SHELL气化炉渣口堵渣原因分析及对策

冯恩刚(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)

0 引言

煤制氢装置是鄂尔多斯煤制油分公司公司的重要生产装置之一，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。煤制氢装置采用SHELL干粉煤加压气化工艺生产合成气，SHELL气化工艺具有碳转化率高、氧耗低、热利用率高、环境友好等优点。

煤制油SHELL气化炉设计负荷为2200t/d，2008年投产运行，初始运转期间气化装置遭遇较多难题，如气化炉出口温度高、滤芯断裂频繁、管线腐蚀泄漏等，经过大量的技术改造及长时间的操作经验摸索积累，逐渐攻克难题，运行时间大大提高。随着SHELL气化炉运行周期增加，气化炉堵渣造成停车次数增多。煤气化系统堵渣发生在渣口、渣池及渣排放罐。渣口堵渣最为关键，处理复杂，并有系统停车及损坏设备风险。

1 气化炉液态渣流动过程

粉煤和氧气通过烧嘴进入气化炉，生成温度为1500～1700℃的合成气和炉渣、炉灰。煤烧嘴与气化炉并不是垂直安装，而是略有角度。合成气在气化炉内形成旋转气流，炉渣在离心力作用下甩至水冷壁。炉渣在与水冷壁接触时，最先靠近的部分因温度低而固化，附在水冷壁上形成一个动态的壳层。随后靠近的炉渣因温度高而呈液态，液态渣附在固态渣壳表面，在重力作用下往下流，通过渣口流至气化炉底部的渣池，被激冷水淬激成细小的颗粒排出炉体。渣口大小为900mm，流下的熔融渣在渣口上部温度降低，粘性增大。当气化炉温度异常造成炉温降低或波动时，熔渣在渣口上部堆积，渣口慢慢变小，造成气化炉堵渣。影响渣口堵渣有多方面因素，本文从气化炉原料变化、工艺运行、设备原因三方面对渣口堵渣原因进行全面分析。

2 气化炉渣口堵渣原因分析

2.1 气化炉原料变化引起堵渣

SHELL气化炉进料为煤粉和氧气/蒸汽，氧气流量及纯度非常稳定，变化很小，煤粉流量受意外因素影响产生波动，对气化炉炉温有较大影响。由于煤层变化、配煤变化等原因，煤粉的熔融温度、灰份、氧化物、硫化物等发生变化，导致进炉煤粉煤质发生变化，气化炉炉温波动，引起气化炉中渣层发生变化，低温下渣口渣层变厚，渣口流动直径变小，引起系统堵渣。

2.1.1 煤灰熔融温度变化引起堵渣

SHELL煤气化工艺采用以渣抗渣的流程，高温下熔渣的流动性是保证装置正常运行的必要条件。为保证熔渣的流动性，气化炉必须保持适当的高于煤中灰的高温熔融温度。煤中煤灰组分、反应气氛、矿物质、粒度等均对煤灰熔融温度有较大影响。无论是原料煤煤层变化还是煤的来源改变导致煤质变化较大时，煤灰的熔融温度发生较大变化，造成气化炉膜式水冷壁上渣层厚度变化，气化炉工况发生波动。由于煤质分析具有滞后性，因此当煤质发生大的波动，而操作人员未及时调整操作，系统就会很容易造成堵渣。

2.1.2 煤灰的黏温特性变化引起堵渣

对于不同的煤灰，在高温下其黏温特性差异很大。有的煤灰样品在气化炉操作温度变化范围内黏度变化不大，即对应的气化操作温度范围宽，当操作温度偏离最佳值时，也对气化运行影响不大，有的煤灰当温度稍有变化时，其煤灰在高温下的黏度变化比较剧烈，在实际操作中应特别注意煤灰在高温下，结渣导致排渣不畅而发生堵塞现象。因气流床气化炉采用液态排渣，一般最佳黏度控制在5～25Pa·s之间，这决定了气化炉的操作窗口。

硅铝比能够影响气化炉操作窗口，当硅铝比小于1.8时，气化炉的操作窗口变小，气化炉操作温度被限制在较小范围内，温度稍高或稍低都会引起气化炉内渣的流动性，增加了跨渣的可能性。

2.1.3 煤中部分元素含量的变化引起堵渣

单质铁的晶化析出会造成渣块密度增大，硬度增大。煤中铁含量增加会引起单质铁的析出，形成铁的化合物从而造成大渣块的形成。

正常操作时，渣池温度约为450℃。当煤中硫含量增加，合成气中FeS增加，FeS颗粒是渣碳化的催化剂，周围的灰渣开始聚集，并形成大渣块。

2.2 工艺运行波动引起堵渣

稳定的工艺运行能够保证气化炉运行稳定，然而由于煤粉的固有特性、煤粉角阀调节迟缓及其它意外因素，在输送过程和负荷调节过程中，煤线总会产生波动，煤量发生偏差，从而引起气化炉炉温波动，严重的情况下会引起渣口堵渣。

2.2.1 煤线不稳定引起堵渣

煤粉经过煤粉加压罐，进入两个煤粉给料仓，每个煤粉给料仓对应两条煤线，煤线通过煤仓与气化炉压力差与加速氮气控制煤粉速度。在煤粉输送过程中，由于间断送料，导致在煤粉下料及隔离时煤粉给料仓总会产生压力波动导致煤粉线流量发生变化。在下面两种情况下，煤线波动会变得更大，一是因为通气锥设备损坏、煤粉水份超标或充压阀门关闭不严等原因，煤粉下料系列容易产生架桥，处理架桥的过程中，煤粉输送系统压力波动变大，煤线运行稳定性较差。二是在系统运行时，煤线经常因煤阀有异物堵塞而发生波动，尤其是当煤阀因异物开度较大，煤线会发生较大波动。

为保护烧嘴头，煤线设有多个跳车联锁，防止烧嘴头被烧坏。正常运行时，经常发生因阀门关闭、异物堵塞严重、煤线波动太大、仪表问题等跳烧嘴的情况。单条煤线跳车后，为保持系统负荷，其它煤线发生变化，系统内随之波动，气化炉内温度及气流流动发生较大变化。

煤线的稳定性决定了氧煤比的稳定性。如果煤线不稳，氧煤比波动较大，气化炉内温度波动发生不断的变化，当煤粉的质量流量波动在10%～15%内，氧煤比变化达11%～30%，气化炉内温度波动在200℃左右。气化炉内温度发生较大的变化，渣层随之发生变化。随温度降低，渣层增厚。当煤线波动时，气化炉内形成不均匀的渣层，炉温也会发生较大波动，气化炉内因此产生较大的渣块。

2.2.2 负荷频繁调整引起堵渣

SHELL气化炉以氧气流量为装置负荷，煤线随负荷与氧煤比调整。由于煤阀调整不能跟随氧气负荷及时快速的变化，有一定的滞后性，因此当负荷调整时，煤粉流量缓慢调整，造成实际氧煤比发生变化，气化炉内温度也随之变化，气化炉膜式水冷壁上渣层发生变化。鄂尔多斯煤制油公司煤制氢装置为其它装置供应氢气，负荷调整受到全厂负荷及其它装置的影响，需要经常进行调整，造成气化炉中渣层不断变化，如果调节不及时，很容易发生堵渣现象。

2.3 设备原因造成堵渣

装置运行一段时间后，通过参数变化趋势能够发现烧嘴头或烧嘴罩是否发生泄漏。一旦泄漏发生，就会影响气化炉的正常运行，尤其是泄漏严重的情况下，在泄漏区域附近温度较低，渣层变厚，当达到一定厚度后，渣层脱落，系统出现堵渣现象，如调整操作不及时甚至会系统停车。

2.3.1 烧嘴头泄漏

煤粉从煤烧嘴中间圆形管道喷入，煤粉管道外环为氧气管道。为保护气化炉烧嘴头，防止高温损坏，烧嘴环隙内通入调和水进行冷却。调和水通过调和水泵进行循环，为防止调和水系统内水量降低，导致循环量减少，调和水系统建立调和水罐补充调和水，液位降低后由高压除氧水补偿。

每次系统停车后，对气化炉进行检查，经常发现烧嘴头存在泄漏问题。泄漏多出现在烧嘴头部，有时出现在倒角处环隙。

烧嘴头泄漏的主要原因大致有三个方面：

(1)煤线不稳定、不均衡

由于通气锥烧结金属损坏，煤线速度及密度会不稳定，造成煤线波动，而煤阀内有异物也会造成煤线流量不稳定。煤线不稳会造成烧嘴头部受热不均，从而影响烧嘴头部，产生烧嘴头裂纹。

每条煤线煤量为计算值，每条煤线均需进行公式进行修改以保证每条煤烧嘴煤量一致，由于每条煤线的速度计、密度计及公式有一定的偏差，当偏差较大时，四条煤烧嘴的实际氧煤比会发生变化，高氧煤比的煤烧嘴收到热量辐射较大，因此容易产生烧嘴头泄漏。

(2)调和水波动

调和水温度保持在210℃，温度太低，容易产生硫腐蚀。温度波动时会对烧嘴头材料造成损坏。调和水必须保证足够流速以带走烧嘴头部的热量。

(3)火焰回火

气化炉运行不稳定，煤粉灰份增大，渣量较大时，渣漫过烧嘴罩，造成烧嘴喷出火焰回火，烧嘴头受到影响。

2.3.2 烧嘴罩泄漏

烧嘴罩安装在膜式水冷壁煤烧嘴头处，保护煤烧嘴，避免喷出的火焰被流下的渣影响，同时减少烧嘴头的辐射热。烧嘴罩凸出在膜式水冷壁，渣从其两侧流下。在系统长时间运行停车检修后，在每次进入气化炉检查时，都能发现烧嘴罩泄漏。

烧嘴罩泄露多发生在第三、四圈，烧嘴罩泄漏的原因很多，主要原因为：

(1)烧嘴罩管路堵塞

SHELL气化炉水冷壁在设计上采用拉蒙特管保护形式，由于水质等问题，管路流量降低，气化炉内温度较高，造成烧嘴罩爆管。

(2)烧嘴罩挂渣

由于煤烧嘴有一定的偏斜角度，煤粉与氧气进入气化炉燃烧室内会形成旋转流场。煤粉燃烧后生成的渣在流场的作用下附在燃烧室内表面，起保护水冷壁的作用。如果流场发生了变化，就会影响到挂渣效果，还会导致渣流入烧嘴罩内壁，出现折射火焰，从而烧穿烧嘴罩。

(3)煤线稳定性及均衡性

煤线不稳、不均衡不仅对烧嘴头造成很大影响，对烧嘴罩影响同样很大。煤线不稳定会使烧嘴罩附近温度发生不断的变化，造成材料的退化。无论煤线波动或煤线煤量不均衡，均会引起高氧煤比，导致烧嘴罩温度过高，出现高温腐蚀穿孔或热裂纹。

(4)烧嘴安装问题

煤烧嘴安装时，首先要保证插入深度，然后确保安装角度。方可避免发生偏烧，防止烧坏烧嘴罩。

3 避免堵渣采取措施

气化炉内温度、气流流动方向、渣的熔融性、黏性是不停变化的，同时设备因为安装、煤质、水质、腐蚀等原因发生泄漏，这些因素会导致气化炉内发生巨大变化。通过负荷速率降低及固定各煤线负荷，能够有效降低负荷变化引起的波动。煤线的稳定、均衡运行不仅能够保障气化炉稳定运行，同时能够有效保护烧嘴头、烧嘴罩，避免发生泄漏导致气化炉渣口堵渣。在气化炉稳定运行的基础上，通过采取避免煤质波动、保证煤线稳定运行、烧嘴头与烧嘴罩改进等措施，能够有效避免气化炉渣口堵渣。

3.1 采取措施避免煤质波动造成系统堵渣

鄂尔多斯煤制油分公司煤气化装置进煤采用配煤方式，由低灰分的上湾煤与高灰硫的乌海煤通过一定的比例配比而成。上湾煤煤质比较稳定，乌海煤波动大些，同时配煤时比例会发生一定的变化，导致煤的灰份及流动温度发生一定的波动。通过配煤，气化炉进料高温熔融性控制在1300℃左右，避免气化炉内熔融渣流动性发生大的变化，形成大渣块。

煤质发生变化时，需及时调整操作避免系统造成堵渣，同时调节配煤比例，尽量降低煤质波动引起的影响。煤粉分析为一班一次，当煤质变化时，为及时了解煤质的变化，可加大取样频次，将煤质变化影响消除到最小程度。

3.2 保证煤线良好运行

煤线运行过程中不稳定因素主要是：输送过程中煤粉架桥及下料造成的煤线波动，煤粉输送作为固体密相输送时本身存在波动。通过煤粉架桥顺控修改，将原先的带压下压变为吹扫旁路线，能够有效降低架桥引起的压力波动，通过煤粉下料罐压力调节阀进行及时的前馈，及时对调节阀进行预设阀位，可以有效降低在下料及隔离时造成的煤粉罐的压力波动。通过伴热升级改造、稳定氮气管网压力、调节适当锥部氮气与加速氮气速度能够有效降低固体密相输送时发生的煤粉流量波动。

开工前进行良好的煤粉循环，不仅能够调节速度计、密度计，保证煤线稳定运行，同时修正煤线公式，保障每条煤线均衡一致，避免运行时各条煤线时间氧煤比不一致引起烧嘴头、烧嘴罩损坏。

3.3 烧嘴头改进

烧嘴头的使用寿命与多种因素相关，调和水温度、压力、水质、流速对烧嘴头部降温，防止损坏起到巨大作用，同时烧嘴头需精心安装，严格按照规定进行工作。

对烧嘴的金属材料进行分析后，发现原有设计中选用材料属于最优系列，不用改变现有材料牌号，但对烧嘴头的结构可以适当优化，将会有助于延长烧嘴头的使用时间。从大量现场资料看，煤烧嘴泄漏多发生在环向壁厚过渡位置，此处壁厚发生了变化，必然存在一定的应力集中。在不影响安装尺寸及烧嘴头部冷却水的流道情况下，对过度部分进行调整，由原来的无过度圆角改为圆滑过渡。

3.4 更换适合的烧嘴罩

气化炉烧嘴罩发展到现代已有三代，主要区别为壁厚及烧嘴罩的插入深度。第一代烧嘴罩损坏比较频繁，主要原因是烧嘴罩挡渣能力不够。第二代烧嘴罩插入气化炉深度增加，减轻了渣流入烧嘴罩的可能性，顶部沟槽有效的将流渣导向两侧，壁厚减小可以降低管壁的温度梯度，有更好的抗疲劳能力。第三代烧嘴罩降低外圈没有渣覆盖的管子的腐蚀，不需要更换整个烧嘴罩。根据不同的煤种与工况选择合适的烧嘴罩，能够有效的延长烧嘴罩使用时间。

4 结论

(1)煤质变化、工艺运行不稳定、设备损坏均是气化炉渣口堵渣的因素之一，多数情况下各种因素同时作用引起堵渣。

(2)煤粉输送过程的稳定性及煤线煤量的均衡性对于气化炉稳定运行非常重要。修改煤粉输送架桥顺控及增加煤粉仓压力调节阀门反馈可以消除煤粉输送过程中的大部分干扰因素。煤线不均衡是烧嘴头、烧嘴罩泄漏的主要原因，开工前必须对煤线进行煤粉循环，以保证煤线的稳定性与均衡性。

(3)气化炉液态渣流动方式对气化炉炉温控制要求较高，当煤质变化、运行不稳定、设备内漏时，需要及时调整气化炉炉温，以保证液态渣处于正常流动状态，避免气化炉渣口堵渣。