制约壳牌气化炉长周期稳定运行因素分析

2023-02-04

随着运行经验的不断积累, 壳牌气化炉连续稳定运行周期不断延长。但近几年, 仍然碰到一系列影响煤气化装置稳定运行的问题, 主要有:原料煤的性质、气化炉渣口堵渣和渣池堵渣、隔焰罩泄漏、合成气管线腐蚀泄漏等, 阻碍了壳牌煤气化装置长周期稳定运行。

一、壳牌气化炉技术特点

壳牌粉煤气化炉的气化温度高达1400-1700℃, 不能采用水煤浆气化炉的耐火砖结构, 而是采用水冷壁和液态排渣工艺。水冷壁外表面浇注一层碳化硅耐火材料, 内置金属销钉。该材料耐热度为1500℃, 可以在短时间内承受1400-1700℃的高温。例如气化炉投煤初期4个小时, 水冷壁内表面还没有形成完整渣层, 需要用碳化硅耐火材料保护水冷壁。

碳化硅耐火材料不可以长时间暴露在高温下, 否则会减少寿命, 最终损坏水冷壁。壳牌粉煤气化炉采用“以渣抗渣”原理利用原料煤灰分实现了对水冷壁的有效保护。

壳牌粉煤气化炉炉膛下部水平安装多只粉煤烧嘴, 烧嘴以略为偏离法线方向插入水冷壁。正常生产过程中, 粉煤烧嘴高速喷出的粉煤和氧气, 在炉膛内旋流强化传质, 发生不完全氧化反应, 产生大量粗煤气, 熔化粉煤中灰分形成微小颗粒。受高速旋流粗煤气产生的离心力作用, 粗煤气中微小熔渣颗粒被甩到水冷壁内表面, 形成渣层。渣层分为两部分, 紧贴水冷壁部分为固定渣层, 其厚度相对固定;迎火面渣层为液态渣层, 厚度变化较大, 受重力影响向下流。见图1

当总渣层较薄时, 由于耐火衬料和金属销钉具有很好的热传导作用, 液态渣层内部逐步冷却至灰熔点固化, 固定渣层和总渣层增厚;当总渣层较厚时, 渣层热阻增大, 传热减慢, 液态渣层加热到灰熔点以上, 流动性变好, 降低液态渣层厚度, 形成渣层厚度动态平衡。

如果入炉煤灰分和灰组成稳定、氧煤比控制稳定, 水冷壁内水汽系统工况稳定, 气化温度不会出现大幅度波动, 渣的流动性保持稳定, 渣层厚度在动态中保持相对稳定, 实现“以渣抗渣”, 水冷壁不受合成气氢腐蚀和硫腐蚀、不受高温烧蚀、不受熔渣磨蚀, 水冷壁得到有效保护。

二、原料煤性质对壳牌气化炉长周期稳定运行的影响

实际运行经验表明壳牌气化炉对煤种也有其适应性的要求, 煤的灰分及灰成分是制约壳牌气化炉长周期稳定运行的主要因素。灰中Si O2/Al2O3比、灰熔点等与灰熔融性有关的指标, 直接影响气化炉稳定运行。

1. 灰中Si O2/Al2O3比

(1) 入炉煤气化操作空间

原料煤灰中Si O2/Al2O3比决定气化操作空间。一般来说, Si O2/Al2O3比越高气化操作空间越大。气化温度操作空间=动力粘度2Pa.S时的渣温度-渣液化温度。例如某一种煤动力粘度2Pa.S时的渣温度为1640℃, 渣全部为液相时的温度为1400℃, 则某一煤种的气化操作空间=1640-1400=240℃。

(2) 气化温度

决定壳牌气化炉气化温度的关键参数为氧碳比, 其公式为:氧碳比=氧气流量/碳流量。

壳牌气化装置使用纯氧, 氧气流量测量采用涡街流量计直接测量, 具有较高的测量精度和数据稳定性。

入炉粉煤不是纯碳, 因此碳流量无法直接测量, 必须首先测定入炉粉煤流量, 然后测定入炉粉煤的空气干燥基碳含量, 经过计算后得到碳流量。碳流量的计算公式为:碳流量=粉煤流量*空气干燥基碳含量。

入炉粉煤流量的测定, 比较困难, 但仍然可以实现在线间接测量, 满足大规模连续化生产需要。壳牌气化装置采用粉煤密相输送工艺, 在粉煤输送管道, 设有伽马射线密度仪在线监测粉煤悬浮物密度, 同时设有电荷式速度计在线监测粉煤速度, 采用下列公式计算粉煤流量:

粉煤流量=粉煤密度*粉煤速度*管道截面积。

由于粉煤密度计和速度计的测量精度低于氧气流量计, 导致计算出的粉煤流量实测值, 精度不高, 波动较大。在假设入炉煤质稳定的条件下, 其空气干燥基碳含量可以视为常数, 因此氧碳比与氧煤比成正比关系, 壳牌气化工艺使用氧煤比控制气化炉温。由于粉煤流量的测量精度偏低, 导致实际测定的氧煤比精度偏低, 其存在正常波动, 导致气化反应温度在一定范围内波动。

在实际气化运行过程中, 入炉煤煤质存在一定波动, 空气干燥基碳含量不是常数, 而是在一个较小的范围内波动, 因此气化反应温度也在一定范围内波动。

在现有的技术条件下, 空气干燥基碳含量尚不能做到在线测量, 无法实时修正氧碳比。因此, 目前控制气化炉的关键参数氧碳比, 其测量精度受制于粉煤流量和空气干燥基碳含量数据精度, 估计对应的气化温度波动范围为150-200℃。

(3) 入炉煤气化操作空间和气化温度波动与渣口及渣池堵塞的关系

壳牌气化炉是液态排渣, 水冷壁上的熔渣在重力作用下向下流动通过渣口, 落入激冷水中冷却形成5-10mm的碎渣, 通过排渣锁斗减压后排出。如图2

流动性决定于气化温度, 煤中灰组成。确定的煤质对应的合适的炉温控制, 可保持熔渣合适的流动性, 如果炉温偏低, 渣流动性太差, 会在水冷壁内表面堆积, 渣层变厚, 甚至堵塞渣口。烧嘴罩、烧嘴及水冷管泄漏会使熔渣激冷结块, 严重时导致装置无法正常运行。

煤的灰熔点低或相对气化炉温高, 渣流动性太好, 渣层偏薄, 通过渣口的熔渣颗粒太小, 或者气化炉系统运行不稳定, 气化炉及渣池空间存在过多煤灰, 在渣屏区域的合成气旋流离心力作用和渣池蒸汽上升气流的影响下形成回流区。熔渣滴或小颗粒在渣屏积聚, 逐步形成大渣块, 在不稳定工况及重力作用下脱落堵塞渣池导致停车。如图3

为保证气化炉稳定运行, 要求入炉煤的气化操作温度空间大于气化温度波动范围。如果入炉煤的气化操作空间小于气化温度波动范围, 且气化温度向下限波动, 则可能出现渣流动性过差, 渣层变厚, 增加渣口堵渣风险。

如果入炉煤的气化操作空间小于气化温度波动范围, 且气化温度向上限波动, 则可能出现渣流动性过好, 渣层变薄, 增加渣屏结大渣、渣池堵渣风险。

(4) 防止堵渣措施

气化炉设计、原料煤煤质、气化炉炉温控制是系统堵渣的三个关键因素。在现有的气化炉结构下, 原料煤的稳定和适宜是煤气化装置稳定运行的关键。通过气化炉蒸汽量、有效气成分、渣形、渣水固含量等对气化炉炉温的精确控制, 确保熔渣合适的流动性 (动力黏度2Pa.S~25 Pa.S) , 可有效避免渣口堵渣和减少渣屏结渣的程度。高灰熔点的原料煤和相对低温操作对防止渣屏形成大块坚固熔渣有利, 而渣屏处松散的煤灰结块不会造成渣池堵渣。