神华壳牌煤气化装置改造情况总结

赵宗凯（神华煤制油化工陕西咸阳化学工业有限公司,陕西 咸阳 712000）

1 概况

鄂尔多斯神华煤直接液化项目是国内新建大型煤化工项目，规划煤液化工厂油品总生产能力为500万吨/年，分两期进行建设，其中一期100万吨/年。煤制氢装置是煤直接液化项目的主要生产装置之一，其任务是为煤液化装置和液化油提质加工装置制氢装置提供氢气，分别称为第一、第二煤制装置（105/106单元），单套制氢装置生产能力为287t/d(设计100%负荷)。每套制氢装置分为煤气化装置和净化装置两部分，其中煤气化装置采用Shell干煤粉加压煤气化工艺，设计单炉原煤用量为2000吨/天，单台气化炉的设计能力为有效气150,000Nm3/h，年操作时间8000小时。该炉采用干煤粉加压进料方式，纯氧作为气化剂，气化炉膛温度高达1400-1600℃，压力3.96MPa，碳转化率高达99%以上，氧耗低、冷煤气效率高、液态排渣，有效气体(CO+H2)高达85%（干基）以上。

在装置试车初期，由于存在设计不足、设备缺陷以及操作人员经验欠缺等问题，气化装置停车比较频繁，很难实现安稳长满优运行，给直接液化项目的试车也带来一定的不利影响。近年来，随着对装置逐步进行技术改造，消除瓶颈问题，同时加强人员培训，积累相关的运行经验，两套气化装置运行时间逐步提高，目前已达到百日运行常态化（A级连运），105单元A级运行最长时间185天，106单元A级运行最长时间137天。虽与国内最好的运行记录仍有差距，但相信经过不断的探索与发展，装置运行会不断进步，实现更好的运行记录。

2 装置存在的主要问题

2.1 合成器冷却器十字吊架积灰

最初运行阶段因为对炉温控制经验不足，曾经多次发生十字吊架积灰的情况。十字吊架积灰后造成通道变小，合成气流速变高，系统阻力降增大，激冷气下降，如果长时间运行，十字吊架处水冷管将会磨损严重，甚至磨漏。同时激冷气下降还会导致合成器冷却器入口温度升高，系统被迫降低负荷运行。

2.2 高温高压陶瓷过滤器滤芯断裂

飞灰高温高压过滤器是气化装置核心设备，主要作用是分离从合成器冷却器出来的合成气和飞灰。由于神华项目设计煤种灰分偏低，只有7%左右，因此该过滤器只设计了15组陶瓷滤芯，其它同规模厂家的24组滤芯相比，少了接近37.5%。

由于受当地煤质限制，装置在实际投产时使用的煤种灰分在12%左右，远高于设计煤种，导致高温高压过滤器设计余量不足，抗冲击能力较差。同时因为滤芯组数偏少，反吹阀动作频率高，达到了其它厂家的3倍多，因此阀门故障率高。在开车初期，滤芯出现频繁断裂现象，导致的停车次数占到了停车总数的1/3左右。

2.3 煤粉收集器布袋损坏

煤粉收集器是磨煤及干燥单元的主要设备，主要作用是分离过滤磨机出口的煤粉和热惰性气体，分离后的煤粉送入煤粉输送单元。试车运行阶段，煤粉收集器的布袋烧损现象严重，严重影响磨煤系统的安全、长周期运行，制约了装置负荷提高，甚至造成装置停车。

2.4 烧嘴头、烧嘴罩泄漏

随着装置运行时间的增加，煤烧嘴的烧嘴头、烧嘴罩泄漏成为影响气化装置长周期运行的重大因素。在烧嘴头、烧嘴罩泄漏初期，泄漏的水汽对气化炉炉温变化较小，运行一段时间泄漏变大后，气化炉渣口堵渣现象频繁发生。为解决渣口堵渣的问题，气化炉需要提高炉温运行，这将导致气化炉壁挂渣变薄，水冷壁销钉磨损严重。炉温升高还会导致合成气冷却器入口温度升高，十字吊架处将会发生积灰现象，最终造成负荷降低，装置停车。

2.5 捞渣机运行周期短

原设计的捞渣机为刮板式捞渣机，设计负荷为25t/h，主要由驱动装置、刮板链条、壳（槽）体、贮水槽、放水阀（活动堰板）及控制系统等所组成。该捞渣机自2008年投入使用后，因设计出力偏低、部件材质不过关、工艺操作等原因，出现传动链卡链、绷断，斜升段轨道损坏、粉料盘损坏、减速机损坏、钢结构梁损坏等现象，当气化炉负荷到90%以上时，捞渣机的负荷很难满足生产要求。

2.6 滤饼机故障频繁

S1702真空皮带过滤机是气化装置初步水处理单元的关键设备，对气化水质有很大的影响，一旦皮带过滤机故障，将造成气化排放水质恶化，不能循环利用，在增大用水量的同时，还导致下游污水处理难度增加，工厂环保压力增大。

2.7 设备、管线泄漏

煤气化装置工艺流程复杂，物料种类多样，试车初期泄漏发生频繁。既有含固气液相输送造成的设备及管线磨蚀泄露，又有合成气腐蚀造成的管线、仪表引压点泄漏，即污染了现场环境，又有可能引成工艺波动，严重的甚至造成装置停车。煤气化装置因合成气管线泄漏曾经多次停车。

2.8 产气量未达到设计负荷

神华项目单台气化炉的设计能力为有效气150000Nm3/h，试生产中进行的第一次100%负荷标定时实际有效气产量仅为132000Nm3/h。造成这种情况的原因有两个，一是气化炉使用煤种与设计煤种存在偏差，设计的上湾煤灰分只有7%，但实际运行时原料煤灰分在10%-11%；二是由于诸多原因限制，装置实际的碳转化率在95%左右，未能达到SHELL宣称的98%-99%；三是受限于激冷气压缩机的能力，系统无法实现超负荷运行。

由于目前使用的煤种与设计煤种有较大偏差，以及激冷气压缩机能力不足的原因，虽然经过长期的摸索，但气化炉的实际最高运行负荷（氧负荷）只能维持在90%左右，远低于设计能力，后续仍需继续提高。

3 近年来装置改造情况

针对在试车和运行过程中暴露出来的问题，从2009年开始，神华煤制油鄂尔多斯分公司联合Shell公司和部分国内的设备制造商、科研单位一起对系统进行了一系列的技术改造，共完成了技改项目31项，科研项目6项，大部分取得了良好效果。

3.1 S1501滤芯改为金属滤芯

2010 年开始分公司与北京安泰科技股份有限公司就S1501陶瓷滤芯国产化进行合作，金属滤芯首次考核评价时间从2010年11月22日起，运行装置为106单元，安装滤芯1组共48支，至2011年7月7日装置大修停车，使用时间约7个月，过滤系统最高氧负荷90%，滤芯运行状态良好。运行数据与进口陶瓷滤芯基本一致。2011年9月7日，将使用后的1组国产金属滤芯经清洗后加上4组全新金属滤芯（合计192支）混合10组清洗后的陶瓷滤芯组重新使用至煤气化装置105单元，同时，106单元使用全新进口陶瓷滤芯，两套装置对比运行。两套装置氧负荷均基本稳定在90%，过滤系统操作压力3.79MPa，操作温度270℃，合成气量380000Nm3/h，反吹气压力7.5MPa，反吹气温度225℃，105单元初期使用时压差15-16KPa，比106单元低2KPa左右，说明金属滤芯流通能力达到或优于进口陶瓷滤芯。

鉴于105、106两套装置的金属滤芯试用情况，2012年8月将105单元S1501飞回过滤器的720根滤芯全部更换为国产金属滤芯。

装置运行了约8个月后，从滤芯压差数据来看，运行状态良好。更换金属滤芯后，滤芯强度提高，抗波动能力明显增强；备件投资额下降约1/3。

3.2 5.5MPa过热蒸汽并网改造

在试车运行阶段，由于SGC积灰情况超出预想，导致气化炉自产过热蒸汽温度只能达到340℃，与原设计温度400℃的指标偏差达60℃，达不到蒸汽并网的要求，两套装置约有70t/h的3.5MPa蒸汽只能就地排放，造成能源浪费。为了提高过热蒸汽温度，分公司分别对混煤比例、上水温度、敲击器频率、供水方式等进行了多项改造和实验，但收效甚微。

为了能回收这一部分蒸汽，降低消耗，结合全厂蒸汽系统不平衡，1.1MPa蒸汽不足的情况，我们采用了将这些蒸汽降温减压使用的方案，即增加减温减压器，将这部分蒸汽送至1.1MPa蒸汽管网。减温减压器按照80t/h×2设置，一开一备，布置在106装置由106单元控制。改造完成当年即收回改造投资，并创造了可观的效益，有效的降低了装置的生产综合能耗，此项改造对装置的生产综合能耗影响占约5.4%。

3.3 煤粉收集器改造

试车运行阶段，煤粉收集器运行中经常出现布袋烧损现象，在带来安全隐患的同时，严重影响制约磨煤系统的长时间运行。经过多次观察与分析，我们认为导致布袋烧损主要是由于反吹氮气不足、温度偏低，煤粉收集器内部结构导致煤粉分布不均匀，局部堆积等原因造成的。

针对以上原因，装置采用增大气包容量、增加反吹氮气缓冲罐；加粗氮气缓冲罐至反吹气包管线的管径、更换脉冲阀等措施克服反吹氮气量不足的瓶颈；通过上箱体内部增加保温衬板，保证了箱体温度，防止结露；通过对煤粉收集器内部结构进行改造，增加煤粉分配板，使煤粉均匀分配，且有部分煤粉不需要附着于滤袋而直接进入下一工序，增加了滤袋的使用寿命。经过上述改造后，备煤系统从09年运行良好，未再发生烧布袋现象，为装置的长周期运行打下良好基础。

3.4 捞渣机系统改造

捞渣机系统灾运行初期，主要问题一是捞渣机本身故障率高，二是设备附属阀门故障率高，因此该系统的改造分为两部分进行：

第一次技改为T1401改造，即在T1401小室增加搅拌机，防止细渣沉积；将内部蝶阀改为外部球阀，便于检修，同时减小下渣时渣水对阀门的冲击，增加阀门的密闭性。改造后运行良好，阀门故障率明显降低，密封性能更好，未再因阀门故障造成装置污水溢流，阀门能够在外部处理，检修时间大大缩短；T1401小室增加搅拌器后，捞渣机未能捞净的细渣能及时通过P1403被输送，沉积物较少，大大减少了管线堵塞、机泵故障的发生率。

第二次技改为捞渣机技改，即将捞渣机拖动链条由板式链改为强度高、使用寿命长、易更换的圆环链，；刮板采用矩形刮板，且镶焊耐磨板，增强刮板的耐磨性能，延长使用寿命，增强了刮板的抗弯性和抗扭强度；将拖动链轮改用锻造凹齿链轮，具有承载能力高、耐磨损、寿命长、固定可靠等优点，不易造成夹链现象；将张紧机构由机头改为机尾，更便于链条张紧且对头部拖动机构不产生任何干涉，保证了设备平稳运行；捞渣机、斜升段的上部工作面全部铺砌40mm厚的玄武岩铸石衬板，铺砌方式采用“带耳板方形铸石＋孔条斜铺”的方式，不易脱落，延长了其使用寿命。捞渣机改造后，运行周期大大延长，维修费用显著降低，取得了良好的效果

3.5 系统管道升级

针对气化装置管道泄漏比较集中的区域，厂家与专利商一起对管道进行过多次升级，一是将碳钢管道升级为316L，包括气化炉环形空间安全阀入口管线、13XV0033至气化炉管线、吹扫氮气线至SGC管线、气化炉取压总管、13XV0038至激冷气管线、激冷气入气化炉管线等；二是将压缩机防喘管线进行升级，升级为内衬8825管线；三是初步水处理系统管线升级，将P1704出口至T1702管线，P1709出口至S1702管线由碳钢升级为双相钢材质。

管线升级后泄漏频率明显降低，但煤气化装置流程较长，工艺比较复杂，仪表点众多，存在泄漏机会较高，后续仍需要继续统计泄漏点出现的位置及频率，对泄漏率较高的部位进行升级。

3.6 滤饼机长周期运行改造

滤饼机改造方案包括滤饼机增加真空泵技改及滤饼机长周期运行改造项目，主要是增大真空泵出力、增加滤饼机速度开关、皮带增加光电式跑偏开关、增加冲洗水等。

滤饼机改造后，运行周期明显延长，但由于滤饼机运行环境恶劣且无备机，一旦检修时间较长，仍有可能导致1700单元水质恶化，因此滤饼机仍有继续进行改造的需要以达到更长周期运行。

3.7 气化炉出口温度控制改造

试车运行阶段，气化炉合成气冷却器出口温度（13TI0018）一度超过了设计值（380℃），且在采取降低炉温、提高敲击频率、调节激冷气量、改变煤粉粒度等多种措施后仍然无法得到控制，尤其是在高负荷生产情况下情况更为严重，严重制约了气化炉负荷的提高。经过Shell公司的分析，认为最好也最有效的办法就是将部分锅炉给水直接注入合成气冷却器末端相对低温的蒸汽发生器（E1303D），替代原来的强制循环锅炉水，并提供了具体的实施方案。

改造投用后，发现气化炉出口温度降低并不明显，只能降低6-8度，并未能有效缓解存在的问题，也未能对系统提高负荷提供空间，没有达到预期的改造目标。因为造成问题的主要原因是原料煤中碱金属含量高，飞灰粘度大，目前根据SHELL的建议及其它厂家的生产经验，在原料煤中掺入高硫煤，有效的解决了出口温度高的问题。

4 进一步的努力方向

4.1 实现煤烧嘴、烧嘴罩长周期运行

经过大量的技改及科研攻关，现在气化炉长周期运行的主要瓶颈为烧嘴头、烧嘴罩泄露，导致气化炉运行恶劣，直至停工。

经过论证，延长烧嘴头及烧嘴罩的使用周期，需从材料升级、烧嘴插入深度及煤线循环、煤线速度等各方面进行攻关，目前此项工作正在逐步实施。

4.2 力争高温高压过滤器运行正常

由于装置高温高压过滤器设计较小，更换完金属滤芯后，滤芯抗冲击能力变强，但使用清洗过后的滤芯，滤芯压差上升较快，压差长时间在高位运行，进入水洗单元的合成气中飞灰含量变大，文丘里管处易堵塞，造成激冷气量降低，限制气化运行负荷。

此问题需要对滤芯长度、安装质量等方面进一步优化，保证气化装置长时间运行后，高温高压过滤器过滤精度未受影响，保障后续装置运行稳定。

4.3 避免设备、管线泄漏

随着装置运转时间的延长，设备、管道的腐蚀、磨蚀现象会逐渐加重，关键部分管线尤其是合成气部分设备、管线一旦泄漏，将会造成生产波动，甚至并且造成环境污染及人身伤害等重大事故。因此在对易腐蚀的设备管线加强检查、检测的同时，要根据现场情况，提前对这部分设备、管线进行技术改造和材质升级，保障装置安全可靠，避免形成人身伤害。

4.4 延长部分转动设备运行周期

目前气化装置部分转动设备虽未影响装置长周期稳定运行，但限制了装置运行负荷，增加了装置能耗，对生产装置造成波动，对环保造成了一定影响。如单套磨机发生故障造成负荷降低；渣水泵故障频繁造成低压除氧水用量过大，堵渣后除渣效果降低等。

这些问题一方面要进一步加强设备的维护保养，提高计划检修的效率；另一方面对于设备的关键部位、易损部位进行升级改造；第三对于有条件的设备增加备用机泵，保障生产的可靠性。

5 结语

5.1 神华Shell气化装置进行了较多技术改造、科研、攻关，取得了良好的效果，气化装置运行周期明显增加，运行周期由40天左右提高至现在的100天左右。

5.2 神华Shell气化装置仍存在部分瓶颈问题，如烧嘴头及烧嘴罩泄漏、高温高压过滤器长期运行压差高、设备和管线泄漏等，一定程度上限制了气化装置的长周期运行。

5.3 神华Shell气化炉运行负荷偏低的问题仍然存在，主要是原始设计阶段存在的设计缺陷造成的，需要有针对性的进行改造，以进一步提高气化炉的运行负荷。