Shell煤气化技术及其在大化肥装置的应用

Shell煤气化技术及其在大化肥装置的应用作者/来源：盛新（中石化安庆分公司，安徽 安庆 ） 1 概述 中石化安庆分公司大化肥装置系 20 世纪 70 年代中期从法国赫尔蒂公司引进，其中合成氨生产装置以轻油为原料采用丹麦托普索技术（脱碳采用意大利 GV 技术），日产合成氨 1000 t；尿素生产装置采用荷兰斯塔米卡邦二氧化碳汽提法专利技术，日产成品尿素 1740 t。大化肥装置在生产成品尿素的同时，还承担着向炼油装置供氢、向丙烯腈装置供氨等整体物料平衡的任务，是中石化安庆分公司生产链中不可或缺的重要环节。 进入 20 世纪 90 年代末期，国际原油价格日益飙升，使得轻油型化肥生产企业严重亏损。在此背景下，经过反复论证，于 2000 年 5 月启动了化肥油改煤工程“引进 Shell 煤气化技术，利用丰富廉价的煤炭资源，替代昂贵的化工轻油作化肥生产原料”，以期扭转化肥生产严重亏损的局面，促进中石化安庆分公司整体发展。 油改煤工程经过 6.5a 筹备和工程建设，于 2006 年 11 月 29 日工程全面建成并投入了运行。 2 Shell煤气化工艺技术简介 Shell 煤气化技术是当今世界上较为先进的现代洁净煤气化技术。自 1976 年以来，Shell 公司先后在荷兰的阿姆斯特丹、德国的汉堡和美国的休斯敦建成 3 套煤气化中试及示范装置，在取得大量试验数据和操作经验后，首次应用于荷兰布根伦 250MW 整体煤气化燃气蒸汽联合循环发电工厂，于 1993 年开始投入运行。该技术在大化肥装置上的应用尚属首次。 2.1 Shell 煤气化工艺流程 Shell 煤气化工艺流程如图 1 所示。 原料煤经初步破碎由皮带送至磨煤与干燥单元，加入适量助熔剂后磨成粉煤并干燥，经粉煤仓缓存给料，由高压氮气将粉煤流态化输送，与配加的氧气及蒸汽在 4.1MPa 条件下同时进入气化炉煤烧嘴喷入炉膛内，且在瞬间完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化学过程，气化产物为粗合成气，煤灰熔化并以液态形式排出。气化炉顶部约 3.96MPa、1500的高温粗合成气，经 209激冷气激冷至 900以下进入废热锅炉生产蒸汽，回收热量后再进入陶瓷过滤器干式除灰及湿法洗涤系统。处理后含尘量小于 1mgm3、（COH2）大于 89的粗合成气，送往后续工序净化，作合成氨生产原料。 气化炉内产生的高温熔渣，自动流入气化炉下部的激冷室，激冷形成几毫米大小的玻璃体经排渣系统出界区。炉渣和干粉灰均可作建筑材料的生产原料。 2.2 Shell 煤气化技术特点 Shell 煤气化工艺较 Texaco、BGL 等其他煤气化工艺主要呈现以下技术特点：煤种适应性广。从无烟煤、烟煤、褐煤到石油焦，在添加合适的助熔剂的情况下均可气化；气化炉干煤粉进料。气化温度约在 15001600，碳转化率高达 99以上，有效气（COH2）组分大于 89，氧耗比水煤浆气化低 1525；热效率高，煤中约 83的热能转化为合成气，约 15的热能被回收为中压蒸汽，总的热效率达到 98左右；单炉生产能力大，目前已投入运行的气化炉日处理煤量达 2000t；气化炉采用水冷壁废锅结构。内壁生产中“以渣抗渣”，无耐火砖衬里，维护量少，无需备用炉；气化操作采用先进的控制系统，其中包括 Shell 公司专有的工艺计算机控制技术；气化炉高温排出的熔渣经激冷后形成玻璃状颗粒，性质稳定，对环境几乎没有影响。 3 油改煤工程建设情况 3.1 工程建设主要内容 油改煤工程包括 3 部分：建设 1 套日处理煤量 2000 t 的 Shell 煤气化装置；建设 1 套 48000 mh氧气生产能力的空分装置；建设与煤气化装置配套的一氧化碳耐硫变换及低温甲醇洗气体净化等装置和公用工程配套单元。水、电、汽及其他公用工程依托原有的公用工程系统。主要产品方案：合成氨 396.0kta，尿素 585.4 kta；外供液氨 59.4 kta，外供氢气 13.8 kta。 3.2 煤气化装置主要设计技术参数 煤种规格（质量含量）：水分（AR）6、灰分（MF）19.6、低位热值（MF）25.08 MJkg，元素分析（MAF）C 71.0、H 2.97、O 4.8、N 0.92、S 0.42、C1 0.01，灰熔点大于 1500 。 产量、主要消耗指标及工艺参数：设计满负荷下有效气（COH2）产量为 m3h，煤消耗为91 th、氧气消耗为 46493 mh；出界区粗合成气摩尔组成：H2O 15.6、H2 20.1、CO 55.8、CO2 2.7、H2S 0.1、N2 5.1，温度 160 ，压力 3.70 MPa。 3.3 工程建设历程 2000 年 5 月项目启动；2003年9月15 日项目可研报告获得了国家发改委的最终批复；2004 年1 月 15 日初步设计通过了审查批复； 2004年3月15日工程桩基开工； 2006年8月29 日煤气化装置中交，经过分段试车及多轮整改，于 11 月 14 日转入投煤实物联动试车阶段，11 月 18 日 2：46 气化炉点火投煤成功；11 月 29 日 16：00 全面建成投产。 4 煤气化装置运行情况 4.1 运转率 总运转率不高，但呈上升趋势，见表 1。2007 年 4 月以前，每月约有 23 的时间装置处于停车整改完善阶段，月平均运转率仅达 32.54，最长连续运转周期也仅为 312.4h；在基本解决了煤烧嘴隔焰罩泄漏故障后，4 月装置运行情况有了明显好转，连续运转周期首次达到 41d，月运转率超过 90；6 月初开始再创 45d 的连续运行纪录，装置累计运转率不断提高；8月7日至10月11 日连续运行突破 65d，截止至2007年9月30日累计运转率达到 61.18。 4.2 开停车情况 煤气化装置自投产以来共经历了 13 次非计划开停车，其中装置试车初期开停 6 次。从停车分类统计看，晃电以及配套装置故障等外在原因影响停车 3 次，占 23.07；内部原因引起停车 10 次，占 76.93，是装置停车的主要因素。在内部 10 次停车中，设备问题引起停车 6 次，占停车总数 46.15，主要集中在烧嘴隔焰罩泄漏、激冷气系统故障及 HPHT 陶瓷过滤器滤芯破损等方面；操作问题引起停车 3 次，主要集中在渣水系统液位控制方面；仪表误动作引起装置联锁停车 1 次。装置非计划停车统计见表 2。4.3 运行负荷 煤气化装置运行负荷前期受单系列磨煤能力制约，后期主要受废热锅炉积灰超温以及配套装置相关瓶颈的影响，装置总体负荷一直在低位徘徊，气化炉氧负荷基本处于 6077的水平，较长时间内负荷在 70以下。 4.4 典型工况 表 3表5为2 种典型工况的煤质及其主要运行参数，表中工况 1 取自 2007 年 7 月使用 AQ001 煤种时的工况，工况 2 取自 2007 年 10 月试用 AQ003 煤种的工况。 工况 1：操作上缩短了敲击器等待时间和提高敲击频率、上提了急冷气量，但仍出现废热锅炉因积灰严重，致使出口粗合成气温度（TI0018）偏高、过热蒸汽温度（TI0044）远低于设计值，形成了过热蒸汽不能有效利用、装置提高负荷和后续变换工段运行困难的局面。 工况 2：装置在负荷相当的情况下，废热锅炉积灰现象得以改善，运行参数发生了明显变化：TI0018大幅度降低、TI0044 大幅度升高，各类工艺参数逼近设计值。尤其是粗合成气中 H2S 含量的提高，改善了变换工段的运行工况。鉴于资源限制，该工况运行时间不长。 4.5 运行中的主要问题与对策 1）气化炉烧嘴隔焰罩泄漏。气化炉投入运行 333h 后，4 只煤烧嘴隔焰罩先后发生了泄漏，造成装置停车3次。 据分析此乃属于煤烧嘴隔焰罩技术工程化不成熟所致。此后 Shell 公司提供了 AD 版设计图纸，由安徽盈创公司制作第二代隔焰罩。2007 年 4 月前气化炉煤烧嘴隔焰罩已全部更换第二代产品，泄漏问题已基本得到解决，但仍未经受高负荷和长周期的考验。 2）气化炉内壁挂渣保护问题。气化炉内壁挂渣层是 Shell 气化炉“以渣抗渣”的技术特点，是保护水冷壁的第一道屏障，但是在 2007年5月和7月的2次停车检修中，均发现了气化炉渣层和衬里较大面积脱落、消失，销钉在高温区烧熔减短严重。其原因主要是由于受到原料煤质变化、粉煤输送线和水汽系统波动等因素的影响，使得气化炉炉膛温度瞬时发生较大波动，水冷壁渣层受到破坏，高温熔蚀损坏衬里。检修时只是对损坏的衬里进行了局部修复，开车后的运行中没有发现异常现象。但是，高温熔蚀衬里和销钉，严重威胁气化炉水冷壁安全的现象应引起高度关注。 3）废热锅炉积灰严重。使用 AQ001 煤种开车期间，多次出现废热锅炉因积灰严重，出口粗合成气温度持续升高危及生产的现象。TI0018 长时间处于 330340 ，TI0044 只有 310340 ，与设计指标400 相差过大（见表 4）。特别是极端工况下，如 2007年4月 TI0018 一度处于 360 以上，超过了工艺控制指标，处于联锁停车边缘。 2007 年 10 月 8 日试用 AQ003 煤种后，废热锅炉积灰严重情况明显好转，粗合成气温度曾降至 290 以下，过热蒸汽温度接近设计值。 4）激冷气系统故障。激冷气压缩机（K1301）进口管线积灰结块脱落，使得机组进口过滤网压差增高，曾因 K1301 进口压差高推迟开车或中断运行数次。另外，激冷气压缩机电机（KM1301）采用高压变频调速，抗晃电干扰能力弱。激冷气系统故障已成为影响煤气化装置长周期运行的隐患之一，拟进行相关改造。 5）HPHT 陶瓷过滤器运行状况欠佳。自试车以来，陶瓷滤芯已先后损坏数组、进行了 3 次停车整改。运行期间，滤芯压差高、带灰量大，给后续水洗单元和废水汽提及澄清系统运行带来困难。主要原因为设备制造商前期设计缺陷以及吸收消化上的差距。目前，已经对 HPHT 陶瓷过滤器内部反吹气管和文丘里进行了加固，提高了反吹气温度，运行状况有所改观。 5 Shell煤气化技术应用 5.1 原料煤种的适应性 Shell 气化炉采用水管式膜式水冷壁结构，用“以渣抗渣”方式保护衬里不受侵蚀，以允许气化炉可操作在更高温度（15001700），因而对煤质的要求相对较为宽松、煤种适应性更为广泛，但这并不意味着所有的煤种都适于 Shell 气化工艺。 研究和运行实践表明，Shell 气化炉的运行状况与使用的原料煤特性密切相关，煤种对装置运行的平稳性和经济性方面具有明显的影响。为了确保煤气化装置的平稳经济运行，必须选择适宜 Shell 气化工艺的煤种。 一般认为，选择适宜 Shell 气化的矿源性原煤，应从可磨指数、灰分、热值、硫含量、灰熔点及灰中硅铁铝比、钾钠含量等方面加强控制；也可以通过配煤或添加合适的助熔剂改变原料煤熔渣的性能，以满足其 Shell 气化用煤的适应性。 5.2 技术工程化 虽然 Shell 煤气化技术是目前国际上最先进的洁净煤气化技术之一，日处理 2000 t 示范装置商业运行已有 15a 的历史，但主要是用在发电上，在大化肥装置上的应用尚属首例，在流程配置、设备制造等方面，没有成熟的经验可供借鉴，难免给技术工程化带来难度。 煤气化装置进入试车阶段，部分技术工程化不尽成熟就已逐步显现，如 U1200 金属通气设备强度和通气能力不够、粉煤给料罐压控系统设计缺陷、烧嘴隔焰罩设计不成熟、气化操作温度难以真实显示及其控制系统滞后等。尽管进行了持续攻关与整改，但部分技术工程化方面缺陷依然没有根本性解决或还没有彻底解决办法，必将继续影响装置稳定经济运行，有待于继续改进。 5.3 工艺操作控制 Shell 煤气化装置的组态技术复杂、自动化程度非常高，采用了串级分程调节、顺序控制、逻辑控制及联锁等，通过 DCS、ESD 和 PLC 实现生产过程控制管理，是一个本质安全型装置。在设备和控制系统正常状况下，装置开停车及工艺操作人工干预少。 工艺操作控制难点：气化炉内煤气化反应的操作控制，包括开车时渣层的形成、运行时气化炉温度的控制以及切换煤种操作等；非连续固相输送