第49卷第3期
2021年2月广㊀州㊀化㊀工
Guangzhou Chemical Industry Vol.49No.3 Feb.
2021 Shell气化工艺积灰堵渣问题浅析
霍元彬
(鹤壁煤化工气化厂，河南㊀鹤壁㊀458000)
摘㊀要：简要地介绍了在Shell气化工艺流程和反应过程中，灰及渣的来源及组份；结合鹤壁煤化工生产过程中遇到堵渣与积灰问题分析了造成的原因，以及堵渣与积灰对Shell气化工艺影响的对立矛盾关系；从增加激冷量㊁调整烧嘴头对称夹角角度及从煤质配比㊁石灰石稳定添加㊁工艺调控操作方面浅析了如何避免堵渣及减少积灰，从而实现了Shell煤气化装置长周期稳定运行㊂
关键词:Shell煤气化工艺；渣口堵渣；积灰；操作优化
㊀中图分类号:TE965㊀文献标志码:B文章编号:1001-9677(2021)03-0097-03
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作者简介：霍元彬(1988-)，男，从事技术管理和生产工作㊂
Analysis on the Problem of Fouling and Slag Blocking in Shell Gasification Process
HUO Yuan-bin
(Hebi Coal Chemical Gasification Plant,Henan Hebi458000,China)
Abstract:The source and composition of ash and slag in the Shell gasification and reaction process were briefly introduced.Combined with the problems of slag blocking and ash accumulation in the production process of Hebi coal chemical industry,the causes and blocking were analyzed as well as the antagonistic relationship between slag and ash accumulation on the Shell gasification process.How to avoid slag blockage was analyzed by increasing chilling capacity, adjusting the symmetrical angle of the burner head and ratio of coal quality and the stable addition of limestone to realize the long-period stable operation of the Shell coal gasification unit.
Key words:Shell coal gasification process;slag hole plugging;ash accumulation;operation optimization
1㊀Shell工艺运行现状
国内目前在运行的各种煤气化装置中，壳牌气化炉以碳转
化效率高㊁煤种适应性广㊁有效气比(CO㊁H2)高㊁对环境影
响较小等优势，在国内得到了广泛的推广㊂但因壳牌气化炉在
操控经验方面少，且设计上依然不尽待完备之处，之前造成国
内多套装置运行周期短，经济效益不尽人意㊂执业药师注册
鹤壁煤化工壳牌气化装置自原始试车以来的多次的试车
中，该装置也暴露出了一些瓶颈性问题，如，气化炉合成气冷
却器 十字架 积灰㊁气化炉渣口堵渣㊁气化装置激冷气压缩
机设计激冷量不足㊁飞灰过滤器流通量不足压差高㊁点火㊁开
工烧嘴投运困难㊁气化炉二氧化碳工况运行周期短，以及气化
炉负荷低等问题，严重阻碍了着鹤壁煤化工安全稳定生产及经
济增长㊂
赌王何鸿燊儿子2㊀Shell气化工艺简介
鹤壁煤化工年产60万吨甲醇项目煤气化技术采用荷兰壳
牌煤气化工艺，为干法煤粉加压气化工艺，是目前国际先进的
第二代干煤粉气化工艺㊂气化装置设计能力为日处理设计煤种
2850多吨㊂壳牌工艺采用了两个一组对称安装的四个烧嘴，分
别插入气化炉四个呈喇叭形的烧嘴罩中，烧嘴罩对烧嘴进行保
护，这也是壳牌气化炉独有的，使其可在更高的气化炉温度下
运行㊂
具体工艺流程为:
原料煤经磨煤机磨成5~90μm的煤粉，后经加压至4.7MPa
煤粉，悬浮的煤粉㊁氧气和蒸汽的混合气通过4个对称的煤烧
嘴(A1301A/B/C/D)喷入气化炉反应室，在1350~1600ħ的高
温环境下发生一系列化学反应，反应生成合成气㊁炉渣和飞
灰㊂由于四条煤烧嘴水平对称径向6度倾角的原因，在气化炉
内形成一股旋转向上的气体旋流，并在向心力的作用下把液态
炉渣甩向气化炉内壁，最先靠近的部分因和水冷壁换热温度低
而固化，附在膜式水冷壁上形成一层固态渣层㊂在高温下呈液
态的附着在固化渣层的炉渣，液态渣在重力作用下向下流动到
气化炉裙座渣口底部的渣池，绝大部分直接被冷却水淬激形成
较为细小的颗粒排出，还有一部分比较大的渣块被破渣机破碎
成小渣块排出㊂夹带有飞灰合成气加速上行，其中有部分粒径
较小㊁质量较轻飞灰，其在高温下具有很大的黏性㊂合成气在
气化炉反应室顶部锥形出口与激冷气混合，温度降至900ħ左
右，部分炉渣液滴经激冷气激冷凝固成飞灰㊂通过输气管和合
成气冷却器进一步冷却，合成气温度降至340ħ左右，进入干
法除灰工序进一步去除飞灰，湿法工艺洗涤合成气中酸性气体
成㊂
98㊀广㊀州㊀化㊀工2021年2月
3㊀关于灰㊁渣的矛盾探讨
在气化反应后，原料煤中的灰分以2种不同的方式离开气化炉，形成了渣和飞灰㊂它们成分基本一致，
在元素含量分析上稍有差别㊂据分析,Ca和Al倾向于 集聚 在煤渣中[1]，表1和表2是对选取的渣和飞灰进行分析得出的数据㊂
表1㊀渣的主要成分表
Table1㊀Table of main ingredients of slag
渣的成分摩尔质量Wt%
SiO260.084843.49
Al2O3101.961324.66
CaO56.079418.04
K2O94.19540.69
Na2O61.97350.44教师节贺卡怎么做?
表2㊀灰的主要成分表
Table2㊀Table of main components of ash
飞灰的成分未融化Wt%融化Wt%
SiO249.1543.49
教师节贺卡图片Al2O327.3324.67
CaO  5.0518.04
K2O0.780.69
Na2O0.490.44
从未融化的飞灰分析表可以看出来K和Na等碱性元素则倾向于 集聚 在飞灰中，煤中灰含量直接影响到灰与渣的比例，一般灰与渣比例为1 3，原料煤中固定碳含量越小，飞灰相对比例越大㊂从气化炉急冷段通过的飞灰，极易聚集在合成气冷却器水管表面形成结垢而影响传热，结垢严重时容易造成合成气冷却器 十字架 通道变小，在合成气流量不变情况下导致流速增加合成气盘管被高速的合成气磨穿漏水，使气化装置被迫停车㊂
在操作控制上，采用石灰石调节原料煤灰融点的高低，对灰㊁渣的输送起着至关重要的作用㊂在炉温不变时，如果石灰石加入量大，会导致灰熔点较低，激冷后合成气温度接近甚至高于融点，使飞灰并
未凝结固化，且黏性大，最终导致冷却器极易积灰结垢；反之，当石灰石加入量小，则灰融点高，液渣黏度大，流动性差，排渣口易堵渣㊂对不同煤种来说，应根据相图到合适的石灰石加入范围，调节好恰当的灰融点，稳定气化温度高于渣流动温度在150~250ħ之间，尽量做到在保证渣的流动性情况下，适当降低炉膛操作温度，降低合成气冷却器入口温度，防止飞灰结垢㊂即寻求到一个最佳的反应温度，既能保证渣的流动性，又能保证合成气冷却器不至于结垢㊂
4㊀堵渣，积灰原因分析
4.1㊀堵渣原因分析
气化炉操作温度偏低时，渣的粘度增大㊁流动性变差㊂当气化反应室温度超过操作窗口允许范围低限时，渣口容易积聚，使得渣口缩小，严重时可能彻底堵塞，造成堵渣停车㊂煤质的不稳定，助熔剂(石灰石)加入量的波动都是影响煤灰熔融性及粘温特性的关键因素，当以上因素发生变化时，而气化炉温度控制不作调整则极有可能发生堵渣事故；此外，气化炉水冷壁㊁烧嘴罩㊁烧嘴头发生泄漏则会直接引起炉温的下降，尤其是气化炉内漏水时，漏进气化炉的水吸收一部分显热变为蒸气，还会发生水煤气反应:
C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)㊀㊀әH=+131.4kJ/mol
该反应是吸热反应，双重因素导致气化炉温度偏低，如果未及时发现调整炉温，长时间低炉温运行就会堵塞渣口㊂
4.2㊀积灰原因分析
当气化炉操作温度偏高或者负荷过大时，激冷气量不足及输气管段换热能力有限会造成合成气冷却器入口温度偏高，激冷后的合成气温度接近灰融点，飞灰虽然已经固化，但没有失去黏性，到达合成气返回室转向时就会粘附在中压过热器十字架或管壁上，形成结垢㊂壳牌气化炉运行55天后，因为合成气冷却器压差13PDI0067达到45kPa堵灰停车检修，打开气化炉入孔，图1为观察合成气冷却器十字架积灰情况
㊂
图1㊀合成气冷却器 十字架 积灰情况Fig.1㊀Fouling situation of the cross of the syngas cooler
煤灰熔融性及粘温特性的变化，同样是引起飞灰结垢的重要因素，所以在煤质选择上必须综合考虑㊂
5㊀避免堵渣积灰的控制措施
5.1㊀煤灰组成及影响
煤灰分的主要成分为氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)，对灰的黏结性影响较大㊂壳牌气化采用以渣抗渣来保护水冷壁，若灰含量低，则挂渣效果不好，无法起到保护炉壁的作用，缩短气化炉的使用寿命㊂而灰分含量大，则合成气冷却器积灰明显，同时熔融态的灰渣会带走大量的热，为了保证气化炉炉膛的反应温度，以保持熔渣的流动性，须增大氧煤比，防止堵渣的情况发生，从而导致热效率降低㊁惰性气体二氧化碳含量增加，影响装置的经济效益㊂按设计,Shell气化炉用煤的灰分含量要求为8%~23%，最大不得超过30%㊂
同时，煤灰中SiO2和Al2O3的比值对Shell气化工艺的渣口及合成气冷却器影响至关重要，当SiO2/Al2O3<1.4时堵渣现象经常出现,SiO2/Al2O3<1.6时，合成气冷却器会有大量积灰㊂但硅铝比在2.0，灰熔点在1350ħ左右，炉温在1600ħ时可以保证渣口结渣性能，同时能防止合成气冷却器积灰结
第49卷第3期霍元彬:Shell 气化工艺积灰堵渣问题浅析99
㊀垢[2]㊂
为达到上述硅铝比及灰熔点，优化配煤技术，必要时并适当添加助熔剂㊂当调配出合适的混煤时应尽量保证煤种来源的
稳定，来保证生产装置 安㊁稳㊁长㊁满㊁优 运行㊂表3为鹤壁壳牌气化炉采用神木煤矿和赵固煤矿5 5配比的原料煤煤质分析单㊂
表3㊀壳牌气化炉煤质分析
Table 3㊀Coal quality analysis of Shell gasifier
碳酸钙/%变形温度/ħ软化温度/ħ半球温度/ħ流动温度/ħSiO 2/%Al 2O 3/%Fe 2O 3/%CaO /%MgO /%硅铝比/%3.6118112221249128047.6618.98  6.6717.30  1.13  2.513.5119112291262129547.1119.14  6.8017.26  1.11  2.462.8120012731294135448.8119.1
7.2614.19  1.37  2.563.2
1182
1210
1232
1273
46.25
18.19  6.99
我们结婚了李准
17.68
1.15
2.54
5.2㊀操作上的控制
5.2.1㊀稳定的石灰石加入量
石灰石在壳牌气化炉启着关键作用，在平常的石灰石加入过程中，由于石灰石量加入不稳，导致煤粉的灰熔点不断变化，以致气化炉堵渣停车[3]㊂
壳牌气化炉用以渣抗渣工艺所以根据煤种的不同，需要调整不同的石灰石加入配比，日常操作需要调整合适的炉温，保证水冷壁表面渣层厚度，避免渣层过薄烧坏水冷壁㊂对于渣的粘度要求在2~25Pa㊃s 范围之内，稳定的石灰石添加量，可以保证气化炉灰熔点在合适的温度之内同时使渣具有较好的流动性，避免气化炉渣流动变化较大造成垮渣情况发生㊂石灰石添加量的稳定与否直接影响气化炉运行㊂为确保石灰石的稳定加入量，我们需要调节石灰石给粉机的转速来控制质量流量的稳定，严控石灰石中CaCO 3含量ȡ92.0%㊁水分ɤ0.3%,CaCO 3粒度<0.1mm 占99%以上，保证了石灰石稳定的添加㊂5.2.2㊀稳定的氧煤比
加强炉温控制等精细化操作措施，可以有效减缓SGC 入口的积灰，保证了Shell 煤气化装置的长周期运行[4]㊂氧煤比的波动直接影响气化炉温度，一旦氧煤比波动过大造成炉膛温度超过操作窗口允许值，过高将破坏渣层，最终损坏水冷壁㊂反之则渣流动性变差，容易形成底锥堵渣，造成停车㊂操作人员应根据输入物料的氧煤比㊁反应合成气入口温度㊁蒸汽产量㊁渣的外观及合成气组分等因素综合判断，有效地控制气化反应的温度㊂yhboys
5.2.3㊀稳定的煤线
Shell 工艺煤粉输送使用CO 2作为载气输送，在实际操作中由于气化炉压力和V1204A /B 煤粉锁斗下料影响，四条煤线波动较大，操作人员要密切关注煤粉输送速度㊁密度等煤线的关键数据，减小气化炉温度和汽包蒸汽产量波动，这样才能稳定整个系统工况㊂
5.2.4㊀增加激冷气量
鹤壁煤化工原使用德国FIMA 循环气压缩机，设计激冷量不足㊂而激冷气直接影响合成器冷却器入口温度，入口温度过
高使飞灰失黏性增大㊂增加激冷气主要有以下几种方法：适当提高气化炉压力，增加循环气压缩机入口压力，从而加大激冷气量；在压缩机振值允许的情况下，最大限度的提高压缩机转速；此外，降低气化炉负荷，减少合成气产量也是增大激冷比的一种措施，不过会降低经济效益㊂鹤壁煤气化采用的是安装沈鼓集团的SV16-M 离心压缩机，设计正常工况循环气入口流量达到350000Nm 3/h㊂
循环气压缩机(K1302)投运后，激冷气流量明显增大,E1306入口温度(13TI0019)在满负荷运行时可以保证在670ħ以下，有效延缓了十字吊架的积灰速度，对整套装置的稳定运行起到了关键性的作用[5]㊂
6㊀结㊀语
(1)为避免堵渣与积灰，鹤壁壳牌气化装置从煤质组成，石灰石配比㊁生产控制及技术改造等多方面入手㊂装置由原来刚试车以来间断低负荷运行到2017年度100%负荷全年总运行时长7152h,2018年装置实现全年100%运行小时7899.8h，日产甲醇达到最高了2113吨，同时实现国内壳牌装置单台气化炉最大年产量60万吨甲醇㊂
(2)加强同行业技术交流实现壳牌装置长周期安全㊁环保㊁稳定高效运行㊂
参考文献
[1]㊀李亚东.Shell 粉煤化装置合成气冷却器积灰结垢的控制[J].化肥
设计,2010,48(2):27.
[2]㊀孙龙会，张美美，武占强.浅谈煤质和配煤技术对Shell 煤气化的影
响[J].科技创新与应用,2014(31):134.
[3]㊀张家秋，王敬峰.Shell 煤气化石灰石给料方式的优化改造[J].中国
化工贸易,2015(11):239-239.
[4]㊀吕崇福，孙颖.Shell 气化炉合成气冷却器入口堵灰的原因分析及改
进[J].煤化工,2018,46(6):37-40.
[5]㊀仇芦坤.Shell 气化炉性能提升技改总结[J].中氮肥,2019(3):22-25.