Shell气化装置高负荷运行瓶颈问题分析及措施

董亚军（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）

Shell气化装置高负荷运行瓶颈问题分析及措施

董亚军（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）

煤制氢装置气化原料煤与设计煤质偏差较大，高负荷运行瓶颈问题，导致不能达到设计产氢能力；高温高压飞灰过滤器S1501设计能力偏小，由于煤粉杂物导致煤烧嘴跳停频繁，合成器冷却器积灰严重。

shell粉煤气化；高温高压飞灰过滤器；煤烧嘴；合成气冷却器；激冷气

神华鄂尔多斯煤制油公司两套煤制氢装置为煤直接液化装置提供氢气，煤制氢装置的高负荷稳定运行直接影响油品产量、液化装置的运行稳定性。煤制氢装置采用shell粉煤气化工艺，由于气化原煤与设计煤质偏差较大、高负荷运行瓶颈问题的存在，导致煤制氢装置没有达到设计产氢能力，特别是单台气化炉检修期间，为了确保供氢量，造成天然气制氢装置天然气消耗较大，影响公司经济效益，不能满足公司长期发展的要求。

1 装置供氢能力说明

煤直接液化项目第一条生产线第一、第二煤制氢装置设计总供氢能力为287×2t/d（纯氢），13.35万×2Nm3/h（管网氢），单台气化炉设计日投煤量2148×2t/d，年耗煤70.88万×2/a。由于气化原料煤与设计煤质偏差较大，性能考核期间最高产氢量12.33万Nm3/h，氧负荷105%运行72小时，合成气冷却器入口温度748℃，性能考核结束后装置停车检修，合成气冷却器入口存在积灰现象。

近几年装置实际供氢量：第一煤制氢装置2014年运行7224小时，平均负荷90872Nm3/h；2015年运行6624小时，平均负荷86593Nm3/h；2016年运行7704小时，平均负荷84500Nm3/h；第二煤制氢装置2014年运行7416小时，平均负荷93378Nm3/h；2015年运行6096小时，平均负荷87527Nm3/h；2016年运行6864小时，平均负荷95900Nm3/h。对应煤直接液化装置负荷：2014年83%，2015年77.4%，2014年84%。

通过以上数据可以看出两套煤制氢装置实际产氢量远远低于设计产氢能力，主要由于以下问题存在：

（1）下游装置没有达到设计负荷，对氢气的需求量偏低，导致煤制氢装置处于相对较低负荷运行；与下游装置运行负荷不同步，当煤制氢装置具有较高供氢能力时，下游装置对氢气需求较低，当气化装置长周期运行至后半段时，不能满足下游装置对氢气的需求。

（2）气化原料煤煤质指标与设计指标存在较大差异，主要是原料煤灰含量较设计值偏高，设计7%，实际13%-15%之间，导致吨氢煤耗偏高，设计生产吨氢煤耗7.48吨，实际约8.9吨。

（3）影响煤制氢装置高负荷长周期运行瓶颈问题的存在。

2 高负荷长周期运行瓶颈问题分析

2.1 高温高压飞灰过滤器S1501设计能力偏小

2.1.1 滤芯运行情况说明

神华壳牌气化炉配套飞灰过滤器S1501设计余量偏小滤芯负荷较高，容易超负荷运行而发生断裂[2]。

2010年至2013年，煤气化装置高温高压飞灰过滤器滤芯损坏是导致装置停车的主要因素,因此滤芯的性能水平是装置能否高负荷长周期运行的关键。2010年1月至2013年105/106单元总共停车47次，其中由于滤芯断裂引起停车共10次，占停车总次数21%。

随着金属滤芯的使用，滤芯断裂次数逐渐减少，但装置长周期运行至后期，滤芯管板（管板设计差压70kPa）及垫片等薄弱部位长时间在高差压（最高45kPa）下工作，存在损坏风险影响装置高负荷运行。

2.1.2 解决措施：

（1）使用1.5米金属滤芯替代原有1.5米陶瓷滤芯、继续试用2米金属滤芯逐步替代1.5米金属滤芯，增加过滤面积降低滤芯差压。

表2：滤芯试用周期表

2015年7月10 日，气化105单元S1501 11号反吹阀下对应安装两米金滤芯一组48支，一直运行到2016年9月18日，停车检修取出前滤芯差压约40kPa，整体使用时间是410天，运行情况良好，没有断裂情况，焊接部位没有任何泄漏情况，表面积灰均匀，3mm左右，与1.5m滤芯表面积灰相当；花板上积灰高度大约在250mm-300mm之间，与1.5m滤芯花板上积灰高度相当。通过测量数据可以看出，在保持原有反吹氮气压力、反吹氮气量、反吹氮气喷嘴等不变的情况下，2米滤芯花板积灰厚度、滤芯表面滤饼层厚度均与1.5米滤芯相当。滤芯供应商安泰环境工程技术有限公司对使用后2米滤芯进行了解剖分析，滤芯的各项性能与1.5米滤芯相当。

（2）控制合适的反吹氮气压力，通过优化S1501反吹氮气阀门动作时间、调整反吹氮气压力、改造反吹喷嘴，增加反吹力度维持滤芯差压稳定[1]。

2.1.3 可能存在的风险

（1）在反吹氮气压力、流量、反吹氮气喷头不变的情况下，由于滤芯长度增加，滤芯中下部滤饼层可能偏厚，花板部位飞灰堆积厚度可能增加影响过滤能力。

（2）如果全部使用2米滤芯，滤芯自重增加33%，约增加1.3吨，增加了管板负重，可能对管板有一定影响，需要设备供应商进一步核算评估。

（3）2米滤芯中部焊接部位强度偏低，抗系统波动能力较1.5米滤芯偏低。在2米滤芯安装、拆除、清洗、清洗后运输等过程中都可能对焊接位置造成损伤，滤芯安装前只能通过表观进行检查，不能有效的发现滤芯焊接部位微观损坏情况，给装置稳定运行增加了风险。

2.2 煤烧嘴跳停频繁

2.2.1 烧嘴跳停情况说明：

单台气化炉设置4台煤烧嘴，装置正常运行期间必须保持4台烧同时运行，确保气化炉安全运行。烧嘴频繁跳车不仅影响气化炉运行负荷，同时会对气化炉安全稳定运行造成影响，2107年105单元由于1号烧嘴频繁跳车，并且长时间不能正常投用造成气化炉内部损坏，装置被迫停车检修。106单元同样因为烧嘴频繁跳车造成烧嘴罩膨胀节短接烧毁，装置被迫停车检修。2017年1月至6月份105单元煤烧嘴累计跳停26次，106单元煤烧嘴累计跳停29次，105/106单元拆角阀25次，20次拆出杂物。

2.2.2 解决措施：

（1）编制磨煤制粉系统及煤粉给料输送系统标准化检修方案，确保检修完成后，系统内无任何检修废料。建立相应的考核制度，磨煤制粉系统及煤粉给料系统检修后正常投用，对应的烧嘴如果出现频繁跳车，对检修人员及负债组织检修的人员给于考核。消除由于人为原因造成杂物遗留在系统内引起烧嘴跳车。

（2）对粉煤给料输送系统易损部件进行材料升级，防止损坏的设备部件掉入系统，引起烧嘴跳车。

将充气锥、管道充气器烧结金属内件材料进行升级，即使发生损坏也不会导致碎片掉入系统影响煤线运行；对笛管固定方式进行了改造，避免了笛管固定管箍掉入粉煤系统影响烧嘴运行。

粉煤系统过滤器S1202、S1204底部增加格栅板，防止滤芯损坏碎片掉入系统影响煤线运行。

（3）提高粉煤给料系统伴热温度防止由于温度过低煤粉积块影响煤线稳定性。由0.45MPa蒸汽伴热改为1.1MPa蒸汽伴热；对煤线电伴热进行升级改造，保温进行加厚，确保煤线温度在85℃左右。

（4）煤粉系统增加纤维筛防止煤中杂物通过磨煤系统进入粉煤供料系统堵塞角阀引起烧嘴跳车

前3项措施的实施烧嘴跳停次数较之前下降25%，但是原料煤中的杂物严重影响煤线的稳定运行，特别是外购的高硫煤在运输及倒运过程中杂物混入的风险极高，杂物通过磨煤系统进入粉煤给料系统堵塞角阀引起烧嘴跳车。

2.3 合成气冷却器入口积灰

2.3.1 积灰情况说明：

（1）依据煤灰的粘温特性以及壳牌气化炉实际运行经验，当合成气冷却器入口温度低于(2/3FT-150)度时，积灰的风险较低，因此正常运行期间合成气冷却器入口温度控制指标应低于(2/3FT-150)度。气化装置主要原料补连塔2-2煤煤灰的流动温度（FT）约1200度左右，按照（2/3×1200-150）计算，合成气冷却器入口温度控制指标应低于650度。激冷气量是按照合成气冷却器入口温度750度设计，装置实际控制指标为650度，因此只能通过降低运行负荷来保证控制指标，减少积灰。

（2）通过配煤将入炉煤煤灰的流动温度调整至1350度左右，但主要原料煤煤灰仍然对积灰起主导作用，合成气冷却器入口温度控制指标仍然需要低于650度，限制气化运行负荷。即便温度低于650度，当气化炉运行时间超过120天时，合成气冷却器十字架开始积灰影响装置高负荷长周期运行。

2.3.2 解决措施：

（1）通过改变十字架吹灰器结构，降低积灰速率。目前多家壳牌气化用户对吹灰器的结构进行了改造，改造后十字架积灰速率没有明显下降，没有达到预期效果。

（2）通过优化激冷气压缩机K1301出入口管线配置，降低管线阻力，增加激冷气量。取消K1301入口过滤器骨架、取消K1301入口分液罐顶部除沫网、取消K1301出口管线流量孔板、取消K1301出口管线上调节阀13FV0008，激冷气量增加约5000Nm3/h。

（3）取消洗涤塔出口管线上调节阀（DN400蝶阀）13PV0076，降低压缩机入口与气化炉激冷口的差压，通过核算预计能增加激冷气量约5000 Nm3/h。

装置开工以来13PV0076阀长期处于100%开度，阀前后差压约35-40kPa，设计此阀的最初目的为，确保压缩机入口压力稳定和协助13TV0020控制压缩机入口温度。实际上系统压力波动受制于16PV0008B控制，压力波动小于0.1MPa，并且压力的波动同时施加在压缩机入口和出口，对压缩机本身没有太大影响。另外13TV0020已经增加了旁路，温度的控制完全可以通过调整13TV0020开度来实现。为了防止13PV0076误动作关闭导致系统憋压，损坏压缩机等恶性事件发生，2014年起对阀门进行了机械限位。

（4）通过电机增容或更换电机、升级变频器、优化叶轮结构将K1301转速提至额定转速，增加激冷气量。

2015年对106K1301进行了叶轮扩能改造，委托西安赛尔流体机械设计制造单位重新设计和计算，采用专利技术“全可控涡”闭式三元叶轮设计与制造技术，对压缩机转子实施扩能改造，利用新转子的高效率压缩技术，在原配动力系统不变的情况下，增加流量，完成压缩机核心部件叶轮的国产化扩能改造。该项目从设计改造到安装投用，共历时约6个月，转子安装投用后因电机电流受限制，机组运行转速达不到设计转速，激冷气量仅增加约为4%左右，之后叶轮进行过两次返厂车削，投用后无明显效果。原设计电机最高转速为1492rpm，实际计算增速箱增速比为3.654:1（铭牌标注为3.854:1），所以压缩机正常运行最高转速仅为5480rpm，无法达到原设计的5733rpm，所以激冷气量也无法达到设计值。

如果将变频器和电动机功率根据工艺需求激冷气量同比增大，理论上可以满足激冷气量的需求。能够通过电机更换、变频器更新升级，不仅消除了老旧设备故障率逐年增加的隐患，更有利于提高电机转速，进而为提高压缩机转速提供安全便利的条件和空间，可以进一步提高激冷气气量。

（5）整体更换激冷气压缩机提高激冷气流量。

据悉河南能源集团旗下鹤壁煤化工、中原大化、龙宇煤化工[3]分别对激冷气压缩机进行了整体更换，鹤壁煤化工更换完激冷气压缩机后满负荷运行时合成气冷却器入口温度约630度左右；中原大化更换完激冷气压缩机后满负荷运行时合成气冷却器入口温度约650度左右。压缩机更换完成后，合成气冷却器十字架积灰速率明显降低。

2.3.3 可能存在的风险

（1）激冷气量增加，气化炉输气导管段气速增加，对导管段的磨蚀速率增加，可能造成水冷管由于磨蚀泄漏。通过改变导管段耐火销钉排布方式降低局部磨蚀风险。将规整排列的销钉改为杂乱排列，避免了局部磨蚀。

（2）激冷气量增加造成通过S1501高温高压飞灰过滤器的气量增加，引起滤芯差压增加。通过逐步使用2米金属滤芯增加过滤面积，降低滤芯差压。

2.4 气化炉煤种操作窗口小

2.4.1 操作窗口

气化炉煤种操作窗口小，气化炉操作难度大。气化温度操作空间=动力粘度2Pa.S时的渣温度-渣液化温度。通过目前气化炉入炉煤煤灰粘温特性曲线可以计算出，气化炉温度操作空间为72℃左右，因此渣口容易发生堵渣。为保证气化炉稳定运行，要求入炉煤的气化操作温度空间大于气化温度波动范围。如果入炉煤的气化操作空间小于气化温度波动范围，且气化温度向下限波动，则可能出现渣流动性过差，渣层变厚，增加渣口堵渣风险。

在假设入炉煤质稳定的条件下，其空气干燥基碳含量Cad%可以视为常数，因此氧碳比与氧煤比成正比关系，shell粉煤气化工艺使用氧煤比控制气化炉温。由于粉煤流量的测量精度偏低，导致实际测定的氧煤比精度偏低，其正常的波动范围为0.13，由此对应的气化温度波动范围为135℃。在实际气化运行过程中，入炉煤煤质存在一定波动，空气干燥基碳含量Cad%不是常数，其波动范围为约6-8个百分点，由此引起的气化温度波动范围为30℃。

如果入炉煤的气化操作空间小于气化温度波动范围，且气化温度向上限波动，则可能出现渣流动性过好，渣层变薄，增加渣屏结大渣、渣池堵渣风险。

2.4.2 解决措施

（1）与壳牌公司合作进行技术攻关，通过调整煤烧嘴安装角度、改变烧嘴头结构、对渣口结构进行优化、重新核算渣口位置水冷管水流量等措施改变渣口位置流场、温度场分布，提高渣口位置温度，降低堵渣风险。据悉大唐多伦煤化工已经对烧嘴安装角度进行了调整、河南能源鹤壁公司对壳牌气化炉烧嘴安装角度也进行了调整，烧嘴安装角度调整后，对缓解气化炉堵渣起到了积极作用。

（2）选择操作窗口较宽的煤种与现有原煤进行混配，提高气化操作窗口至160℃-250℃。

3 进一步的改进方案

（1）重新设计制作叶轮，建立模型，根据气量需求配置相匹配的变频器和电动机，改造完成后K1301转速提至额定转速，激冷气量能满足气炉100%氧负荷运行；拆除洗涤塔出口管线上调节阀，利用管线代替，预计能增加激冷气量约5000 Nm3/h。

（2）与纤维筛厂商开展技术交流，尽快确定粉煤系统增加纤维筛的具体方案，力争在装置检修期间完成改造。

（3）继续进行技术攻关，通过调整煤烧嘴安装角度、改变烧嘴头结构、对渣口结构进行优化、重新核算渣口位置水冷管水流量等措施改变渣口位置流场、温度场分布，提高渣口位置温度，降低堵渣风险。

（4）根据2米整体金属滤芯试用情况，考虑整体升级更换为2米整体金属滤芯。

[1]董亚军.Shell煤气化工艺高温高压飞灰过滤器S1501分析及解决措施.河北化工，2012.35（1）18-21.

[2]赵宗凯.神华壳牌煤气化装置高温高压过滤器改造及工业运行效果.工业，2015.25（7）7-9.

[3]郭肖选，张彦民.煤气冷却器积灰原因与解决措施.化肥工业，2013.40（4）27-29.

董亚军（1982-），男，汉，河北省石家庄人，神华鄂尔多斯煤制油公司，硕士学位，中级工程师，煤化工方向。