壳牌气化炉运行中的常见问题

滕发利

（中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古鄂尔多斯 017209）

壳牌气化炉运行中的常见问题

滕发利

（中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古鄂尔多斯 017209）

介绍壳牌气化炉的结构和特点及其在生产应用中常见问题，炉温控制、水冷壁及烧嘴的损坏、飞灰过滤器损坏的原因及解决措施。

壳牌气化炉；操作温度；水冷壁；烧嘴罩；飞灰过滤器

中国煤碳的储量相当丰富，每年开采量10亿t，在能源消费中占比达到了70%以上，主要消耗于电力工业及运输行业，目前煤化工方面使用煤炭比例也相对较大，煤化工工艺也逐渐兴起，气化反应装置主要有比较早期和较为成熟的鲁奇，德士古，现在国内引进有比较先进的荷兰壳牌气化炉，到目前为止国内引进十余台，但是还不算很成熟，一次投资成本较高，气化炉结构较复杂。主要应用于合成氨，甲醇等。在这里以神华壳牌气化炉为例。

1 SHELL气化炉的结构及工作原理

壳牌气化炉由外壳体、内水冷壁及辅属设备组成，分为反应室，输气管，合成气冷却器三大部分，外壳体能够承受气化反应的高压力（5.0MPa）但是却不能承受气化反应的高温（1 500℃），而气化炉内壁则是由水管焊接组成的膜式水冷壁，水冷壁表面均匀焊有13~16mm的销钉，并且涂抹一层耐火泥，可以有效的保护水冷壁，避免高温对水冷壁的损坏，每根水冷壁管内均匀的分布着由强制循环泵提供的循环水，由循环水带走气化反应的热量，在汽包中进行水汽分离后产生中压蒸汽供给装置自用或者送入蒸汽管网。反应室内煤粉和氧气经过燃烧产生氢气、一氧化碳和少量的甲烷、硫化氢等粗合成气，反应温度约为1 500℃，产生的合成气经激冷气激冷后由输气管到达返向室时候温度下降为900℃左右，再经过合成气冷却器的冷却后温度降为约300℃，并送往下游的高温高压飞灰过滤器除去粗合成气中夹杂的飞灰，并将约30%的除灰后的合成气返回气化炉作为气化炉的激冷气使用。当合适的反应温度时，4个煤烧嘴燃烧后的熔渣被喷射在对面的水冷壁上，将有部分熔渣固化在水冷壁上形成固定的渣层，形成以渣抗渣，起到保护水冷壁的作用。当炉温偏高时候则水冷壁上的固定渣层薄，当反应温度低的时候渣流动性很差，固定渣层则厚。其余的熔渣顺着水冷壁上固定的渣层向下流至渣池里进行激冷后湿法排渣排放至渣池。

2 Shell煤气化的主要特点如下

1）使用煤种较为广泛，如褐煤、烟煤和沥青砂等煤，碳转化率较高能达91%以上。

2）反应后的有效气体成分含量高，CO和H2达到89%以上，粗煤气中CO2相当少，含量约3%~4%，且反应后无焦油产生。

3）壳牌气化炉是干法进料，所以氧耗比德士古等工艺低，气化压力约4.0MPa。

4）可日处理煤达2 000t以上，单炉生产能力较大，可产合成气约15万M3/h。

5）环保无污染，粗煤气中硫和氨都在后续的工艺中反应掉，反应后的灰、渣灰等可当做建筑用料使用。

缺点：①结构庞大、复杂。包括了煤粉过滤器、煤锁、渣锁、灰锁、飞灰排放罐、飞灰过滤器等等装置。②气化压力较低，通常Shell气化适用煤种广泛，主要是因为使用干法粉煤进料，气流床气化，气化温度高，液体排渣，对于煤粒度没有特殊要求，对于活性，结焦性，水，硫，氧，灰分不敏感。这是从技术上说，但是从经济上说，不是所有的煤都合适，比如水分太高，灰分太低或者太高，粉粒太大，灰熔点过高，都会产生问题，主要是能耗太高，经济上不合算。粉煤设备投资高，能耗高，安全操作性能不如湿法，气化炉结构复杂等。

3 在生产实用中出现的问题

3.1 气化炉不能直接测得反应温度

煤粉和氧气、蒸汽的混合物在壳牌气化炉内一起反应，生成粗合成气，主要成分为一氧化碳和氢气，及少量的二氧化碳、甲烷，因气化炉内反应温度较高约1 500℃以上，无测量原件能直接测得炉膛内的温度，所以只能由一些关键指标来综合判断炉温的高低。负荷不变的情况下，炉温的高低是通过氧煤比来调节的，而判断反应温度高低只能通过气化炉反应室的蒸汽产量，合成气的分析中各种气体含量的多少，和气化炉的排渣形态来综合分析。

如果气化炉内温度过高，则换热后产生的蒸汽越多。超过灰熔点则导致气化炉内壁无法挂渣，会烧坏气化炉内壁，如果温度过低则会导致煤粉无法完全反应，大部分煤粉进入排渣系统，导致排渣系统无法正常运转甚至堵渣。

3.2 水冷壁损坏

因为气化炉的炉温无法直接测得，只能通过蒸气产量和二氧化碳、甲烷含量及炉渣外观等去分析判断，而气化炉的炉温又受煤种的变化和操作时候O/C的高低影响。而炉温高低又直接影响渣层形成及其厚度。对于同一煤种，炉温低，渣层较厚，对水冷壁保护较好；炉温高，渣层薄，不能有效保护水冷壁，将衬钉烧熔掉，进而烧损水冷壁。当水冷壁某根管道堵塞或者水量不足时候，不能及时将反应热带走，导致水冷壁管干烧而使水冷壁损坏。当气化炉煤种相对稳定时选择配煤将气化炉用煤调整到合适的灰熔点而达到适合Shell气化炉操作温度是保证气化炉水冷壁挂渣的方法。从而有效的避免水冷壁的损坏。

3.3 烧嘴/烧嘴罩损坏原因和解决办法

Shell气化炉在运行的几年中，很多厂家都出现过烧嘴头部裂纹和烧嘴罩破损，导致高压的烧嘴冷却水泄漏入气化炉内，从而影响气化炉的正常运行，炉温很难控制，经常发生渣口堵渣而停工，难以实现长周期运转。经过摸索总结以下破损的几点原因和解决方法：

（1）煤线速度、密度标定偏高而实际煤粉流量偏低

因为煤烧嘴的煤粉流量是通过速度计，密度计计算出来的，所以速度计和密度计要求十分准确才能确保煤粉流量准确。控制操作温度的O/C才能准确，如果速度计、密度计偏高的话，计算后的煤粉流量偏高，实际的O/C偏高，气化炉温度则会过高，水冷壁根本无法挂渣，这是导致烧嘴罩和烧嘴头部损坏的原因之一，所以对煤线的速度和密度计进行多次标定而达到尽量准确，从而改善了烧嘴和烧嘴罩损坏的频率。

（2）煤线的速度过低

气化炉内操作压力为4.0MPa，当煤粉线的速度过低，则烧嘴头部的火焰离烧嘴越近，这样烧嘴头部离高温火焰较近，热量较高，也是损坏烧嘴及烧嘴罩的一个重要原因，所以经过调整将气化炉的四个烧嘴的煤粉速度全部提高到7.5m/s以上，有效避免了烧嘴和烧嘴罩的损坏，如图1所示。

图1 损坏的烧嘴头部和烧嘴罩

3.4 高温高压飞灰过滤器损坏的原因和解决办法

高温高压飞灰过滤器主要是处理合成气中的灰分，而陶瓷过滤器能将合成气中99%的粉尘过滤掉，使洁净的合成气进入洗涤塔再一次进行洗涤后部分返回压缩机的入口作为激冷气使用。飞灰过滤器它是由15组陶瓷滤芯组成，每组48根，共720根，当合成气通过滤芯时，灰不能通过滤芯而被阻隔，但是有部分黏附在滤芯上的灰分会影响气体的通量，所以在滤芯的上部由高压高温的8.0MPa氮气作为反吹，将滤芯外边黏附着的飞灰吹落。但是因为滤芯是陶瓷滤芯，所以内外承受的压差不能过高，联锁值为50kPa，压差过高时候滤芯会折断，从而部分合成气将不再能被过滤而直接送到下游装置，将导致合成气中的飞灰进入湿洗系统而使下游的工序不法正常运转，如图2所示。

图2 断裂和积灰的陶瓷滤芯

影响过滤器反吹主要有以下几个方面。

（1）反吹的频率和反吹时间。反吹有两种方式则都是有PLC柜进行控制，可以根据时间设置固定频率进行反吹，也可以根据压差进行设定而进行反吹。

（2）反吹气的压力。一般反吹气的压力设定在气化反应压力的2倍以上，如果反吹气压力低无法将滤芯表面的飞灰吹落，滤芯表面积灰过多，影响通量，反吹时候压差大容易断裂。

（3）反吹阀门的动作。当某个反吹阀门故障不能打开或者开启之后不能在一定的时间内关闭，则会使反吹气源压力直接下降，其他阀门进行反吹时没有足够的反吹压力，无法反吹掉吸附在陶瓷滤芯上的飞灰。

（4）气化的负荷和气化炉的反应情况。如果负荷高或者气化反应温度低时一方面产气量高滤芯承受的处理能力也逐渐增大，也会造成过滤器的压差过高，或者反应温度低时，合成器中固含量较多也会导致滤芯压差高，以及下游压力波动过大等都会造成过滤器压差高或者，断裂被迫停工。

因气化炉配高硫煤进行掺烧而保证气化炉操作所需要的合适的灰熔点，所以配煤后会分由原来设计的6%增加到14%甚至更多，所以对原来设计的S1501飞灰过滤器更增加了处理负担，压差直线上升，压差由原来开工时候的7kPa增加到14kPa，运行一段时间以后压差达到40kPa接近连锁值，限制了气化炉提高负荷运行。而框架和设备都无法进行更换，所以经过与国内的厂家进行技术交流，把滤芯由1.5m加长至2.0m，从而有效的增大了过滤面积，材质由原来的陶瓷滤芯改为金属粉末，这样大大增强了滤芯的强度，不易断裂，经过多次试验后效果非常好，未出现过滤芯断裂的情况。运行中的飞灰过滤器压差较低。

4 结束语

壳牌气化是新的气化工艺，虽在国内有多套设备引进，但是目前还不能达到较为长周期的运行，也还有较多的问题出现，还需要不断的摸索和总结，经过长期的实践和改进才会趋于完善。

[1] 汪家铭.Shell煤气化技术生产合成氨装置开车成功[J].煤化工，2006，（3）：49-49.

[2] 韩天峥.壳牌煤气化技术的应用[J].化学工业，2005，23（7）：20-22.

Common Problems in Shell Gasifier Operation

Teng Fa-li

This paper introduces the structure and characteristics of Shell gasifier and its common problems in production and application，the control of furnace temperature，the damage of water wall and burner，the cause of fly ash filter damage and the solution.

shell gasifier；operating temperature；water wall；burner cover；fly ash filter

TQ545

B

1003–6490（2017）05–0170–02

2017–04–06

滕发利（1982—），男，辽宁丹东人，助理工程师，主要从事化工生产工作。