SHELL氣化爐的工藝特點(diǎn)及現(xiàn)存問題

摘要:本文主要介紹了shell粉煤加壓氣化工藝的特點(diǎn)以及在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題。經(jīng)過分析得出:shell工藝在煤種穩(wěn)定的前提下，煤種適用范圍才能廣泛。但大部分shell氣化爐用戶無法滿足此要求。殼牌氣化爐在運(yùn)行過程中，存在堵塞、堵渣、積灰、磨損和磨蝕、燒嘴罩泄露等問題需待解決。

關(guān)鍵詞:shell氣化爐 工藝特點(diǎn) 存在問題

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速穩(wěn)定的發(fā)展，對(duì)能源的需求量逐年增加。而我國(guó)能源結(jié)構(gòu)缺油、少氣、多煤。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)一次能源消費(fèi)中煤炭約占75%，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)煤炭仍是我國(guó)的主要能源，本世紀(jì)初，國(guó)家已經(jīng)把煤炭的高效，潔凈利用技術(shù)作為煤炭資源的利用的主要手段。因此，各種先進(jìn)的煤氣化技術(shù)在我國(guó)均有應(yīng)用業(yè)績(jī)。

為了保護(hù)環(huán)境，拓寬原料煤種的范圍，提高煤炭的綜合利用效率，增加氣化爐的單爐生產(chǎn)能力，降低煤耗和氧耗，保證氣化爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外研究人員先后成功的開發(fā)了一些列先進(jìn)的煤氣化工藝技術(shù)，具有代表性的主要有，魯奇加壓固定床氣化(Lurgi)工藝，干法粉煤進(jìn)料的加壓氣流床SCGP(Shell)氣化工藝和Texaco、GSP工藝，常壓流化床氣化(灰熔聚)工藝。上述幾種煤氣化工藝中，Shell粉煤加壓氣化工藝其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性具有明顯的優(yōu)勢(shì)和較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，我公司采用了Shell煤氣化工藝。

1 Shell氣化原理及技術(shù)特點(diǎn)

原料煤經(jīng)破碎機(jī)破碎后在熱風(fēng)干燥的磨機(jī)內(nèi)磨制成100%<100m的煤粉，由粉煤貯罐，經(jīng)粉煤噴吹罐，進(jìn)入給煤罐，再由高壓載氣N2或者CO2送至氣化爐噴嘴。來自空分的高壓氧氣經(jīng)預(yù)熱后與過熱蒸汽混合送入噴嘴。煤粉、氧氣和蒸汽在氣化爐高溫高壓的條件下(氣化溫度約1400～1600℃)發(fā)生碳的部分氧化反應(yīng)(碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%以上)，生成CO+H2大于85%的高溫煤氣及一定量的飛灰，經(jīng)廢鍋回收熱量、干法除塵和濕法洗滌后的粗合成氣送后序工段。

干法氣化工藝具有如下技術(shù)特點(diǎn):

1.1 采用干煤粉進(jìn)料，加壓N2/CO2輸送，連續(xù)性好，氣化爐操作穩(wěn)定。

1.2 煤種適應(yīng)性廣，從褐煤、煙煤、無煙煤到石油焦均可氣化，對(duì)煤的活性幾乎沒有要求，高灰熔點(diǎn)、高灰分、高水分、高含硫量的煤種同樣也適應(yīng)。

1.3 氣化溫度約1400～1600℃，碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%以上，產(chǎn)品氣體潔凈，不含重?zé)N，甲烷含量極低，煤氣中有效氣體(CO+H2)達(dá)到85%左右。

1.4 氧耗和煤耗低，與水煤漿氣化工藝比較，氧耗低15～25%，原料煤消耗降低10~15%，因此可降低配套的空分裝置投資費(fèi)用

1.5 單爐生產(chǎn)能力大，目前已投入商業(yè)運(yùn)行的單臺(tái)爐操作壓力4.0MPa，日處理煤量已達(dá)3000噸。

1.6 熱效率高，原煤能量的77～83%轉(zhuǎn)換在合成氣中，而水煤漿氣化工藝的能量轉(zhuǎn)換率只有76%。約15%的能量被回收為蒸汽，總熱效率為98%左右。

1.7 氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，以渣抗渣，無昂貴的耐火磚襯里， 維護(hù)量較少，氣化爐內(nèi)無傳動(dòng)部件，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，而水煤漿氣化工藝氣化爐耐火磚的費(fèi)用昂貴。干法工藝氣化爐運(yùn)行安全可靠。無需備用爐。

1.8 氣化爐燒嘴及控制系統(tǒng)安全可靠。采用多噴嘴加料(4~8只)，噴嘴的設(shè)計(jì)壽命可保證達(dá)到8000小時(shí)，氣化裝置可以長(zhǎng)周期運(yùn)行。Demkolec電廠使用的煤燒嘴4年中未出現(xiàn)問題，工藝操作采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高，設(shè)有必要的安全聯(lián)鎖，使工藝操作處于最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

1.9 單位重量的原料煤可以多產(chǎn)生10%的合成氣，合成氣中的有效氣體成份(CO+H2)高達(dá)94%左右。

1.10 開車靈活 殼牌氣化爐為水冷壁結(jié)構(gòu)，開車時(shí)在建立鍋爐給水循環(huán)系統(tǒng)后經(jīng)開工燒嘴點(diǎn)火就能很快達(dá)到煤氣化的要求溫度，一般僅3～4小時(shí)就可投入正常運(yùn)行，靈活便捷。

1.11 環(huán)境影響小 爐渣和灰可用作水泥滲合劑或道路建造材料。氣化爐高溫排出的熔渣經(jīng)激冷后成玻璃狀的顆粒，性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境幾乎沒有影響。氣化污水中不含酚、氰、焦油等有害物質(zhì)，僅排出少量含鹽量高的澄清水，水中含氰化物少，容易處理，可做到零排放。

2 shell氣化技術(shù)開發(fā)歷程

2.1 粉煤氣化 第一代干法粉煤氣化是常壓K-T爐。目前在南非和印度等國(guó)仍有部分裝置在運(yùn)行，因其在常壓下運(yùn)行，該氣化技術(shù)已基本停止發(fā)展。

二代干法氣化工藝，即干法粉煤進(jìn)料加壓氣化技術(shù)的開發(fā)研究始于80年代。最先由荷蘭的Shell公司和西德的Krupp-koppers合作開發(fā)Shell-Koppers氣化工藝，第一套投煤量6t/d的小試裝置建在荷蘭的阿姆斯特丹，主要用于發(fā)電，目的是研究Shell-koppers煤氣化工藝的基本原理、測(cè)試原料處理方式及不同煤種的氣化行為，共進(jìn)行了21種原料煤的氣化實(shí)驗(yàn)，累計(jì)運(yùn)行13000小時(shí)。1978年又在西德的Harburg建成一套投煤量為150t/d，操作壓力3.0Mpa的試驗(yàn)裝置，共進(jìn)行了6000多小時(shí)的運(yùn)行試驗(yàn)，其中包括1000小時(shí)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成了工藝開發(fā)和過程優(yōu)化任務(wù)。主要工藝特點(diǎn)是密封料斗進(jìn)煤和粉煤濃相輸送技術(shù)。氣化爐為立式壓力容器，爐內(nèi)采用水冷壁結(jié)構(gòu)，煤燒嘴位于氣化室中下部，燒嘴二個(gè)一組對(duì)稱布置。

2.2 SCGP氣化工藝 1987年Shell公司在美國(guó)的休斯頓附近Deer Park建成了一套投煤量為250~400t/d示范裝置，主要任務(wù)是驗(yàn)證SCGP工藝技術(shù)，包括工藝特性和設(shè)備可靠性，開發(fā)工業(yè)化生產(chǎn)的操作運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)各種煤種的適應(yīng)性。該裝置累計(jì)運(yùn)行15000多小時(shí)，其中連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為1500多小時(shí)，共試燒了褐煤、次煙煤、煙煤、石油焦等不同水分、灰分、灰熔點(diǎn)的16個(gè)煤種，為工業(yè)化生產(chǎn)裝置提供了可靠的依據(jù)。

經(jīng)對(duì)各種煤氣化工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行詳細(xì)的分析、研究比較，荷蘭國(guó)家電力局采用SCGP工藝于1993年底在Demkolec南部的Buggenum建成了一座發(fā)電能力為300MW的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置，氣化裝置的設(shè)計(jì)能力為單爐投煤量2000t/d，氣化壓力為2.8Mpa。生產(chǎn)運(yùn)行的結(jié)果表明:SCGP工藝碳的轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%以上，生產(chǎn)負(fù)荷可在40~100%之間進(jìn)行調(diào)整，氣化裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)率在95%以上。

SCGP粗煤氣的主要組成如下:

SCGP粗煤氣的主要組成

組分CO H2 CO2 CH4 N2+Ar H2S+COS

Vol%65 30 1.6 <0.12.50.9

SCGP氣化工藝的流程如圖1所示:

3 shell煤氣化技術(shù)在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題

Shell在國(guó)內(nèi)已有22套應(yīng)用業(yè)績(jī)。已經(jīng)開車的shell氣化爐有15套。中國(guó)用戶積累了很多運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，shell氣化爐也存在著許多急待解決的問題。針對(duì)shell爐子進(jìn)行分析和總結(jié)和交流，以便更快、更合理的找到解決辦法。

3.1 煤種適應(yīng)性，對(duì)灰熔點(diǎn)灰份無嚴(yán)格要求的問題。

第一，目前已投產(chǎn)的大部分shell氣化爐均添加適量的石灰，或者燒低熔點(diǎn)煤粉。對(duì)于灰熔點(diǎn)大于1456℃以上煤種，則必須添加石灰，否則造成溫度太高，易把氣化內(nèi)的水冷壁、燒嘴罩等內(nèi)部件燒壞。爐溫達(dá)到1700℃時(shí)，無論是水冷壁還是噴嘴，壽命都無法保證。

第二，要求煤種必須穩(wěn)定，否則，氣化爐溫度太高，水冷壁上掛的渣都熔融掉流下來，溫度太低又掛不上或不均。

第三，灰渣的粘溫特性必須好，因氣化爐是液態(tài)排渣，完全是靠渣重力自流到渣池中。不同于德士古氣流把液態(tài)渣帶到水中。在1450℃，其粘度應(yīng)小于25~40pa.s排渣順利，否則，易堵渣口或在池中結(jié)成大塊，造成無法排渣停車事故。

3.2 煤氣的冷激問題 shell爐子上升氣體溫度大約1400℃以上，其中夾帶著20～30%的飛灰。若這些飛灰被煤氣帶到氣化爐頂部會(huì)在頂部過熱器上結(jié)成大塊，使氣化爐頂部阻力大無法繼續(xù)運(yùn)行。采用的辦法是用200℃的煤氣和熱煤氣按1:1～1:1.5的比例進(jìn)行激冷，使之降到900℃左右，實(shí)現(xiàn)它是靠大功率的循環(huán)壓縮機(jī)克服<0.2MPa的壓差，并對(duì)氣體要求嚴(yán)格，氣體中夾帶的飛灰則易磨損或堵塞，爐子此處直徑為3000mm，要求混合均勻。

3.3 煤的輸送計(jì)量問題 shell爐子采用干粉煤進(jìn)料，要求磨煤系統(tǒng)將原料煤研磨到100μm以上，此時(shí)原料煤具有液體易于流動(dòng)的性質(zhì)，但和液體又有區(qū)別，一是有細(xì)煤粉顆粒會(huì)造成設(shè)備和管道磨損，二是分密相濃度，三是沉降。由常壓到2.8MPa加壓，有鎖斗，許多程控閥來回切換，因此閥門、管道的磨損比較嚴(yán)重;防止沉降堵塞，在許多地方有金屬燒結(jié)的陶瓷用高壓N2將其流化，易出問題;因?yàn)槊悍塾忻芟嘞∠啵?jì)量方法和液體不同，瞬時(shí)流量不穩(wěn)定，誤差較大，影響操作。因?yàn)檠鯕狻⒄魵庖子谟?jì)量。其三者比例是主要控制參數(shù)，直接影響到爐溫、掛渣、消耗等。

3.4 除灰問題 Shell采用陶瓷干法除塵，DN4750mm設(shè)備內(nèi)部500多根過濾管，氣體流動(dòng)，陶瓷管內(nèi)高壓氣通氣反吹，因此斷裂損壞易發(fā)生，合成氣中飛灰遠(yuǎn)大于1PPm，直接影響到冷激氣循環(huán)機(jī)的運(yùn)行和耐硫變換催化劑使用壽命。

4 結(jié)論

Shell氣化爐有著自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，煤種穩(wěn)定的前提下，煤種適用范圍才能廣泛。但大部分shell氣化爐用戶無法滿足此要求。殼牌氣化爐存在堵塞、堵渣、積灰、磨損和磨蝕、燒嘴罩泄露等問題。針對(duì)相關(guān)的問題，shell公司與各家用戶積極合作，做了很多研究工作，取得了很多的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。目前最長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)行73天，一般在30天左右。Shell氣化爐的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間在逐步增加，但是用戶為此也繳納了高額的“學(xué)費(fèi)”。