壳牌煤气化激冷气压缩机稳定运行分析及对策研究

张家秋

(河南能源化工集团鹤壁煤化工公司，河南鹤壁 458000)

壳牌煤气化属于较典型的气流床气化技术，该装置具有碳转化效率高、适用煤种广、单套产能大、热效率高、环境效益好等特点，自2006年国内第一套装置投产以来，在业内被广泛认知。

1 激冷气压缩机的作用

壳牌煤气化采用粉煤加压进料，以氧气和水蒸气为气化剂，在炉膛内高温、高压环境下发生一系列反应，生成有效气(H2+CO)体积分数大于90%的合成气。与其他煤气化技术不同的是，壳牌气化炉采用合成气激冷。炉膛上行的1 600 ℃高温合成气夹带大量熔融态飞灰，在气化炉激冷段与激冷气压缩机送来温度为200 ℃的合成气充分混合，使之温度骤降至900 ℃。经过激冷后，熔融态飞灰迅速固化、黏度降低，避免因为飞灰黏度过高引起后系统换热器积灰从而导致停车。

2 运行现状

据了解，行业内有好几套装置曾因激冷气压缩机不能正常启动导致装置长时间停车的案例。因激冷气压缩机在壳牌气化装置中的核心作用，压缩机的保养维护成为各厂家关注的重中之重[1]。但是由于激冷气的特性以及压缩机的工作环境等因素，经过长时间运行后，激冷气压缩机或多或少会存在一些问题，影响设备及整个装置的稳定运行。

以本装置为例，自2017年1月新机组投入使用后，设备运行状况优良。但是随着运行时间的推移，问题逐渐暴露。对此，公司组织技术人员不断总结摸索，并与同类型厂家积极交流，致力为行业稳定发展总结经验。

3 主要问题

以本装置为例，激冷气压缩机作为一种结构比较简单的单级离心型压缩机组，主要由定子、转子、大齿轮、齿轮箱、支撑轴承、支推轴承、干气密封构成。临界转速为5 280 r/min，正常工况转速为7 792 r/min。在投入使用初期，设备运行工况良好。连续运行20个月后，问题逐渐显现。当压缩机正常工况运行时，设备运行无异常且参数稳定。但当遇到装置跳车等突发状况时，压缩机重新启动，经过临界转速时，高速轴振值升高，甚至达到联锁跳车值，影响机组的正常启动。针对此类问题，与国内同类型装置厂家交流，发现压缩机运行时间超过2 a以上，普遍存在压缩机启动时高速轴振值较高的问题。有些厂家为了避免压缩机因为高速轴振值高影响设备正常启动，在装置跳车、短停时保持压缩机不停车运行。此种操作会对除尘单元的金属滤芯(也有厂家采用陶瓷滤芯)造成较大损伤，但委实也是无奈之举。

4 原因分析

通过不断探索，找数据、查流程、分析总结，最终确定导致该问题频繁出现的原因。

(1)激冷气压缩机的输送介质是经过除尘单元与湿洗单元的合成气，根据质量比大约为1∶4混合而成，工艺要求温度为200 ℃。通过压缩机增压，合成气经激冷盒进入急冷管(见图1)，激冷气中含有大量的水蒸气、H2S以及少量的NH3、HCN、HCl、HF。当介质温度达不到要求时，装置会出现露点腐蚀现象，尤其是对叶轮的腐蚀，打破了原有的设备动平衡，影响设备启动。

图1 壳牌煤气化激冷气装置简图

(2) 来自气化炉冷却器的合成气经过除尘单元后，几乎将所有的飞灰除去(过滤后质量浓度小于20 mg/m3)，但是还有少量的飞灰进入后系统。部分飞灰附着于叶轮，形成均匀致密的垢层。当系统突发停车时，由于工况变化，导致叶轮上部分垢层脱落，再次启动过程中，会出现高速轴振值升高的情况[2]。

(3) 壳牌气化装置湿洗单元主要是脱除合成气中NH3、HCN、HCl、HF以及少量固体颗粒。为提高合成气中酸性气体的脱除效率，根据设计要求，湿洗单元需要加入少量质量分数为20% 的氢氧化钠溶液，洗涤液的pH值控制在7～8。飞灰中的钙、镁离子在碱性溶液中会形成沉淀，造成局部结垢，影响整体湿洗效果。一部分酸性气体及飞灰颗粒进入后系统，导致激冷气压缩机工作环境更为恶劣。

(4) 激冷气管线上设有3处止回阀，分别位于除尘单元去压缩机支管、湿洗单元去压缩机支管以及压缩机出口总管。当压缩机故障跳车时，止回阀的主要作用是防止气化炉内高温合成气倒流，损坏设备。如果止回阀因密封面腐蚀而不能起到有效的止回作用时，可能会发生以下情形：

当气化炉跳车，系统需要立即泄压时，主工艺流程中除尘单元的滤棒与湿洗单元的填料存在阻力，而由于激冷气管线阻力较小，会有部分合成气通过激冷气管线倒流至后系统。倒流的合成气会夹带大量飞灰，附着于压缩机叶轮和进出口管线上。

除渣单元的渣收集罐(渣池)液位发生飘移，真实液位比实际液位略高，与炉内高温区较为接近。受炉内高温影响，部分水蒸气蒸发至气化炉炉膛。气化炉开车准备阶段需要对系统进行抽负压操作，部分水蒸气经过激冷气管线倒流，在保温薄弱处(如压缩机缸体、激冷气管线距气化炉最远端等处)冷凝，冷凝的水汽造成设备及管线内附着的均匀飞灰受潮、脱落，破坏压缩机动平衡。管线内脱落的灰渣在运行过程中，有堵塞压缩机进口滤网及激冷盒的可能，进而影响压缩机工作效率。

(5) 前系统突发跳车事故，压缩机干气密封气源得不到有效保证，特别是润滑油的低压隔离氮气，导致压缩机仓促停车，对干气密封造成损伤。再次启动时，影响设备高速轴振值。

5 应对措施

(1) 严格控制激冷气温度在200～205 ℃，防止露点腐蚀的发生。

(2) 优化改良除尘单元滤芯材质及固定方式:将原设计长度为1.5 m的陶瓷滤芯更换为2 m的铁铝复合金属滤芯；滤芯管板密封方式由垫片改为焊接密封;严格控制除灰单元出口合成气尘含量指标，从而保证后系统管线及设备的清洁程度；定期用高压水枪对压缩机叶轮进行离线清理，保证叶轮清洁[3-4]。

(3) 与设计厂家沟通，适当调整湿洗单元洗涤液的pH值，将原设计值7～8优化为6～7，防止湿洗单元结垢。在保护设备的前提下，实现预期的湿洗效果，以达到装置安全稳定运行目的。

(4) 定期检查更换激冷气系统3处止回阀，防止出现非正常工况下合成气和水蒸气倒流。

5 结语

实施改进措施后，设备运行时间超过3 a，虽然运行参数与投用初期有所差异，但压缩机启动过程中超过临界转速、 高速轴振值高的问题基本解决，设备运行的瓶颈问题得到了有效改善，保证了装置正常开车。