影响SHELL气化炉长周期稳定运行的原因分析

28内蒙古石油化工2015年第10期影响 SHELL气化炉长周期稳定运行的原因分析马长生(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)摘要:文章介绍了 SHELL粉煤气化炉的特点, SHELL粉煤气化工艺特点及原料煤特性对SHELL气化炉长周期运转的影响、关键设备对 SHELL气化炉长周期稳定运行的影响。关键词:气化炉;熔融特性;隔焰罩;煤烧嘴中图分类号:TQ545文献标识码:A文章编号:1006-7981(2015)10-0028-05SHELL粉煤气化工艺是目前世界上最先进的紧贴水冷壁部分为固定渣层,其厚度相对固定;迎火气流床煤气化技术,相对其它煤气化技术有较强的面渣层为液态渣层,厚度变化较大,受重力影响向下适应性,SHEL煤气化工艺对关键设备要求苛刻,流。当总渣层较薄时,由于耐火衬料和金属销钉具有而且这些关键设备运行的可靠性也制约着 SHELL很好的热传导作用,液态渣层内部逐步冷却至灰熔气化炉长周期稳定运行。同样原料煤的特性对气化点固化,固定渣层和总渣层增厚;当总渣层较厚时,炉长周期稳定运行同样至关重要。渣层热阻增大,传热减慢,液态渣层加热到灰熔点以1 SHELL气化炉技术特点上,流动性变好,降低液态渣层厚度,形成渣层厚度SHELI粉煤气化炉的气化温度高达1400-动态平衡。1700℃,不是采用水煤浆气化炉的耐火砖结构,而是采用膜式水冷壁和液态排渣工艺,在水冷壁表面形成流动的渣层,达到以渣抗渣的目的来有效地保护液态显气化炉的正常运行。而且水冷壁外表面浇注一层耐水冷望内汽木火衬里,耐火衬里的主要组成是SC。固定耐火衬里定层的是衬钉,衬钉的作用是固定碳化硅传导热量。气化炉投煤初期4个小时,水冷壁内表面还没有形成完水整渣层,需要用碳化硅耐火材料保护水冷壁。化硅耐金属订火材料不可以长时间暴露在高温下,否则会减少寿水冷壁的水命,最终损坏水冷壁。 SHELL粉煤气化炉采用“以碳化硅火材料渣抗渣”原理利用原料煤灰分实现了对水冷壁的有效保护(如图1所示)。SHELI粉煤气化炉炉膛下部水平安装多只粉图1 SHELL气化炉水冷壁和渣层剖面图煤烧嘴,一般是四台煤烧嘴,也有六台煤烧嘴,煤烧原料煤灰分和灰组成稳定、氧煤比控制稳定,水嘴以略微偏离法线方向插人水冷壁,安装偏离约冷壁内水汽系统工况稳定,气化炉温度不会岀现大4.5°,正常生产过程中,粉煤烧嘴高速喷出的粉煤和幅度波动,渣的流动性保持稳定,渣层厚度在动态中氧气,在炉膛内旋流强化传质,发生不完全氧化反保持相对稳定实现“以渣抗渣”,水冷壁不受合成气应,产生大量粗煤气,熔化粉煤中灰份形成微小颗氢腐蚀和硫腐蚀,不受高温烧蚀,不受熔渣磨蚀,水粒,随着气流上升至传导段进行激冷,降低灰份的粘冷壁得到有效保护。煤烧嘴隔焰罩在气化炉稳定的性,最后经过合成气冷却器进行逐步降温到280℃左状态下,不会过氧灼烧泄漏,煤烧嘴不会过氧灼烧泄右,最后经过飞灰过滤器进行分离排放。受高速旋流漏,减少疲劳腐蚀开裂。粗煤气产生的离心力作用,粗煤气中微小熔渣颗粒2原料及工艺操作能够影响 SHELL气化炉长周期被甩到水冷壁内表面形成渣层。渣层分为两部分,运转的因H中国煤化工CNMHG收稿日期:2015-03-062015年第10期马长生影响 SHELL气化炉长周期稳定运行的原因分析2.1原料煤特性对 SHELL气化炉长周期稳定运行性较差,而 SHELL气化炉排渣形式是液态排渣,所的影响以会造成气化炉渣口堵渣,影响其正常运行。现在我原料煤中矿物质以及其他一些无机组份分在一公司 SEHLL气化炉原煤灰熔点温度一般在1350℃定温度下经过一系列的分解、反应形成了灰或渣,灰左右。而且根据全国范围内的 SHELL气化炉使用厂渣是原料煤在经过一定的物理及化学反应后,有氧家对于灰熔点的温度控制都在1350℃左右。有效的化物和相应的盐类等无机物组成,灰渣反映了在特控制 SHELL气化炉原煤灰的熔融温度,就能很好的定的温度下原料煤中矿物质的变化,且灰渣的组成改善和解决气化炉长周期稳定运行这个难题,对于和性质与煤转化过程的联系更为紧密,因此,了解灰国内的一些 SHELL气化炉使用厂家,现在已经有连渣的特性就更好的了解了原料煤对 SHELL气化炉续稳定运行超过180天以上,甚至达到280天的。而长周期运行的影响。实际运行经验表明 SHELL气化且控制好原煤灰的熔融温度对于其他指标的管控有炉对煤种也有其适应性的要求,煤的灰分及灰成分了很大的弹性空间。是制约 SHELI气化炉长周期稳定运行的主要因素。2.1.2煤灰中SiO2/A1O3比 SHELL气化炉的影灰熔融性、灰中SO2/Al2O3比及灰的黏温特性等指响标的管控,直接影响气化炉稳定运行(如图2所示)。进人 SHELL气化炉的原料煤煤灰中SiO2的含量较多,一般占30%-70%随着SiO2含量的增加ST(软化温度)和FT(流动温度)温度温差较大,这气相无机指是由于煤灰中的SO2主要是以非晶态存在,很容易形成玻璃体物质,SiO2含量越高,形成玻璃体成分越多,煤灰的流动温度与软化温度之差也随着SO2含量增加而增加。当SiO2含量超过45%时,不管其他成罐权分的含量多少,SiO2含量增加,FT与ST的温差随之增大。SiO2含量在45%-60%范围内的时候,SiO2含外在被勒质量增加,会熔融性温度降低。SiO2超过60%,SiO2含量增加对灰熔融性温度的影响则无一定规律可循。反前进人 SHELL气化炉的原料煤煤灰中A2O3一般图2原料煤气化和燃烧的演化历程含量较SiO2少,大部分的煤灰中Al2O3的含量在2.1.1煤灰的熔融性对 SHELL气化炉的影响15%~30%左右,Al2O3能显著增高煤灰的灰熔融温煤在热转化过程中矿物质转变成灰分,而煤灰度。当Al2O3含量低于12%的时候,灰熔融温度出现的熔融特性是气化用煤的一项重要指标,按照排渣先降低而后增加的规律,当A2O3含量高于15%的时方式分类,煤的气化可分为固态排渣和液态排渣两候,灰熔融温度随着AlO3含量的正价而有规律的增大类。固态排渣技术要求煤灰熔融温度比操作温度加。当Al2O3合量高于25%的时候,ST和FT的温差高,灰渣以固态形式排放,为了防止气化炉结渣影响随着含量增加而越来越小。当A2O含量高于30%的气化炉正常操作,需要煤有较高的灰熔融温度,以保时候煤灰熔点在1350℃以上。当Al2O3含量高于证气化炉始终在低于灰熔融软化温度的炉温下运40%的时候,不管其他成分含量如何,灰的FT必然行。而 SHELL气化炉排渣形式是液态排渣,液态排超过1500℃。渣技术要求操作温度高于煤灰的流动温度,如果温所以进入 SHELL气化炉的原料煤是有一定的度低于流动温度或者操作温度区间无法达到黏度要操作空间的,原料煤灰中SiO2/AI2O3比决定气化炉求均会导致排渣不畅,造成气化炉渣口堵渣,气化炉操作空间。一般来说,SiO2/Al2O3比越高气化炉操炉温波动,无法正常运行。所以煤灰的熔融特性对于作空间越大。煤灰中的SO2/AO3比控制的范围为SHELL气化炉的正常运行有着至关重要的影响。0.43-3.89,而我公司 SHELL气化炉SO2/Al2O3SHELI气化炉对煤灰的熔融温度要求偏低,因比一般控制不超过3硅铝比对煤灰流动温度呈直线为气化炉炉膛内的燃烧温度大约在1500℃左右,对增加趋势,丸"V凵中国煤化工曾加而增大硅于硅酸盐矿物质含量较高的的煤,煤灰的熔融温度铝比决定了CNMHG的硅铝比可以较高,在 SEHLL气化炉内只能达到软化温度,流动使熔渣在高温下保持较高的黏度,从而可以增加气30内蒙古石油化工2015年第10期化的操作空间。硅铝比越高气化炉的操作空间越大。反应温度也在一定范围内波动。较高的操作空间可以保证气化炉炉温在比较宽的范在现有的技术条件下,空气干燥基碳含量尚不围内波动时,不会因为渣的黏度急剧变化而发生垮能做到在线测量,无法实时修正氧碳比。因此,目前渣或者渣层急剧变厚。控制气化炉的关键参数氧碳比,其测量精度受制于2.2工艺操作指标对气化炉长周期运转的影响粉煤流量和空气干燥基碳含量数据精度,估计对应2.2.1气化炉操作温度对气化炉的影响的气化温度波动范围为150~200℃。而且精确地控决定 SHELL气化炉气化温度的关键参数为氧制氧碳比就能控制好炉温,根据全国 SHELL气化炉碳比,一般氧碳比高的的时候,气化炉的操作温度偏使用厂家来分析,根据原料煤的不同氧碳比控制也高,反之,气化炉操作温度偏低。一个合适的氧碳比有所不同,一般氧碳比控制在以下,而我公司经过几决定了 SHELI气化炉是否能够长周期稳定运行。年的摸索和探究,采用合适的低温操作的方法对于气化装置使用纯氧,氧气流量测量采用涡街流量计气化炉长周期稳定运行有着显著的效果。直接测量,具有较高的测量精度和数据稳定性。人炉2.2.2气化炉温度波动与气化炉渣口及渣池堵塞粉煤不是纯碳,因此碳流量无法直接测量,必须首先的关系测定进入气化炉炉粉煤流量,然后测定入炉粉煤的SHELL气化炉是液态排渣,被旋流甩到水冷壁空气干燥基碳含量,经过计算后得到碳流量。人炉粉上的熔渣在重力作用下向下流动通过渣口,通过渣煤流量的测定,比较困难,但仍然可以实现在线间接池自循环的渣水进行激冷破碎,落入激冷水中冷却测量,满足大规模连续化生产需要。 SHELI气化装形成5~10mm的碎渣,通过排渣锁斗减压后排出。置采用粉煤密相输送工艺,在粉煤输送管道,设有伽如图3。熔渣流动性决定于气化炉的温度,煤中灰组马射线密度仪在线监测粉煤悬浮物密度,同时设有成确定的煤质对应的合适的炉温控制,可保持熔渣电荷式速度计在线监测粉煤速度。合适的流动性,如果炉温偏低,渣流动性太差,会在由于粉煤密度计和速度计的测量精度低于氧气水冷壁内表面堆积,渣层变厚,甚至堵塞渣口。烧嘴流量计,导致计算出的粉煤流量实测值,精度不高,罩、烧嘴及水冷管泄漏会使熔渣激冷结块,严重时导波动较大。在假设入炉煤质稳定的条件下,其空气干致装置无法正常运行。煤的灰熔点低或相对气化炉燥基碳含量可以视为常数,因此氧碳比与氧煤比成温髙,渣流动性太好,渣层偏薄,通过渣口的熔渣颗正比关系, SHELL气化工艺使用氧煤比控制气化炉粒太小,或者气化炉系统运行不稳定,气化炉及渣池温。由于粉煤流量的测量精度偏低,导致实际测定的空间存在过多煤灰,在渣屏区域的合成气旋流离心氧煤比精度偏低,其存在正常波动,导致气化反应温力作用和渣池蒸汽上升气流的影响下形成回流区。度在一定范围内波动。在实际气化运行过程中,进人熔渣滴或小颗粒在渣屏积聚,逐步形成大渣块,在不气化炉煤的煤质存在一定波动,空气干燥基碳含量稳定工况及重力作用下脱落堵塞渣池导致停车(如不是常数,而是在一个较小的范围内波动,因此气化图4所示)。煤烧嘴REER VURLE煤烧嘴的隔焰罩H器渣口E锥形渣屏HCAL SUAL SCPEEN渣池喷水环HEAT SKRI渣池激冷水液位L渣池中国煤化工CNMHG…没图3气化炉烧嘴、渣口、渣屏及渣池结构图图4渣池空间流场2015年第10期马长生影响 SHELL气化炉长周期稳定运行的原因分析31为保证气化炉稳定运行,要求气化炉操作温度极可能出现煤粉粘连而造成输送困难,导致煤粉输空间大于气化温度波动范围。如果气化炉操作空间送过程中不稳定,或者造成单烧嘴或多少嘴跳车,造小于气化温度波动范围,且气化温度向下限波动,则成气化炉炉温波动。通过气化炉蒸汽量、有效气成可能出现渣流动性过差,渣层变厚,增加渣口堵渣风分、渣形、渣水固含量等对气化炉炉温的精确控制,险。如果入气化炉操作空间小于气化温度波动范围,确保熔渣合适的流动性(动力黏度2Pa.S~25且气化温度向上限波动,则可能出现渣流动性过好,Pa.S),可有效避免渣口堵渣和减少渣屏结渣的程渣层变薄,增加渣屏结大渣、渣池堵渣风险。度。相对合适低温操作对防止渣屏形成大块坚固熔2.2.3防止气化炉渣口堵渣措施渣有利,而渣屏处松散的煤灰结块不会造成渣池堵气化炉整体设计、原料煤的煤质、气化炉的炉温渣。控制是决定气化炉是否堵渣的三个关键因素。在现3关键设备对 SHELL气化炉长周期稳定运行的影有的气化炉结枃下,根据SHEL厂家给出的建议,响3.1气化炉煤烧嘴隔焰泄漏在渣口下的渣池下降管位置增加了破渣机,确保在SHELL气化炉在实际运行过程中经常由于煤气化炉炉温波动或者有异常操作的情况下能够使脱烧嘴隔焰罩损坏泄漏而导致停炉,由于有大量的水落的大渣块破碎、排放,防止气化炉因渣口堵渣而造汽进入参与没得燃烧反应,导致气化炉的炉温偏低,成更大的破坏。原料煤的稳定和适宜是煤气化装置熔渣流动性降低,渣口积渣过多导渣口结渣堵渣,造稳定运行的关键,原料煤的组分及水分的控制能够成气化炉无法正常运行而停炉。从隔焰罩泄漏的情有效的降低气化炉波动。 SHELL气化炉要求进气况看,主要是隔焰罩的由外向内的3、4圈管道损坏,化炉的煤粉水含量低于2%,煤粉水含量允许稍高同时隔焰罩内有大量熔渣溢流进(如图5、图6所于该值,但不能偏离太多,否则会影响粉煤输送,示)。图5隔焰罩损坏图6隔焰罩内有熔渣3.1.1隔焰罩泄漏的原因分析火苗的高温外焰(2500~3000℃C)接近隔焰罩,灼烧煤烧嘴隔焰罩损坏的原因有很多种,通过金相隔焰罩表面的管道。分析和向火面温度推算分析可以看出,隔焰罩损坏第三:炉温整体偏高但波动很大。炉温过高时渣原因为局部温度升高,在氧和硫的作用下,发生高温流动性好,渣层偏薄,对耐火材料、销钉寿命有很大氧化和高温硫化,局部迅速烧蚀减薄。造成这样损坏影响,同时高温对隔焰罩也有很大影响。的其中主要的原因有。第四:炉温过低时渣流动性差,粘度较髙的渣流第一:原料煤供应不稳定,频繁更换煤种,导致人隔焰罩改变火焰形状,产生回火灼烧隔焰罩表面气化炉操作弹性空间变小,无法及时的改变操作造的管道。成气化炉波动,而导致隔焰罩损坏。3.1.2防中国煤化工第二:煤粉输送线粉煤流量不均匀,速度较低,采用更HCNMHG为8圈,增加了粉煤烧嘴火苗长度偏低,低于设计值。导致粉煤烧嘴伸岀气化炉水冷壁的长度,这样能够有效的避免熔内蒙古石油化工2015年第10期渣进入隔焰罩内,避免煤烧嘴髙温火焰回火灼烧隔物的影响,煤粉输送管线不稳定,导致煤烧嘴频繁跳焰罩管道。而且更新一代的隔焰罩盘管拉蒙特喷嘴车,从着色检查的结果看,泄漏最为严重。孔径增加,冷却水循环量增大,盘管管壁减薄,换热3.3.3粉煤烧嘴泄漏的处理措施效果更好,抗瞬时热冲击能力增强。优化气化炉煤烧嘴头部结构,减少煤烧嘴头部加强原料煤的管理,确保入炉煤稳定适宜供应。倒角,将烧嘴头部倒角圆滑过度,避免应力集中开制定完善的原料煤管理制度,严格控制原料煤质量,裂。从工艺操作方面对于避免气化炉煤烧嘴的损坏有效地把控原料煤的配比主要是稳定煤粉输送管线操作,优化操作方案,减少加强工艺管理,稳定煤粉输送管线运行,控制好气化炉的波动,对煤粉输送管线仪表元件定期维护煤粉输送管线速度;严格控制煤制备煤粉粒度;煤线更换。对于粉煤烧嘴的泄漏采取的措施主要是在装标定回归,减少计量偏差;及时凊除原煤杂物,定时置检修期间进行局部修补,或者对泄漏严重的烧嘴清理纤维筛,防止杂物对煤线稳定运行的影响。头部进行更换3.2气化炉煤烧嘴泄漏针对粉煤烧嘴的结构,设想将粉煤和氧气的通3.2.1煤烧嘴头部开裂泄漏情况道进行调换,彻底解决氧气与CO、H2接触,发生高煤烧嘴是 SHELL气化炉的重点配套设备,其设温烧蚀的问题,有待实施后进一步验证。备加工质量及运行使用质量至关重要,壳牌气化炉4结论般有4个煤烧嘴,采取对置喷射并设有一定角度SHELL气化炉对煤种具有一定的适应性,选择的旋向。气化炉煤烧嘴设计使用寿命为8000小时,合适的煤种对气化炉长周期稳定运行至关重要。对在装置实际运行中烧嘴泄漏频繁,平均使用寿命不关键设备进行技术改造或者材料升级是确保气化炉到6000小时。烧嘴头存在的主要问题:头部热裂纹安全运行的先决条件。较多,制造加工头部倒角处开裂(如图7所示)[参考文献][1]汪寿建,壳牌煤气化关键设备设计探讨[J]大氪肥,2003,26(5):304[2]李文.白进,煤的灰化学[M].北京:科学出版社,2013[3]杨国旗,大型电站锅炉燃用神府煤结焦分析及其防止措施[J].陕西电力,2007(9):30~[4]郑民牛,赵恒斌,马坤祥,等,燃用神东煤锅炉结渣原因分析及其防止措施[J].热力发电2007(5):27~29[5]DL/T660-1998.煤灰高温黏度特性试验方图7烧嘴端面泄漏[6]陈鹛.中国煤炭性质、分类和利用[M].北京:3.2.2粉煤烧嘴泄漏的原因分析化学工业出版社,2006粉煤烧嘴头部端面开裂泄漏的主要原因由高温[冂门高晋生,张德样,煤液化技术[M].北京:化造成,这与目前使用的粉煤烧嘴的结构有关,粉煤通学工业出版社,2004过中间圆形通道喷出氧气走外围环形通道,与气化[8]中国石油化工集团公司企业标准《粉煤气化工炉内的CO、H2接触,发生高温烧蚀,形成裂纹,导致艺用原料煤釆购质量控制指标》Q/SHCG1泄漏。2011M].北京:中国石化出版社,2011.粉煤烧嘴的使用寿命与煤线的稳定运行也有很[8]李文,白进,煤的灰化学[M].北京:科学出大关系煤气化装置运行过程,由于速度计故障和杂“TH中国煤化工CNMHG