壳牌煤气化煤烧嘴角度变化对工况的影响

2017-03-07张家秋

杭州化工 2017年2期

关键词：飞灰壳牌合成气

张家秋

壳牌煤气化煤烧嘴角度变化对工况的影响

张家秋

（河南能源化工集团鹤壁煤电股份有限公司化工分公司，河南鹤壁458000）

具体分析了壳牌四喷嘴气化炉的煤烧嘴角度变化对于气化运行工况的影响，对于角度改变前后的工况做出详细的比较，分析优缺点，总结经验，使装置在稳定经济的前提下能够长周期运行。

煤烧嘴；壳牌气化炉；气化工况

1 壳牌气化工艺简介

壳牌气化炉属于干法进料气流床气化，煤粉跟氧气并流进入气化炉中瞬间爆燃，发生一系列气化反应，所有反应在数秒钟内完成，温度高达1 600℃。具体工艺流程如下所述。

带压的煤粉与气化剂（氧气和水蒸气）通过4个径向均布的煤烧嘴进入气化炉反应室，烧嘴与径向的夹角为4°，在1 500～1 700℃的高温环境下发生一系列化学反应，生成合成气、炉渣和飞灰。炉渣在与水冷壁接触时，最先靠近的部分因温度低而固化，附在水冷壁上形成固态渣层。在高温下呈液态的附着在固化渣层上的炉渣，在重力作用下向下流至气化炉底部的渣池，被冷却水淬激成细小的颗粒排出。合成气上行，夹带有部分粒径较小、质量较轻的炉渣成为飞灰，其在高温下具有很大的黏性。合成气在气化炉反应室顶部锥形出口与激冷气混合，温度降至900℃，部分炉渣液滴经过激冷气激冷凝固成飞灰。通过输气导管送至合成气冷却器进一步冷却，合成气温度降至340℃左右，进入下一工序经S1501除去飞灰。

2 壳牌气化炉运行现状

壳牌气化炉自进入中国以来，以其碳转化效率高、煤种适应性广、有效气比高、环境污染小等优势，最近几年在国内得到长足发展。但是由于其进入中国时间不长，对于该炉型的经验较少，各个厂家都是在不断的摸索中总结经验，汲取教训，经过几年的发展，基本上都能实现百天以上的长周期运行。

壳牌气化炉开车工况时，以氮气为载气向炉内输送煤粉，由于在气化反应过程中会产生大量的二氧化碳，不能参与后续的合成反应，只能当作废气放入大气，经济价值和环保价值都不高，所以在正常工况下是以二氧化碳为载气。

在烧嘴夹角为4°的时候，炉膛内的气体流场形成的烧圆较小，离心力较弱，煤粉与氧气不能充分反应，有大量的煤粉随熔渣向下流动，在氮气工况下，煤粉不与氮气发生反应，而如果是在二氧化碳工况下，煤粉在向下移动的过程中，会与二氧化碳继续反应，吸收热量。在高温时，渣的黏度小，流动性好，随着炉膛下部的热量不断被吸收，温度会降至渣的流动温度以下，就会导致堵渣。为了防止堵渣，就必须提高炉膛的反应温度，以维持熔渣的流动性。

当气化炉炉膛的反应温度升高，上行合成气的温度也会随之升高，在到达合成气冷却器入口的时候，合成气温度不能降至飞灰的黏结温度以下，由于飞灰的温度过高，黏结性过大，会造成合成器冷却器堵灰，当积灰量达到一定量时，合成气流速急剧增加，磨损设备，造成停车事故。

3 解决方案的制定

在原有烧嘴夹角不变的情况下，想要维持渣的正常流动，就得提高氧煤比，以提高炉膛内温度，同时还要尽量避免合成气冷却器积灰，气化炉负荷只能维持到80%～85%，装置可以运行3～4个月；如果负荷继续提升的话，由于合成气冷却器进口温度过高，积灰速度明显增加，运行7～10天就必须停车清灰。

经过和壳牌公司的技术人员进行探讨，同时借鉴大唐煤化工项目的经验，尝试将烧嘴角度由原来的4°改变为6°。烧嘴的径向倾角增大后，炉膛内的流场会相应地发生改变，中心烧圆变大，气流的离心力增加。煤粉与氧气进入气化炉内后混合得更加均匀，反应更加彻底。煤粉的转化率提高了，随熔渣向下移动的煤粉量随之减少，二氧化碳与碳发生还原反应吸收的热量也会变少，同时由于离心力变大，炉膛内的热量向下传递得更快，正好抵消了部分煤粉与二氧化碳吸收的热量，继而相对较低的氧煤比就能保证渣的正常排出，也能保证上行飞灰的正常输送。

4 改造完成后的使用效果

经过不断的探讨和考察，最终决定采用上述方案，于2016年5月底对4个煤烧嘴的改造完成。装置运行以后，在二氧化碳工况下首次将气化炉负荷提升至90%，工况运行良好，未出现堵渣、积灰现象，各项参数正常，且合成气冷却器入口温度比控制指标还要低30℃左右。稳定运行2天以后，将气化炉负荷提升至100%，达到满负荷后，气化装置运行指标均在可控范围内。

经过本次改造，气化装置在二氧化碳工况下不能稳定运行的问题得到了有效解决，并且负荷比起之前有很大提升，日均甲醇产量从原来的1 500 t提升至1 800多吨，在负荷100%的工况下稳定运行了78天。

5 后续使用情况总结

经过煤烧嘴角度的改良，气化炉工况整体运行良好，在保证渣流动性的情况下能有效地保证炉膛内上行飞灰的黏度。但是也出现了一些新的问题，需要进一步地改进，具体情况如下。

5.1 烧嘴头的使用寿命

烧嘴头部的喷射夹角由原来的4°增加至6°，增加了内部流道的弯曲度，干燥的煤粉在高速流动下，会对设备造成更大的冲刷，减少烧嘴头的使用寿命。经过半年的使用，停车检修时进入炉内检查发现，部分烧嘴头出现漏水现象。针对这种情况，微漏的可以在线进行焊接补漏，而漏量过大的则需要对烧嘴头进行更换处理。

5.2 烧嘴罩容易烧穿

烧嘴罩是固定在烧嘴头周围的圆形水冷盘管，其内部的冷却水流量比炉膛水冷壁的冷却水流量大，目的是保护周围的水冷壁，防止因过热而受损。当烧嘴喷射火焰的角度增加至6°后，火焰与烧嘴罩之间的距离缩短了，如果煤线流量出现波动，局部的氧碳比过高，非常容易将烧嘴罩烧穿，特别是在开停车的过程中，最容易出现这种情况。烧嘴罩冷却水大量泄露后，虽然不会造成立即停车，但是会对后续工段造成较大的影响，例如上行飞灰中含有大量的水分，更容易造成合成气冷却器堵灰；飞灰中水含量增加，更容易堵塞U1500单元的金属滤芯，工况随之持续恶化，一段时间后，不得不因为合成气冷却器SGC积灰和S1501压差高而停车检修。

5.3 气化炉水冷壁挂渣情况

壳牌气化炉的炉膛采用的是膜式水冷壁，内衬耐火材料，在正常运行时，在炉壁上会形成一层固态渣层，液态渣顺着炉壁向下流动，采用以渣抗渣的方式抵消炉膛内的高温，由于内部流场发生变化，烧圆变大，高温区更接近水冷壁，炉壁渣层变薄，炉膛会出现耐火泥脱落及耐火销钉被烧坏的情况，减少其使用寿命，增加检修时的工作量及难度。

5.4 上行合成气中飞灰含量增加

壳牌设计的50万t与60万t的甲醇项目在U1500单元都是采用了24组滤芯，每组48根，滤芯长度为1.5 m。同样在满负荷的情况下，60万t的项目常会出现因为滤芯的压差过高而不得不停车的事件。而经过改造后，炉膛内的合成气流场变化，离心力变大，上行的合成气夹带走的液态渣量变多，凝结成的飞灰量也会相应变大,更增加了U1500单元金属滤芯的负荷。如果再碰上气化炉或者合成气冷却器内漏水的情况，滤芯的压差会很快升至报警值，通过提高超高压反吹气的压力也无济于事，从而影响整套装置的长周期运行。