張水合

(河南能化鶴壁煤化工有限公司，河南 鶴壁 458000)

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干粉煤氣化激冷氣系統(tǒng)試驗及優(yōu)化改造

張水合

(河南能化鶴壁煤化工有限公司，河南 鶴壁 458000)

河南能化鶴壁煤化工有限公司60萬t/a甲醇項目，采用殼牌干粉煤氣化工藝，為國內(nèi)已投運的單爐能力最大的粉煤氣化裝置。裝置于2013年投料生產(chǎn)，運行期間由于氣化爐合成氣冷卻器“十字架”積灰造成氣化爐負荷低、運行周期短等問題。為解決氣化爐積灰問題，提高裝置負荷，進行激冷氣系統(tǒng)多條件試驗及優(yōu)化改造，緩解了合成氣冷卻器的積灰問題，改造實施后，達到了預期效果。

氣化爐；激冷氣；試驗；改造

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.013

河南能化鶴壁煤化工有限公司氣化裝置采用干粉煤氣化工藝，氣化爐生產(chǎn)能力為：設計投煤2 800t/d，有效合成氣產(chǎn)量165 000 Nm3/h(H2+CO)，氣化裝置工藝流程包括煤粉制備、加壓給料、氣化及合成氣冷卻、粗煤氣凈化、灰水處理、公用工程和火炬系統(tǒng)等。

氣化爐為立式壓力容器，爐內(nèi)為水冷壁組成的氣化室，煤氣化燒嘴位于氣化室中下部，4個燒嘴2個1組對稱布置。由煤氣化燒嘴噴入的煤粉、氧氣、蒸汽的混合物在1 500℃高溫下，瞬間完成煤的氣化反應，生成(CO+H2)含量高且?guī)в酗w灰的粗合成氣，由下向上從氣化爐頂經(jīng)循環(huán)氣激冷段進入合成氣冷卻器。為防止飛灰黏結(jié)在后續(xù)設備，在氣化爐反應段出口處均勻噴入循環(huán)返回的200℃低溫激冷氣，將合成氣激冷至750℃左右，使高溫合成氣快速降溫，合成氣中的液態(tài)飛灰冷卻成無黏性固態(tài)，從而防止后系統(tǒng)合成氣冷卻器堵塞和超溫。

1 鶴壁氣化爐激冷氣系統(tǒng)改造前情況

激冷氣壓縮機(K1301)是煤氣化裝置的關(guān)鍵設備，來自干法除灰裝置(S1501)和濕洗裝置(C1601)后的清潔無塵氣體混合后(溫度為200℃)，經(jīng)激冷氣壓縮機加壓后送往氣化爐激冷段激冷合成氣。

該公司氣化裝置(K1301)壓縮機原工藝設計正常運行時，激冷氣量為56.2kg/s，設計值59kg/s，最大為73kg/s，激冷后的合成氣溫度降為750℃。

在項目建設階段，公司采購德國FIMA公司生產(chǎn)的壓縮機，最大壓縮氣量為78kg/s，為設計正常氣量的139%，配套電機1 800kW，配套變頻器2 000kW。K1301壓縮氣量為83kg/s，激冷后的合成氣溫度為700℃，氣化負荷在80%上下運行，最大時達到88%，在該負荷時，激冷后的合成氣溫度仍不能使飛灰充分冷卻固化，多次造成合成氣冷卻器“十字架”積灰停車處理。每次停車清灰短則7天，長則10天左右，嚴重影響了裝置的高負荷、長周期運行。由于裝置不能穩(wěn)定正常運行，2014年全年生產(chǎn)甲醇30萬t，僅完成設計能力的50%，2015年全年生產(chǎn)甲醇42萬t。

正常激冷后的合成氣溫度為灰融點溫度的2/3，從激冷口到合成氣冷卻器入口時，合成氣溫度會下降150℃左右。當激冷氣溫度過高或者激冷量不足時，激冷后的合成氣溫度接近灰融點，飛灰雖然已經(jīng)固化，但沒有失去黏性，到達合成氣返回室轉(zhuǎn)向時就會黏附在合成氣冷卻器十字架或管壁上，形成結(jié)垢，長時間運行會造成結(jié)垢層越來越厚，堵塞水冷管間隙，使合成氣流通面積變小。由于K1301壓縮氣量不足，激冷后的合成氣溫度高，氣化負荷在80%左右運行較為正常，在80%以上負荷時，激冷后的合成氣溫度不能使飛灰充分冷卻固化，造成合成氣冷卻器“十字架”積灰停車處理。針對系統(tǒng)激冷氣量不足的情況，對系統(tǒng)進行了一系列改造。

2 激冷氣多種條件試驗

激冷氣多種條件試驗見表1(整個過程負荷基本在80%左右 )。

表1 激冷氣多種條件試驗

2015年6月1日至6日，全部使用濕合成氣進行激冷，K1301振值升高，分析原因為濕合成氣導致K1301葉輪結(jié)垢，造成了壓縮機振值升高，因此恢復壓縮機入口合成氣至原設計比例。

6月7日至11日，在K1301出口遠端加入了激冷蒸汽，加入量6t/h，蒸汽溫度310℃，壓力4.9MPa(g)，合成氣冷卻器入口壓差開始上漲。分析原因為因激冷氣中加入蒸汽，合成氣經(jīng)過激冷后，有凝結(jié)水產(chǎn)生，凝結(jié)水與合成氣中灰分反應，生成類似于硅酸鈣類的物質(zhì)黏結(jié)在合成氣冷卻器入口，導致合成氣冷卻器入口壓差上漲。

6月11日至6月23日，二氧化碳輸送煤粉工況改為氮氣輸送煤粉后，壓差開始下降，恢復正常，此現(xiàn)象與之前一致。

通過本次實驗發(fā)現(xiàn)，無論是全部采用U1600出來的濕合成氣激冷，還是在合成氣中加入蒸汽進行激冷，均不能達到理想的結(jié)果。

3 在K1301出口端加入高壓二氧化碳

2016年1月，隨著氣化爐負荷逐步升高，氣化爐對激冷氣量的需求增加，但激冷氣壓縮機K1301已經(jīng)滿載，無法保證激冷氣量的供應，氣化爐十字架溫度13TI0019突破680℃時，根據(jù)原煤特性，溫度超過680℃時，灰的黏度增加，長時間積累會造成氣化爐合成氣冷卻器嚴重積灰，系統(tǒng)急需增加激冷氣量。

從CO2壓縮機出來的超高壓CO2，經(jīng)放空閥30XV0008引至激冷氣壓縮機K1301出口，有效增加氣化爐激冷氣量。通過此項改造，激冷氣量較原來增加約3kg/s，氣化爐十字架溫度由680℃降為670℃，緩解了合成氣冷卻器積灰的現(xiàn)象。二氧化碳作為激冷氣示意見圖1。

圖1 二氧化碳作為激冷氣示意(虛線為增加管線)

4 激冷氣壓縮機K1301改造

4.1 壓縮機本體改造

2015年3月，在不改變電機的情況下，西安交大賽爾利用其三元流技術(shù)對K1301的葉輪和靜葉片的設計及加氣和抽氣的流道進行了改進，提高壓縮機效率，改造后的壓縮機的激冷氣量提高5%。

4.2 對電機實施強制降溫

2016年4月，氣化爐負荷達到93%，此負荷下K1301電機溫度超過110℃，對液氮采用安全措施后，由空分液氮泵出口處引一液氮管線至激冷氣壓縮機K1301電機外，用液氮自然蒸發(fā)后的冷量對激冷氣壓縮機K1301電機進行強制降溫。本著既保證液氮霧化時不浪費，又保證激冷氣壓縮機K1301電機溫度明顯下降的原則，制訂了相應的操作方案。

通過液氮蒸發(fā)的冷量對激冷氣壓縮機K1301電機強制降溫，避免了K1301長時間高溫運行對電機壽命造成的影響，同時提高激冷氣量，為氣化爐長周期、高負荷運行提供了有利條件。本次改造實施后，K1301電機運行效果良好，壓縮氣量提升至100kg/s，氣化爐負荷由原來的93%提高至100%，實現(xiàn)了氣化爐的滿負荷運行。

5 新激冷氣壓縮機K1302的應用

5.1 技改實施的必要性分析

該公司經(jīng)過對K1301的多項改造，氣化爐負荷提升至100%運行，但K1301已經(jīng)在超負荷狀態(tài)下工作，存在嚴重的安全隱患，因此，增加1臺新的激冷氣壓縮機是很有必要的。

針對氣化爐存在的問題，經(jīng)氣化專利商計算后，建議新增壓縮機擴能后的激冷氣量為93.84kg/s，為原始設計的166%。

考慮到煤質(zhì)波動和氣化爐的不同操作工況，結(jié)合技改前氣化爐80%負荷下相對穩(wěn)定運行的工況，激冷氣量已達83kg/s，在激冷比不變的情況下，擬新增壓縮機激冷氣量正常為100kg/s，為氣化專利商原始設計的178%，最大量為112kg/s。

5.2 新增激冷氣壓縮機(K1302)設備選型

5.2.1 國外壓縮機分析

干粉煤氣化技術(shù)引進后，由于配套激冷氣壓縮機壓縮氣量大、合成氣進口溫度高、進出壓縮機壓力高、國內(nèi)配套制造經(jīng)驗不足等，已建類似煤氣化項目所選激冷氣壓縮機均為進口設備。

干粉煤氣化裝置配套的激冷氣壓縮機的國外制造商有美國ELLIOTT、瑞典ATLAS.COPCO、德國FIMA、西門子等廠家。這些制造商均為國際上著名的離心式壓縮機制造商，為客戶提供各種非標的氣體輸送和壓縮裝備。

壓縮機按照API相關(guān)標準進行設計，滿足連續(xù)不間斷運行3年的設計要求。壓縮機設計為符合API617要求的懸臂式結(jié)構(gòu)，葉輪直接與齒輪箱高速軸連接，這種設計使得備件數(shù)量、檢維修工作量最小。在正常操作條件下，壓縮機的效率達到了80.8%。

5.2.2 國內(nèi)壓縮機分析

激冷氣壓縮機組是粉煤氣化裝置的關(guān)鍵設備，隨著干粉煤氣化裝置的運行，激冷氣壓縮機能力普遍偏小的問題逐漸暴露出來。迫于生產(chǎn)負荷受限，采購的國外壓縮機制造周期長、費用高，作為國內(nèi)壓縮機制造的龍頭企業(yè)，沈陽鼓風機集團先后為河南開祥、云天化、山西潞安等十幾家用戶研制了單懸臂循環(huán)氣壓縮機，滿足了氣化裝置激冷氣壓縮機壓力等級高、介質(zhì)為混合氣體、含有毒有害和強腐蝕成分、對葉輪材料、氣密性、耐磨性有較高要求等諸多條件。

國內(nèi)此類型機組的研制成功，主要性能和關(guān)鍵技術(shù)指標達到了國際先進水平，該產(chǎn)品已生產(chǎn)有10余臺套，已投產(chǎn)的此類壓縮機最大的能力為75kg/s。本項目選購的壓縮機最大能力為112kg/s，放大風險已經(jīng)降低。

沈鼓對整套設備的報價，比采購國外進口設備大約節(jié)約800余萬元人民幣，且設備交付周期比國外少6個月。經(jīng)過多方權(quán)衡，最終選擇國產(chǎn)壓縮機。

5.3 新增壓縮機結(jié)構(gòu)特點及相關(guān)參數(shù)

新增壓縮機K1302激冷氣量正常為100kg/s，最大量為112kg/s，配套電機3 000kW。機型為SV12-M，離心式壓縮機，單級懸臂結(jié)構(gòu)。電機和壓縮機采用公用底座，機組單層布置：①數(shù)量為1臺套；②驅(qū)動方式為電機驅(qū)動；③流量調(diào)節(jié)為變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，防喘振閥調(diào)節(jié)；④軸端密封形式為串聯(lián)式+中間迷宮干氣密封。

新增激冷氣壓縮機產(chǎn)品規(guī)格及主要參數(shù)見表2，介質(zhì)組分見表3。

表2 新增激冷氣壓縮機產(chǎn)品規(guī)格及主要參數(shù)

表3 介質(zhì)組分

5.4 K1302投用后的效果

K1302投入使用后，氣化爐運行負荷100%，K1302激冷合成氣流量維持在100kg/s，13TI0019溫度可控制在650℃左右，保證了氣化爐合成氣飛灰由液態(tài)冷卻成固態(tài)，氣化爐合成氣冷卻器壓差平穩(wěn)。在外界環(huán)境10℃左右情況下，K1302電機電流155A，電機溫度70℃左右，遠在額定電流190A、高報溫度140℃以下，還有一定的提升空間，且消除了K1301運行時存在的安全隱患，為煤氣化裝置的長周期、穩(wěn)定運行創(chuàng)造了條件。新增壓縮機前后工況對比見表4。

表4 新增壓縮機前后工況的對比

由表4可見，新循環(huán)氣壓縮機投入使用后，氣化爐負荷可以提高至100%運行，且氣化爐“十字架”合成氣溫度13TI0019可以控制在650℃以下，各項工藝指標均在正常范圍內(nèi)。技改實施后，較之前氮氣輸送煤粉氣化80%負荷，甲醇日產(chǎn)量增加了400多t，實現(xiàn)了裝置的日產(chǎn)1 818t產(chǎn)能，最高日產(chǎn)量達1 846t的目標，有效降低了系統(tǒng)運行的各項成本，增加了裝置的經(jīng)濟效益。

[1]張水合.大投煤量殼牌氣化爐流場優(yōu)化改選[J].化肥設計，2017，55(1):52-55.

[2]趙艷玲，蘇洪洋.燒嘴罩瑟燒嘴頭泄露導致殼牌氣化爐停車的過程分析與預防措施[J].化肥設計，2013，51(5)：38-40.

修改稿日期： 2017-03-28

Test and Optimization of Dry Gasification and Gasification

ZHANG Shui-he

(HenanNenghaHebiCoalChemicalIndustryCo.，Ltd.，HenanHebi458000，China)

The 600 000 t / a methanol project of Henan Nengha Hebi Coal Chemical Co.，Ltd. adopted Shell dry pulverized coal gasification process，which was the largest pulverized coal gasification unit that had been put into operation in China. The installation of the device was put into production in 2013. During the operation，problems bubbled like low gasifier load，short operating cycle and other issues due to the dust deposit of gasifier synthesis gas cooler "cross". In order to solve the problem of gasification furnace dust deposit and increase the load of the gasifier，the multi-condition test and optimization of the cooling air system are carried out to alleviate the fouling problem of the synthesis gas cooler. The expected effect was achieved after the transformation and implementation.

gasifier；cool air；test；transformation

張水合(1966年—)，男，河南禹州人，1986年7月畢業(yè)于鄭州大學化學系，工程師，2015年—2016年任鶴壁煤電股份有限公司化工分公司總經(jīng)理，負責鶴壁煤電年產(chǎn)60萬噸甲醇工程的生產(chǎn)經(jīng)營工作，現(xiàn)任河南能化鶴壁煤化工有限公司董事長。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.013

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1004-8901(2017)03-0048-04