壳牌气化炉合成气冷却器结垢分析

郭小杰

(同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037000)

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[1]。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[2]等多个厂家中出现。

以某山西大同60万t/a，甲醇项目为例，以2017年全年为例，在气化炉满负荷运行时，因合成气冷却器结垢被迫降低气化炉负荷高达12天。占全年运行天数的3.78%。如何减少飞灰在合成气冷却器换热管表面结垢，成为壳牌用户急需解决的问题。

1 壳牌气化炉的结构形式

1.1 气化炉全景三维结构形式

图1 壳牌气化炉三维图

壳牌气化炉由反应室，激冷区(激冷管和输气管)，气体返混室(GRC)，合成气冷却器(SGC)组成。

1.2 合成气冷却器的结构形式

图2 壳牌气化炉合成气冷却器示意图

合成气冷却器水冷壁的管束是用不同直径的管组装而成的，缠绕成圆筒，每一圆筒管长按大约250mm逐步缩小。每个圆筒由确定数量的水管组成。单个圆筒之间相互插入，用支撑结构固定，以允许每个圆筒向下自由膨胀。水从圆筒水管的下部进入，上部流出。

从上往下看，一共有四个换热器：

过热中压蒸汽换热器1个，中压蒸汽换热器3个。

在粗合成中气体中含有部分飞灰，所以在合成气冷却器水冷壁管束区域极易结垢，这将导致合成气冷却器冷却效率大副下降。

为了防止灰集聚现象发生，在合成气冷却器的各段都分布有74个气动振打装置，来保持水冷壁清洁。

图3 合成气冷却器盘道分布图(从上往下看)

2 合成气冷却器结垢的表现

气化炉满负荷运行时，53万Nm3/h，4.0MPa，650～710℃粗合成气带着约2 t/h飞灰穿过合成气冷却器后，温度达到300℃左右。

合成气冷却器一旦结垢，气化炉的出口温度由正常300℃左右，升高并持续处于340～360℃左右。振打装置正常振打，但是效果不明显。合成气冷却器整体换热效果变差，吸热后的水蒸发量减少。由36 kg/s左右降至30 kg/s以下 。

3 合成气冷却结垢原因分析

3.1 气化炉漏水对合成气冷却器结垢的影响

采集了2017年9月6日到2017年9月14日的气化炉运行数据。使用同一批次煤种，煤质稳定。氧气负荷为22.5 kg/s，振打器运行正常。分别分析了气化炉反应室漏水情况与合成气冷却器结垢的相关性。

图4 合成气冷却器结垢情况

图4中可以看出，从9月6日到9月14日期间，经过合成气冷却器换热后的粗合成气温度由290.6℃升高至342.5℃，升高了50.1℃。9月7日，8日9日，分别粗合成气温度升高速率为7.8℃/天，5.7℃/天，1.5℃/天。9月10日，11日粗合成气温度升高速率为15.9℃/天，13.5℃/天，9月12,13,14日温度保持平稳。结论:合成气冷却器的换热效果逐渐变差。

图5 合成气冷却器结垢—蒸汽产量

图5中可以看出，从9月6日到9月14日期间，经过合成气冷却器换热后的水蒸气的产量由35.1kg/s降低至29.3kg/s，降低了5.8 kg/s。水经过合成气冷却器与粗合成气热交换后，吸收热量变为蒸汽。蒸汽量降低表示水吸收的热量变少了。合成气冷却器换热效果变差。

图6 气化炉泄露水量

图6中可以看出，从9月6日到9月14日期间，泄漏到气化炉的水量逐渐增加。由最初的16.9 t/h增加至24.8 t/h，并保持平稳。增加了8.2 t/h。气化炉泄漏量增加后，保持平稳。

图7 气化炉反应室泄露

图7中可以看出，从9月6日到9月14日期间，粗合成气中的H/C(氢气和一氧化碳的比值)比值，逐渐升高，即合成气氢气含量增加，是由于水泄漏到气化炉反应室内部，在1500℃左右下分解为氢气，氢气含量增加，同时，氧气含量也增加。氧气含量增加，与一氧化碳发生反应生成二氧化，合成气中的一氧化碳含量减少，二氧化碳含量增加。

拆开气化炉后，发现烧嘴罩有孔，见图8。

图8 气化炉反应室烧嘴罩图片

3.2 煤炭的灰中组分，对合成气冷却器结垢的影响

数据采集了2018年2月24日到2018年3月4日的运行数据。采用不同批次煤种。氧气负荷为22.5 kg/s，气化炉运行稳定，无漏水迹象。分别分析了煤灰组分中的钾钠含量与合成气冷却器结垢的相关性。

2018年2月24日到2018年2月28日的采用一个批次的煤种；

2018年2月28日到2018年3月4日的采用另一个批次的煤种。

图9 煤粉的灰中组分钾钠含量变化

图9中可以看出，从2月24日到3月4日期间，煤炭中灰组分中钾钠含量由0.5%增加至2.77%，后降低至0.64%。灰组分中钾钠含量的变化表明，2018年2月24日到2018年2月28日期间煤质发生变化。2018年2月28日到2018年3月4日期间更换煤种后。灰组分中钾钠含量逐步降低，表明煤质逐渐转好。

图10 合成气冷却器结垢情况

图10中可以看出，从2月24日到3月4日期间，经过合成气冷却器换热后的粗合成气温度(13TIZA-0018)由301.7℃，先升高至339.9℃，更换煤种后，13TIZA-0018降低至312.5℃。气化炉未漏水，气化炉负荷稳定，合成气冷却器的换热效果逐渐变差，更换煤种后，换热效果变好。

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。

4 结论

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。