Shell大型廢鍋流程干粉煤氣化爐使用褐煤的探討

陳二孩，潘瑞豐，孔凡貴，李安學，，張煒哲，張志明，劉永健

(1.大唐內蒙古多倫煤化工有限責任公司，內蒙古 多倫 027300；2.大唐能源化工有限責任公司，北京 100031；3.中新能化科技有限公司，北京 100031；4.中國大唐集團公司，北京 100033)

Shell大型廢鍋流程干粉煤氣化爐使用褐煤的探討

陳二孩1，潘瑞豐2，孔凡貴3，李安學2，4，張煒哲3，張志明1，劉永健4

(1.大唐內蒙古多倫煤化工有限責任公司，內蒙古 多倫 027300；2.大唐能源化工有限責任公司，北京 100031；3.中新能化科技有限公司，北京 100031；4.中國大唐集團公司，北京 100033)

2012年以來，大唐能源化工有限責任公司組織相關單位開展多倫煤氣化運行技術攻關工作，隨著煤質篩選、煤炭管理、操作優化、設備治理、技術改造等系列工作的開展，煤氣化裝置的運行可靠性得到提升。本文介紹了多種褐煤在大型廢鍋流程干粉煤氣化裝置的使用情況和褐煤應用過程中存在的問題及技術改造情況，經過改造，多倫項目3臺氣化爐運行負荷明顯提高，達到歷史最高負荷，已基本具備長周期穩定運行條件。

褐煤氣化；廢鍋流程；Shell 煤氣化

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.005

我國煤炭資源中50%以上屬于低階煤，由于低階煤存在水分高、灰分高等特點，使低階煤的利用受到一定的限制。近年來，國家一直鼓勵低熱值煤炭清潔利用和加工轉化，并有部分企業開始嘗試利用褐煤發展煤化工，其中大唐內蒙古多倫煤制烯烴項目即是其中之一。該項目以錫林浩特地區劣質褐煤為原料，采用荷蘭Shell煤氣化工藝技術、魯奇大甲醇合成技術，生產甲醇后再經MTP(甲醇制丙烯)生產丙烯，丙烯通過氣相流化床工藝技術生產聚丙烯，達到劣質煤清潔利用的目的。

自2001年開始，國內企業共引進23臺Shell氣化爐，其中，絕大多數已實現滿負荷、長周期、穩定運行，但多倫Shell裝置自2011年投用后，由于煤質變化大、褐煤水分高、灰分高、熱值低、灰熔點低等特性，以及一些與工程建設相關問題的緣故，未能實現長周期滿負荷運行。為改善多倫氣化裝置的運行狀況，2012年以來，大唐能源化工有限責任公司與殼牌(中國)項目技術有限公司成立運行改進攻關小組，隨著多煤種的摸索使用、原料煤管理、操作優化、設備治理、技術改造等措施的實施，總體改善了裝置的運行狀況，運行負荷顯著提升。作為目前國際上唯一采用褐煤為原料的Shell廢鍋流程煤氣化裝置，本文重點介紹多種褐煤在該氣化裝置的使用情況以及主要改進措施，為新建項目及褐煤的應用提供參考。

1 大唐多倫項目Shell氣化裝置運行情況

Shell煤氣化裝置是大唐內蒙古多倫煤制烯烴項目的核心裝置，是典型的Shell煤氣化技術流程，見圖1。

圖1 典型的SCGP工藝流程

該項目煤氣化裝置采用的是當時單爐投煤量最大的荷蘭Shell煤氣化工藝技術，也是全球首例6燒嘴且采用褐煤作為原料的干粉煤氣化技術。整個煤氣化裝置設置3套Shell氣化爐，投粉煤量3×2 870 t/d，有效氣(干基)產量3×15.7萬Nm3/h，副產5.51 MPa、271 ℃中壓蒸汽3×170 t/h。于2004年底開始籌備，2011年6月30日氣化至甲醇裝置流程貫通。項目設計采用大唐國際東勝利2#露天煤礦6#褐煤作為原料，由于褐煤中水分含量高，配套建設預干燥裝置，設置15條干燥生產線、12條線運行、3條線備用，每條線干燥原煤量達50t/h。干燥裝置采用大唐國際化工技術研究院有限公司自主研發的管式干燥工藝技術，將粒度≤50 mm、(w)全水分34.1%～42%的褐煤干燥為粒度≤6 mm、(w)全水分8%～12%的煤粉進入氣化裝置，該裝置由中國五環工程有限公司承擔詳細設計。多倫Shell煤氣化裝置與國內其他項目同類型Shell煤氣化裝置的差異見表1。

表1 多倫項目Shell煤氣化裝置與國內其他同類裝置的差異

由于褐煤水分高、灰分高、灰中酸堿組分不合適等特點，在使用該煤過程中出現諸多問題，如預干燥裝置負荷低、干燥機故障多、磨煤系統給煤量不準確、磨煤機振動大、氣化爐頻繁堵渣、高負荷下合成氣冷卻器積灰、合成氣系統磨蝕、合成氣管線振動大、飛灰過濾器濾芯磨蝕等。

針對影響裝置“安、穩、長、滿、優”運行的問題，重點對氣化爐用煤進行了多方案試驗和分析，并致力于褐煤煤種的篩選、試燒、摸索使用工作。通過攻關，氣化爐運行負荷逐年提升。在正常生產情況下，2011年多倫項目氣化爐運行平均氧負荷為68%；2012年運行平均氧負荷為70%；2013年運行平均氧負荷為75%；2014年運行平均氧負荷78%；2015年運行平均氧負荷80%；2016年運行平均氧負荷85%。攻關組重點在1#氣化爐上進行了煤炭的試燒、金屬濾芯的使用、新型吹灰器的使用、燒嘴角度的改造，2014年5月12日～6月24日采用蒙虹：協鑫=4∶1混煤，1#氣化爐90%氧負荷穩定運行，有效運行41 d；試燒大唐6#煤期間，有效氣負荷曾達100%。

2 多倫Shell氣化爐使用褐煤總體情況

截止目前，多倫Shell氣化裝置上相繼使用了5種類型的褐煤，形成7種原料。分別為：大唐5#煤、大唐6#煤、大唐混合煤、協鑫煤、蒙虹煤、神華6#煤、蒙虹/協鑫混合煤。

2.1 煤質情況

項目所在褐煤產區，煤氣化裝置自開車以來使用的煤種均為褐煤。設計、使用過的褐煤煤質情況見表2。

2.2 各煤種使用情況

使用褐煤時曾出現氣化爐水冷壁掛渣不好、合成氣冷卻器積灰、操作溫度高、負荷偏低等系列問題。具體情況見表3。

表2 多倫煤制烯烴項目Shell煤氣化裝置設計煤種、實際使用煤種主要指標典型數據表

注：1大唐混合是大唐5#煤/大唐6#煤=1/1；2蒙虹/協鑫混合是蒙虹煤/協鑫煤=4/1。

表3 多倫項目Shell煤氣化裝置使用煤種具體情況表

其中，大唐6#煤為項目氣化爐設計煤種(實際數據與設計數據也有差異)，蒙虹/協鑫混合煤為項目氣化爐相當長時間內使用的煤種，這兩種原料使用情況相對較好，下面重點介紹該原料使用情況。

3 大唐6#及蒙虹/協鑫混合煤使用情況

3.1 大唐6#煤使用情況

項目利用1套空分裝置檢修、1臺氣化裝置備用的機會，2014年2～6月使用了10萬t大唐6#煤，后由于大唐國際東勝利2#煤礦停產，試燒大唐6#煤工作中斷。

大唐東勝利煤礦6#煤煤層厚度約60 m，現場分為頂板煤、層狀層煤、塊狀層煤、底板煤，4種大唐6#煤煤質差別大，項目實際使用的大唐6#煤質與氣化爐設計煤種、東勝利煤礦的設計煤種數據偏差較大。

使用大唐6#煤期間平均氧氣負荷85%，最高氧氣負荷95%，最高有效氣負荷曾達100%。大唐6#煤灰含量低(收到基灰含量在6.0%～8.0%)、發熱量高(平均3 574 kcal/kg)、合成氣產量高、氧耗低、經濟性好、操作窗口較寬。不足之處為大唐6#煤灰組分波動大，需要煤礦進行均質化處理；煤灰中K2O+Na2O的質量分數偏高(>3%)，即使在試燒后期氣化爐SGC側更換為新型吹灰器后，滿負荷下廢熱鍋爐存在積灰風險。

3.2 蒙虹/協鑫混合煤使用情況

2013～2016年進行了蒙虹煤/協鑫混合煤長時間的試燒、使用。該混配煤灰組分中K2O+Na2O的質量分數<3%，從根本上減少了廢鍋入口的積灰概率。混合煤中的氧化鐵、氧化鈣穩定，操作窗口下限1 300～1 400 ℃。穩定的操作下限保證SGC入口溫度低于Shell運行經驗指標(2/3FT-150) ℃。

項目使用該種混合煤氣化爐A級運行達78 d，平均氧負荷85.27%，最高氧負荷90%。使用該煤種的不足之處在于：項目設計時無配煤場，現場采用斗輪機取煤進行混配，大規模混配強度大，混配不均勻；為保證渣口不堵塞，運行期間爐膛溫度偏高，導致氣化爐SGC入口溫度高于630 ℃時廢熱鍋爐有結垢積灰的風險。

3.3 使用結果

經過使用，確定大唐5#煤、蒙虹煤、協鑫煤、神華6#煤單獨使用存在缺陷，Shell煤氣化裝置不能夠高負荷、長周期穩定運行；最終選定蒙虹/協鑫=4/1作為氣化裝置第一用煤，合適的大唐6#煤作為第二用煤。目前，通過加強煤質管理評估、煤炭穩定供應管理工作，在正常情況下，可基本實現Shell氣化爐85%以上氧負荷穩定運行。

4 技術改造

攻關期間，通過改進解決了制約高負荷長周期運行的諸多問題，如煤質不穩定、煤線不穩定、氣化爐堵渣、SGC結垢堵灰、大小布袋頻繁故障等。現僅對主要技術改造項目作一簡單介紹。

4.1 吹灰器改造

2014年3月對3套氣化裝置SGC入口處吹灰器進行改造。安裝新型吹灰器前，在85%氧負荷下，SGC入口溫度13TI0019達到615 ℃，SGC側開始出現積灰現象；安裝新型吹灰器后，在同等氧負荷下，13TI0019達到650 ℃時，無積灰。吹灰器改造后SGC積灰現象得到明顯改善。

4.2 燒嘴改造

攻關小組用CFD模擬在不同工況下Shell氣化爐渣口流體流動情況，實施氣化爐燒嘴角度的改造，增加燒嘴偏心角度，以增加O2、煤粉的噴射角度和增加渣口上、下氣體交換，從而提高渣口溫度、降低爐膛溫度，減少渣口堵渣和廢鍋積灰的概率。改造效果：氣化爐操作溫度、氧耗大幅降低，爐膛掛渣好、利于銷釘保護，不易堵渣和積灰，負荷提升空間大，經濟效益高等。燒嘴角度改造，增大了氣化爐的運行窗口。在氣化爐未進行燒嘴改造前采用混煤，能達到85%氧氣負荷運行；燒嘴改造后，同種煤能達到90%以上氧氣負荷長周期穩定運行。

4.3 預干燥系統改造

預干燥裝置煤粉輸送過程中有大量凝結水，造成設備故障，縮短干燥輸送及氣化磨煤系統設備的使用壽命。通過改造解決煤粉高溫輸送的安全隱患，提高了氣化磨煤系統的穩定性，減少氣化爐的停車次數。

預干燥裝置袋濾器過濾后的煤粉粒度大小與氣化磨煤系統后煤粉粒度相近，這些細粉進入氣化磨煤系統造成磨煤機振動。通過技術改造將袋濾器過濾后的煤粉收集后輸送到磨煤機下游，省去細粉研磨環節，可避免煤粉過細影響磨煤系統運行的現象發生。

4.4 管線振動問題技術改造

針對合成氣管線、水汽管線的振動問題，經與大學合作，對2#氣化現場相關管線數據進行采集，確定重新優化管線，采取支吊架調整、隔振、減振的解決方案。

4.5 旋風分離器改造

由于設計煤種灰分高，裝置設置了旋風除塵器。在長期運行過程中，旋風除塵器承壓部件急劇磨損減薄，最嚴重時設備本體由35 mm減至13 mm，曾出現過著火、鼓包現象，存在重大安全隱患，目前已委托設計院對旋風除塵器進行改造。

5 建議

多倫Shell煤氣化裝置以褐煤為原料，設計、施工、運行過程中曾出現過一些問題，下面探討一些經驗教訓，以避免在新建項目中重復發生。

5.1 設計煤種與實際煤種一致

多倫項目與其配套煤礦同步建設，氣化裝置設計時大唐東勝利2#煤礦還未開采，設計參數為煤礦勘探時期的評估數據，這與后期煤礦投用后開采出的煤炭煤質數據差距較大，為后續氣化爐的運行帶來很大挑戰。建議新項目前期要盡量保證設計煤種數據準確、可靠。

5.2 設置配煤設施

項目煤氣化裝置設計消耗原料煤1.2萬t/d，而通過試燒、摸索使用后，采用混配煤的方式可擴大用煤資源，保證氣化裝置高負荷穩定運行。而項目建設未設置配煤場及配套設施，通過斗輪機大量配煤造成配煤不均勻、工作強度大。建議新建大型煤氣化裝置設置配煤設施或預留位置。

5.3 大型褐煤氣化可選用下行水激冷流程

為了冷卻氣化爐產生的高溫合成氣，Shell氣化爐廢鍋流程設置激冷氣壓縮機，將氣化系統大量低溫合成氣通過壓縮至氣化爐燃燒段出口，對爐膛產生的約1 500 ℃高溫爐氣進行激冷，激冷后混合氣體溫度為850～900 ℃。多倫項目設計正常激冷氣量為18.6萬Nm3/h，由于實際煤種易于結垢、灰熔點低，為保證SGC入口溫度在(FT×2/3-150) ℃以內不積灰，實際使用激冷氣量大于30萬Nm3/h。激冷氣量的大幅增加，導致氣化爐合成氣工藝管線、設備、氣化爐水冷器、輸氣管、S1511旋風分離器、S1501內陶瓷濾芯等磨蝕嚴重，S1511入口流速過大、產生振動，在高負荷運行期間存在較大安全隱患。

鑒于項目使用褐煤的經驗，對于采用灰中氧化鉀、氧化鈉含量高，灰熔點低的褐煤作為原料的新上煤化工項目，氣化技術選型時可考慮采用下行水激冷流程的干粉煤氣化工藝技術。該工藝技術取消了投資較高的合成氣冷卻器(廢鍋)、循環氣壓縮機和高溫高壓飛灰過濾器，投資省且避免了廢鍋SGC結垢、積灰。

5.4 褐煤預干燥裝置要有足夠的余量

由于使用的煤種水含量較設計高4%～5%，使得預干燥能力不足，即使投用備機，預干燥裝置在冬季或設備出現故障時也曾導致煤氣化裝置供煤量不足減負荷，所以考慮到煤質的不確定性和設備維護，建議新上項目氣化裝置配套的預干燥裝置要設計足夠的余量或預留位置。

6 結語

通過煤質管理、操作優化、設備治理、技術改造等一系列工作，Shell氣化爐的運行狀況總體得到了改善，氣化爐的運行負荷明顯提高，3臺氣化爐先后達到歷史最高負荷，已基本具備長周期穩定運行的條件；但與Shell氣化爐運行先進企業及與“連續運行百日常態化”的目標相比，有一定的差距，還有很多工作要做。氣化爐長周期穩定運行涉及到諸多因素，原料煤、工藝、設備、儀表、電氣、輸配煤、公用工程以及運行管理等任何方面、任何環節出現問題都可能會成為氣化爐非計劃停車的誘因，因此氣化爐長周期穩定運行是生產管理水平的綜合反映，是技術與管理的綜合集成。本文僅是對所做的階段性工作做一介紹，希望能讓更多的人對大型廢鍋流程Shell干粉煤氣化爐使用褐煤的運行情況有所了解，對褐煤清潔轉化工藝提供參考，對新項目的建設有所裨益。

Discussion on the Use of Lignite in the Process of Dry Pulverized Coal Gasification Furnace of Large Shell Waste Boiler

CHEN Er-hai1, PAN Rui-feng2, KONG Fan-gui3, LI An-xue2,4, ZHANG Wei-zhe3,ZHANG Zhi-ming1, LIU Yong-jian4

(1.DatangInnerMongoliaDuolunCoalChemicalCo.,Ltd.,DuolunInnerMongolia027300China;2.DatangEnergyandChemicalCo.,Ltd.,Beijing100031China;3.ZhongxinEnergyandChemicalCo.,Ltd.,Beijing100031China;4.ChinaDatangCorporation,Beijing100033China)

Since 2012, Datang Energy and Chemical Corporation has organized the relevant units to carry out the research of Duolun coal gasification operation technology.With the implementation of coal screening, coal management, operation optimization, equipment management, technical transformation, etc., the operation reliability of coal gasification device has been improved.This paper introduces the use of several types of lignite in the process of dry pulverized coal gasification furnace of large waste boiler, the problems in the use of lignite as well as technical transformation.After transformation, the operating load of 3 gasifiers in Duolun project has been improved significantly, reaching the highest level.They are basically qualified with long period stable operation.

lignite gasification, waste boiler process, Shell coal gasification

陳二孩(1979年-)，男，河南新鄉，2005 年畢業于河南大學化學工程與工藝專業，大學本科，工程師，目前從事煤炭清潔利用方面技術管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.005

TQ 545

B

1004-8901(2016)06-0020-04

2016-08-26