恩德流化床氣化工藝存在的問題及對策

朱立江，金管會

(1.國家能源集團煤焦化有限責任公司西來峰分公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000；2.上海昊汭科技有限公司，上海 200136)

0 引 言

恩德流化床氣化技術于1997年從國外引進，國內(nèi)煤化工與工業(yè)燃氣行業(yè)在運與在建的恩德爐約50多臺。無論是恩德爐本體還是配套輔機、附件，均進行了多次優(yōu)化與改進，其技術經(jīng)濟指標有了較大提升。為適應日趨嚴格的環(huán)保要求，恩德流化床氣化工藝粗煤氣除塵方式由水洗改為布袋除塵之后，由于受制于除塵器入口氣溫度的限制及其自身的工藝特點，出現(xiàn)了一些新問題。以下就恩德流化床氣化工藝存在的突出或典型問題及其應對措施進行分析與探討，以期為業(yè)內(nèi)提供一點參考與借鑒。

1 恩德流化床氣化工藝的特點及優(yōu)化情況

1.1 工藝特點

恩德流化床氣化工藝，采取固態(tài)排渣方式，可根據(jù)目標產(chǎn)品氣需求，分別采用空氣、氧氣、蒸汽或二氧化碳作為(混合)氣化劑，制取工業(yè)燃氣或粗合成氣。其主要工藝特點為：① 原料適應范圍廣，可處理褐煤、長焰煤、半焦以及部分城市垃圾等；② 整個反應器系統(tǒng)溫度較均勻，出口氣溫度約1 000 ℃，產(chǎn)品氣中基本上不含焦油，只有微量的苯和萘，粗煤氣凈化較簡單；③ 常壓或低壓操作，固體加料、排料，系統(tǒng)結構簡單，操作方便、靈活；④ 整個系統(tǒng)設備造價低、建設工期短。

1.2 工藝優(yōu)化情況

恩德流化床氣化技術已在國內(nèi)成功應用多年，積累了寶貴的經(jīng)驗，其工藝優(yōu)化主要有三個方面：① 降低汽氣比--原設計汽氣比為2∶1，經(jīng)多年摸索與工藝優(yōu)化，現(xiàn)汽氣比降至0.5∶1，180 kt/a的合成氨裝置可節(jié)約蒸汽80 kt/a；② 提升有效氣含量--對一次流化噴嘴和二次燃燒噴嘴的流速進行優(yōu)化，并保證原料煤的干燥程度后，粗煤氣中的有效氣含量由原設計的70%提升至75%；③ 降低灰渣殘?zhí)?-氣化爐出口粗煤氣中粉塵殘?zhí)柯视稍O計的30%降至20%，爐底排渣殘?zhí)柯视稍O計的10%降至5%以下，有條件的企業(yè)將回收的殘?zhí)克椭羷恿﹀仩t再次燃燒，碳利用率可達96%以上。

2 省煤器運行問題及對策

以往恩德流化床氣化工藝采用濕式除塵方法，已不能滿足現(xiàn)行環(huán)保要求，鑒于這種情況，新建項目的除塵系統(tǒng)均采用布袋除塵器來替代傳統(tǒng)濕式除塵設備。據(jù)布袋除塵器廠家的使用手冊，布袋除塵器的操作溫度范圍為160～200 ℃；以往省煤器出口粗煤氣溫度設計為240 ℃，而實際溫度在360 ℃左右。為保證布袋除塵器的入口溫度，設計上增加了省煤器的換熱面積，以帶走更多的粗煤氣顯熱，便于調(diào)節(jié)粗煤氣溫度。生產(chǎn)實踐表明，增加省煤器換熱面積后，省煤器出口粗煤氣溫度可調(diào)節(jié)至正常指標130～200 ℃(布袋除塵器廠家要求，粗煤氣溫度超過其露點即可)，不僅回收了更多熱量，而且為后續(xù)的工藝調(diào)節(jié)創(chuàng)造了條件。但與此同時，運行過程中發(fā)現(xiàn)省煤器列管的沖刷腐蝕、掛灰等問題比以往嚴重?，F(xiàn)重點分析省煤器列管沖刷磨損、低溫化學腐蝕問題。

2.1 沖刷磨損問題

恩德流化床氣化工藝固有的缺點是，粗煤氣中粉塵含量高，氣化爐出口粗煤氣中粉塵含量達200～250 g/m3，經(jīng)回流旋風分離器和高溫旋風分離器分離后，仍有粉塵約60～80 g/m3，飛灰殘?zhí)柯?5%～30%，灰塵粒徑<80 μm。據(jù)資料介紹[1]，高速、高溫、高含塵煤氣會對換熱設備的換熱管壁產(chǎn)生塑性變形和切削變形綜合作用，繼而引起廢熱鍋爐和省煤器的列管沖刷磨損，這一問題基本上是當前國內(nèi)外所有流化床氣化工藝的通病。

應對措施：① 控制好入爐原料煤的粒徑以及含塵量；② 調(diào)好流化床所需風量--一次風和二次風用量及其比例；③ 強化高效旋風分離器的分離效率，以減少入廢熱鍋爐粗煤氣的含塵量；④ 省煤器列管采用特殊表面硬化材料進行熱噴涂，對易沖刷部位進行保護；⑤ 嚴格控制入省煤器的煤氣流速，一般不要超過13 m/s。

2.2 低溫化學腐蝕問題

2.2.1 問題分析

省煤器低溫受熱面的外部化學腐蝕，主要原因是進/出省煤器的煤氣溫度低于其露點，主要由如下幾方面原因造成：① 省煤器換熱面積設計偏大，造成其出口煤氣溫度偏低；② 系統(tǒng)負荷偏低時，省煤器煤氣流量??；③ 設備冷態(tài)下開車時，煤氣入省煤器溫度過低；④ 系統(tǒng)較長時間停車時，未采取氮氣置換和保壓的措施，導致煤氣中的酸性物質(zhì)及水蒸氣凝結(也存在空氣進入設備內(nèi)后再與設備表面接觸發(fā)生氧化腐蝕的情形)，金屬氧化膜被酸(H2S水溶液呈弱酸性)溶解而造成化學腐蝕，同時金屬還會與電解液發(fā)生電化學反應而造成電化學腐蝕。

煤氣中的硫含量是影響設備腐蝕速度的關鍵因素之一。據(jù)有關資料[1]，影響設備腐蝕速度的主要因素是原料煤的含硫量和設備受熱面的外壁溫度，入省煤器煤氣H2S含量最好在1 g/m3以下。這是因為，H2S能溶于水，其水溶液呈弱酸性，極易造成設備腐蝕。為解決此類問題，一般企業(yè)都會積極采購合適的原料煤。而現(xiàn)實生產(chǎn)情況是，可用的優(yōu)質(zhì)原料煤越來越少、價格也高，企業(yè)權衡利弊后，最終只好選用高硫煤作為原料煤，其后果是設備的腐蝕速度加快，這是企業(yè)必須面對的現(xiàn)實問題，因此企業(yè)在選用高硫煤作為原料煤的同時一定要積極采取應對措施，避免產(chǎn)生新的瓶頸問題。國內(nèi)某恩德流化床氣化系統(tǒng)省煤器運行不到1 a沖刷腐蝕和化學腐蝕已很嚴重，省煤器換熱管因腐蝕而出現(xiàn)孔洞，被迫提前更新，排查發(fā)現(xiàn)其省煤器入口煤氣中H2S含量高達7.6 g/m3，這是省煤器(以及廢熱鍋爐)損壞過快的主要原因之一。

2.2.2 應對措施

(1)省煤器鍋爐給水系統(tǒng)增設副線(帶閥門)。為確保系統(tǒng)冷態(tài)開車時不至于出現(xiàn)低溫區(qū)域，建議省煤器鍋爐給水系統(tǒng)增設副線，系統(tǒng)開車或煤氣溫度不能滿足工藝要求時，利用此副線閥來進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中省煤器煤氣流速不能低于6 m/s，即系統(tǒng)負荷一般不要低于60%。

(2)增設開工加熱系統(tǒng)。建議增設氮氣加熱器，系統(tǒng)開車前利用氮氣加熱器將省煤器系統(tǒng)提前預熱至200 ℃，如此可避免布袋除塵器開車初期有時候因煤氣溫度過低而被迫繞開除塵器導致出現(xiàn)污染環(huán)境等尷尬局面，同時可縮短省煤器與布袋除塵器之間的導氣時間。

(3)系統(tǒng)長停期間正壓充氮保護。遇到系統(tǒng)長期停車時，視具體情況采用氮氣置換煤氣系統(tǒng)及氮氣正壓保護措施，確保系統(tǒng)與空氣隔離。

(4)控制原料煤煤質(zhì)，盡量采用低硫煤。

(5)開發(fā)使用新型材料。使用新型耐磨、耐腐蝕換熱管，提升省煤器自身性能。

3 過熱器運行問題與對策

3.1 沖刷腐蝕問題

過熱器與省煤器存在類似的沖刷腐蝕問題，其應對措施同省煤器，不再贅述。

3.2 高溫腐蝕問題

恩德爐配套的過熱器及廢熱鍋爐，其高溫腐蝕主要有氣體腐蝕、熱腐蝕兩種類型，其分析及對策如下。

3.2.1 氣體腐蝕

恩德流化床氣化工藝中，煤氣進入過熱器的溫度約980 ℃，處于高溫氣體腐蝕溫度區(qū)間，會使腐蝕進一步加快；另外，粗煤氣中含有H2、CO等氣體，這些氣體在高溫下與碳鋼發(fā)生反應，使鋼管表層出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，降低了鋼管的表面硬度和疲勞極限，從而縮短了設備的使用壽命[2]。

應對措施：過熱器及廢熱鍋爐不宜采用普通碳鋼材質(zhì)換熱管，可采用合金材質(zhì)換熱管，以提高換熱管的高溫穩(wěn)定性和耐腐蝕性。

3.2.2 熱腐蝕

粗煤氣中含有微量V2O5、Na2SO4、K2SO4等低熔點物質(zhì)，這些物質(zhì)源自原料煤，存在于煤氣夾帶的粉塵中，在高溫下以融熔狀態(tài)存在，其是酸性氧化物，可以破壞金屬表面的氧化膜，從而縮短設備的使用壽命[2]。

應對措施：① 控制過熱器管壁溫度--設計過熱器管壁溫度原則上不宜超過540 ℃，且將蒸汽出口段布置在低溫區(qū)，降低高溫腐蝕(熱腐蝕)對設備的影響；② 采用表面硬化技術防護--電力行業(yè)中運用熱噴涂技術，即在鍋爐容易受到腐蝕的部位進行噴涂[3]，在其表面形成高強度、高密度、低氧化物的保護層，此舉可較有效地解決火電廠鍋爐高溫腐蝕問題，化工行業(yè)尤其是恩德流化床氣化工藝中可以借鑒與嘗試；③ 開發(fā)、使用新型耐高溫、耐腐蝕、耐磨材料的換熱管。

4 其他運行問題討論

4.1 常規(guī)布袋除塵器濾袋使用壽命短問題

恩德流化床氣化工藝采用布袋除塵器以來，布袋除塵器濾袋使用壽命普遍在0.5～1.0 a，相較于熱電廠布袋除塵器濾袋少用2～3 a。濾袋是布袋除塵器的核心部件，通用濾袋材質(zhì)多為高分子合成纖維，機械損傷、化學腐蝕、酸性物結露腐蝕、高溫損傷等均會影響其使用壽命。

(1)機械損傷。布袋除塵器濾袋的機械損傷主要包括袋籠對濾袋的磨損、噴吹氣流對濾袋的磨損、濾袋的迎塵面磨損以及堵塞[4]，這些均會縮短濾袋的使用壽命。

(2)化學腐蝕。流化床氣化工藝中濾袋化學腐蝕包括被氧化性氣體氧化、酸性物結露腐蝕及高溫損傷三種情況。煤氣中氧化性氣體成分如NO2、SO2、SO3、O2等，在高溫下會對高分子纖維濾料造成氧化腐蝕[4]；研究表明，煤氣露點高于相同狀態(tài)下水蒸氣露點[5]，當進入袋式除塵器煤氣溫度低于其露點時，會發(fā)生化學腐蝕。

(3)高溫損傷。恩德爐配套布袋除塵器的濾袋，其高溫損傷主要有兩種情況：① 濾料出廠前未經(jīng)熱收縮處理，或入口煤氣溫度超出濾袋使用溫度范圍，使得濾袋發(fā)生熱收縮而致無法抽出或濾袋被袋籠脹破；② 工藝氣中的高溫顆粒造成濾袋灼傷或高溫烤灼[4]。

(4)析鹽堵塞。煤氣進入布袋除塵器的粉塵含量高，煤氣中的硫化物絕大部分為H2S，這種環(huán)境容易產(chǎn)生硫酸銨、氯化銨等鹽類沉淀物，不僅造成設備腐蝕，而且會堵塞濾袋孔隙，影響濾袋阻力及其使用壽命[5]。

針對恩德流化床氣化工藝中布袋除塵器濾袋使用壽命短問題，筆者建議從如下幾方面進行改進與完善：① 使用符合標準或規(guī)定的袋籠；② 調(diào)整噴吹壓力和脈沖寬度，避免噴吹壓力過大[4]；③ 據(jù)煤化工企業(yè)的生產(chǎn)實踐，控制布袋除塵器過濾風速在0.3 m/min以下(電廠布袋除塵器過濾風速一般為1 m/min)；④ 采用新型耐高溫濾材，控制入袋式除塵器煤氣溫度在200～240 ℃，高于煤氣露點操作；⑤ 冬季做好布袋除塵器的保溫工作；⑥ 短期停車時做好置換工作，并維持布袋除塵器溫度在100 ℃以上。

4.2 省煤器換熱面積增大之后出現(xiàn)的新問題

為保障省煤器出口煤氣溫度滿足通用型布袋除塵器入口煤氣溫度要求，通過增大省煤器換熱面積將省煤器設計出口溫度由240 ℃調(diào)整為160～200 ℃，但新設計的省煤器在實際運行過程中較普遍存在前文所述的各類問題。

雖然一些煤化工企業(yè)邀請國內(nèi)多家頂級設計院參與設計及施工，但從實際運行情況看，并未達到預期效果。如前文提及的某公司的省煤器，雖然國內(nèi)頂級設計院參與優(yōu)化設計，但省煤器實際運行時間也就勉強能達到2 a。從設計角度而言，首先，要確定煤氣經(jīng)過省煤器時的最大和最小流速(流速設計范圍為6～10 m/s)，以避免省煤器換熱管外壁上掛灰與沖刷腐蝕問題；其次，需關注設備結構形式，如材料選擇、換熱器直徑/長度以及換熱介質(zhì)的走向等問題，以避免省煤器換熱管的低溫化學腐蝕問題。

熱噴涂技術是火電廠針對鍋爐腐蝕的重要防護手段之一，在惡劣工況中的優(yōu)異表現(xiàn)使得熱噴涂技術的應用越來越廣泛，但流化床氣化爐配套的過熱器、廢熱鍋爐、省煤器等設備在高還原性氣體氛圍下的使用效果還有待檢驗。

實際上，省煤器的設計需要平衡能量回收效率與低溫腐蝕損失以及對袋式除塵器使用壽命的影響，電力行業(yè)通用型布袋難以滿足流化床氣化工藝配套布袋除塵器的要求。因此，開發(fā)新型濾材、適當提高省煤器操作溫度是解決省煤器低溫腐蝕問題的有效途徑之一。

4.3 關于新型材料除塵器

要延長袋式除塵器的使用壽命，濾材的選用是核心關鍵環(huán)節(jié)。據(jù)悉，柔性金屬膜作為濾材用于流化床氣化工藝配套布袋除塵器己于2017年在某公司成功應用，該柔性金屬膜具有如下特點：① 耐高溫--可在高溫工況(420 ℃左右)下連續(xù)、穩(wěn)定、長時間過濾；② 過濾精度高--可攔截粒徑0.1 μm以下的粉塵；③ 過濾氣體通量大--空氣通量>1 000 m3/(m2·h)，工況下氣體通量最高可達100 m3/(m2·h)；④ 耐腐蝕--可耐O2、CO、H2S、SO2、Cl2、F2等氣體腐蝕，耐堿性粉塵腐蝕，耐高溫抗碳化，高溫下無催化裂解反應發(fā)生。恩德流化床氣化工藝粗煤氣除塵的布袋除塵器采用此種濾材，可大大放寬省煤器出口煤氣溫度的控制范圍。

5 結束語

綜上所述，省煤器和布袋除塵器作為恩德流化床氣化工藝中的核心設備，其使用壽命制約著系統(tǒng)的穩(wěn)定、長周期運行，要有效解決省煤器和布袋除塵器的問題，需從研發(fā)、設計、施工、運行管理等環(huán)節(jié)綜合施策：基于系統(tǒng)性思維，需在省煤器熱量回收效率與使用壽命之間找到良好的平衡點，避免追求單一指標；恩德爐所產(chǎn)粗煤氣與熱電系統(tǒng)處理的煙氣之性質(zhì)存在本質(zhì)的不同，既要借鑒其成功經(jīng)驗，又要避免簡單套用，需采取有針對性的開發(fā)設計；新型材料的開發(fā)設計是有效解決布袋除塵器及省煤器、過熱器、廢熱鍋爐等設備問題的有效途徑之一，提高布袋除塵器入口溫度參數(shù)可為上/下游設備長周期、穩(wěn)定運行創(chuàng)造有利條件；耐高溫、耐磨、耐腐蝕材料的開發(fā)使用，有利于從設備自身角度解決恩德流化床氣化工藝存在的一系列問題。