Shell粉煤气化技术应用综述

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2010 年
第 33 卷
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, 其规模和复杂程度在国内化工行业单套装置 中少见。 3 3 设备结构复杂 气化炉、 输气管、 合成气冷却器在煤气化框架
2010 年 2 月 第 33 卷第 1 期
Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry
Feb 2010 Vol 33 No 1
Shell 粉煤气化技术应用综述
李亚东
( 鹤壁煤电股份有限公司气化厂 , 河 南鹤壁 , 458000)
摘要 关键词 简要介绍 Shell 粉煤气化技术特点和发展历程 , 对 Shell 粉煤 气化技术工业应 用中所出现的问 题进行系统说 明和 粉煤气化 工程 技术
体积含量 ( 干基) , % 67 10 23 84 3 84 微量
2 1
工艺流程
目前, Shell 粉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, 其工艺流程见图 1。
图1
Shell 粉煤气化工艺流程
收稿日期 : 2009 06 10; 收到修改稿日期 : 2010 02 02。 作者简介: 李 亚 东 , 男 , 1976 年 出生 , 工 程 师 , 河南 夏 邑 人 , 1996 年毕业于郑州工业大学化学工程与工艺专业 , 长期从事壳 牌 煤气 化 技术、 生 产管 理 工 作。 联 系 电 话 : 0392 2929122; E mail : liyadong3555@ 163. com 。
中呈! 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。 3 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。 3 5 需引进的设备和仪表较多 煤气化关键设备为气化炉、 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、 恒力吊、 激冷气压缩机等设 备需要进口 , 但目前正在建设的项目部分设备已 经国产化。 3 6 布置结构复杂 煤气化框架高 90 余米, 为钢筋混凝土和钢结
构混合结构 , 其中安装设备数量多, 重量大 , 与框 架的连接形式复杂 , 需采用有限元模型从结构的 动力特性、 变形、 强度、 建筑结构与气化炉及地震 对其影响等进行模拟分析。结构施工和安装工作 量较大。 3 7 项目建设周期和投资 相对来讲, Shell 粉煤气化项目的建设周期较
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 90% 粒径符合 5~ 90 m 的 合格煤粉并干燥 , 煤粉经常压煤粉仓、 加压煤粉仓 及给料仓 , 由高压氮气/ 二氧化碳气将煤粉送至气
第1期
李亚东 Shell 粉煤气化技术应用综述
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化炉煤 烧嘴。来自空 分的高压氧气 经预热后与 300 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 1600 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 尘含量小于 1mg/ m3 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、 沉降及气提处理后送污水 处理装置进一步处理。闪蒸气及气提气可作燃料 或送火炬燃烧后放空。 在气化炉内气化产生的高温熔渣 , 自流入气 化炉下部的渣池进行激冷 , 高温熔渣经激冷后形 成 1 mm 大小的玻璃体, 可作建筑材料或用于路基。 2 2 Shell 粉煤气化技术的主要特点 Shell 粉煤气化工艺于 1972 年开始进行基础 研究 , 1978 年投煤量 150t/ d 的中试装置在德国汉 堡建成并投入 运行, 1987 年 投煤量 250~ 400t/ d 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 2000t 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。 综合多家已投产装置的运行情况 , Shell 粉煤 气化工艺体现出如下特点 : 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 将两种煤掺混运行, 对煤的灰熔点、 灰分、 硫含量 等煤种适应范围比其他气化工艺相对宽 , 但是如 果使用煤偏离设计煤种较大, 装置运行的经济性 就会降低 , 操作难度也会相应提高。 2) 单系列生产能力大。目前已投入生产运 行的煤气化装置单台气化炉投煤量达 2000 t/ d 以 上, 单台气化炉投煤量达 2800t/ d 的煤气化装置 也正在建设中。综合比较来看 , 投煤量达 1000t/ d 的炉型操作弹性更大, 运行率 比 2000t/ d 的炉型 更高。 3) 碳转化率高。气化温度高 , 一般在 1400~ 1600 , 碳转化率高达 99% 以上。 4) 产品气体质析 , 对目前 已投产 Shell 粉煤气化项目的运行以及后续项目 的建设、 应注意解决好以下问题。 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 O/ C 难以控制 , 继而造成一系列后果。应注 意: # 控制干煤粉水份在 1% ~ 2% ; ∃ 保证煤粉 在充 氮 的 容 器 中 贮 存 时 间 不 要 过 长 ( 应 小 于 10d) ; % 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, 防止煤粉中有杂物进入( 还可防止煤粉控制阀 堵塞) ; ( 控制均衡加压 , 防止煤粉锁斗煤粉压实 而排料不畅; ) 控制对煤粉给料仓缓慢加压 , 保证 煤粉给料仓充气锥的充气量, 防止煤粉给料仓煤 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; 对煤粉锁斗, 控制进入充气锥的气量, 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 , 避免当第一个煤烧嘴投运 后开工烧嘴跳车; &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磨 穿, 改为特殊结构异径管。 5) 锅炉给水及循环系统。 # 对锅炉给水循 环泵入口过滤器 , 要保证有效过滤面积、 滤网孔 径和压差满足技术要求, 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 , 避免突然停电易造成气化炉底部水冷壁
表 1 典型的 SCGP 煤气成分
组分 CO H2 CO2 CH4 N2 + Ar H2 S+ COS 5 22 1700 mg/ m 3
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 代洁净煤气化 技术, 煤炭经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 大型化, 具有对煤种适应性广、 气化压力高、 气化 效率高、 单系列生产能力大、 污染少等优点。代表 性的第 代洁净煤气化技术包括 GE 水煤浆气化 工艺、 Shell 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 Shell 粉煤气化技术简介 Shell 粉 煤气 化过 程是 在高 温 1600 、 压力
煤气化技术之一, 湖北双环科技股份有限公司油 改煤工程是世界上第一套将 Shell 粉煤气化技术 用于生产 合成气 , 该 装置设 计能力 为满 足年产 20kt 合成氨的原料气需要, 也是 Shell 粉煤气化技 术第一次在中国使用。可借鉴的经验少 , 具有非 常的复杂性和挑战性。 湖北双环油改煤工程煤气化装置技术引进合 同于 2001 年 6 月生效, 与 2003 年 3 月正式动工建 设, 2005 年 12 月完成机械竣工, 2006 年 5 月 17 日 煤气化装置一次投料开车成功。 3 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 处理七大工序和公用系统 , 管道仪表流程图 ( PID) 就有 1# 图纸 100 余张。 3 2 控制系统复杂 煤气化装置的控制系统比 较复杂, I/ O 点多
甲烷含量极少 , 不含重烃 , CO+ H 2 达到 90% 。 5) 气化氧耗低。与水煤浆气化工艺相比, 氧 耗低 15% ~ 25% , 可降低配套空分装置投资和运 行费用。 6) 热效率高。煤气化的冷煤气热效率达到 80% ~ 83% , 其余约 15% 副产高压或中压蒸汽, 总 热效率高达 98% , 不过国内有几家 Shell 用户由于 合成冷却器积灰结垢或控制调节等原因 , 导致蒸 汽过热器出口温度达不到设计值。 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 8000h, 烧嘴的使用寿命长, 也是气化装置能长期 运行的一个重要保证。另外配套设备质量及操作 水平是决定运行周期长短至关重要的因素。 8) 负荷调节方便。每台气化炉设有 4~ 6 个 烧嘴 , 不仅有利于粉煤的气化 , 同时对生产负荷调 节更为灵活 , 范围也更宽, 负荷调节范围为 40% ~ 100% , 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 Shell 粉煤气化技术应用的特殊性 Shell 粉煤气化技 术是目前世界 上最先进的