碎煤加压气化炉运行问题的解决及优化建议

李永亭，王希奋，张 杰

(伊犁新天煤化工有限责任公司，新疆 伊宁 835000)

0 引 言

伊犁新天煤化工有限责任公司(简称新天煤化)20×108m3/a 煤制天然气项目主要包括气化、净化、甲烷化系统及空分、热电、污水处理等附属配套设施，是目前国内最大的煤制天然气项目。其中，气化装置采用赛鼎工程有限公司自主研发的碎煤加压气化工艺，配套气化炉22台，分为3个框架——A框架7台气化炉、B框架8台气化炉、C框架7台气化炉；22台气化炉对应的化工系统分为A、B两个系列，化工A系列对应A框架7台气化炉和B框架前4台气化炉，化工B系列对应B框架后4台气化炉和C框架7台气化炉。新天煤化化工系统于2017年3月开车顺利产出合格天然气，2020年天然气产量为19.03×108m3、2021年天然气产量为19.10×108m3。自2017年3月原始开车以来，气化装置出现了气化炉夹套腐蚀泄漏、系统部分设备及管线堵塞、洗涤冷却循环水泵机封故障频繁、气化炉出口粗煤气温度失真、煤锁气放空、气化炉检修后气密性试验费用高等一系列问题，经过新天煤化气化技术团队的不懈努力，并借鉴同类装置的经验，通过不断地优化改进，气化炉逐渐实现满负荷、稳定运行，目前气化装置的运行状况完全可满足年产20×108m3天然气的需求。以下对有关情况作一简介。

1 气化炉运行问题及解决

1.1 气化炉夹套腐蚀泄漏问题及解决

新天煤化气化装置于2017年3月原始开车，运行至2017年7月，C4炉(“C4炉”中的字母“C”指气化框架系列、“4”为框架内气化炉的编号，下同)灰锁温度持续降低——灰锁温度仅为238 ℃(正常温度范围300～400 ℃)，夹套耗水量由之前的6～9 m3/h增至11～15 m3/h，怀疑夹套漏水，停车入炉检查，发现C4炉内筒体下段夹套已穿孔；随后运行中B7炉相继出现夹套漏水现象，经检查发现22台气化炉夹套内壁均有不同程度的减薄。

1.1.1 腐蚀原因分析

查阅相关资料，对鲁奇气化炉夹套腐蚀给出了两种腐蚀机理：一个是卤族元素(F、Cl、Br)腐蚀；另一个是碱金属腐蚀。

有资料提到，“气化高卤素含量的煤，气化炉内筒材料的选用主要考虑煤的含氯量，当氯含量<0.2% 时，可采用碳钢；含氯量在0.2%～0.4%时，可采用Cr含量>26%的钢材”。 从新天煤化气化装置最新的原料煤煤质分析报告来看，所用伊犁4#矿煤中卤族元素含量非常低，基本上可以排除卤族元素腐蚀的可能。

有资料提出，当所用原料煤富含碱金属硫酸盐且在SO3分压相对较高的情况下，在金属表面易形成熔盐层，使正常的保护性氧化物发生酸助熔。2017年3月新天煤化气化装置原始开车后，在当年的4月和5月对运行超过1个月和2个月的B4、A4炉进行停炉全面检查，未发现明显的腐蚀现象，然而当年7月5日，运行36 d的C4炉停车检查发现其夹套底部耐磨筋条上400 mm处已经腐蚀出孔洞；从当时的煤质分析数据来看，新天煤化气化装置所用原料煤煤灰中的SO3含量较高，尤其是2017年6月10日投产的伊犁4#矿2102工作面，其煤灰中的SO3含量高达16.29%，显然这会直接加快气化炉夹套的腐蚀。简言之，新天煤化气化炉夹套底部减薄的主要原因是煤中碱金属硫酸盐熔盐层使夹套氧化膜发生了酸助熔，进而导致气化炉夹套腐蚀泄漏。

1.1.2 解决措施及效果

(1)A2、A4炉试车期间炉内壁基本完整，未进行堆焊处理，而是在其炉箅705上焊接了折流板，以减轻气化剂/灰渣对夹套的冲蚀和腐蚀。

(2)A1、A3、A5、A6、A7、B1、B2、B3、B4、B6、B8共计11台气化炉进行堆焊处理——气化炉内筒体0～3.0 m采用Inconel625进行三层防腐熔敷，熔敷厚度5 mm以上；气化炉内筒体3.0～6.4 m进行两层防腐熔敷，熔敷厚度3 mm以上。

(3)B5、B7以及C1～C7共计9台气化炉内夹套更换钢板——其中7台气化炉的内夹套更换为以Q245R为基材，再用Inconel625焊条堆焊4 mm，夹套堆焊工作由供货商出厂前完成；另2台气化炉的内夹套更换为以S1008R8为基材，不再堆焊。

新天煤化22台气化炉经过上述处理后，之后整体运行状况稳定，未再出现气化炉夹套大面积腐蚀的情况，不过近3 a个别气化炉夹套还是有局部腐蚀，停炉检修期间进行堆焊处理后，未对化工系统生产负荷造成影响。

1.2 系统部分设备及管线堵塞问题及解决

气化装置运行期间，出现过低压废锅集水槽出口管线和煤气水余热回收器堵塞的问题：低压废锅集水槽底部的含尘煤气水，其中200 m3/h由循环洗涤水泵送至洗涤冷却器，其余的排至煤气水分离系统，运行期间出现循环洗涤水泵入口堵不打量致气化炉出口气温度高的问题，经分析，判断为低压废锅集水槽出口管线堵塞；另外，气化装置来的含尘煤气水(温度180～210 ℃，压力2.0～3.2 MPa)进入余热回收器管程，与壳程的低压锅炉给水换热，煤气水温度降至160～175 ℃，壳程副产0.50 MPa、158 ℃的饱和蒸汽送低压蒸汽管网，运行期间出现气化外送含尘煤气水困难的情况，以及煤气水余热回收器副产0.50 MPa、158 ℃饱和蒸汽外送困难、压力提不起来的现象，经分析，判断为煤气水余热回收器堵塞。

1.2.1 堵塞原因分析

经统计，伊犁4#矿原料煤块煤率约75%，块煤进入筒仓，经皮带输送入气化炉时块煤率为62%，使得粒径<6 mm的入炉原料煤占比高达38%，与同质量的大块煤相比，粉煤表面积增加较多，其吸附、扩散、传热速度较快，气化反应速率加快，原料煤升温速率和气化反应速率加快造成粗煤气中带出物增多；另外，新天煤化气化炉波茨曼套筒与气化炉内壁间隙较小，为186 mm，据了解，内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司、新疆广汇新能源有限责任公司、新疆庆华能源集团有限公司的气化炉波茨曼套筒与气化炉内壁间隙均为386 mm，分析认为，气化炉波茨曼套筒与气化炉内壁间隙越小，同等流量情况下粗煤气流速越快，气化炉出口粗煤气中带出物越多。上述两方面原因导致的粗煤气中带出物增多，最终造成气化系统部分设备及管线发生了堵塞。

1.2.2 解决措施及效果

(1)备煤车间将弛张筛的筛网由原8 mm更换为10 mm，气化装置高负荷运行时力争4台弛张筛投运，以保证气化入炉煤的粒度；同时，生产中加强弛张筛筛网的检查，发现有破损就及时更换。

(2)气化炉3个框架每个框架入炉前新增2台炉前筛分设备(一开一备)，筛分设备筛网规格为10 mm，对气化入炉煤再次进行筛分，以保证入炉煤的粒度。

(3)将气化炉波茨曼套筒与气化炉内壁间隙由186 mm调整至400 mm，且波茨曼套筒向下加长200 mm，以减少波茨曼套筒与气化炉内壁间隙结焦和粗煤气中带出物。

(4)控制气化炉单炉氧负荷在5 740 m3/h左右，同时控制气化炉加负荷速率，单炉并网后氧负荷增幅不超过1 500 m3/h，单炉氧负荷加至3 000 m3/h后氧负荷增幅不超过1 000 m3/h。

(5)将变换系统粗煤气洗涤器洗涤介质由煤气水改为经酚氨回收系统处理合格的稀酚水，同时脱氨塔洗涤水用量由30 m3/h增至45 m3/h，以防煤尘带入后系统。

经上述工艺调整和部分设备技术改造后，新天煤化气化装置运行过程中很少出现设备及管线堵塞现象了，系统部分设备及管线堵塞的问题得到了很好地解决。

1.3 洗涤冷却循环水泵机封频繁故障问题及解决

新天煤化气化装置开车以来，洗涤冷却循环水泵机封频繁出现故障——一般单台气化炉在5 740 m3/h的正常氧负荷工况下运行5～7 d，洗涤冷却循环水泵就会因机封故障而不得不更换机封，由于每台气化炉设计上对应1台洗涤冷却循环水泵(无备泵)，一旦洗涤冷却循环水泵机封出现故障，对应的那台气化炉氧负荷就不得不从5 740 m3/h降至1 000 m3/h，造成化工系统负荷波动大，不仅影响天然气产量，而且造成气化装置中控(人员)和现场操作人员工作量大增。

1.3.1 机封频繁故障的原因分析

洗涤冷却循环水泵机封的冷却介质为温度154 ℃、压力4.5 MPa的高压喷射煤气水，而高压喷射煤气水来自煤气水处理系统，因煤气水分离系统负荷高，分离效果不佳，煤气水中煤尘和重芳烃等杂质含量高，由此导致高压喷射煤气水水质差，造成洗涤冷却循环水泵机封磨损而出现故障。

1.3.2 解决措施及效果

对水系统水质进行排查后，从各路水的温度、压力、流量等方面综合考虑，决定将温度156 ℃、压力5.4 MPa的中压锅炉水用作洗涤冷却循环水泵的机封冷却水。于是，先对B框架4台气化炉对应的4台洗涤冷却循环水泵机封冷却介质改用中压锅炉水，改造后洗涤冷却循环水泵运行周期明显延长，由之前的(单台气化炉5 740 m3/h的正常氧负荷工况下)5～7 d更换1次机封延长至60 d左右更换1次；之后，剩余的18台洗涤冷却循环水泵机封冷却介质全部改用中压锅炉水。改造后，在单台气化炉5 740 m3/h的正常氧负荷工况下，气化炉一般运行60～70 d才更换洗涤冷却循环水泵机封，保证了气化炉的长周期稳定运行。

1.4 气化炉出口粗煤气温度失真问题及解决

新天煤化煤制天然气装置自2017年3月投产以来，气化炉运行相对稳定，初期基本上能保证化工系统50%的负荷运行，但运行期间出现气化炉出口粗煤气温度失真的问题，严重影响气化炉的操作。

1.4.1 出口粗煤气温度失真的原因分析

分析认为，由于新天煤化气化炉波茨曼套筒与气化炉内壁间隙较小，导致气化炉出口侧夹套环隙易结焦堵塞，环隙结焦堵塞后，气化炉出口粗煤气温度测点处结焦，导致气化炉出口粗煤气温度失真。

1.4.2 解决措施及效果

2020年年初新天煤化成立了由多部门联合组成的技术攻关小组，从气化炉构造、气化炉前期运行数据、工艺运行情况等多方面入手进行分析，最后得出需将气化炉波茨曼套筒与气化炉内壁间隙由186 mm调整至386 mm的改造方案。改造方案确定后，前期主要对结焦严重的3台炉进行了改造，改造后这3台气化炉运行状况明显改善，气化炉运行周期延长、清焦频率明显下降；随后新天煤化历时近120 d对其余19台气化炉进行了本项改造。改造后，22台气化炉运行状况明显改善——气化炉出口粗煤气中带出物减少，波茨曼套筒与气化炉内壁间隙及洗涤冷却器出口结焦情况得到很大改善，清焦频率明显降低；但首次改造后运行近1 a来，波茨曼套筒与气化炉内壁间隙及洗涤冷却器出口仍有少量结焦，为实现气化炉的高效、优质、长周期运行，新天煤化又对22台气化炉进行了第2次改造——将波茨曼套筒与气化炉内壁间隙由386 mm调整至400 mm，并将波茨曼套筒向下加长了200 mm。

新天煤化22台气化炉波茨曼套筒经过2次技改后，气化炉运行状况良好，波茨曼套筒与气化炉内壁间隙及洗涤冷却器出口结焦明显减轻，气化炉运行周期有效延长，绝大多数时候气化炉出口粗煤气温度真实可靠。

1.5 煤锁气放空问题及解决

新天煤化气化炉加煤时煤锁需两次充压(一次充压采用变换系统冷变气、二次充压采用炉内自产煤气)、一次泄压，煤锁一次泄压的煤锁气经洗涤后进入煤锁气柜，再经煤锁气压缩机增压后送至变换系统。

1.5.1 煤锁气放空的原因分析

新天煤化化工系统满负荷运行时，需要19台气化炉满负荷运行，总氧负荷109.6 km3/h，单台气化炉在氧负荷5 740 m3/h工况下加煤时煤锁的泄压操作为2.5次/h，单台气化炉每次泄压的煤锁气量为675 m3(即1 688 m3/h)，则19台气化炉运行时泄压煤锁气量共计约32 100 m3/h。而新天煤化气化炉煤锁泄压配套2台设计容积为3 000 m3的煤锁气柜，煤锁气柜设计容量较小；同时，设计配套有3台煤锁气压缩机(往复式压缩机，因故障率较高，正常运行时两开一备)，单台煤锁气压缩机打气量设计值为12 500 m3/h，即2台煤锁气压缩机满负荷运行时的打气量为25 000 m3/h，显然19台气化炉高负荷运行时2台煤锁气压缩机的打气量不足，过剩的7 100 m3/h泄压煤锁气只能放空至火炬燃烧处理，造成粗煤气损失。

1.5.2 解决措施及效果

针对煤锁气放空造成粗煤气损失的问题，新天煤化积极召开专题技术会研讨，并与赛鼎工程有限公司充分沟通，最终决定通过新增煤锁气充泄压缓冲设施予以解决——在气化A、B、C框架管廊各增设1条DN800缓冲管，缓冲管总容积约120 m3，各缓冲管间用DN180管线连通，以供所有气化炉煤锁充泄压时共同使用。

煤锁气充泄压缓冲设施历经3个月完成技改并投用，改造后，气化炉煤锁气一次泄压至缓冲管、二次泄压至煤锁气柜，一次充压气源由变换系统冷变气改为缓冲管内煤锁气，以最大化利用煤锁气的压力能，二次充压气源由气化炉自产煤气改为煤锁气压缩机出口气，如此一来，约11 200 m3/h的泄压煤锁气用于气化炉煤锁充压而得到直接利用，剩余的泄压煤锁气气量为32100-11200=20 900 m3/h，运行2台煤锁气压缩机即可满足19台气化炉满负荷运行所需，彻底解决了气化炉高负荷运行时泄压煤锁气放空至火炬造成长期有明火燃烧的问题。

1.6 气化炉检修后气密性试验费用高问题及解决

新天煤化气化装置采用碎煤加压气化炉，单台气化炉在5 740 m3/h的正常氧负荷工况下加煤2.5～3次/h，气化炉采用间歇式排灰，因气化炉加煤操作频繁，造成气化炉煤锁、灰锁检修次数多，每次检修后都要进行4.0 MPa气密性试验合格后才能开车，而每次进行4.0 MPa气密性试验只能雇外单位的撬装车配合，费用较高——每台炉做1次气密性试验需用液氮约11 t、氮气价格500元/t，每次撬装车出车费用3 000元，即气化炉进行1次气密性试验的费用为8 500元，而新天煤化气化装置22台气化炉每年大检修平均3次，每年气化炉的气密性试验共计66台次，全年费用达56.1万元。

1.6.1 气密性试验费用高的原因分析

新天煤化气化炉煤锁、灰锁检修次后气密性试验使用的介质为氮气，而新天煤化的公用介质中压氮气管网设计压力为2.5 MPa，只能做2.5 MPa压力等级的气密性试验，每次进行4.0 MPa气密性试验只能雇佣外单位的撬装车配合，导致费用较高。

1.6.2 解决措施及效果

结合新天煤化公用介质管网的实际情况，决定对公用介质管网的配套进行完善——新增2台氮气压缩机用于气化炉4.0 MPa气密性试验，新增的氮气压缩机进气压力2.0 MPa、排气压力4.5 MPa、单台容积流量70.88 m3/h、配套电机功率51 kW。新增的 2台氮气压缩机于2020年大检修后投入使用，彻底解决了气化炉检修后4.0 MPa气密性试验费用高的问题，每年可节约约56.1万元的运行费用。

2 气化炉系统优化建议

2.1 气化洗涤冷却器内新增刮刀

新天煤化的气化炉经过2次技术改造取得了明显的效果——气化炉内壁环隙及洗涤冷却器出口结焦明显减轻，但仍存在少量结焦，且偶尔仍会造成气化炉出口温度失真，目前是通过在气化洗涤冷却器盲法兰中间增加高压喷射煤气水的方式减少结焦和气化炉出口温度失真现象。因此，建议在气化洗涤冷却器内新增刮刀，可以清除气化炉内壁环隙及洗涤冷却器出口的结焦。

2.2 气化炉出口安装在线氧分析仪

目前新天煤化的C3炉安装有在线氧分析仪(运行周期保障条件：洗涤水10 d更换1次，干燥剂15 d更换1次，2 d自动标定1次、15 d人工标定1次)，使用效果良好——分析数据准确可靠，有效地保障了气化炉的安全稳定运行。建议新天煤化气化装置其余21台气化炉均新增在线氧分析仪，以减少人工分析工作量，保证气化炉的安全稳定运行。

2.3 提高气化炉氧负荷

新天煤化于2021年8月开展B2炉提高氧负荷运行试验，B2炉平均氧负荷在6 890 m3/h稳定运行30 d，其间有3 d氧负荷最高达到7 500 m3/h，高负荷试验期间无任何异常现象，气化炉出口温度、灰锁温度、夹套压差、炉箅电流、粗煤气组分等均在指标控制范围内，表明气化炉具备加负荷的条件。因此，建议气化炉系统单炉氧负荷控制在5 800～6 890 m3/h，单炉正常氧负荷维持在6 300 m3/h左右，单炉短时间可提高氧负荷至6 890 m3/h。提高单炉氧负荷的益处有三：一是当单台气化炉出现故障停炉时，氧负荷低的气化炉增加负荷至设计值的120%～130%，可提高气化炉的气化效率，增加粗煤气产量，维持气化炉系统总负荷不变，从而满足化工系统满负荷生产的需求；二是可减少运行炉数量，降低运行能耗 ——停运1台气化炉可节约高压喷射煤气水5.45 t/h、循环洗涤水泵机封水0.7 t/h、洗涤水泵用电19.78 kW·h/h；三是可增加气化炉备用台数，从而可降低检修频率、节约检修费用。

2.4 降低汽氧比

正常生产过程中新天煤化气化装置平均日耗煤量约23 000 t，而与之配套的伊犁4#矿平均每天只能为新天煤化提供17 000 t左右的原料煤，需外购约5 000 t的原料煤，故新天煤化气化炉一直采用掺烧的运行模式，由于不同煤种灰熔点不同以及掺烧不均匀等原因，经常造成气化炉结渣，为适应不同的煤种，新天煤化气化炉汽氧比比同行业要控制得高一些，一般控制在7.5～8.0 kg/m3，气化炉排出的灰渣较细、无渣块。而气化炉汽氧比控制得高，会使炉内气化反应温度低、CO2含量高，导致气化炉反应效率、蒸汽分解率降低，进而造成气化装置蒸汽耗量大、煤气水产量大、煤气水分离和酚氨回收负荷高、外送稀酚水量大等一系列问题出现。故建议在保证排渣过程中灰不熔融成渣的前提下将气化温度控制在接近入炉煤的灰熔点，即1 100～1 200 ℃，以将气化炉汽氧比降至7.5 kg/m3以下，保证气化炉的稳定、优质运行，使气化效率最大化。

3 结束语

新天煤化气化装置2017年3月开车以来，经过技术团队近5 a的攻坚克难，解决了气化炉夹套腐蚀泄漏、系统部分设备及管线堵塞、洗涤冷却循环水泵机封故障频繁、气化炉出口粗煤气温度失真、煤锁气放空、气化炉检修后气密性试验费用高等一系列问题，2019年化工系统由满负荷运行需19台炉供气降至18台炉供气。另外，对于碎煤加压气化工艺而言，通常业内气化炉的汽氧比控制在7.5 kg/m3，而新天煤化气化炉的汽氧比现已优化至7.4 kg/m3；业内通常生产1 000 m3粗煤气的耗煤在800 kg左右，而新天煤化现已优化至700 kg左右；通常业内气化炉灰渣残炭在3%左右，而新天煤化现气化炉灰渣残炭可控制在1.5%～2.0%。综合来看，经过持续的优化改进，新天煤化碎煤加压气化炉的运行状况及主要消耗数据已处于行业领先水平，不过，运行中还有一些需要优化的问题，这些将是今后新天煤化技术团队继续攻坚的内容，以进一步提升碎煤加压气化炉的运行水平。