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(xué)，，張煒哲，張志明，劉永健

(1.大唐內(nèi)蒙古多倫煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 多倫 027300；2.大唐能源化工有限責(zé)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(tuán)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(xué)2，4，張煒哲3，張志明1，劉永健4

(1.大唐內(nèi)蒙古多倫煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 多倫 027300；2.大唐能源化工有限責(zé)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(tuán)公司，北京 100033)

2012年以來，大唐能源化工有限責(zé)任公司組織相關(guān)單位開展多倫煤氣化運(yùn)行技術(shù)攻關(guān)工作，隨著煤質(zhì)篩選、煤炭管理、操作優(yōu)化、設(shè)備治理、技術(shù)改造等系列工作的開展，煤氣化裝置的運(yùn)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(yīng)用過程中存在的問題及技術(shù)改造情況，經(jīng)過改造，多倫項(xiàng)目3臺(tái)氣化爐運(yùn)行負(fù)荷明顯提高，達(dá)到歷史最高負(fù)荷，已基本具備長周期穩(wěn)定運(yùn)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(diǎn)，使低階煤的利用受到一定的限制。近年來，國家一直鼓勵(lì)低熱值煤炭清潔利用和加工轉(zhuǎn)化，并有部分企業(yè)開始嘗試?yán)煤置喊l(fā)展煤化工，其中大唐內(nèi)蒙古多倫煤制烯烴項(xiàng)目即是其中之一。該項(xiàng)目以錫林浩特地區(qū)劣質(zhì)褐煤為原料，采用荷蘭Shell煤氣化工藝技術(shù)、魯奇大甲醇合成技術(shù)，生產(chǎn)甲醇后再經(jīng)MTP(甲醇制丙烯)生產(chǎn)丙烯，丙烯通過氣相流化床工藝技術(shù)生產(chǎn)聚丙烯，達(dá)到劣質(zhì)煤清潔利用的目的。

自2001年開始，國內(nèi)企業(yè)共引進(jìn)23臺(tái)Shell氣化爐，其中，絕大多數(shù)已實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷、長周期、穩(wěn)定運(yùn)行，但多倫Shell裝置自2011年投用后，由于煤質(zhì)變化大、褐煤水分高、灰分高、熱值低、灰熔點(diǎn)低等特性，以及一些與工程建設(shè)相關(guān)問題的緣故，未能實(shí)現(xiàn)長周期滿負(fù)荷運(yùn)行。為改善多倫氣化裝置的運(yùn)行狀況，2012年以來，大唐能源化工有限責(zé)任公司與殼牌(中國)項(xiàng)目技術(shù)有限公司成立運(yùn)行改進(jìn)攻關(guān)小組，隨著多煤種的摸索使用、原料煤管理、操作優(yōu)化、設(shè)備治理、技術(shù)改造等措施的實(shí)施，總體改善了裝置的運(yùn)行狀況，運(yùn)行負(fù)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(diǎn)介紹多種褐煤在該氣化裝置的使用情況以及主要改進(jìn)措施，為新建項(xiàng)目及褐煤的應(yīng)用提供參考。

1 大唐多倫項(xiàng)目Shell氣化裝置運(yùn)行情況

Shell煤氣化裝置是大唐內(nèi)蒙古多倫煤制烯烴項(xiàng)目的核心裝置，是典型的Shell煤氣化技術(shù)流程，見圖1。

圖1 典型的SCGP工藝流程

該項(xiàng)目煤氣化裝置采用的是當(dāng)時(shí)單爐投煤量最大的荷蘭Shell煤氣化工藝技術(shù)，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(shù)。整個(gè)煤氣化裝置設(shè)置3套Shell氣化爐，投粉煤量3×2 870 t/d，有效氣(干基)產(chǎn)量3×15.7萬Nm3/h，副產(chǎn)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(xiàng)目設(shè)計(jì)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(shè)預(yù)干燥裝置，設(shè)置15條干燥生產(chǎn)線、12條線運(yùn)行、3條線備用，每條線干燥原煤量達(dá)50t/h。干燥裝置采用大唐國際化工技術(shù)研究院有限公司自主研發(fā)的管式干燥工藝技術(shù)，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(jìn)入氣化裝置，該裝置由中國五環(huán)工程有限公司承擔(dān)詳細(xì)設(shè)計(jì)。多倫Shell煤氣化裝置與國內(nèi)其他項(xiàng)目同類型Shell煤氣化裝置的差異見表1。

表1 多倫項(xiàng)目Shell煤氣化裝置與國內(nèi)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(diǎn)，在使用該煤過程中出現(xiàn)諸多問題，如預(yù)干燥裝置負(fù)荷低、干燥機(jī)故障多、磨煤系統(tǒng)給煤量不準(zhǔn)確、磨煤機(jī)振動(dòng)大、氣化爐頻繁堵渣、高負(fù)荷下合成氣冷卻器積灰、合成氣系統(tǒng)磨蝕、合成氣管線振動(dòng)大、飛灰過濾器濾芯磨蝕等。

針對(duì)影響裝置“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運(yùn)行的問題，重點(diǎn)對(duì)氣化爐用煤進(jìn)行了多方案試驗(yàn)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(guān)，氣化爐運(yùn)行負(fù)荷逐年提升。在正常生產(chǎn)情況下，2011年多倫項(xiàng)目氣化爐運(yùn)行平均氧負(fù)荷為68%；2012年運(yùn)行平均氧負(fù)荷為70%；2013年運(yùn)行平均氧負(fù)荷為75%；2014年運(yùn)行平均氧負(fù)荷78%；2015年運(yùn)行平均氧負(fù)荷80%；2016年運(yùn)行平均氧負(fù)荷85%。攻關(guān)組重點(diǎn)在1#氣化爐上進(jìn)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(xié)鑫=4∶1混煤，1#氣化爐90%氧負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，有效運(yùn)行41 d；試燒大唐6#煤期間，有效氣負(fù)荷曾達(dá)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(xié)鑫煤、蒙虹煤、神華6#煤、蒙虹/協(xié)鑫混合煤。

2.1 煤質(zhì)情況

項(xiàng)目所在褐煤產(chǎn)區(qū)，煤氣化裝置自開車以來使用的煤種均為褐煤。設(shè)計(jì)、使用過的褐煤煤質(zhì)情況見表2。

2.2 各煤種使用情況

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

表2 多倫煤制烯烴項(xiàng)目Shell煤氣化裝置設(shè)計(jì)煤種、實(shí)際使用煤種主要指標(biāo)典型數(shù)據(jù)表

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

表3 多倫項(xiàng)目Shell煤氣化裝置使用煤種具體情況表

其中，大唐6#煤為項(xiàng)目氣化爐設(shè)計(jì)煤種(實(shí)際數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)也有差異)，蒙虹/協(xié)鑫混合煤為項(xiàng)目氣化爐相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)使用的煤種，這兩種原料使用情況相對(duì)較好，下面重點(diǎn)介紹該原料使用情況。

3 大唐6#及蒙虹/協(xié)鑫混合煤使用情況

3.1 大唐6#煤使用情況

項(xiàng)目利用1套空分裝置檢修、1臺(tái)氣化裝置備用的機(jī)會(huì)，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(chǎn)，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(xiàn)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(zhì)差別大，項(xiàng)目實(shí)際使用的大唐6#煤質(zhì)與氣化爐設(shè)計(jì)煤種、東勝利煤礦的設(shè)計(jì)煤種數(shù)據(jù)偏差較大。

使用大唐6#煤期間平均氧氣負(fù)荷85%，最高氧氣負(fù)荷95%，最高有效氣負(fù)荷曾達(dá)100%。大唐6#煤灰含量低(收到基灰含量在6.0%～8.0%)、發(fā)熱量高(平均3 574 kcal/kg)、合成氣產(chǎn)量高、氧耗低、經(jīng)濟(jì)性好、操作窗口較寬。不足之處為大唐6#煤灰組分波動(dòng)大，需要煤礦進(jìn)行均質(zhì)化處理；煤灰中K2O+Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高(>3%)，即使在試燒后期氣化爐SGC側(cè)更換為新型吹灰器后，滿負(fù)荷下廢熱鍋爐存在積灰風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 蒙虹/協(xié)鑫混合煤使用情況

2013～2016年進(jìn)行了蒙虹煤/協(xié)鑫混合煤長時(shí)間的試燒、使用。該混配煤灰組分中K2O+Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<3%，從根本上減少了廢鍋入口的積灰概率?；旌厦褐械难趸F、氧化鈣穩(wěn)定，操作窗口下限1 300～1 400 ℃。穩(wěn)定的操作下限保證SGC入口溫度低于Shell運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)(2/3FT-150) ℃。

項(xiàng)目使用該種混合煤氣化爐A級(jí)運(yùn)行達(dá)78 d，平均氧負(fù)荷85.27%，最高氧負(fù)荷90%。使用該煤種的不足之處在于：項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)無配煤場，現(xiàn)場采用斗輪機(jī)取煤進(jìn)行混配，大規(guī)?；炫鋸?qiáng)度大，混配不均勻；為保證渣口不堵塞，運(yùn)行期間爐膛溫度偏高，導(dǎo)致氣化爐SGC入口溫度高于630 ℃時(shí)廢熱鍋爐有結(jié)垢積灰的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 使用結(jié)果

經(jīng)過使用，確定大唐5#煤、蒙虹煤、協(xié)鑫煤、神華6#煤單獨(dú)使用存在缺陷，Shell煤氣化裝置不能夠高負(fù)荷、長周期穩(wěn)定運(yùn)行；最終選定蒙虹/協(xié)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(qiáng)煤質(zhì)管理評(píng)估、煤炭穩(wěn)定供應(yīng)管理工作，在正常情況下，可基本實(shí)現(xiàn)Shell氣化爐85%以上氧負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。

4 技術(shù)改造

攻關(guān)期間，通過改進(jìn)解決了制約高負(fù)荷長周期運(yùn)行的諸多問題，如煤質(zhì)不穩(wěn)定、煤線不穩(wěn)定、氣化爐堵渣、SGC結(jié)垢堵灰、大小布袋頻繁故障等?，F(xiàn)僅對(duì)主要技術(shù)改造項(xiàng)目作一簡單介紹。

4.1 吹灰器改造

2014年3月對(duì)3套氣化裝置SGC入口處吹灰器進(jìn)行改造。安裝新型吹灰器前，在85%氧負(fù)荷下，SGC入口溫度13TI0019達(dá)到615 ℃，SGC側(cè)開始出現(xiàn)積灰現(xiàn)象；安裝新型吹灰器后，在同等氧負(fù)荷下，13TI0019達(dá)到650 ℃時(shí)，無積灰。吹灰器改造后SGC積灰現(xiàn)象得到明顯改善。

4.2 燒嘴改造

攻關(guān)小組用CFD模擬在不同工況下Shell氣化爐渣口流體流動(dòng)情況，實(shí)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(hù)，不易堵渣和積灰，負(fù)荷提升空間大，經(jīng)濟(jì)效益高等。燒嘴角度改造，增大了氣化爐的運(yùn)行窗口。在氣化爐未進(jìn)行燒嘴改造前采用混煤，能達(dá)到85%氧氣負(fù)荷運(yùn)行；燒嘴改造后，同種煤能達(dá)到90%以上氧氣負(fù)荷長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 預(yù)干燥系統(tǒng)改造

預(yù)干燥裝置煤粉輸送過程中有大量凝結(jié)水，造成設(shè)備故障，縮短干燥輸送及氣化磨煤系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的穩(wěn)定性，減少氣化爐的停車次數(shù)。

預(yù)干燥裝置袋濾器過濾后的煤粉粒度大小與氣化磨煤系統(tǒng)后煤粉粒度相近，這些細(xì)粉進(jìn)入氣化磨煤系統(tǒng)造成磨煤機(jī)振動(dòng)。通過技術(shù)改造將袋濾器過濾后的煤粉收集后輸送到磨煤機(jī)下游，省去細(xì)粉研磨環(huán)節(jié)，可避免煤粉過細(xì)影響磨煤系統(tǒng)運(yùn)行的現(xiàn)象發(fā)生。

4.4 管線振動(dòng)問題技術(shù)改造

針對(duì)合成氣管線、水汽管線的振動(dòng)問題，經(jīng)與大學(xué)合作，對(duì)2#氣化現(xiàn)場相關(guān)管線數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，確定重新優(yōu)化管線，采取支吊架調(diào)整、隔振、減振的解決方案。

4.5 旋風(fēng)分離器改造

由于設(shè)計(jì)煤種灰分高，裝置設(shè)置了旋風(fēng)除塵器。在長期運(yùn)行過程中，旋風(fēng)除塵器承壓部件急劇磨損減薄，最嚴(yán)重時(shí)設(shè)備本體由35 mm減至13 mm，曾出現(xiàn)過著火、鼓包現(xiàn)象，存在重大安全隱患，目前已委托設(shè)計(jì)院對(duì)旋風(fēng)除塵器進(jìn)行改造。

5 建議

多倫Shell煤氣化裝置以褐煤為原料，設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行過程中曾出現(xiàn)過一些問題，下面探討一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，以避免在新建項(xiàng)目中重復(fù)發(fā)生。

5.1 設(shè)計(jì)煤種與實(shí)際煤種一致

多倫項(xiàng)目與其配套煤礦同步建設(shè)，氣化裝置設(shè)計(jì)時(shí)大唐東勝利2#煤礦還未開采，設(shè)計(jì)參數(shù)為煤礦勘探時(shí)期的評(píng)估數(shù)據(jù)，這與后期煤礦投用后開采出的煤炭煤質(zhì)數(shù)據(jù)差距較大，為后續(xù)氣化爐的運(yùn)行帶來很大挑戰(zhàn)。建議新項(xiàng)目前期要盡量保證設(shè)計(jì)煤種數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

5.2 設(shè)置配煤設(shè)施

項(xiàng)目煤氣化裝置設(shè)計(jì)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(kuò)大用煤資源，保證氣化裝置高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。而項(xiàng)目建設(shè)未設(shè)置配煤場及配套設(shè)施，通過斗輪機(jī)大量配煤造成配煤不均勻、工作強(qiáng)度大。建議新建大型煤氣化裝置設(shè)置配煤設(shè)施或預(yù)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(chǎn)生的高溫合成氣，Shell氣化爐廢鍋流程設(shè)置激冷氣壓縮機(jī)，將氣化系統(tǒng)大量低溫合成氣通過壓縮至氣化爐燃燒段出口，對(duì)爐膛產(chǎn)生的約1 500 ℃高溫爐氣進(jìn)行激冷，激冷后混合氣體溫度為850～900 ℃。多倫項(xiàng)目設(shè)計(jì)正常激冷氣量為18.6萬Nm3/h，由于實(shí)際煤種易于結(jié)垢、灰熔點(diǎn)低，為保證SGC入口溫度在(FT×2/3-150) ℃以內(nèi)不積灰，實(shí)際使用激冷氣量大于30萬Nm3/h。激冷氣量的大幅增加，導(dǎo)致氣化爐合成氣工藝管線、設(shè)備、氣化爐水冷器、輸氣管、S1511旋風(fēng)分離器、S1501內(nèi)陶瓷濾芯等磨蝕嚴(yán)重，S1511入口流速過大、產(chǎn)生振動(dòng)，在高負(fù)荷運(yùn)行期間存在較大安全隱患。

鑒于項(xiàng)目使用褐煤的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于采用灰中氧化鉀、氧化鈉含量高，灰熔點(diǎn)低的褐煤作為原料的新上煤化工項(xiàng)目，氣化技術(shù)選型時(shí)可考慮采用下行水激冷流程的干粉煤氣化工藝技術(shù)。該工藝技術(shù)取消了投資較高的合成氣冷卻器(廢鍋)、循環(huán)氣壓縮機(jī)和高溫高壓飛灰過濾器，投資省且避免了廢鍋SGC結(jié)垢、積灰。

5.4 褐煤預(yù)干燥裝置要有足夠的余量

由于使用的煤種水含量較設(shè)計(jì)高4%～5%，使得預(yù)干燥能力不足，即使投用備機(jī)，預(yù)干燥裝置在冬季或設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)也曾導(dǎo)致煤氣化裝置供煤量不足減負(fù)荷，所以考慮到煤質(zhì)的不確定性和設(shè)備維護(hù)，建議新上項(xiàng)目氣化裝置配套的預(yù)干燥裝置要設(shè)計(jì)足夠的余量或預(yù)留位置。

6 結(jié)語

通過煤質(zhì)管理、操作優(yōu)化、設(shè)備治理、技術(shù)改造等一系列工作，Shell氣化爐的運(yùn)行狀況總體得到了改善，氣化爐的運(yùn)行負(fù)荷明顯提高，3臺(tái)氣化爐先后達(dá)到歷史最高負(fù)荷，已基本具備長周期穩(wěn)定運(yùn)行的條件；但與Shell氣化爐運(yùn)行先進(jìn)企業(yè)及與“連續(xù)運(yùn)行百日常態(tài)化”的目標(biāo)相比，有一定的差距，還有很多工作要做。氣化爐長周期穩(wěn)定運(yùn)行涉及到諸多因素，原料煤、工藝、設(shè)備、儀表、電氣、輸配煤、公用工程以及運(yùn)行管理等任何方面、任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能會(huì)成為氣化爐非計(jì)劃停車的誘因，因此氣化爐長周期穩(wěn)定運(yùn)行是生產(chǎn)管理水平的綜合反映，是技術(shù)與管理的綜合集成。本文僅是對(duì)所做的階段性工作做一介紹，希望能讓更多的人對(duì)大型廢鍋流程Shell干粉煤氣化爐使用褐煤的運(yùn)行情況有所了解，對(duì)褐煤清潔轉(zhuǎn)化工藝提供參考，對(duì)新項(xiàng)目的建設(shè)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(xiāng)，2005 年畢業(yè)于河南大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，大學(xué)本科，工程師，目前從事煤炭清潔利用方面技術(shù)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