壳牌气化炉运行中的常见问题

刘宏明

（同煤广发化学工业有限公司,山西 大同 037000）

我国是一个资源大国,具有丰富的煤炭储量,每年中国的煤炭开采量高达10亿t,煤炭资源的消耗占全国能源总消费的7/10以上。我国的煤炭资源主要用于电力工业和运输行业,煤化工方面消耗的煤炭量也比较多。煤化工工艺的逐渐发展和进步,比较早期和成熟的煤气化反应装置有鲁奇,而目前国内已经引进了比较先进的荷兰壳牌气化炉。

1 壳牌气化炉的结构和工作原理

壳牌气化炉是荷兰的一个气化炉品牌,具有比较先进的工艺技术,当前我国已引进十余台荷兰壳牌气化炉,但尚未达到成熟阶段。气化炉结构复杂,以此投资成本高,主要用于合成氨、甲醇等。壳牌气化炉的组成部分有外壳体、内水冷壁、辅属设备,可分为三大部分,即反应室、输气管、合成气冷却器。壳牌气化炉的外壳体能承受气化反应的高压力（5.0MPa）,但不能承受其高温（1 500 ℃）,其内壁侧为膜式水冷壁,由水管经焊接组成,水冷壁的表面均匀焊有销钉,钉的数量级为13mm～16mm,此外,为了对水冷壁形成有效的保护,防止水冷壁被气化反应的高温损坏,其表面还涂抹了一层耐火泥,且每根水冷壁管内都均匀分布着来自强制循环泵的循环水,以便将气化反应产生的热量及时带走,防止温度过高损坏水冷壁［1］。气化炉的汽包中水汽分离后会产生中压蒸汽,这些蒸汽将供给装置自用或被输送到蒸汽管网。煤粉气化炉的反应室内在氧气中进行燃烧,产生氢气、一氧化碳、甲烷、硫化氢等,形成成分较复杂的粗合成气,此时的反应温度较高,约为1 500℃,粗合成气产生后先被激冷气激冷,再经过输气管被输送到返向室,此时气体温度降低至约900℃,合成气再经过冷却器的冷却后温度降大幅度降低,在300℃左右,此时要进行粗合成气的去飞灰处理,将其输送到下游的高温高压飞灰过滤器,除飞灰操作完成后应将约30%的合成气送至气化炉作为其激冷气。在反应温度适合时,将煤烧嘴燃烧后的熔渣喷射到对面的水冷壁上,一些熔渣会形成固定的渣层,固定再水冷壁上,对水冷壁起到一定的保护作用。若炉温偏高,水冷壁上的固定渣层会较薄,保护作用较小；若炉温偏低,则熔渣流动性会较差,导致固定渣层过后,剩余的熔渣会顺着固定渣层下流至渣池,通过激冷后湿法排渣至渣池。

2 壳牌气化炉的特点

对煤种适应性较强是荷兰壳牌气化炉的一个显著特点,因此可利用壳牌气化炉实现多种煤的转化,如褐煤、烟煤等等,壳牌气化炉的煤转化率较高能达到91%以上。有效气体成分含量高是壳牌气化炉的一个重要优势,在壳牌气化炉中煤经过反应后,产生的气体中89%以上都是一氧化碳和氢气这样的有效气体,粗煤气中的二氧化碳含量极少,只有3%～4%,同时反应后不产生焦油。壳牌气化炉具有氧耗低的特点,其采用干法进料,因此与德士古等以往的气化工艺相比耗氧量少,气化压力约4MPa。壳牌气化炉还具有无污染的特点,为环保事业的进行做出了贡献,壳牌气化炉产生的粗煤气其中的硫、氨等污染性气体都会在后续工艺中被反应掉,不会对环境造成污染。此外,反应后产生的灰渣会等可被作为建筑用料,既创造了效益,又保护了环境。壳牌气化炉具有十分明显的优势,但也存在不可忽视的缺点。如结构庞大、复杂,气化压力低。壳牌气化炉的结构相对更具复杂性,包括煤粉过滤器、煤锁、渣锁、灰锁等各种各样的装置。壳牌气化炉使用干法进料、气流床气化（气化温度高）、液体排渣（对煤粒度没有特殊要求）,在活性、结焦性、水、硫、氧、灰分方面敏感性较低,因此可用于多种煤的转化。虽然从技术层面上讲,壳牌气化炉适用的煤种广泛,但从经济角度上考虑,一些煤种不适宜用壳牌气化炉气化。如一些水分太高、灰分太低或太高、粉粒过大、灰熔点过高的煤如果用壳牌气化炉进行气化将会产生问题,消耗大量的能源,降低经济效益［2］。

3 壳牌气化炉运行中的常见问题及其解决方法

3.1 气化炉无法直接测得反应温度

煤粉在在壳牌气化炉内与氧气、蒸汽混合后一同进行反应,生成主要为一氧化碳和氢气的粗合成气,粗合成气中还含有少量的二氧化碳和甲烷。气化炉内反应温度高,约为1 500℃,为此,不乏通过测量原件对炉膛内的温度进行直接测量,通过一些关键指标综合判断炉温情况。当负荷保持不变时,炉温的高低可通过调节氧气与煤粉的比来调节,炉温的判断则可借助气化炉反应室的蒸汽产量,合成气中各种气体含量的多少及气化炉的排渣形态的综合分析来进行判断。当气化炉内的温度高于正常温度时,会导致换热后产生过多的蒸汽。当温度超过灰熔点时,则会使气化炉内壁无法挂渣,会烧坏气化炉内壁。如果气化炉内温度过低,煤粉受反应条件的影响无法反应完全,大部分的煤粉将随渣进入排渣系统,导致排渣系统无法正常运转甚至出现堵渣现象［3］。

3.2 水冷壁损坏及解决方法

由于温度过高,气化炉内的温度只能通过蒸汽产量、合成气的组分含量和炉渣外观的综合分析进行判断,而不能直接测得,同时,气化炉炉温会受煤种变化而变化,还会受操作过程中氧碳比的影响。炉温的高低会对水冷壁上渣层的形成及厚度造成直接的影响。当煤种保持不变时,若炉温过高,则形成的渣层会过于薄,无法对水冷壁形成足够的保护,容易导致高温熔掉衬钉,损坏水冷壁；当炉温过低时,形成的渣层会较厚,能很好的保护好水冷壁。当水冷壁的管道出现堵塞或水量不足的情况时,反应热不能及时被循环水带走,也会造成水冷壁干烧,损坏水冷壁。目前有效避免水冷损坏的方法如下：当煤种比较稳定时,可选用配煤,将气化炉用煤调到合适的灰熔点,使其适合壳牌气化炉的操作温度,保证水冷壁挂渣。

3.3 烧嘴、烧嘴罩损坏原因及解决方法

壳牌气化炉运行中常常会出现烧嘴、烧嘴罩损坏,导致烧嘴冷却水漏入气化炉,阻碍气化炉正常运行,难以控制炉温,造成渣口堵渣,最终导致气化炉停工。壳牌气化炉的烧嘴、烧嘴罩的损坏原因主要有以下几点。第一,煤线速度、密度标定偏高,实际煤粉流量偏低。在气化炉的运行中,通过速度计和密度计计算得出煤烧嘴的煤粉流量,从而确定O/C,进而确定合适的气化炉温度。若速度计、密度计偏高,将导致气化炉温度过高,水冷壁无法挂渣,损坏烧嘴、烧嘴罩。为了解决这一问题,应多次标定煤线的速度计和密度计,确保其准确性。第二,煤线速度过低。壳牌气化炉的操作压力为4MPa,若煤线的速度过低,则烧嘴与火焰的距离越近,烧嘴头热量较高,容易被损坏。为了解决这一问题,应及时调整煤线速度,将所有的烧嘴的煤粉速度都提升至7.5m/s以上,以便防止烧嘴、烧嘴罩因距离火焰过近、热量过高而被损坏。

4 结论

壳牌气化作为一种新的、先进的气化工艺,与传统的气化工艺相比具有较显著的优势,但在其运行中仍常常出现一些问题,影响经济效益和社会效益。为了实现壳牌气化炉的长周期运行,必须有效解决这些问题。为此,对壳牌气化炉运行中的常见问题进行调查和分析,探索和总结出有效的解决方法具有十分重要的现实意义。

参考文献：

［1］ 夏正峰,孙中华.壳牌煤气化炉的设备特性及技术管理探讨［J］.化工管理,2017（2）：178.

［2］ 解晋业.壳牌煤气化装置气化炉安全隐患及其分析［J］.探索科学,2016（6）：385,387.

［3］ 齐云飞.试论壳牌气化炉的结构特点及操作维修［J］.科技视界,2016（23）：320,325.