.1 分布器損壞

正常情況下，經(jīng)壓縮機(jī)加壓的合成氣(又稱激冷氣)在激冷管進(jìn)口彎頭與錐形平臺(tái)的環(huán)形空間形成一個(gè)“正壓區(qū)”，且壓縮機(jī)出口壓力始終比氣化爐反應(yīng)室壓力高80 kPa以上，即呈穩(wěn)定狀態(tài)，使高溫合成氣不能與分布器直接接觸，以保護(hù)分布器。然而，一旦“正壓區(qū)”局部壓力P1小于等于反應(yīng)室的合成氣壓力P，分布器失去低溫氣體的保護(hù)很快被燒毀，從而造成激冷氣分布器難以發(fā)揮應(yīng)有的作用。氣化爐激冷氣分布器結(jié)構(gòu)，如第105頁(yè)圖2所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，分布器損壞形式是高溫?zé)g穿孔或扭曲變形。同時(shí)，根據(jù)部分公司分布器損壞情況分析，造成此現(xiàn)象的原因?yàn)椴僮鲉?wèn)題、分布器通道堵塞及激冷盒分布孔堵塞。其中，操作問(wèn)題指一方面由于壓縮機(jī)出口背壓變化滯后于反應(yīng)室壓力變化，另一方面激冷氣一部分從平衡孔進(jìn)入氣化爐環(huán)隙，導(dǎo)致“正壓區(qū)”壓力相對(duì)不足，保護(hù)作用降低，嚴(yán)重時(shí)高溫氣體經(jīng)過(guò)分布器流道竄到氣化爐環(huán)隙，在此過(guò)程中1 500 ℃左右的高溫氣體造成分布器大

圖1 Shell粉煤氣化裝置工藝流程圖

圖2 氣化爐激冷氣分布器結(jié)構(gòu)

面積變形甚至燒蝕。而且，對(duì)于堵塞造成的分布器損壞而言，目前堵塞通道的情況一般不多，發(fā)現(xiàn)多數(shù)分布器損壞屬于激冷盒分布孔堵塞情況。

2.2 激冷壓縮機(jī)打量不足

殼牌煤氣化激冷流程中，激冷壓縮機(jī)發(fā)揮了向氣化爐源源不斷地提供激冷氣的作用。如果出現(xiàn)激冷壓縮機(jī)打量不足的情況，離開(kāi)反應(yīng)器頂部的高溫合成氣(溫度大約為1 500 ℃)就無(wú)法被正常降溫到后續(xù)系統(tǒng)所需的合適溫度，且被合成氣帶入后續(xù)系統(tǒng)的飛灰的黏性也會(huì)增強(qiáng)，因而也無(wú)法保證后續(xù)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 蝸殼與葉輪間縫隙結(jié)垢

激冷氣壓縮機(jī)在正式投運(yùn)40多天后，拆開(kāi)后發(fā)現(xiàn)入口過(guò)濾器濾網(wǎng)通孔堵塞較多，壓縮機(jī)蝸殼及管線內(nèi)存在大量灰垢，葉輪前輪蓋外緣約10 mm寬的部位整體磨損等。究其原因，認(rèn)為激冷氣壓縮機(jī)所輸送的介質(zhì)含灰量較大，并有一定黏度，而通過(guò)檢查葉輪磨損部位及對(duì)工況的了解，葉輪磨損部位均為葉輪與支撐、端板配合間隙最小處，介質(zhì)通過(guò)該部位時(shí)阻力增大，易聚集，結(jié)垢增多造成間隙逐漸變小，最后導(dǎo)致激冷氣壓縮機(jī)高速軸振值逐漸增大，葉輪磨損嚴(yán)重。

2.4 干氣密封安裝錯(cuò)誤

殼牌煤氣化裝置中，主軸兩端干氣密封的各部位尺寸完全一樣，這種情況下就造成相關(guān)安裝人員由于失誤將兩端的干氣密封裝反，不能使工作中的干氣密封在動(dòng)靜環(huán)之間形成有效的氣膜，干氣密封腔體內(nèi)部有液體流出，這是由干氣密封損壞造成激冷氣壓縮機(jī)故障的一種形式。

3 改進(jìn)及處理措施

3.1 分布器損壞維修措施

針對(duì)上述三種原因造成的分布器損壞現(xiàn)象，需要挖補(bǔ)或更換膨脹圈錐板穿孔處，更換燒毀或變形的導(dǎo)流葉片及分布器上、下下錐板等。同時(shí)，由圖2可知，分布器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含較多的零部件，同時(shí)空間狹小，切割打磨工具操作不方便，因此需要特別注意分布器的檢修拆除、恢復(fù)工作順序(恢復(fù)順序與拆除相反)，另外還需做好維修前準(zhǔn)備工作，以保障維修過(guò)程的順利進(jìn)行。具體的，拆除順序根據(jù)相關(guān)理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為：膨脹圈→激冷水管與膨脹圈錐板及密封板→上、下錐板。同時(shí)，因分布器下方有上百根高速反吹管，故從上方維修相對(duì)較易，維修前準(zhǔn)備工作有預(yù)制足夠數(shù)量和合適尺寸的導(dǎo)流葉片，足夠長(zhǎng)度的膨脹圈，足夠大小的膨脹圈錐板，適合的上、下錐板等。

3.2 激冷壓縮機(jī)打量不足技改措施

1) 進(jìn)口管線氣液分離器的技改。氣液分離器作為一個(gè)靜設(shè)備，其作用是分離合成氣中所夾帶的一部分水汽，以保證后續(xù)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。然而，合成氣在通過(guò)氣液分離器的過(guò)程中，由于氣液分離器是一個(gè)靜設(shè)備，加之氣液分離器初始設(shè)計(jì)的容量較小等原因，難免會(huì)對(duì)氣體產(chǎn)生一定的緩沖力，給合成氣的流通帶來(lái)一定的阻力。因此，可以將其直接換成DN500的激冷氣管線，以增加壓縮機(jī)的通氣量，保證后續(xù)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2) 進(jìn)口管線過(guò)濾器的技改。急冷氣在管道內(nèi)的輸送過(guò)程中難免會(huì)夾帶一些雜質(zhì)，為了防止一些雜質(zhì)對(duì)壓縮機(jī)葉輪和精密設(shè)備造成損壞，在急冷氣進(jìn)口管線上有一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)備——急冷氣過(guò)濾器，其過(guò)濾一些大的顆粒雜質(zhì)的同時(shí)，也參與到了急冷壓縮機(jī)的連鎖保護(hù)之中，但同時(shí)也對(duì)急冷氣的輸送帶來(lái)了一定的阻力。因此，對(duì)急冷壓縮機(jī)進(jìn)口過(guò)濾器進(jìn)行拆除，并多次對(duì)急冷管線爆破清理，以防止一些雜質(zhì)進(jìn)入急冷壓縮機(jī)，使急冷壓縮機(jī)的打量有一定的提升，在一定程度上解決了制約氣化爐運(yùn)行負(fù)荷的關(guān)鍵問(wèn)題。

3) 進(jìn)出口閥門(mén)的技改。進(jìn)出口閥門(mén)的設(shè)計(jì)初衷是防止密封氮?dú)庥捎趬毫ψ兊褪?duì)壓縮機(jī)的密封保護(hù)作用，故這2個(gè)閥門(mén)參與了急冷壓縮機(jī)的部分連鎖保護(hù)，但是對(duì)急冷氣的流通也產(chǎn)生了一定的阻力。因此，通過(guò)綜合分析與考慮，可將此2個(gè)閥門(mén)去掉，用膨脹節(jié)作為代替，以解決一些壓縮機(jī)打量不足的問(wèn)題，確保從氣化爐頂部出來(lái)的合成氣能快速降到合適溫度。

4) 冷卻風(fēng)機(jī)技改。將進(jìn)口管線上的氣液分離器、過(guò)濾器及進(jìn)出口閥門(mén)去掉之后，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中，特別是在室外大氣溫度高的時(shí)候，原來(lái)的冷卻風(fēng)機(jī)因急冷壓縮機(jī)打量和負(fù)荷的提升，已經(jīng)不能繼續(xù)將溫度降到合適的溫度。因此，針對(duì)前述所建議的三種技改措施，建議在冷卻風(fēng)機(jī)后面加1個(gè)套筒，利用液氮在空氣中急劇氣化，對(duì)周?chē)目諝膺M(jìn)行冷卻，從而使驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻。

3.3 蝸殼與葉輪間縫隙結(jié)垢解決方案

經(jīng)實(shí)踐分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于少量的積灰，及時(shí)進(jìn)行吹除，避免飛灰集聚；在壓縮機(jī)蝸殼上鉆孔，引入高溫高壓氮?dú)?，使其吹掃葉輪外緣處，防止飛灰停留；在壓縮機(jī)蝸殼外部增加中壓蒸汽伴熱、加厚保溫層，在一定程度上提高溫度，改善低溫狀態(tài)下的運(yùn)行狀況等，可以在很大程度上解決蝸殼與葉輪間縫隙結(jié)垢的問(wèn)題。

3.4 干氣密封安裝錯(cuò)誤整改建議

動(dòng)環(huán)反轉(zhuǎn)損壞干氣密封的密封面，造成干氣密封失效，進(jìn)而燒壞的現(xiàn)象，則應(yīng)該通過(guò)將裝反的兩端干氣密封的復(fù)原的方法，同時(shí)提醒操作人員務(wù)必下次注意，不能再出現(xiàn)類似情況的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)故障原因分析以及對(duì)激冷氣壓縮機(jī)的技術(shù)改造，使氣化爐負(fù)荷得到了突破，夏季電機(jī)定子溫度也得到了控制，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巡檢和主控工藝人員的操作要求也變得更加嚴(yán)格，保證了激冷壓縮機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，短期內(nèi)對(duì)生產(chǎn)效益有很大的提升。