高 亭

（河南能源化工集團鶴壁煤化工有限公司，河南鶴壁 458000）

0 引 言

河南能源化工集團鶴壁煤化工有限公司（簡稱鶴壁煤化）600kt／a甲醇項目氣化裝置采用荷蘭殼牌 （Shell）干煤粉加壓氣化工藝（SCGP），屬氣流床氣化技術(shù)，具有鮮明的技術(shù)特色，是當今世界上先進的第二代干煤粉氣化工藝。鶴壁煤化Shell氣化裝置由荷蘭殼牌公司提供基礎(chǔ)工藝包，中國五環(huán)工程有限公司進行詳細設(shè)計，中國化學(xué)工程第十一建設(shè)有限公司施工建設(shè)，設(shè)計投煤量2850t／d，為目前國內(nèi)單臺投煤量最大的Shell氣化爐，規(guī)模經(jīng)濟效益比較明顯。氣化裝置于2013年投產(chǎn)，2016年實現(xiàn)CO2工況（即煤粉輸送載氣為CO2，可減少惰性氣放空夾帶，相較于N2工況能耗更低）下的滿負荷運行，2018年實現(xiàn)了達標達產(chǎn)甚至超產(chǎn)，2017年、2018年、2019年每年累計運行時間均超過300d，獲得Shell公司評選的效能最佳運行獎。

氣化爐為煤化工裝置中的核心設(shè)備。Shell氣化爐反應(yīng)溫度較高，不挑煤種，煤利用率較高，環(huán)保性能較優(yōu)，但由于其氣化反應(yīng)劇烈，因而對設(shè)備參數(shù)要求苛刻；而且，由于固體物料輸送和反應(yīng)的特殊性，氣化爐內(nèi)由于物料磨損和高溫老化易出現(xiàn)膜式壁及相關(guān)換熱設(shè)備的泄漏，一旦泄漏，爐內(nèi)反應(yīng)條件會發(fā)生變化，對工藝上造成較大的影響。近期鶴壁煤化Shell氣化裝置出現(xiàn)了一系列工況異?，F(xiàn)象，最為明顯的是氣化外排廢水的氨氮含量偏高，給污水處理系統(tǒng)造成較大的環(huán)保壓力。分析工況異?，F(xiàn)象，推斷為氣化爐內(nèi)水汽系統(tǒng)泄漏所致，之后通過及時對工藝進行微調(diào)細調(diào)實現(xiàn)了氣化裝置的安全穩(wěn)定運行及按計劃停車檢修消缺，以下就有關(guān)情況作一簡介。

1 Shell氣化爐工況異常現(xiàn)象及原因分析

隨著鶴壁煤化氣化裝置的長周期運行，Shell氣化爐內(nèi)靜設(shè)備不可避免地出現(xiàn)了各種問題，大部分為內(nèi)件泄漏問題，主要集中在水汽系統(tǒng)，且每次泄漏發(fā)生的位置都不一樣。就近期來說，氣化裝置于2020年12月10完成大修，一次性點火成功并打通甲醇生產(chǎn)全流程，隨即提升至滿負荷運行，但由于氣化爐水汽系統(tǒng)泄漏（經(jīng)評估，少量水漏至合成氣系統(tǒng)為可控工況，在保障安全的前提下氣化爐可低負荷觀察運行），氣化爐出現(xiàn)了一系列工況異?，F(xiàn)象，使得本次氣化爐運行周期較短，2021年3月10日計劃停車檢修。從Shell氣化裝置本輪生產(chǎn)期的運行情況來看，初期各項工藝參數(shù)都比較正常，但隨著運行時間的延長，出現(xiàn)了如下幾方面的異常。

1.1 氣化爐爐膛蒸汽小室產(chǎn)汽量逐漸降低

Shell氣化爐爐膛蒸汽小室產(chǎn)汽量逐漸降低，由開車初期的5.2kg／s逐漸降至1.4kg／s，其變化過程如下：2020年12月10—25日，產(chǎn)汽量在5.2kg／s左右波動；2020年12月25日—2021年1月18日，產(chǎn)汽量由5.2kg／s降至4.0 kg／s；2021年1月18—29日，產(chǎn)汽量由4.0kg／s降至1.4kg／s；2021年1月29日—3月10日，產(chǎn)汽量維持在1.4kg／s。

Shell氣化爐運行管理技術(shù)人員都清楚，蒸汽小室的產(chǎn)汽量是氣化爐運行的重要參數(shù)，其能直接反映氣化爐運行工況的好壞，產(chǎn)汽所需熱量由氣化爐激冷口以前換熱設(shè)備換熱所得，包括由燒嘴罩、渣裙及擋渣坪等換熱設(shè)備移出的熱量。此路蒸汽產(chǎn)量降低，可能的原因有兩個：一是氣化爐入爐煤灰熔點較高，而石灰石（助熔劑）調(diào)節(jié)未與煤進行匹配，造成煤的流動溫度過高，爐內(nèi)渣流動性不好造成渣層較厚，影響換熱，且渣層過厚還存在垮渣的風(fēng)險，有安全隱患，不利于氣化爐的長周期運行；二是蒸汽小室換熱設(shè)備局部出現(xiàn)泄漏，造成鍋爐水泄漏至爐膛內(nèi)部而未將熱量帶至小室，導(dǎo)致蒸汽小室產(chǎn)汽量過低。

為此，進行了一段時間的摸索，調(diào)整入爐煤煤質(zhì)和石灰石添加量，借以調(diào)整爐內(nèi)渣層厚度，但蒸汽小室的產(chǎn)汽量一直無法提升（蒸汽產(chǎn)量逐漸降低），后一直穩(wěn)定在較低值（1.4kg／s），故認為蒸汽小室產(chǎn)汽量逐漸降低的原因應(yīng)該是換熱設(shè)備出現(xiàn)了泄漏。為避免爐水泄漏對爐膛及排渣系統(tǒng)的運行產(chǎn)生不利影響，隨即在正常范圍內(nèi)略微上調(diào)了氣化爐的操作溫度。

1.2 氣化爐出口粗煤氣成分發(fā)生變化

在蒸汽小室產(chǎn)汽量逐漸降低的過程中，對氣化爐出口粗煤氣成分進行跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)氣化爐出口粗煤氣中CO2含量總體呈逐漸上漲趨勢：2020年12月10—22日，CO2含量在8.0% ～10.0% （體積分數(shù)，下同）之間波動；2020年12月22日—2021年1月24日，CO2含量在8.0%～9.0%之間波動；2021年1月24日—2月10日，CO2含量逐漸上漲至15.0%；2021年2月10日—3月10日，CO2含量維持在15.0%?？梢钥闯?，氣化爐出口粗煤氣中的CO2含量存有一個穩(wěn)定期——穩(wěn)定在8.0% ～10.0%，隨氣化爐氧煤比的變化，爐內(nèi)氣體成分有少許的變化，這屬于正?，F(xiàn)象；但隨著時間的推移，CO2含量逐步上漲至另一個穩(wěn)定值——15.0%，而此過程中氣化爐氧煤比基本上維持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，表明氣化爐內(nèi)發(fā)生了一定的變換反應(yīng)，造成粗煤氣中CO2含量明顯上漲。

Shell氣化爐原設(shè)計采用的氣化劑包括氧氣和蒸汽，但鶴壁煤化在實踐中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有原料煤（煤種）氣化，不添加蒸汽也可滿足生產(chǎn)所需，故本臺氣化爐一直未投用蒸汽，由此進一步驗證了氣化爐內(nèi)發(fā)生變換反應(yīng)所需的水（反應(yīng)物之一）來自蒸汽小室換熱設(shè)備泄漏出的鍋爐水。

因氣化爐內(nèi)發(fā)生了部分變換反應(yīng)，氣化爐出口粗煤氣中CO含量有所降低、H2含量有所上升，為保證甲醇合成系統(tǒng)所需的正常的氫碳比，下游系統(tǒng)主要表征為變換反應(yīng)深度降低、蒸汽耗量減少，這在一定程度上可減輕變換系統(tǒng)的壓力，總體而言下游系統(tǒng)運行比較正常。

1.3 氣化外排廢水氨氮含量明顯上漲

Shell氣化爐在這3個月的運行周期中，外排至污水處理系統(tǒng)的氣化廢水氨氮含量變化較大，由低于100mg／L逐漸漲至低于300mg／L，甲醇裝置變換系統(tǒng)不產(chǎn)生氨氮類物質(zhì)，廢水中的氨氮基本上全為氣化系統(tǒng)夾帶而來，而甲醇變換系統(tǒng)所排放的工藝冷凝液中氨氮含量也達3000 mg／L（指標為低于800mg／L），導(dǎo)致污水處理難度逐漸增大，給鶴壁煤化污水處理系統(tǒng)造成較大的環(huán)保壓力。經(jīng)分析，原因如下：①氣化爐內(nèi)水汽系統(tǒng)的泄漏造成爐內(nèi)局部區(qū)域溫度降低，局部低溫造成煤中揮發(fā)分未完全分解，其中部分氨氮化合物隨粗煤氣后移，影響系統(tǒng)氨氮總產(chǎn)生量；②水汽系統(tǒng)所漏的鍋爐水與CO發(fā)生了變換反應(yīng)，粗煤氣中H2含量較以往高約5%，在氣化爐內(nèi)溫度高于1350℃的環(huán)境下，富氫粗煤氣中發(fā)生了一定的氨合成反應(yīng)。

正常生產(chǎn)中，要求氣化裝置外排廢水COD＜200mg／L、氨氮含量＜100mg／L。自氣化爐內(nèi)出現(xiàn)漏點以來，外排廢水中COD基本平穩(wěn)，氨氮含量卻逐漸上升，由2021年1月中旬時的80 mg／L漲至3月上旬停車前的240～270mg／L。此種情況下，鶴壁煤化對污水生化處理系統(tǒng)進行了優(yōu)化調(diào)整，適當延長處理時間，并采取了補充生化處理細菌、增加生化反應(yīng)強度、投用高效處理藥劑等措施，保障了總外排水指標在正常范圍內(nèi)，但污水處理系統(tǒng)的運行成本有所增高。

1.4 洗滌塔出口粗煤氣溫度過高

從外送粗煤氣溫度來看，雖氣化爐蒸汽過熱段溫度無明顯升高，一直維持在350℃左右，但原有洗滌水量已無法控制洗滌塔出口粗煤氣的溫度，其溫度由168℃逐漸上漲至185℃。經(jīng)分析，雖洗滌塔進氣溫度上漲不多，但因鍋爐水泄漏，煤氣中夾帶大量過熱蒸汽（含有大量的潛熱），進而造成洗滌塔出口粗煤氣溫度過高。

1.5 過熱蒸汽溫度波動

輸氣段廢熱鍋爐整體上各溫度點溫度均有不同程度的上漲，為穩(wěn)定氣化爐運行，延長其運行周期，通過調(diào)整工況，控制輸氣段廢熱鍋爐和蒸汽換熱器溫度（將其穩(wěn)定在合理區(qū)間），過熱蒸汽溫度趨于穩(wěn)定。輸氣段廢熱鍋爐前期產(chǎn)生的過熱蒸汽溫度由365℃左右降至356℃左右，通過調(diào)整原料煤配比及優(yōu)化調(diào)控爐溫，此過熱蒸汽溫度穩(wěn)定在360℃以上。

1.6 除渣單元下渣量及灰渣殘?zhí)吭龈?/h3>

除渣單元下渣量明顯偏多；現(xiàn)場通過撈渣機看到，煤泥也較之前明顯增多；之前渣殘?zhí)看蟛糠謺r候在1%之內(nèi)（有時檢測不到），本輪生產(chǎn)期工況出現(xiàn)波動之后，大部分時候渣殘?zhí)吭?%～5%，甚至偶爾檢測到渣殘?zhí)吭?0%以上，也反映出有關(guān)問題。

1.7 凈化收灰單元收灰量偏少

凈化收灰單元收灰時間為10800s，收灰計時完成后，灰鎖斗泄壓，向后系統(tǒng)排灰，排灰完成后鎖斗充壓，進行下一輪收灰。本輪生產(chǎn)期工況出現(xiàn)異常后，每輪收灰量較之前明顯減少，由20t左右降至15t左右；由于粗煤氣含水量較正常工況高，飛灰過濾器濾棒壓差由12kPa緩慢漲至18kPa（此壓差尚在設(shè)計范圍之內(nèi)）。

1.8 氣化爐整體壓差有所上漲

由于粗煤氣中水汽含量較高，造成灰黏著性較強，較以往以更快的速度粘在了氣化爐激冷段以后換熱設(shè)備上，造成爐內(nèi)盤管和十字架積灰過多，本輪生產(chǎn)期內(nèi)，氣化爐整體壓差有所上漲，由11kPa漲至15kPa（在可承受范圍之內(nèi)）。

本輪生產(chǎn)期，由于儀表閥門故障，期間氣化裝置有過一次18h的短停，后于2021年1月21日凌晨點火成功，之后負荷逐漸提升至100%，氣化爐B級運行共計90d；其中，2021年1月25日前后，通過對各有關(guān)工藝參數(shù)的對比，判斷氣化爐內(nèi)水汽系統(tǒng)漏量變大，為穩(wěn)定氣化爐渣口壓差，同時兼顧避免十字架積灰，經(jīng)分析與討論，氣化爐操作溫度提升5℃，調(diào)節(jié)目標以保障下渣穩(wěn)定為主，通過生產(chǎn)管理及技術(shù)人員的精心摸索和操作人員的認真維護，并對配煤比例的微調(diào)細調(diào)以及對石灰石添加量的精細化管控，氣化爐運行穩(wěn)定，出渣正常，且破渣系統(tǒng)沒有較大的波動，在保障安全的前提下實現(xiàn)了計劃停車。

2 氣化爐水汽系統(tǒng)檢修消缺情況

針對Shell氣化爐的運行工況，確認氣化爐內(nèi)水汽系統(tǒng)泄漏后，經(jīng)分析和研判，及時對系統(tǒng)進行了停車檢查：查漏過程中發(fā)現(xiàn)4＃燒嘴燒嘴罩第六、第七道管存在4處黃豆般大小的漏點，燒嘴頭有一處較大漏點（約1cm2），燒嘴罩和燒嘴頭漏點相互對應(yīng)，認為泄漏過程中可能存在互相影響，如燒嘴頭先發(fā)生泄漏，沖擊燒嘴罩造成對應(yīng)位置發(fā)生泄漏；充壓檢查，氣化爐水汽系統(tǒng)不存在其他漏點。之后，開展了8d（2021年3月11—17日）的檢修消缺工作，對4＃燒嘴頭和燒嘴罩一并進行了更換，對4＃燒嘴上方膜式水冷壁部分受損減薄區(qū)域進行植釘及澆筑耐火涂料，并對整個氣化爐進行檢查清灰，未發(fā)現(xiàn)其他問題。綜合分析運行與檢修過程，此次水汽系統(tǒng)的泄漏對工藝上造成了較為明顯的影響。

3 氣化裝置重啟后的運行情況

經(jīng)過8d的檢修消缺后，2021年3月18日氣化裝置順利重啟，迄今運行已近3個月，從目前監(jiān)控到的各運行參數(shù)和分析數(shù)據(jù)來看，氣化爐現(xiàn)階段運行非常正常，氣化爐各溫度及運行指標正常，輸氣段廢熱鍋爐運行正常，過熱蒸汽溫度在365℃以上，系統(tǒng)整體壓差較低，灰渣質(zhì)量穩(wěn)定且渣中殘?zhí)吭?%以內(nèi)，氣化外排廢水各項指標也逐步恢復(fù)至正常水平且很穩(wěn)定（見表1）。總體而言，氣化裝置運行情況較優(yōu)，這也表明本次檢修取得了圓滿成功。

表1 檢修前后氣化外排廢水部分指標（均值） mg／L

4 結(jié)束語

本次Shell氣化爐內(nèi)水汽系統(tǒng)泄漏后，通過緊盯工藝參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)各指標的變化，及時對工藝進行微調(diào)細調(diào)，通過精細化的管理實現(xiàn)了氣化裝置的安全穩(wěn)定運行及按計劃停車；而且，通過本次檢修，積累了生產(chǎn)運行維護經(jīng)驗，利于實現(xiàn)后續(xù)生產(chǎn)中類似問題的可防可控。此外，總結(jié)本次泄漏事故的經(jīng)驗教訓(xùn)，積極進行技術(shù)改造，在后續(xù)的技術(shù)管理中，就如何盡量避免Shell氣化爐水汽系統(tǒng)泄漏問題的出現(xiàn)及降低泄漏造成的影響，控制粗煤氣出界區(qū)溫度，同時保證污水處理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，將是今后生產(chǎn)管理中持續(xù)攻關(guān)與提升的方向之一。