Shell大型废锅流程干粉煤气化炉使用褐煤的探讨

1、Shell大型废锅流程干粉煤气化炉使用褐煤的探讨陈二孩;潘瑞丰;孔凡贵;李安学;张炜哲;张志明;刘永健【摘 要】2012 年以来,大唐能源化工有限责任公司组织相关单位开展多伦煤气化 运行技术攻关工作,随着煤质筛选、煤炭管理、操作优化、设备治理、技术改造等 系列工作的开展,煤气化装置的运行可靠性得到提升.本文介绍了多种褐煤在大型废 锅流程干粉煤气化装置的使用情况和褐煤应用过程中存在的问题及技术改造情况, 经过改造,多伦项目3 台气化炉运行负荷明显提高,达到历史最高负荷,已基本具备长 周期稳定运行条件.期刊名称】化肥设计年(卷),期】2016(054)006【总页数】5页(P20-23,27)【关

2、键词】褐煤气化;废锅流程;Shell煤气化【作 者】 陈二孩;潘瑞丰;孔凡贵;李安学;张炜哲;张志明;刘永健【作者单位】 大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司,内蒙古 多伦 027300;大唐能源 化工有限责任公司,北京 100031;中新能化科技有限公司,北京100031;大唐能源化 工有限责任公司,北京 100031;中国大唐集团公司,北京100033;中新能化科技有限 公司,北京100031;大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司,内蒙古 多伦027300;中国 大唐集团公司,北京 100033正文语种】 中 文中图分类】 TQ545 我国煤炭资源中50%以上属于低阶煤，由于低阶煤存在水分高、灰分

3、高等特点， 使低阶煤的利用受到一定的限制。近年来，国家一直鼓励低热值煤炭清洁利用和加 工转化，并有部分企业开始尝试利用褐煤发展煤化工，其中大唐内蒙古多伦煤制烯 烃项目即是其中之一。该项目以锡林浩特地区劣质褐煤为原料，采用荷兰Shell煤 气化工艺技术、鲁奇大甲醇合成技术，生产甲醇后再经MTP（甲醇制丙烯）生产丙 烯，丙烯通过气相流化床工艺技术生产聚丙烯，达到劣质煤清洁利用的目的。自2001年开始，国内企业共引进23台Shell气化炉，其中，绝大多数已实现满 负荷、长周期、稳定运行，但多伦 Shell 装置自 2011 年投用后，由于煤质变化大 褐煤水分高、灰分高、热值低、灰熔点低等特性，以及一

4、些与工程建设相关问题的 缘故，未能实现长周期满负荷运行。为改善多伦气化装置的运行状况， 2012年以 来，大唐能源化工有限责任公司与壳牌（中国）项目技术有限公司成立运行改进攻关 小组，随着多煤种的摸索使用、原料煤管理、操作优化、设备治理、技术改造等措 施的实施，总体改善了装置的运行状况，运行负荷显著提升。作为目前国际上唯一 采用褐煤为原料的Shell废锅流程煤气化装置，本文重点介绍多种褐煤在该气化装 置的使用情况以及主要改进措施，为新建项目及褐煤的应用提供参考。Shell煤气化装置是大唐内蒙古多伦煤制烯烃项目的核心装置，是典型的Shell煤 气化技术流程，见图1。该项目煤气化装置采用的是当时单

5、炉投煤量最大的荷兰Shell煤气化工艺技术，也 是全球首例6烧嘴且采用褐煤作为原料的干粉煤气化技术。整个煤气化装置设置3 套Shell气化炉，投粉煤量3x2 870 t/d,有效气（干基）产量3x15.7万Nm3/h , 副产5.51 MPa、271 C中压蒸汽3x170 t/h。于2004年底开始筹备，2011年 6月30日气化至甲醇装置流程贯通。项目设计采用大唐国际东胜利2#露天煤矿 6#褐煤作为原料，由于褐煤中水分含量高，配套建设预干燥装置，设置15条干燥 生产线、12条线运行、3条线备用，每条线干燥原煤量达50t/h。干燥装置采用大唐国际化工技术研究院有限公司自主研发的管式干燥工艺技术

6、，将粒度50mm、（w）全水分34.1%42%的褐煤干燥为粒度6 mm、（w）全水分8%12% 的煤粉进入气化装置，该装置由中国五环工程有限公司承担详细设计。多伦Shell 煤气化装置与国内其他项目同类型Shell煤气化装置的差异见表1。由于褐煤水分高、灰分高、灰中酸碱组分不合适等特点，在使用该煤过程中出现诸 多问题，如预干燥装置负荷低、干燥机故障多、磨煤系统给煤量不准确、磨煤机振 动大、气化炉频繁堵渣、高负荷下合成气冷却器积灰、合成气系统磨蚀、合成气管 线振动大、飞灰过滤器滤芯磨蚀等。针对影响装置“安、稳、长、满、优”运行的问题，重点对气化炉用煤进行了多方 案试验和分析，并致力于褐煤煤种的筛

7、选、试烧、摸索使用工作。通过攻关，气化 炉运行负荷逐年提升。在正常生产情况下，2011年多伦项目气化炉运行平均氧负 荷为68%；2012年运行平均氧负荷为70%；2013年运行平均氧负荷为75%； 2014年运行平均氧负荷78%；2015年运行平均氧负荷80%；2016年运行平均 氧负荷85%。攻关组重点在1#气化炉上进行了煤炭的试烧、金属滤芯的使用、新型吹灰器的使用、烧嘴角度的改造，2014年5月12日6月24日采用蒙虹：协 鑫二4:1混煤，1#气化炉90%氧负荷稳定运行，有效运行41 d ;试烧大唐6#煤 期间，有效气负荷曾达100%。截止目前，多伦Shell气化装置上相继使用了 5种类型

8、的褐煤，形成7种原料。分 别为：大唐5#煤、大唐6#煤、大唐混合煤、协鑫煤、蒙虹煤、神华6#煤、蒙虹/ 协鑫混合煤。项目所在褐煤产区，煤气化装置自开车以来使用的煤种均为褐煤。设计、使用过的 褐煤煤质情况见表2。使用褐煤时曾出现气化炉水冷壁挂渣不好、合成气冷却器积灰、操作温度高、负荷偏低等系列问题。具体情况见表3。其中，大唐6#煤为项目气化炉设计煤种（实际数据与设计数据也有差异），蒙虹/协 鑫混合煤为项目气化炉相当长时间内使用的煤种，这两种原料使用情况相对较好， 下面重点介绍该原料使用情况。项目利用1套空分装置检修、1台气化装置备用的机会，2014年26月使用了10 万 t 大唐 6#煤，后由于

9、大唐国际东胜利 2#煤矿停产，试烧大唐 6#煤工作中断 大唐东胜利煤矿6#煤煤层厚度约60 m，现场分为顶板煤、层状层煤、块状层煤、 底板煤，4种大唐6#煤煤质差别大，项目实际使用的大唐6#煤质与气化炉设计煤 种、东胜利煤矿的设计煤种数据偏差较大。使用大唐6#煤期间平均氧气负荷85% ，最高氧气负荷95% ，最高有效气负荷曾达100%。大唐6#煤灰含量低（收到基灰含量在6.0%8.0%）、发热量高（平均3574 kcal/kg）、合成气产量高、氧耗低、经济性好、操作窗口较宽。不足之处为大 唐6#煤灰组分波动大，需要煤矿进行均质化处理；煤灰中K2O+Na2O的质量分 数偏高（3%），即使在试烧后

10、期气化炉SGC侧更换为新型吹灰器后，满负荷下废 热锅炉存在积灰风险。2013-2016年进行了蒙虹煤/协鑫混合煤长时间的试烧、使用。该混配煤灰组分 中K2O+Na2O的质量分数3%，从根本上减少了废锅入口的积灰概率。混合煤 中的氧化铁、氧化钙稳定，操作窗口下限1 300-1 400 C。稳定的操作下限保证 SGC入口温度低于Shell运行经验指标（2/3FT-150） C。项目使用该种混合煤气化炉A级运行达78 d，平均氧负荷85.27%，最高氧负荷 90%。使用该煤种的不足之处在于：项目设计时无配煤场，现场采用斗轮机取煤 进行混配，大规模混配强度大，混配不均匀；为保证渣口不堵塞，运行期间炉膛

11、温 度偏高，导致气化炉SGC入口温度高于630 C时废热锅炉有结垢积灰的风险。 经过使用，确定大唐5#煤、蒙虹煤、协鑫煤、神华6#煤单独使用存在缺陷，Shell煤气化装置不能够高负荷、长周期稳定运行；最终选定蒙虹/协鑫=4/1作为 气化装置第一用煤，合适的大唐6#煤作为第二用煤。目前，通过加强煤质管理评 估、煤炭稳定供应管理工作，在正常情况下，可基本实现Shell气化炉85%以上 氧负荷稳定运行。攻关期间，通过改进解决了制约高负荷长周期运行的诸多问题，如煤质不稳定、煤 线不稳定、气化炉堵渣、SGC结垢堵灰、大小布袋频繁故障等。现仅对主要技术 改造项目作一简单介绍。2014年3月对3套气化装置S

12、GC入口处吹灰器进行改造。安装新型吹灰器前， 在85%氧负荷下，SGC入口温度13TI0019达到615 C, SGC侧开始出现积灰现 象；安装新型吹灰器后，在同等氧负荷下，13TI0019达到650 C时，无积灰。吹 灰器改造后SGC积灰现象得到明显改善。攻关小组用CFD模拟在不同工况下Shell气化炉渣口流体流动情况，实施气化炉 烧嘴角度的改造，增加烧嘴偏心角度，以增加02、煤粉的喷射角度和增加渣口上、 下气体交换，从而提高渣口温度、降低炉膛温度，减少渣口堵渣和废锅积灰的概率 改造效果：气化炉操作温度、氧耗大幅降低，炉膛挂渣好、利于销钉保护，不易堵 渣和积灰，负荷提升空间大，经济效益高等。

13、烧嘴角度改造，增大了气化炉的运行 窗口。在气化炉未进行烧嘴改造前采用混煤，能达到85%氧气负荷运行；烧嘴改 造后，同种煤能达到90%以上氧气负荷长周期稳定运行。预干燥装置煤粉输送过程中有大量凝结水，造成设备故障，缩短干燥输送及气化磨 煤系统设备的使用寿命。通过改造解决煤粉高温输送的安全隐患，提高了气化磨煤 系统的稳定性，减少气化炉的停车次数。预干燥装置袋滤器过滤后的煤粉粒度大小与气化磨煤系统后煤粉粒度相近，这些细 粉进入气化磨煤系统造成磨煤机振动。通过技术改造将袋滤器过滤后的煤粉收集后 输送到磨煤机下游，省去细粉研磨环节，可避免煤粉过细影响磨煤系统运行的现象 发生。针对合成气管线、水汽管线的振

14、动问题，经与大学合作，对2#气化现场相关管线 数据进行采集，确定重新优化管线，采取支吊架调整、隔振、减振的解决方案。 由于设计煤种灰分高，装置设置了旋风除尘器。在长期运行过程中，旋风除尘器承 压部件急剧磨损减薄，最严重时设备本体由35 mm减至13 mm，曾出现过着火、 鼓包现象，存在重大安全隐患，目前已委托设计院对旋风除尘器进行改造。多伦 Shell 煤气化装置以褐煤为原料，设计、施工、运行过程中曾出现过一些问题， 下面探讨一些经验教训，以避免在新建项目中重复发生。多伦项目与其配套煤矿同步建设，气化装置设计时大唐东胜利2#煤矿还未开采， 设计参数为煤矿勘探时期的评估数据，这与后期煤矿投用后开

15、采出的煤炭煤质数据 差距较大，为后续气化炉的运行带来很大挑战。建议新项目前期要尽量保证设计煤 种数据准确、可靠。项目煤气化装置设计消耗原料煤1.2万t/d，而通过试烧、摸索使用后，采用混配 煤的方式可扩大用煤资源，保证气化装置高负荷稳定运行。而项目建设未设置配煤 场及配套设施，通过斗轮机大量配煤造成配煤不均匀、工作强度大。建议新建大型 煤气化装置设置配煤设施或预留位置。为了冷却气化炉产生的高温合成气，Shell气化炉废锅流程设置激冷气压缩机，将 气化系统大量低温合成气通过压缩至气化炉燃烧段出口，对炉膛产生的约1 500 C 高温炉气进行激冷，激冷后混合气体温度为850 900 C。多伦项目设计

16、正常激 冷气量为18.6万Nm3/h，由于实际煤种易于结垢、灰熔点低，为保证SGC入口 温度在(FTx2/3-150) C以内不积灰，实际使用激冷气量大于30万Nm3/h。激冷 气量的大幅增加，导致气化炉合成气工艺管线、设备、气化炉水冷器、输气管、 S1511旋风分离器、S1501内陶瓷滤芯等磨蚀严重,S1511入口流速过大、产生 振动，在高负荷运行期间存在较大安全隐患。鉴于项目使用褐煤的经验，对于采用灰中氧化钾、氧化钠含量高，灰熔点低的褐煤 作为原料的新上煤化工项目，气化技术选型时可考虑采用下行水激冷流程的干粉煤 气化工艺技术。该工艺技术取消了投资较高的合成气冷却器（废锅）、循环气压缩机 和高温高压飞灰过滤器，投资省且避免了废锅 SGC 结垢、积灰。由于使用的煤种水含量较设计高4%5%,使得预干燥能力不足，即使投用备机， 预干燥装置在冬季或设备出现故障时也曾导致煤气化装置供煤量不足减负荷，所以 考虑到煤质的不确定性和设备维护，建议新上项目气化装置配套的预干燥装置要设 计足够的余量或预留位置。通过煤质管理、操作优化、设备治理、技术改造等一系列工作，Shell气化炉的运 行状况总体得到了改善，气化炉的运行负荷明显提高，3 台气化炉先后达到历史最 高负荷，已基本具备长周期稳定