煤化工装置长周期运行探索.docx

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煤化工装置长周期运行探索

煤化工装置长周期运行探索

第一部气化炉多管齐下综合施治

气化炉是煤化工装置的核心和龙头，决定了全系统装置能否长周期、满负荷、安全、稳定地运行，也决定了产品的成本效益。

中国化工报记者在调查中了解到，目前煤化工装置运行的无论是干煤粉还是水煤浆煤气化炉，单炉最长连续运行时间都达到了200多天,但各个类型炉型之间依旧有差别。

同样是水煤浆气化炉（包含备用炉），有连续运行300多天的，也有连续运行550天的。

业内专家指出，影响气化炉长周期运行的是综合因素，考量的是企业的综合实力，企业应当着重在烧嘴精度、喷嘴与气化炉流场结构、排渣系统的优化设计，提高灰水系统运行周期和保持煤质稳定上下功夫。

优选喷嘴材料和处理工艺

喷嘴是气化炉的核心设备，喷嘴使用寿命是决定气化炉生产周期长短的关键因素，60%的气化炉停车都与喷嘴有关。

伊泰煤制油公司总经理刘尚利告诉记者，喷嘴寿命周期在100～150天，到时候必须停下来更换，喷嘴损坏会直接造成气化反应氧碳比失调，使气化炉进料紊乱，甚至引发超温、过氧爆炸等严重事故。

因此，除了喷嘴加工精度外，使用中的监控和管理也非常重要的。

华东理工大学洁净煤技术研究所周志杰副教授认为，提高喷嘴的寿命需要对其结构设计优化，煤浆中的固体颗粒对喷嘴材料的磨损很大，应尽量降低煤浆流动速度，还要探索采用耐高温、耐磨材料或者堆焊耐磨合金加热处理工艺制造喷头。

陕西鑫立喷嘴研制开发有限公司技术部部长胡战卜则表示，烧嘴的运行与氧媒比、水煤浆流速等因素有关，要提高烧嘴及气化炉稳定运行周期，今后还应探索外氧气流和水煤浆流的最佳角度结构设计，使喷射结构和角度更合理，达到最好的混合、雾化效果，使水煤浆反应充分，有效气含量提高，煤渣含碳量降低。

在运行中为保护烧嘴，有煤化工企业通过在烧嘴前端浇注保温材料，使烧嘴盘管及外头端部与炉内火焰有效隔离，炉内火焰不会直接对冷却水盘管和外喷头进行烧蚀，减少烧嘴外头端部因受热冲击产生的龟裂，消除了冷却水盘管和外头角焊缝处受炉内高温气体的影响引起的热应力损坏，延长了烧嘴使用周期，保障了气化装置的长周期稳定运行。

神华宁煤集团煤化工公司烯烃公司总工程师黄斌向记者介绍说，干煤粉气流床要实现长周期、稳定、高效运行，取决于煤粉输送系统的稳定性、喷嘴与气化炉流场结构的匹配性以及排渣系统的优化设计。

多位业内人士向记者证实，由于气化炉流场、排渣系统优化设计问题，目前运行的粉煤气化炉，部分所排细灰、煤渣的含碳量高达到6%。

由于水冷壁炉是“以渣抗渣”，必须依靠挂在炉壁上的一层熔渣来保护水冷壁，才能使气化炉长期运行。

如果灰分含量太低，炉内挂渣不好，就起不到对炉壁的保护作用。

在流场、排渣系统优化设计不足的情况下，因为渣、灰引起炉子停车的煤化工装置不在少数。

中石化宁波工程有限公司副总经理亢万忠向记者进一步介绍说，目前业内普遍忽视气化炉流场、水冷壁气化炉挂渣机理等基础研究，今后要做细致的挂渣模拟，使挂渣系统适应不同煤种、减少热损失，提高设计水平。

黄斌认为，挂渣模拟应当与现场试验相结合，并通过现场试验修正才能达到好的效果。

黄斌指出，中国煤化工发展快，拿来主义多，气化炉流场、水冷壁气化炉挂渣机理等基础研究薄弱，今后需要加大这方面研究的投入，边使用边改进。

多举措保灰水系统稳运

气化过程产生的粗煤气内含有大量固体颗粒和杂质，在除尘、洗涤过程中，除尘、灰水系统不可避免会产生沉积、结垢，系统的设备、管道、阀门结垢堵塞和腐蚀，严重时需进行停车处理，这不仅制约气化炉的运行，还会影响后续变换、低温甲醇洗系统的运行。

像干法除尘的壳牌煤气炉，积灰结垢在合成气冷却器入口被堵塞50%时才能发现，迫使装置降负荷生产甚至非计划停车。

灰水系统目前除壳牌煤气化炉外，所有运行的新型煤气化炉基本都是文丘里洗涤器+激冷洗涤塔。

据华东理工大学洁净煤技术研究所周志杰副教授介绍，从运行周期来说，因为水系统一直在洗气排灰、排渣，即使喷嘴和耐火保温材料都没有问题，如果灰渣积累太多，灰水系统运行最多4个月就会出现结垢、堵塞、系统阻力增大等问题，装置必须停车处理。

周志杰建议，通过选用低灰分、低灰熔点、低硫氯的优质煤，以及更换设备材料和工艺改进等措施，来缓解灰水系统的堵塞和腐蚀问题。

神华宁煤集团煤制油项目副总工程师李晓东认为，增加灰水系统的洗涤能力，可采用多因子分离、旋流分离等气体除尘、洗涤等技术。

中石化金陵石化原总工程师程祖山向记者介绍说，影响气化炉除尘、洗涤系统稳定运行的因素很复杂，与煤质、气化方式、气化温度、水质等因素郝有关系，在抗垢剂上下功夫也是个办法。

加强选配稳定原料煤质

中科合成油技术有限公司技术顾问唐宏青认为，原料煤质稳定与否以及煤质的好与坏，对气化炉长周期稳．定运行起很大作用。

虽说粉煤加压气化炉气化对原料煤有广泛的适用性，理论上讲什么煤都可以气化，但气化煤质的水分、挥发分、灰分、硫及灰熔融性、煤灰黏度等指标对气化炉装置的运行稳定有着重要影响。

如何选备原料煤、稳定原料煤质是煤气化生产的难题，这就需要准确检测气化煤的煤质指标，确定选煤配煤方案、制定稳定煤质的措施，以保障煤气化装置的稳定运行。

中石化金陵石化原总工程师程祖山告诉记者，煤化工企业在配煤技术交流上不如中石化系统，中石化系统经常技术交流会，相互介绍经验，共享改进成果。

黄斌认为，影响煤气化炉满负荷、安全稳定运行周期的因素很多，甚至一个阀门、一个焊缝都会引起装置停车，因此气化装置运行周期考量的是一个煤化工企业的综合实力。

评价气化炉周期不能看单炉一次运行时间的长短，而应当平均来看，如果一次运行时间长，而停产检修的投入大，那么仅一次的长周期运行也就长就失去了意义。

周志杰也认为，不能过于追求单炉的运行周期。

企业为保证连续气化生产，将生产控制在一个安全的范围内，需定期切换倒炉检修，一开一备的气化系统，单炉连续运行60天就切换；两开一备的气化系统，单炉连续运行75～80天就切换。

因此，考察气化炉满负荷、安全稳定运行周期，应当看一个企业气化系统的连续运行时间，而不是仅看单炉的运行周期。

亢万忠表示，通过备用炉，气化装置的备用系数和气化的整体可用率会有提高，但要满足长周期、满负荷连续运行，并达到像石化装置那样3年一修，依旧有困难，还有很长的路要走。

中石化金陵石化原总工程师程祖山向记者表示，煤化工装置比石化装置技术密集度更高，涉及的技术种类也更多、更杂、更精细。

大型煤化工发展迄今也就10年左右的时间，煤种认识、设备选型、操作经验，以及气化温度等参数的控制、工艺掌握和人才培养都还有一个较长的过程。

他认为，目前各种气化炉都在运行，再过10年，真正综合性能好的气化炉才能显现出来。

第二部分变换装置控炉温降阻力防腐蚀

　　在煤气化配套装置中，变换单元是通过一氧化碳与水蒸气在催化剂作用下进行变换反应，调节气化炉产出粗煤气的氢碳比，以满足后续合成工段的需要。

业内专家认为，变换装置要实现长周期满负荷运行主要解决以下三个主要问题：

变换炉超温、催化剂失活和设备腐蚀。

　　炉温控制是首要因素　　

　　“影响变换系统长周期运行的主要因素是第一变换炉超温”，安徽昊源化工集团副总经理高明林这样告诉中国化工报记者。

据他介绍，变换炉是灰、水、毒物影响最集中的地方，85％以上的变换反应是在第一变换炉内进行，催化剂活性的降低将直接影响变换装置的运行周期。

粉煤气化激冷流程合成气中的一氧化碳含量和蒸汽含量高，反应剧烈，反应温度高，催化剂装填量大了就会发生过度反应，烧坏催化剂，出现设备超温。

因此，催化剂的装填是一个十分重要的步骤，装填量要与变换负荷匹配，同时分两部分装填，上半部分装填量要少。

在装置开停车时要控制好气量，气量升降幅度不能大。

在装置运行时，还要严格防止变换炉炉温超温和大幅波动。

高明林还提醒，淬冷器所用的激冷喷水水质要控制好，淬冷器里的瓷球质量也要控制好，防止瓷球球沫堵塞系统，增加阻力。

　　青岛联信催化材料有限公司纵秋云教授认为，变换炉炉温的控制根据气化工艺的不同而不同，对于粉煤气化，由于原料气中的CO含量高，变换反应的推动力大，第一变换炉很容易超温，同时还会引发甲烷化副反应使床层“飞温”。

这种情况可以通过两种办法来控制。

第一种方法是通过控制催化剂的装填量达到控制反应深度，这就要求催化剂装填量计算十分精确，不能有太多的富余，否则就会因为催化剂富余而超温。

第二种方法通过控制反应的水气比，控制反应的平衡，进而控制反应深度和变换炉炉温。

这种控制方法能节省大量蒸汽，控制手段安全、灵活可靠。

　　河南濮阳龙宇化工有限责任公司总工程师赵新跃进一步介绍，调整变换工艺最重要的是控制入炉合成气的水气比，继而控制住变换反应量（合成气的变换率），为后续工段提供适宜的有效气体组分，保证装置长周期稳定运行。

他认为，水气比高可致变换率高，水气比低可致变换率低，都直接影响后工段低温甲醇洗冷量平衡，合成工段因氢碳比失调单耗也会升高。

具体可通过控制变换炉进口废锅压力将水气比控制在合理范围内，从而有效调节入炉合成气的水气比，以减少整个装置的单耗。

同时还应注意，水气比高、变换率过高、变换炉床层超温会引发变换炉“滞液”和变换炉高温晶间腐蚀等现象的发生，催化剂活性和设备寿命也会因此受到影响。

　　降低阻力从源头做起　　　

　　降低系统压差是提高变换装置运行周期的另一个主要因素，变换系统压差大，系统阻力升高后，设备腐蚀加重，生产运行不稳定，且能耗增加，产量降低。

　　目前行业内的变换系统压差在0.4~0.5MPa，安徽昊源化工集团等少数企业通过设计优化、技术改造、操作优化，把系统压差降到了0.17MPa，达到了行业内最低，不仅降低了压缩机阻力，降低了能耗，还延长了换热器、调节阀等的寿命，大幅提高了变换系统的运行周期。

　　高明林指出，降低整个变换系统的压差，从源头设计上就应当充分考虑降低阻力。

高明林向记者介绍，从管道、阀门设计上降低流速，换热器要适当增加换热面积，这样才能保证催化剂使用后期变换系统的热平衡，催化剂的活性才能得到充分利用，从而延长变换装置的运行周期。

此外，减少变换系统阻力还需要操作工在阀门操作上的配合。

　　江苏灵谷化工有限公司副总经理杭尚元指出，变换装置开停车状况将直接关系到催化剂的使用寿命。

变换系统停车时，气体不流动、温度降低，而合成气里有水蒸气，每次停车时系统尽可能降压或用氮气置换，不让系统有泠凝水存在，以避免催化剂遇水使活性降低。

　　另有业内人士建议，降低变换系统压差，需要对变换工段入口煤气水分离器定期排液，防止水带入合成气预热器出口，避免水分挥发后夹带的部分灰分及盐类产生积存，不仅堵塞设备，催化剂也会发生积灰、积碳、粉化，催化剂活性会降低，此外还要严格炉温控制，防止超温或大幅度波动，避免催化剂颗粒反复收缩膨胀，容易破碎。

　　减缓腐蚀慎选设备材质

　　据神华煤制油化工有限公司包头煤化工公司高工熊同国介绍，变换设备大多在高温临氢工况下运行，设备选材的合理性对装置长周期稳定运行有着重要作用。

为规避高温临氢、工艺冷凝液中酸性物质带来的腐蚀，很多企业的变换炉、水分离器、换热器都采用复合板、堆焊设备。

选择材料时尽可能避免硫化氢、氯离子的腐蚀，以及综合作用产生的晶间腐蚀，设备、管线应当选择316L、304L或者双相钢。

　　熊同国认为，变换设备应当根据温度区间和介质组分的不同选择最适宜的材质，管线尽量选用无缝钢管及管件，在管道施工过程中，对有应力腐蚀倾向的管道焊缝需进行焊后热处理，以保证焊缝及热影响硬度在要求的范围。

此外，赵新跃指出，提高变换系统长周期运行水平是个多因素综合问题，在控制炉温、水气比等的同时，还应考虑第一变换炉、第二变换炉反应的量，根据企业自身换热器大小来平衡。

第二部低温甲醇洗防腐蚀控水分除杂质——煤化工装置长周期运行探索

目前，大型煤化工项目气体洗涤净化普遍采用低温甲醇洗工艺。

该工艺以冷甲醇为吸收溶剂，利用甲醇在低温下对酸性气体溶解度极大的特性，脱除原料气中的酸性气体。

此工艺气体净化度高、选择性好，气体脱硫和脱碳可在同一个塔内分段、选择性进行。

业内专家目前在接受中国化工报记者采访时普遍表示，在低温甲醇洗工艺中，设备的选材和选型时考虑腐蚀带来的影响，并采取防护措施，确保吸收剂甲醇的质量，可提高煤化工装置长周期稳定运行的时间。

设备选材首要防腐

低温甲醇洗大部分设备是在湿硫化氢工况下运行，设备和阀门容易腐蚀，导致系统堵塞，装置不能长周期稳定运行。

神华煤制油化工有限公司包头煤化工公司高工熊同国向中国化工报记者介绍，设备腐蚀对设备长周期运行有很大影响，因此在设备选材上应首先注意防范。

譬如，在原料气冷却器中，由于原料气中的水大量冷凝出来，原料气冷却器底部焊缝处很容易发生应力腐蚀开裂，不少企业都发生过焊缝裂纹，有的装置甚至被迫停车，影响了产品产量。

原料气冷却器只有选择304和321等不锈钢才能保证运行安全；设备焊接过程中，则要选用合适的工艺，保证焊接区域的金相组织稳定，排除晶间腐蚀的可能，还要保证整体硬度不超过200HB，减少发生应力腐蚀的可能性。

熊同国强调，全国各地的煤化工企业都存在腐蚀现象，只能通过更换备件、频繁检修等措施解决。

目前气体带来的腐蚀还没有得到很好地解决，主要腐蚀机理以及硫化氢、氰化氢、二氧化碳等气体哪种腐蚀最严重等还有待研究。

系统水分少进多出

甲醇质量是确保低温甲醇洗系统长周期高负荷稳定运行的因素之一。

江苏灵谷化工有限公司副总经理杭尚元向中国化工报记者介绍，系统中硫化氢含量较高。

甲醇中水含量稍高时，设备腐蚀会加剧，腐蚀产物明显增多。

该公司几年的运行实践证明，甲醇中水含量如果在1%以上，腐蚀会加剧，甲醇过滤器需要每星期清理1次，系统将难以长周期高负荷运行。

若要确保装置长周期高负荷安全稳定运行，甲醇水含量必须要控制在0.5%以下。

杭尚元认为，控制好甲醇水分的原则是整个系统的水分少进多出，譬如，变换后的合成气温度尽量降低，这样饱和水分就少一点。

陕西长青能源化工有限公司生产运行部副部长闫俊民进一步告诉中国化工报记者，进塔粗煤气有一定的温度，会带进吸收塔一定的水分，若控制好进吸收塔粗煤气的温度，进塔前就能彻底分离冷凝下来的水分。

此外，还要控制好气水分离器的液位，防止液位过高，气体把水带入吸收塔。

严控再生甲醇质量

多位业内人士向中国化工报记者表示，虽然各个低温甲醇洗工艺流程设计不同，甲醇中的水含量、杂质含量原则上都是越低越好。

据闫俊民介绍，循环甲醇在吸收了煤气中的二氧化碳、硫化氢、氨、粉尘等杂质以后，一些杂质会积存在循环液中，影响吸收效果。

因此，必须控制好再生甲醇的质量，定期化验，一旦发现质量变化，就要加大甲醇再生塔到甲醇水分离塔废水量，提高甲醇再生塔及甲醇水分离塔再沸器的温度，确保返回系统再生甲醇质量。

此外，新旧甲醇要分罐贮存，避免新旧甲醇混装，原则上系统补充甲醇用新甲醇。

闫俊民认为，低温甲醇洗装置设备相对较多、管道复杂、控制点多。

在实际生产中，低温甲醇洗系统要长周期满负荷稳定运行，还与操作、设备及仪表控制系统的维护保养有关。

在生产过程中，只要控制好各种操作参数，确保甲醇溶液中较低的水含量和固含量以及合适的pH值，保证设备及仪表控制系统的完好，就能确保系统长周期高负荷安全稳定运行。

杭尚元也表示，运行中要注意防范累计性问题，除了控制甲醇中水分外，还应当注意氨含量的高低，过高过低都会影响设备的长周期稳定运行。

常用低温甲醇洗工艺

●林德低温甲醇洗工艺

●鲁奇低温甲醇洗工艺

●中国寰球工程公司低温甲醇洗工艺

●上海国际化建工程咨询公司低温甲醇洗工艺

●大连理工大学低温甲醇洗工艺