壳牌煤气化技术及其工程应用.doc

壳牌煤气化技术及其工程应用宫经德（中国五环化学工程公司，湖北 武汉 430223）1 煤气化技术概况 煤的液化技术近20年来虽有很大进展，但目前还没能形成大规模化的煤制化学品的工业生产。从煤出发制取化学品仍须经过气化过程，即将煤炭气化转化为含有H2和CO的粗原料气，然后通过转化、净化、合成等过程，加工成各种化工产品。 煤气化技术从炼焦炉、煤气发生炉和水煤气炉（以块煤或小粒煤为原料）起步，经过几十年发展，在20世纪70年代发展到第2代洁净煤气化技术，煤炭经过洁净气化避免了直接燃烧产生的污染。洁净煤气化技术主要采用气流床反应器，以水煤浆或干煤粉为原料，进行加压气化，并实现了大规模化。洁净煤气化技术的优点是对煤种适应性广、气化压力高、气化效率高、单系列生产能力大、污染少等。具有代表性的第2代洁净煤气化技术包括GE水煤浆气化工艺、壳牌干煤粉气化工艺、西门子GSP干煤粉气化工艺、BGL煤气化工艺（属固定床工艺，采用小粒煤）。 2 壳牌煤气化技术简介 2.1 工艺原理 壳牌煤气化过程是在高温、加压条件下进行的，煤粉、氧气及少量蒸汽在加压条件下并流进入气化炉内，在极为短暂的时间内完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化学过程。由于气化炉内温度很高，在有氧存在的条件下，碳、挥发分及部分反应产物（H2和CO等）以发生燃烧反应为主，在氧气消耗殆尽之后发生碳的各种转化反应，即过程进入到气化反应阶段，最终形成以CO和H2为主要成分的煤气离开气化炉。典型的SCGP煤气成分见表1。 2.2 工艺流程目前，壳牌煤气化装置从示范装置到大型工业化装置均采用废锅流程，激冷流程的壳牌煤气化工艺很快会推向市场。废锅流程的壳牌煤气化工艺简略流程见图1。 原料煤经破碎由运输设施送至磨煤机，在磨煤机内将原料煤磨成煤粉（90100m）并干燥，煤粉经常压煤粉仓、加压煤粉仓及给料仓，由高压氮气或二氧化碳气将煤粉送至气化炉煤烧嘴。来自空分的高压氧气经预热后与中压过热蒸汽混合后导入煤烧嘴。煤粉、氧气及蒸汽在气化炉高温加压条件下发生碳的氧化及各种转化反应。气化炉顶部约1500 的高温煤气经除尘冷却后的冷煤气激冷至900 左右进入合成气冷却器。经合成气冷却器回收热量后的煤气进入干式除尘及湿法洗涤系统，处理后的煤气中含尘量小于1 mgm3送后续工序。 湿洗系统排出的废水大部分经冷却后循环使用，小部分废水经闪蒸、沉降及汽提处理后送污水处理装置进一步处理。闪蒸汽及汽提气可作为燃料或送火炬燃烧后放空。 在气化炉内气化产生的高温熔渣，自流进入气化炉下部的渣池进行激冷，高温熔渣经激冷后形成数毫米大小的玻璃体，可作为建筑材料或用于路基。 2.3 技术特点 壳牌干煤粉气化工艺于1972年开始进行基础研究，1978年投煤量150 td的中试装置在德国汉堡建成并投入运行。1987年投煤量250400 td的工业示范装置在美国休士顿投产。在取得大量实验数据的基础上，日处理煤量为2000 t的单系列大型煤气化装置于1993年在荷兰Demkolec电厂建成，煤气化装置所产煤气用于联合循环发电，经过3年多示范运行于1998年正式交付用户使用。生产操作表明，煤气化工艺指标达到设计目标，运行稳定。壳牌干煤粉气化工艺具有如下特点。 （1）煤种适应性广 对煤种适应性强，从褐煤、次烟煤、烟煤到无烟煤、石油焦均可使用，也可将2种煤掺混使用。对煤的灰熔点适应范围比其他气化工艺更宽，即使是较高灰分、水分、硫含量的煤种也能使用。 （2）单系列生产能力大 目前已投人生产运行的煤气化装置单台气化炉投煤量达到2000 td以上，单台气化炉投煤量达2800 td的煤气化装置也正在建设中。 （3）碳转化率高 由于气化温度高，一般在14001600 ，碳转化率可高达99以上。 （4）产品气体质量好 产品气体洁净，煤气中甲烷含量极少，不含重烃，COH2体积分数达到90。 （5）气化氧耗低 与水煤浆气化工艺相比，氧耗低1525，可降低配套空分装置投资和运行费用。 （6）热效率高 煤气化的冷煤气效率可以达到8083，其余15副产高压或中压蒸汽，总热效率高达98。 （7）运转周期长 气化炉采用水冷壁结构，牢固可靠，无耐火砖衬里。正常使用维护量小，运行周期长，无需设置备用炉。煤烧嘴设计寿命为8000 h。烧嘴的使用寿命长，是气化装置能够长周期稳定运行的重要保证。 （8）负荷调节方便 每台气化炉设有46个烧嘴，不仅有利于粉煤的气化，同时生产负荷的调节更为灵活，范围也更宽。负荷调节范围为40100，每分钟可调节5。 （9）环境效益好 系统排出的炉渣和飞灰含碳低，可作为水泥添加剂或其他建筑材料，堆放时也无污染物渗出。气化污水量小且不含焦油、酚等，容易处理，需要时可实现零排放。 3 壳牌煤气化技术应用的特殊性 由于壳牌煤气化技术是目前世界上最先进的煤气化技术之一，又是第1次用于生产合成气，而且是首次在中国使用，可借鉴的经验少，具有非常的复杂性、挑战性和特殊性。 （1）流程复杂 煤气化装置流程复杂，包括磨煤及干燥、煤粉加压及进料、煤气化、除渣、除灰、湿洗、初步水处理7大工序和公用系统，仅管道仪表流程图（PID）就有100余张1#图纸。流程虽然复杂，但实践证明装置的开车、停车及运行操控均比较容易。 （2）控制系统复杂 煤气化装置的控制系统比较复杂，IO点多达3000多个，采用串级、前馈、分程、比值调节及顺序控制（15个）和逻辑控制（50多个），通过分散型控制系统（DCS）、紧急停车系统（ESD）、可编程逻辑控制（PLC）实现生产过程的集中监控和管理，无论从规模还是复杂程度方面在国内化工行业单套装置中均为少见。由于控制系统设置及组态工作完美，在已投产的壳牌煤气化项目生产运行中没有出现DCS和ESD控制的问题。 （3）设备结构复杂 煤气化关键设备气化炉、输气管和合成气冷却器在煤气化框架上呈“门字形”连成一体，3台设备共有200多个管口，设备结构和受力情况复杂，对材料要求高，内件组装对外壳接管标高及方位要求极为严格，设计、制造、组装、运输和吊装难度大。（4）疲劳设备多 煤气化装置共有13台疲劳设备，要采用有限元应力分析法进行疲劳计算与设计，对设备制造也提出了更高的要求。 （5）引进设备和仪表较多 煤气化关键设备中需要进口的主要有气化炉、输气管、合成气冷却器的内件，飞灰过滤器的内件，以及点火烧嘴、开工烧嘴、煤烧嘴、煤流量控制阀、煤三通阀、煤粉流量测量仪表、煤粉阀、煤灰渣阀、硬密封仪表球阀、锅炉给水循环泵（大流量）、恒力吊、激冷气压缩机等，但目前五环公司正进行的项目中已对其中部分设备实现国产化。 （6）布置结构复杂 煤气化框架高超过90 m，为钢筋混凝土和钢结构混合结构，其中安装设备不仅数量多，且质量大，与框架的连接形式复杂。采用有限元模型从结构的动力特性、变形、强度、建筑结构、气化炉及地震对框架的影响等进行了模拟分析。结构施工和安装工作量较大。 （7）项目建设周期和投资 相对来讲，壳牌煤气化项目的建设周期较其他煤气化工艺长，投资也较高。4 壳牌煤气化技术的工程应用 荷兰Demkolec 253 MW煤气化联合循环发电厂采用壳牌煤气化工艺技术，于1990年开始建设，于1993年建成并顺利投产，试运行3年后转给当地的公用事业部门继续运行。实践证明壳牌煤气化工艺技术是先进的、可靠的技术。 壳牌公司与湖北双环科技股份有限公司签订的国内第1套煤气化技术转让协议在2001年6月生效，6年多来已有15家国内企业陆续与壳牌公司签订了技术转让协议（共19台气化炉），生产的产品包括合成氨、甲醇、氢（油品）、聚丙烯、醋酸、聚甲醛等。国内第1套采用壳牌煤气化技术的生产装置已于2006年5月顺利投产。到目前为止，共有5家采用壳牌煤气化技术企业的生产装置陆续投入生产运行。国内采用壳牌煤气化技术的生产装置概况见表2。 5 壳牌煤气化装置生产运行概况 国内已投入运行的5套壳牌煤气化装置均是用于生产合成氨的原料气，投产时间最长的湖北双环煤气化装置至今已运行1.5年，投产时间最短的柳化煤气化装置也已运行10个月。由于壳牌煤气化技术是第1次用于生产合成气，又是首次在中国使用，具有非常强的挑战性。第1批煤气化项目在设计、采购、施工、试车等过程中，遇到许多意想不到的困难，但经过各方的共同努力最终都得以圆满解决。这些凝聚了各方智慧的宝贵经验，将为已投产或即将投产的壳牌煤气化项目提供很好的借鉴经验，也将对正在建设或将要建设的壳牌煤气化项目提供更为全面的示范指导作用。 湖北双环煤气化装置在化工投料开车5 h后就并入全厂生产系统，煤气化装置运行不到24 h生产负荷即达到80，有效气成分（COH2）体积分数达到80。化工投料开车不到2个月煤气化装置生产负荷达100，有效成分（COH2）稳定在82（煤质较差）以上，煤渣中的碳含量在1.6以下，该期间各项指标见表3。 湖北双环壳牌煤气化装置在如此之短的时间内实现满负荷生产运行，且各项指标达到优良，比起所有煤气化技术的应用实践都堪为令人惊奇的成功。例如，第1套Lurgi煤气化装置在中国折腾了十余年才基本达到设计要求；第1套水煤浆煤气化装置在中国也是经历了几年的阵痛才实现满负荷平稳运行。湖北双环煤气化装置经过1年多的运行，工艺控制逐步优化，各项技术改造逐步完善，生产运行逐步稳定，装置一直在满负荷条件下运行。2007年共停车7次，全部停工时间仅20多天。2007年2月至9月煤气化装置的开工率已达93.5，装置开工率在中国已投产的5套煤气化装置中最高，并且停车检修的时间也大幅缩短，装置连续运行时间逐步提高。34月连续运行53天，57月连续运行47天，79月连续运行57天。湖北双环在成功实现合成氨原料油改煤项目之后，每天可节约生产成本110余万元，产生了很好的经济效益和社会效益。 中石化壳牌岳阳公司煤气化装置自一次投料开车成功到目前为止，煤气化装置累计开停车13次，装置最长连续运行49天。2007年5月份开始，装置运行明显好转，7月开工率达到62。 中石化湖北分公司煤气化装置在2007年3月以前运转情况不太理想，大部分时间在进行整改消缺。自从煤烧嘴隔焰罩改造后，装置运行情况发生好转。2007年4月7日投料开车至5月9日，连续运行了32天。6月、7月装置运转率分别达到67.45和84.62，装置最长连续运行时间达37天，气化炉最大负荷为77。 中石化安庆分公司煤气化装置在2007年4月以前，也是大部分时间在进行整改。从2007年4月份开始有了明显好转，截止到10月8日，装置连续运行时间达60天。装置投产以来共经历了13次停工（2007年6次）。从停工分类统计看，外部原因仅占23，而内部原因占76.92，是影响装置长周期运行的主要因素。在内部原因引起的停车事故中： 设备问题占60，问题主要集中在烧嘴隔焰罩泄漏造成堵渣、机泵故障、激冷气压缩机变频器故障或进口压差高、高温高压陶瓷过滤器破损等方面； 操作问题占30，主要集中在渣水系统液位控制方面； 仪表误动作联锁停工仅1次。负荷受气化炉合成器冷却器积灰超温制约以及后工序影响，气化炉氧负荷基本位于6077的水平。 柳化煤气化装置自2007年1月8日开车以来，经历8次停车，装置最长连续运行时间为30天，停工检修时间较多，运行达到设计满负荷，运行期间生产平稳。 5套已投产的壳牌煤气化装置虽然由于各种原因没能实现长周期平稳运行，装置最长连续运行时间只有2个多月（有几个厂是因为受空分装置和低温甲醇洗装置等出现的问题影响），但随着装置运行所出现的问题已经或正在得到解决，以及生产操作经验积累，煤气化装置满负荷、达标、连续长周期平稳运行的目标可以很快实现。 6 工程应用注意事项 6.1 试车或运行过程出现的问题 中国第1批5套壳牌煤气化装置在8个月内先后投产，各套装置在试车和运行过程中都或多或少出现了一些问题。主要问题为： 磨煤系统的气密性不好； 部分蒸汽伴管电伴热设备和管道保温效果不佳； 柴油系统不洁净，油系统压力不够和不稳定； 煤粉循环管线上的减压管后异径管易磨穿； 外部供电供汽供水系统故障； 充气锥堵塞和破裂； 点火烧嘴头损坏； 煤烧嘴罩损坏； 激冷气压缩机故障，激冷气压缩机系统抗外部波动能力脆弱； 锅炉给水循环泵入口过滤器变形和破损； 煤粉中杂质等因素引起煤粉流量波动或换煤频繁，导致气化炉运行不稳； 气化炉内渣保护层不稳定，且难以准确直观判断气化炉内壁保护渣层厚度； 灰水处理系统故障，渣水系统设备、管道堵塞； 捞渣机断链； 飞灰过滤器内件损坏； 气化炉激冷区损坏； 气化炉水冷壁进水喷嘴被异物堵塞； 合成气冷却器积灰。 6.2 应注意的问题及解决措施 根据对壳牌煤气化技术的了解，通过对已投入运行的5套壳牌煤气化装置生产运行产生问题原因的分析，对于目前已投产壳牌煤气化项目的运行以及后续壳牌煤气化项目的建设和运行应注意解决好以下的问题。 （1）保持煤粉有良好的流动性和输送的稳定性，否则会导致搭桥和充气锥堵塞，还会造成进气化炉OC难以控制，继而造成一系列的后果。应注意的问题： 控制干煤粉水分在12之间； 保证煤粉在充氮的容器中贮存时间不要过长（少于10天）； 对干煤粉系统进行良好的保温，保证煤粉温度大于80 ； 控制磨后煤粉粒度，保证粒度小于5 m煤粉量所占比例小于10； 增加纤维筛，以防止煤粉中进入杂物（还可防止煤粉控制阀堵塞）； 控制均衡加压，防止V1204因煤粉压实而导致排料不畅； 控制对V1205缓慢加压至气化炉操作压力0.8 MPa，保证V1205充气锥充气量，防止V1205煤粉压实； 注意煤粉质量流量计的安装和初始校验。 （2）防止充气设备损坏 控制锥部压差，防止压差过高； 对于V1204，应控制进入充气锥的N2量，或改变其结构，用多孔板结构取代烧结金属结构。 （3）点火烧嘴、开车烧嘴 注意点火烧嘴和开工烧嘴的安装，防止烧嘴的机械性损伤或使气化炉水冷壁损坏； 保持点火烧嘴和开工烧嘴通道的清洁，防止烧嘴头损坏或通道堵塞； 氧气总管应设置气体缓冲罐，避免当第1个煤烧嘴投运后开工烧嘴停车； 注意检查厂商的控制系统与装置控制系统的一致性。 （4）煤粉循环管线上的减压管后异径管易于磨穿，可改为特殊结构异径管。 （5）锅炉给水及循环系统 保证锅炉给水循环泵入口过滤器的有效过滤面积、滤网孔径和压差，以避免损坏； 保证锅炉给水的水质，避免结垢而引起水冷壁管损坏和锅炉给水循环泵损坏； 保证锅炉给水循环泵供电的可靠性，如若突然停电，易造成气化炉底部水冷壁热量无法及时移出而使水冷壁管烧坏； 在设备制造、管道安装、单体试车期间注意保持系统的洁净性，以防止LAMONT孔板嘴堵塞，继而使水冷壁管损坏。 （6）煤烧嘴 为防止煤烧嘴冷却套和膨胀节损坏，在装配时应保证在烧嘴罩上进行双面焊，用耐火材料填充膨胀节； 煤烧嘴冷却水入口和出口增加温度测量，以便于对煤烧嘴的实时监控。 （7）防止煤烧嘴罩损坏 注意煤烧嘴伸入气化炉内的长度； 适当加大烧嘴罩冷却水流量； 保持煤粉输送系统的稳定； 保持煤的品质稳定（若换煤种，必须及时调整各相关工艺控制参数）； 关注气化调温蒸汽的加入；适当降低氧煤比； 通过助熔剂用量对渣的黏度进行修正。 （8）气化炉温度控制 气化炉温度控制改由基于气化炉所产生的蒸汽量（响应时间仅几秒钟），而出口CO2含量只作为备用控制（响应时间510 min）。注意为保证气化炉所产生的蒸汽流量测量的准确性和稳定性所应采取的相关措施。 （9）防止气化炉激冷区损坏 当激冷气压缩机跳车或激冷气量不足时，要保证有充足的超高压N2吹扫气化炉激冷区（联锁控制），以防止激冷区烧坏。 （10）防渣及渣水系统堵塞 为防止大渣的生成，避免1400系统堵塞，在更换煤种时应测量灰分的组成，通过黏度温度试验确定加入的石灰石量。 注意1400系统渣池水的黏度和密度变化，适当加大循环水排放量，以防止渣浆浓度过高而使管道系统堵塞。 （11）设备和管道伴热 注意煤粉系统、激冷气压缩系统、飞灰系统设备和管道的良好