恩德流化床气化工艺存在的问题及对策

朱立江，金管会

(1.国家能源集团煤焦化有限责任公司西来峰分公司，内蒙古 乌海 016000；2.上海昊汭科技有限公司，上海 200136)

0 引 言

恩德流化床气化技术于1997年从国外引进，国内煤化工与工业燃气行业在运与在建的恩德炉约50多台。无论是恩德炉本体还是配套辅机、附件，均进行了多次优化与改进，其技术经济指标有了较大提升。为适应日趋严格的环保要求，恩德流化床气化工艺粗煤气除尘方式由水洗改为布袋除尘之后，由于受制于除尘器入口气温度的限制及其自身的工艺特点，出现了一些新问题。以下就恩德流化床气化工艺存在的突出或典型问题及其应对措施进行分析与探讨，以期为业内提供一点参考与借鉴。

1 恩德流化床气化工艺的特点及优化情况

1.1 工艺特点

恩德流化床气化工艺，采取固态排渣方式，可根据目标产品气需求，分别采用空气、氧气、蒸汽或二氧化碳作为(混合)气化剂，制取工业燃气或粗合成气。其主要工艺特点为：① 原料适应范围广，可处理褐煤、长焰煤、半焦以及部分城市垃圾等；② 整个反应器系统温度较均匀，出口气温度约1 000 ℃，产品气中基本上不含焦油，只有微量的苯和萘，粗煤气净化较简单；③ 常压或低压操作，固体加料、排料，系统结构简单，操作方便、灵活；④ 整个系统设备造价低、建设工期短。

1.2 工艺优化情况

恩德流化床气化技术已在国内成功应用多年，积累了宝贵的经验，其工艺优化主要有三个方面：① 降低汽气比--原设计汽气比为2∶1，经多年摸索与工艺优化，现汽气比降至0.5∶1，180 kt/a的合成氨装置可节约蒸汽80 kt/a；② 提升有效气含量--对一次流化喷嘴和二次燃烧喷嘴的流速进行优化，并保证原料煤的干燥程度后，粗煤气中的有效气含量由原设计的70%提升至75%；③ 降低灰渣残炭--气化炉出口粗煤气中粉尘残炭率由原设计的30%降至20%，炉底排渣残炭率由原设计的10%降至5%以下，有条件的企业将回收的残炭送至动力锅炉再次燃烧，碳利用率可达96%以上。

2 省煤器运行问题及对策

以往恩德流化床气化工艺采用湿式除尘方法，已不能满足现行环保要求，鉴于这种情况，新建项目的除尘系统均采用布袋除尘器来替代传统湿式除尘设备。据布袋除尘器厂家的使用手册，布袋除尘器的操作温度范围为160～200 ℃；以往省煤器出口粗煤气温度设计为240 ℃，而实际温度在360 ℃左右。为保证布袋除尘器的入口温度，设计上增加了省煤器的换热面积，以带走更多的粗煤气显热，便于调节粗煤气温度。生产实践表明，增加省煤器换热面积后，省煤器出口粗煤气温度可调节至正常指标130～200 ℃(布袋除尘器厂家要求，粗煤气温度超过其露点即可)，不仅回收了更多热量，而且为后续的工艺调节创造了条件。但与此同时，运行过程中发现省煤器列管的冲刷腐蚀、挂灰等问题比以往严重。现重点分析省煤器列管冲刷磨损、低温化学腐蚀问题。

2.1 冲刷磨损问题

恩德流化床气化工艺固有的缺点是，粗煤气中粉尘含量高，气化炉出口粗煤气中粉尘含量达200～250 g/m3，经回流旋风分离器和高温旋风分离器分离后，仍有粉尘约60～80 g/m3，飞灰残炭率15%～30%，灰尘粒径<80 μm。据资料介绍[1]，高速、高温、高含尘煤气会对换热设备的换热管壁产生塑性变形和切削变形综合作用，继而引起废热锅炉和省煤器的列管冲刷磨损，这一问题基本上是当前国内外所有流化床气化工艺的通病。

应对措施：① 控制好入炉原料煤的粒径以及含尘量；② 调好流化床所需风量--一次风和二次风用量及其比例；③ 强化高效旋风分离器的分离效率，以减少入废热锅炉粗煤气的含尘量；④ 省煤器列管采用特殊表面硬化材料进行热喷涂，对易冲刷部位进行保护；⑤ 严格控制入省煤器的煤气流速，一般不要超过13 m/s。

2.2 低温化学腐蚀问题

2.2.1 问题分析

省煤器低温受热面的外部化学腐蚀，主要原因是进/出省煤器的煤气温度低于其露点，主要由如下几方面原因造成：① 省煤器换热面积设计偏大，造成其出口煤气温度偏低；② 系统负荷偏低时，省煤器煤气流量小；③ 设备冷态下开车时，煤气入省煤器温度过低；④ 系统较长时间停车时，未采取氮气置换和保压的措施，导致煤气中的酸性物质及水蒸气凝结(也存在空气进入设备内后再与设备表面接触发生氧化腐蚀的情形)，金属氧化膜被酸(H2S水溶液呈弱酸性)溶解而造成化学腐蚀，同时金属还会与电解液发生电化学反应而造成电化学腐蚀。

煤气中的硫含量是影响设备腐蚀速度的关键因素之一。据有关资料[1]，影响设备腐蚀速度的主要因素是原料煤的含硫量和设备受热面的外壁温度，入省煤器煤气H2S含量最好在1 g/m3以下。这是因为，H2S能溶于水，其水溶液呈弱酸性，极易造成设备腐蚀。为解决此类问题，一般企业都会积极采购合适的原料煤。而现实生产情况是，可用的优质原料煤越来越少、价格也高，企业权衡利弊后，最终只好选用高硫煤作为原料煤，其后果是设备的腐蚀速度加快，这是企业必须面对的现实问题，因此企业在选用高硫煤作为原料煤的同时一定要积极采取应对措施，避免产生新的瓶颈问题。国内某恩德流化床气化系统省煤器运行不到1 a冲刷腐蚀和化学腐蚀已很严重，省煤器换热管因腐蚀而出现孔洞，被迫提前更新，排查发现其省煤器入口煤气中H2S含量高达7.6 g/m3，这是省煤器(以及废热锅炉)损坏过快的主要原因之一。

2.2.2 应对措施

(1)省煤器锅炉给水系统增设副线(带阀门)。为确保系统冷态开车时不至于出现低温区域，建议省煤器锅炉给水系统增设副线，系统开车或煤气温度不能满足工艺要求时，利用此副线阀来进行调节，调节过程中省煤器煤气流速不能低于6 m/s，即系统负荷一般不要低于60%。

(2)增设开工加热系统。建议增设氮气加热器，系统开车前利用氮气加热器将省煤器系统提前预热至200 ℃，如此可避免布袋除尘器开车初期有时候因煤气温度过低而被迫绕开除尘器导致出现污染环境等尴尬局面，同时可缩短省煤器与布袋除尘器之间的导气时间。

(3)系统长停期间正压充氮保护。遇到系统长期停车时，视具体情况采用氮气置换煤气系统及氮气正压保护措施，确保系统与空气隔离。

(4)控制原料煤煤质，尽量采用低硫煤。

(5)开发使用新型材料。使用新型耐磨、耐腐蚀换热管，提升省煤器自身性能。

3 过热器运行问题与对策

3.1 冲刷腐蚀问题

过热器与省煤器存在类似的冲刷腐蚀问题，其应对措施同省煤器，不再赘述。

3.2 高温腐蚀问题

恩德炉配套的过热器及废热锅炉，其高温腐蚀主要有气体腐蚀、热腐蚀两种类型，其分析及对策如下。

3.2.1 气体腐蚀

恩德流化床气化工艺中，煤气进入过热器的温度约980 ℃，处于高温气体腐蚀温度区间，会使腐蚀进一步加快；另外，粗煤气中含有H2、CO等气体，这些气体在高温下与碳钢发生反应，使钢管表层出现脱碳现象，降低了钢管的表面硬度和疲劳极限，从而缩短了设备的使用寿命[2]。

应对措施：过热器及废热锅炉不宜采用普通碳钢材质换热管，可采用合金材质换热管，以提高换热管的高温稳定性和耐腐蚀性。

3.2.2 热腐蚀

粗煤气中含有微量V2O5、Na2SO4、K2SO4等低熔点物质，这些物质源自原料煤，存在于煤气夹带的粉尘中，在高温下以融熔状态存在，其是酸性氧化物，可以破坏金属表面的氧化膜，从而缩短设备的使用寿命[2]。

应对措施：① 控制过热器管壁温度--设计过热器管壁温度原则上不宜超过540 ℃，且将蒸汽出口段布置在低温区，降低高温腐蚀(热腐蚀)对设备的影响；② 采用表面硬化技术防护--电力行业中运用热喷涂技术，即在锅炉容易受到腐蚀的部位进行喷涂[3]，在其表面形成高强度、高密度、低氧化物的保护层，此举可较有效地解决火电厂锅炉高温腐蚀问题，化工行业尤其是恩德流化床气化工艺中可以借鉴与尝试；③ 开发、使用新型耐高温、耐腐蚀、耐磨材料的换热管。

4 其他运行问题讨论

4.1 常规布袋除尘器滤袋使用寿命短问题

恩德流化床气化工艺采用布袋除尘器以来，布袋除尘器滤袋使用寿命普遍在0.5～1.0 a，相较于热电厂布袋除尘器滤袋少用2～3 a。滤袋是布袋除尘器的核心部件，通用滤袋材质多为高分子合成纤维，机械损伤、化学腐蚀、酸性物结露腐蚀、高温损伤等均会影响其使用寿命。

(1)机械损伤。布袋除尘器滤袋的机械损伤主要包括袋笼对滤袋的磨损、喷吹气流对滤袋的磨损、滤袋的迎尘面磨损以及堵塞[4]，这些均会缩短滤袋的使用寿命。

(2)化学腐蚀。流化床气化工艺中滤袋化学腐蚀包括被氧化性气体氧化、酸性物结露腐蚀及高温损伤三种情况。煤气中氧化性气体成分如NO2、SO2、SO3、O2等，在高温下会对高分子纤维滤料造成氧化腐蚀[4]；研究表明，煤气露点高于相同状态下水蒸气露点[5]，当进入袋式除尘器煤气温度低于其露点时，会发生化学腐蚀。

(3)高温损伤。恩德炉配套布袋除尘器的滤袋，其高温损伤主要有两种情况：① 滤料出厂前未经热收缩处理，或入口煤气温度超出滤袋使用温度范围，使得滤袋发生热收缩而致无法抽出或滤袋被袋笼胀破；② 工艺气中的高温颗粒造成滤袋灼伤或高温烤灼[4]。

(4)析盐堵塞。煤气进入布袋除尘器的粉尘含量高，煤气中的硫化物绝大部分为H2S，这种环境容易产生硫酸铵、氯化铵等盐类沉淀物，不仅造成设备腐蚀，而且会堵塞滤袋孔隙，影响滤袋阻力及其使用寿命[5]。

针对恩德流化床气化工艺中布袋除尘器滤袋使用寿命短问题，笔者建议从如下几方面进行改进与完善：① 使用符合标准或规定的袋笼；② 调整喷吹压力和脉冲宽度，避免喷吹压力过大[4]；③ 据煤化工企业的生产实践，控制布袋除尘器过滤风速在0.3 m/min以下(电厂布袋除尘器过滤风速一般为1 m/min)；④ 采用新型耐高温滤材，控制入袋式除尘器煤气温度在200～240 ℃，高于煤气露点操作；⑤ 冬季做好布袋除尘器的保温工作；⑥ 短期停车时做好置换工作，并维持布袋除尘器温度在100 ℃以上。

4.2 省煤器换热面积增大之后出现的新问题

为保障省煤器出口煤气温度满足通用型布袋除尘器入口煤气温度要求，通过增大省煤器换热面积将省煤器设计出口温度由240 ℃调整为160～200 ℃，但新设计的省煤器在实际运行过程中较普遍存在前文所述的各类问题。

虽然一些煤化工企业邀请国内多家顶级设计院参与设计及施工，但从实际运行情况看，并未达到预期效果。如前文提及的某公司的省煤器，虽然国内顶级设计院参与优化设计，但省煤器实际运行时间也就勉强能达到2 a。从设计角度而言，首先，要确定煤气经过省煤器时的最大和最小流速(流速设计范围为6～10 m/s)，以避免省煤器换热管外壁上挂灰与冲刷腐蚀问题；其次，需关注设备结构形式，如材料选择、换热器直径/长度以及换热介质的走向等问题，以避免省煤器换热管的低温化学腐蚀问题。

热喷涂技术是火电厂针对锅炉腐蚀的重要防护手段之一，在恶劣工况中的优异表现使得热喷涂技术的应用越来越广泛，但流化床气化炉配套的过热器、废热锅炉、省煤器等设备在高还原性气体氛围下的使用效果还有待检验。

实际上，省煤器的设计需要平衡能量回收效率与低温腐蚀损失以及对袋式除尘器使用寿命的影响，电力行业通用型布袋难以满足流化床气化工艺配套布袋除尘器的要求。因此，开发新型滤材、适当提高省煤器操作温度是解决省煤器低温腐蚀问题的有效途径之一。

4.3 关于新型材料除尘器

要延长袋式除尘器的使用寿命，滤材的选用是核心关键环节。据悉，柔性金属膜作为滤材用于流化床气化工艺配套布袋除尘器己于2017年在某公司成功应用，该柔性金属膜具有如下特点：① 耐高温--可在高温工况(420 ℃左右)下连续、稳定、长时间过滤；② 过滤精度高--可拦截粒径0.1 μm以下的粉尘；③ 过滤气体通量大--空气通量>1 000 m3/(m2·h)，工况下气体通量最高可达100 m3/(m2·h)；④ 耐腐蚀--可耐O2、CO、H2S、SO2、Cl2、F2等气体腐蚀，耐碱性粉尘腐蚀，耐高温抗碳化，高温下无催化裂解反应发生。恩德流化床气化工艺粗煤气除尘的布袋除尘器采用此种滤材，可大大放宽省煤器出口煤气温度的控制范围。

5 结束语

综上所述，省煤器和布袋除尘器作为恩德流化床气化工艺中的核心设备，其使用寿命制约着系统的稳定、长周期运行，要有效解决省煤器和布袋除尘器的问题，需从研发、设计、施工、运行管理等环节综合施策：基于系统性思维，需在省煤器热量回收效率与使用寿命之间找到良好的平衡点，避免追求单一指标；恩德炉所产粗煤气与热电系统处理的烟气之性质存在本质的不同，既要借鉴其成功经验，又要避免简单套用，需采取有针对性的开发设计；新型材料的开发设计是有效解决布袋除尘器及省煤器、过热器、废热锅炉等设备问题的有效途径之一，提高布袋除尘器入口温度参数可为上/下游设备长周期、稳定运行创造有利条件；耐高温、耐磨、耐腐蚀材料的开发使用，有利于从设备自身角度解决恩德流化床气化工艺存在的一系列问题。