殼牌煤氣化技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)探討

張海蘭， 龐巖峰

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

殼牌煤氣化技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)探討

張海蘭， 龐巖峰

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

殼牌煤氣化技術(shù)是通過(guò)加壓干粉煤使其氣化的技術(shù)，在國(guó)際上，被認(rèn)為是目前對(duì)煤炭利用最為干凈的技術(shù)之一。對(duì)干煤粉采用多燒嘴方式進(jìn)料，然后在高溫、高壓下氣化，冷卻主要使用廢熱鍋爐進(jìn)行。這種方法有較多優(yōu)點(diǎn)：調(diào)幅能力強(qiáng)，耗氧量少，煤粉氣化和熱效率較高，碳的轉(zhuǎn)化率大，燒嘴的壽命長(zhǎng)，產(chǎn)出的氣體品質(zhì)佳，所需氣體CO以及H2的含量比例大，而且，對(duì)氣化爐的維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，對(duì)煤種使用性較為廣泛，有非常好的環(huán)保性質(zhì)等。

殼牌煤氣化技術(shù)；關(guān)鍵設(shè)備；生產(chǎn)運(yùn)行

1 殼牌煤氣化技術(shù)概述

1) 工藝原理

由于受到氣化爐內(nèi)高溫的影響，再結(jié)合與氧的反應(yīng)發(fā)生條件，首先，碳、揮發(fā)分和一些產(chǎn)物，如，CO、H2等與O2在高溫下進(jìn)行燃燒反應(yīng)，當(dāng)燃燒反應(yīng)進(jìn)行完全時(shí)，此時(shí)，碳會(huì)進(jìn)行其他轉(zhuǎn)化反應(yīng)。在氣化反應(yīng)時(shí)，保證煤氣(主要含H2、CO等氣體)從氣化爐分離出來(lái)。

2) 工藝流程

現(xiàn)階段，在對(duì)殼牌煤氣化裝置的運(yùn)用中，也成功地在示范裝置、大型工業(yè)化裝置中應(yīng)用了廢鍋流程。而后期市場(chǎng)將會(huì)接受使用殼牌煤氣化工藝的激冷流程[1]。

運(yùn)輸設(shè)施將被破碎的原料煤送到磨煤機(jī)里，再對(duì)90%粒徑<100 μm的煤粉實(shí)施干燥步驟，然后，進(jìn)入常壓煤粉倉(cāng)、加壓煤粉倉(cāng)和給料倉(cāng)。通過(guò)CO2或者N2(高壓)作用保證干煤粉進(jìn)入煤燒嘴。空分中的O2(高壓)進(jìn)行預(yù)熱處理后，混合經(jīng)過(guò)中壓處理的過(guò)熱蒸汽一塊進(jìn)入煤燒嘴。以上3種物質(zhì)(過(guò)熱蒸汽、干煤粉、O2)經(jīng)高溫、高壓作用進(jìn)行各種反應(yīng)。通過(guò)除塵及冷卻后煤氣溫度從氣化爐出爐時(shí)的1 500 ℃左右降到大約900 ℃，然后，再通過(guò)合成氣冷卻器。通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行利用。經(jīng)過(guò)干式除塵、濕法洗滌以后的煤氣，其含塵量低于1 mg/m3，之后，繼續(xù)進(jìn)行接下來(lái)的流程。

對(duì)于濕法洗滌產(chǎn)生的廢水，在很大程度上可加以回收、循環(huán)利用，少量部分可采取沉降、閃蒸或者汽提等方法預(yù)處理后排入污水系統(tǒng)。閃蒸、汽提出來(lái)的氣體可制成燃?xì)庥脕?lái)燃燒等。

氣化爐內(nèi)反應(yīng)后留下的熔渣，使其排入氣化爐下方渣池，通過(guò)冷卻處理，形成很小的玻璃體，用于建材、路基等使用。

2 殼牌煤氣化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及設(shè)備運(yùn)行情況

2.1 殼牌煤氣化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)[2-3]

1) 對(duì)煤種使用具有廣泛性

對(duì)煤種的使用具有廣泛性，適用于褐煤、煙煤、次煙煤、石油焦、無(wú)煙煤等，也可將其中兩種煤混合使用。相比其他氣化工藝，該方法對(duì)煤灰熔點(diǎn)具有更好的使用范圍，也可運(yùn)用于高灰分和高水分的煤。

2) 很大的單系列生產(chǎn)能力

現(xiàn)階段，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的煤氣化裝置，其投煤量已超過(guò)2 000 t/d·臺(tái)。

3) 較高的碳轉(zhuǎn)化率

1 400 ℃～1 600 ℃的氣化溫度，保證了99%以上的碳轉(zhuǎn)化率。

4) 極佳的產(chǎn)出氣體質(zhì)量

產(chǎn)出氣體的質(zhì)量極佳，CH4含量極小以及無(wú)重?zé)N，同時(shí)，CO、H2氣體體積分?jǐn)?shù)可占到90%。

5) 氣化反應(yīng)所需耗氧量小

對(duì)比其他氣化工藝(如，水煤漿)，此工藝所需耗氧量小，可少于15%～25%，因而對(duì)空分裝置的使用可減少。

6) 較高的總熱效率

干煤粉經(jīng)過(guò)氣化反應(yīng)生成的冷煤氣效率比例占到80%～83%，產(chǎn)生的副產(chǎn)部分，其蒸汽總熱效率達(dá)到了98%。

7) 持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)

水冷壁結(jié)構(gòu)的爐內(nèi)，其堅(jiān)固安全，沒(méi)有耐火磚襯里，持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)其維護(hù)次數(shù)較少，不用考慮備用爐。氣化爐的煤燒嘴使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)8 000 h。保障了氣化裝置的持續(xù)工作。

8) 對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活

單臺(tái)氣化爐都具備4個(gè)～6個(gè)燒嘴，一方面，增加了粉煤的氣化程度，另一方面，對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈活性提高。調(diào)節(jié)度可達(dá)每分鐘5%，可調(diào)范圍40%～100%。

9) 良好的環(huán)境效益

反應(yīng)后排放的爐渣以及飛灰中含有很少的碳成分，將其用作建材等使用，即使長(zhǎng)時(shí)間堆置也不會(huì)滲出垃圾物。此工藝產(chǎn)生的污水量較小且易于處理，甚至能達(dá)到零排放。

2.2 工程應(yīng)用

我國(guó)首次使用的殼牌煤氣化裝置在2006年5月實(shí)施投產(chǎn)。截止目前，國(guó)內(nèi)14家企業(yè)在使用該技術(shù)工藝，15套設(shè)備裝置相繼使用。現(xiàn)階段在國(guó)內(nèi)，有19家公司相繼和殼牌公司完成了技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議簽訂，主要生產(chǎn)產(chǎn)品包括甲醇、合成氨、聚丙烯等。

目前，除我國(guó)以外，國(guó)外使用殼牌煤氣化技術(shù)的有：英國(guó)1套IGCC，越南2套合成氨，韓國(guó)1套IGCC[4]。

2.3 裝置生產(chǎn)運(yùn)行概況

煤氣化項(xiàng)目研發(fā)階段，碰到了各種各樣的問(wèn)題，氣化工藝相關(guān)的原因和外部環(huán)境的干擾造成的停車，導(dǎo)致Shell干煤粉氣化裝置不能長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。2.4 內(nèi)部原因引起的停車事故[5]

1) 有六成比例的原因?yàn)樵O(shè)備導(dǎo)致。主要原因是，燒嘴隔焰罩處容易出現(xiàn)外泄導(dǎo)致堵渣，渣口和渣池堵塞，高溫高壓陶瓷過(guò)濾器元件破損，K1301入口三通腐蝕和磨蝕，堵塞K1301過(guò)濾器等方面；

2) 操作問(wèn)題占原因的三成，主要問(wèn)題集中在合成氣冷卻器十字架積灰，積灰超溫制約以及對(duì)以后工序的影響。

但經(jīng)過(guò)技術(shù)改善，問(wèn)題最終都得以圓滿解決，如，煤燒嘴罩損壞漏水問(wèn)題，通過(guò)采取下列措施對(duì)煤燒嘴罩進(jìn)行改進(jìn)，較好地解決了問(wèn)題。

1) 煤燒嘴進(jìn)入爐內(nèi)的長(zhǎng)度要適當(dāng)；

2) 冷卻燒嘴罩的水量適當(dāng)提高；

3) 保證穩(wěn)定的煤粉輸送系統(tǒng)；

4) 保證穩(wěn)定的煤種類型；

5) 要時(shí)刻注意氣化調(diào)溫蒸汽的加入；

6) 對(duì)煤氧比適當(dāng)提高。

2.5 外部原因引起的停車問(wèn)題

1) 煤的供應(yīng)量不足，煤的合格率低。

2) 甲醇市場(chǎng)不景氣。2009年，由于經(jīng)濟(jì)危機(jī)，造成化工產(chǎn)品市場(chǎng)需求下降，價(jià)格暴跌，從而使甲醇企業(yè)開(kāi)工率不高，有些不得不停產(chǎn)或低負(fù)荷運(yùn)行。2009年，國(guó)內(nèi)進(jìn)口甲醇600萬(wàn)t，占市場(chǎng)需求40%以上，2010年上半年國(guó)內(nèi)進(jìn)口甲醇300萬(wàn)t。

3) 低溫甲醇洗裝置和空分裝置出現(xiàn)問(wèn)題的影響。其中，空分裝置改造或出現(xiàn)故障占比61.31%，公用工程問(wèn)題占比3.96%，23.61%是其他原因造成，而11.11%的原因是氣化裝置自身出現(xiàn)問(wèn)題。

4) 下游配套原因。安慶、湖北下游裝置能力小，氣化負(fù)荷分別在88%和75%情況下就能滿足下游的滿負(fù)荷需求。

5) 外部供電、供汽、供水系統(tǒng)故障。

3 煤氣化的關(guān)鍵設(shè)備

煤氣化方法中壓力容器設(shè)備是關(guān)鍵的部分。

3.1 氣化關(guān)鍵設(shè)備外殼

殼牌氣化設(shè)備外殼的尺寸、直徑大小由客戶定制，對(duì)設(shè)備的維護(hù)，殼牌公司需要確定人員，以及需要對(duì)氣化爐反應(yīng)熱的回收傳熱面積等方面進(jìn)行明確。并且，關(guān)鍵設(shè)備的外殼僅承受靜壓力。

3.2 氣化關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)件

氣化爐、輸管氣合成氣冷內(nèi)器作為關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)件。在內(nèi)件中進(jìn)行了氣化反應(yīng)的發(fā)生、反應(yīng)爐渣的排放以及冷卻合成氣的產(chǎn)生。在結(jié)構(gòu)上選用水冷膜式壁內(nèi)件，對(duì)爐內(nèi)壁進(jìn)行推渣防護(hù)。干煤粉、蒸汽、O2經(jīng)過(guò)燃燒噴嘴到達(dá)爐內(nèi)氣化區(qū)，粉煤、氧和蒸氣在此反應(yīng)部分氧化生成合成氣。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)煤氣化技術(shù)工藝原理的分析和工藝流程的梳理，分析了煤氣化工藝技術(shù)具備的性質(zhì)，并分析了停車的內(nèi)部、外部原因，針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備和流程節(jié)點(diǎn)，提出了相應(yīng)的整改措施，提高了產(chǎn)量，節(jié)約了運(yùn)行成本，提高了設(shè)備的可靠性，穩(wěn)定了氣化爐運(yùn)行工況。

[1] 汪壽建.殼牌煤氣化關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)探討[J].大氮肥,2003,26(5):304-306.

[2] 任雋.淺談殼牌煤氣化重要設(shè)備設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與市場(chǎng),2014(4):173.

[3] 汪壽建.殼牌煤氣化關(guān)鍵設(shè)備淺析[C]//北京：2004年中國(guó)煤炭加工與綜合利用技術(shù)信息交流會(huì)暨發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì),2004:1-3.

[4] 石曉曉.殼牌煤氣化裝置關(guān)鍵設(shè)備安裝技術(shù)[J].化肥設(shè)計(jì),2013,51(1):43-45.

[5] 常祖山.殼牌煤氣化裝置特點(diǎn)及存在問(wèn)題和解決方案[J].大氮肥,2010,33(1):42-45.

DiscussiononkeyequipmentdesignofShellcoalgasification

ZHANGHailan,PANGYanfeng

(DatongGuangfaCoalChemicalIndustryCo.,Ltd.,DatongShanxi037000,China)

Shell coal gasification technology is the technology of gasification by using pressurized dry coal, which is considered as one of the cleanest technologies for coal utilization in the world. The dry pulverized coal is fed by multi burner way, and then gasified at high temperature and high pressure. The cooling is mainly carried out by using waste heat boiler. This method has many advantages, including better modulation ability, less oxygen consumption,higher coal gasification and heat efficiency, highcarbon conversion rate, long service life of burner, and good quality of output gas required for CO and H2in a large proportion. And it has the advantages ofsimplemaintenance of gasification furnace, long operation period, wide use of coal, and has good environmental properties.

Shell gas technology; key equipment; production operation

2017-03-12

張海蘭，女，1988年出生，2011年畢業(yè)于東北石油大學(xué)，助理工程師，現(xiàn)從事殼牌煤制甲醇項(xiàng)目設(shè)備管理及維修工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.26

TQ545

A

1004-7050(2017)03-0078-03

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