壳牌气化炉合成气冷却器结垢分析

魏路乔

摘 要：近年来，随着现代化建设的发展，我国的科技发展也日新月异。壳牌粉煤加压气化炉具有单台投煤量大，环境友好，碳转化率高，煤种适用广泛等优势，备受国内煤化工行业，发电行业推崇。随着各个项目运行经验逐渐丰富，尤其掌握了配煤技术和苛刻的对煤种种稳定性要求，克服了烧嘴罩频繁泄露，飞灰过滤器滤芯损坏，合成气冷却器入口积灰，气化炉反应室堵渣等问题，连续运行百天，年累计运行三百天以上已达到常态化。目前看来，合成冷却器结垢问题越来越突出，成为制约装置稳定，高负荷运行的最大制约因素。从目前国内Shell气化炉运行情况来看，合成气冷却器积灰问题已经在神华、柳州、安庆、洞氮、大同等多个厂家中出现。

关键词：壳牌气化炉;合成气冷却器;结垢分析

煤气化技术是现代煤化工发展的关键技术、龙头技术，其工艺一般包括原料单元、气化单元、合成气净化及渣水处理单元，其中，合成气初步净化单元主要功能为除去合成气中的灰分，以满足下游系统的工艺需求，因为若粗煤气含灰量过高，细灰吸附于下游CO变换催化剂表面，易造成催化剂活性下降、失活。煤气化装置在工业运行中易出现洗涤塔出口合成气带水带灰、洗涤塔结垢、黑水管线堵塞、合成气含灰量增加等问题，煤气化用户及研究者针对不同问题采取了诸多改进措施并申请了相关专利，促进了煤气化合成气初步净化系统的优化升级。

1 概述

煤炭中钾钠含量的升高，使飞灰的固化困难，增加飞灰的粘度。结垢机理：热的飞灰颗粒因为固化不够，粘度增加，粘结在合成气冷却器换热管外壁上，导致换热效果变差。垢层表面温度进一步升高，更多粘的飞灰将堆积在此，结垢层进一步增加。煤粉和氧气进入气化炉反应室后发生转化和氧化反应，生成CO、H2并放出大量显热，出气化炉反应室的合成气温度在1500℃左右，在激冷段与激冷气压缩机K-1301来的200℃的合成气1.03：1混合，温度降低至900℃左右，并通过传输段、返回室后进入合成气冷却器。合成气冷却器内部为8圈的盘管换热器，中心处为直径96cm的托盘，有利于分散合成气全部通过盘管换热。在合成气冷却器处，合成气通道有效通过面积减小，如果飞灰粘性较高，易附着于盘管换热器表面和中心托盘之上，飞灰粘性持续高状态，则飞灰形成层层累积，加之原料煤煤质的变化，形成年轮状积灰，长时间之后造成合成气冷却器换热效果变差。

2 煤气化炉分类

煤气化炉的分类，也是煤炭气化技术的分类，一般按气化炉的化学工程特征和反应器形式进行分类。气化炉的形式在很大程度上影响煤炭的转化效率和产品的制造成本，采用高效、低耗、低污染的煤气化工艺（技术）是发展煤化工的重要前提，其中气化炉便是工艺的核心，可以说气化工艺的发展是随着气化炉的发展而发展的，为了提高煤气化的气化率和气化炉气化强度，改善环境，新一代煤气化技术的开发总的方向：①气化压力由常压向中高压（8.5MPa）发展;②气化温度向高温（1500～1600℃）发展;③气化原料向多样化发展;④固态排渣向液态排渣发展。当前煤气化炉主要有3种类型：固定床、流化床、氣流床。

2.1 固定床气化炉

固定床气化也称移动床气化。固定床一般以块煤或焦煤为原料。煤由气化炉顶加入，气化剂由炉底加入。流动气体的上升力不致使固体颗粒的相对位置发生变化，即固体颗粒处于相对固定状态，床层高度亦基本保持不变，因而称为固定床气化。另外，从宏观角度看，由于煤从炉顶加入，含有残炭的炉渣自炉底排出，气化过程中，煤粒在气化炉内缓慢往下移动，因而又称为移动床气化。固定床气化的特性是简单、可靠。固定床气化炉常见有间歇式气化炉（UGI）和连续式气化（鲁奇Lurgi）炉2种。闪歇式气炉用于生产合成气时采用无烟煤或焦炭为原料，以降低合成气中甲烷含量，由于能耗和排放指标等因素，此类炉型逐步淘汰;固定床连续式气化炉，20世纪80年代鲁奇公司和英国煤气公司对其改进开发了液体排渣气化炉（BGL），该炉型特点是气化温度较高，灰渣成熔融态排出，合成气质量较好，能形成多种中间产品，目前以褐煤为原料的装置较多采用此种炉型。

2.2 流化床气化炉

流化床气化炉常见有温克勒（Winkler）、灰熔聚（U-Gas）、循环流化床（CFB）、加压流化床（PFB是PFBC的气化部分）等炉型。循环流化床气化炉（CFB）使用水蒸气和氧气作气化剂，气化比较完全，气化强度是移动床的2倍，炉底排渣中含碳2%～3%，气化原料循环过程中返回气化炉内的循环物料是新加入原料的40倍。CFB气化炉基本是常压操作。灰熔聚煤气化炉以小于6mm粒径的干粉煤为原料，用空气或富氧、水蒸气作气化剂，粉煤和气化剂从气化炉底部连续加入，在炉内（1050～1100℃）的高温下进行快速气化反应，被粗煤气夹带的未完全反应的残炭和飞灰，经两级旋风分离器回收，再返回炉内进行气化，从而提高了碳转化率，使灰中含碳量降低到10%以下，排灰系统简单。

2.3 气流床气化炉

气流床气化炉是一种并流式气化。从原料形态分有水煤浆、干煤粉2类，Texaco、多元料浆、壳牌、科林、航天炉、五环炉等具有代表性。前者是先将煤粉制成煤浆，用泵送入气化炉，气化温度1350～1400℃;后者是气化剂将煤粉夹带入气化炉，在1500～1600℃高温下气化，炉渣经水淬以熔渣形式排出。煤粉随气流的运动，未反应的气化剂、热解挥发物及燃烧产物裹夹着煤粉高速运动，运动过程中进行着煤粉颗粒的气化反应。这种运动状态，相当于流化技术领域里对固体颗粒的“气流输送”，习惯上称为气流床气化。

3 设备管理

气化厂的设备管理包括以下两个方面，设备的维护、设备的点检定修。设备的维护最主要的方面就是润滑管理。气化厂在以往运行经验的基础上，提出了“合理润滑，创造效益”这个理念，使气化厂所有职工思想认识提高了一个层面。首先，每周三定为润滑日，保证所有动设备油质油位。另外使用科学的维护手段，最明显的例子是螺旋输送机的维护，以前螺旋输送机加油，采取的是黄油枪，手动往里压二硫化钼，费时费力，并且效果不明显，二硫化钼加不进去，螺旋输送机轴承运行效果坏，不超过三个月必须更换轴承，不然会出现杂音大。现在改用气动加油，只要打开工厂风，就能把二硫化钼压进去，效果很好，螺旋输送机由以前的一个星期加三次油，变为一个月加一次油，螺旋输送机的轴承寿命也提高到5个月左右。设备管理是长周期运行的保证，没有设备管理，长周期根本无从谈起。我们对设备的管理，分为以下两个方面，第一是设备点检定修，然后是滚动的检修计划。首先把设备分为A级和B级，A级设备是对工况影响很大的，如果无备机，将会引起较大损失，B级设备对整个工况影响较小。对A级设备采取每周点检两次，主要检查以下几个方面：机封泄露情况，轴承箱的振值，轴承箱温度，润滑情况，以及电机轴承是否有杂音，上面的每个数据都要记录在册，在我们的点检过程中，发现强制循环水泵的油经常变质，轴承箱振动大，通过召开专题会，我们判断轴承质量没有问题，因为这批轴承都是日机出品，在A泵上运行完全没有问题，判断出止推轴承预紧力太大，止推轴承长期处于受力状态，磨损较快，所以释放预紧力，解决了上述问题。另外就是滚动检修计划，在滚动检修计划中，要有A级设备轴承、密封的平均寿命，对目前设备的运行进行评估，做到预知检修、计划检修。另外在滚动检修计划中，就是目前运行过程中，目前条件下无法解决，必须等到大修才能解决的问题，为了保证煤质的稳定，成立煤炭管理小组。实行动态配煤管理，建立煤质数据库。根据数据库建立了原料煤单独采购质量标准，由水分、灰分、硫含量、灰熔点、灰中硅铝比、碱酸比、灰中氧化铁、氧化钙8个项目构成，每个项目分为合格、让步接收、拒收三档。原料煤在煤矿、入场煤、待用混配煤堆、输煤皮带、磨煤机出口设立5个监控点，确保煤质稳定。通过以上措施，解决了堵渣和十字架积灰的问题。比如，在这次运行过程中发现，气化炉出口温度持续上升，但是合成气冷却器入口温度变化不大，合成气冷却器进出口温差缩小，以C段最为明显，判断出合成器冷却器积灰，通过调整配煤，调整硅铝比，提高灰熔点及其流动温度，通过两天的运行，上述工况好转。

4 结语

气化炉反应段进水或者烧嘴罩泄漏;会导致合成气冷却器结垢加剧。添加蒸汽的工厂，可采取少加或不加蒸汽的方式，改善合成气冷却器结垢情况。更换钾钠含量低的煤煤炭，可以缓解合成气冷却器结垢，建议钾钠低于1.5%。粗合成气中的H/C比值升高，可判定气化炉反应室泄露水。