大型煤制烯烃项目之壳牌煤气化装置灰渣残碳量高的原因分析及解决措施

大型煤制烯烃项目之壳牌煤气化装置灰渣残碳量高的原因分析
及解决措施
陈二孩;胡毅
【摘要】大唐多伦48万t/a煤制烯烃项目之壳牌煤气化装置以劣质褐煤为原料(国内壳牌煤气化装置中的首例),气化炉运行期间一度出现碳转化率偏低、灰渣中残碳量过高的问题.分析和研究了气化炉灰渣中残碳率过高的原因；采取了提高反应温度和压力、确保煤粉计量准确和气化炉内气流稳定；投用氧气预热器等技改措施.结果表明,由于提高了碳转化率和气化效率,气化炉灰中的残碳量由17％降低至2％,渣中的残碳量由5％降低至1％,达到了设计指标.
【期刊名称】《化肥设计》
【年(卷),期】2013(051)001
【总页数】3页(P46-48)
【关键词】壳牌煤气化装置;碳转化率;气化效率;灰渣;残碳量;原因分析,技改措施【作者】陈二孩;胡毅
【作者单位】大唐国际化工技术研究院有限公司,北京100070;大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司,内蒙古多伦027300
【正文语种】中文
【中图分类】TQ545
1 多伦煤制烯烃项目概况
大唐多伦煤制烯烃项目是大唐国际发电股份有限公司多元化发展战略规划中非常重要的项目，该项目利用锡林浩特东胜煤田的褐煤为原料，采用国际上先进的粉煤气化、气体变换、甲醇合成、MTP等工艺技术，最终生产46万t/a聚丙烯、18万
t/a汽油及其他副产品。

该项目煤气化装置采用壳牌干煤粉加压气化工艺技术，3套气化装置日处理干粉量为8 610 t，有效气体产量约为471 000 m3/h。

2 壳牌煤气化装置运行情况
2.1 灰渣残碳量过高
多伦shell煤气化装置自2010年12月开车成功，2011年6月进入生产运行阶段。

大唐多伦煤制烯烃项目3套壳牌气化装置在2011年运行过程中灰渣残碳量偏高，其中灰中残碳量达17.0%，渣中残碳量达3%以上，而设计的残碳量分别＜5%和
＜1%。

由于气化效率偏低、碳转化率低，造成气化炉运行成本过高，同时由于灰
渣中残碳量过高也给除渣和火炬系统带来诸多问题，给装置的安全运行带来隐患。

不仅如此，未发生反应的碳大量附着在飞灰过滤器的滤芯上面，造成过滤器压差大，滤芯的使用寿命大大缩短;颗粒＜3 μm的煤粉进入湿洗系统，增大了初步水处理的负荷。

2011年6、7月份2#、3#气化炉灰渣中残碳取样分析数据见表1。

表1 气化炉灰渣中残碳取样分析数据注:“—”表示没有取样分析序号取样分析日期渣中残碳/%2#气化炉 3#气化炉灰中残碳/%2#气化炉 3#气化炉1 06-19 7.8 3.64——2 06-25 11.56 0.32 17.02 —3 07-01 3.92 1.66 16.67 15.24 4 07-07 0.36 0.76 — 9.94 5 07-13 3.06 3.41 5.96 1.40 6 07-19 5.60 3.10 17.11 —7
07-25 2.79 4.00 7.04—
2.2 使用煤种情况
目前国内壳牌煤气化装置中唯有多伦煤制烯烃项目原料煤采用的是劣质褐煤。

多伦项目设计煤种为内蒙古锡林浩特东胜煤田的褐煤。

煤种煤质分析数据见表2。

表2 多伦项目设计和实际使用煤种煤质分析数据序号项目原料煤设计值原煤可接受范围值项目用煤煤质1 水分含量(收到基)，w /% 34.10 32.8 2 高位发热量
/MJ·kg-1 23.53 17.66 3 灰分含量(收到基)，w/% 11.22 ＜ 13 31.17 4 灰分(SiO2+Fe2O3)/Al2O3，w/% 3.01 ≥2.0 2.7 5 灰融点/℃ 1 287 ≤1 500 1 220
多伦项目壳牌煤气化装置使用的煤质与设计煤质偏差较大，煤种的发热量低、灰含量过高。

煤质差的主要原因是大唐锡林浩特东胜煤矿为露天煤矿，设计煤层为F6
层煤，由于该煤矿为新开煤矿，坑口面积小，造成灰含量偏高。

3 灰渣含碳量高的原因分析
2011年运行过程中灰渣中残碳量偏高，导致灰渣中残碳量高的原因有:①气化炉炉膛温度低，碳转化率低;②煤循环不准确，煤粉流速过大，停留时间短，反应不充分;③煤烧嘴未完全投用，炉膛流场不稳定;④氧气温度低，火焰集中，部分煤未反应;⑤操作压力低，气化强度不够。

其中导致灰渣中残碳量高的主要原因是气化炉
内炉膛温度低，煤与氧反应不充分所致。

3.1 气化炉炉膛温度偏低
炉膛温度低，大量的碳未参与与氧气的反应，造成灰渣中残碳高。

在激冷比为1.1的情况下，废热锅炉入口温度为530～600℃(壳牌炉经验运行值为630～670℃)，粗合成气中CO2的含量＜5%，远低于设计值10.23%;渣层较厚，约为5 cm，这表明多伦项目壳牌气化炉在2011年运行期间炉膛温度偏低，反应不充分。

3.2 煤粉计量不准确
壳牌煤气化装置的控制核心是通过氧煤比来控制气化炉炉膛温度和合成气成分，保证液态形式排渣。

控制方法是进入炉膛的氧气量不变，通过调整氧煤比来决定进入气化炉炉膛内的煤粉量，从而决定氧化反应深度，达到合适的气化炉炉膛温度和气
化效率。

氧气计量准确，但煤粉的计量误差大。

煤粉管线的稳定和测量的准确程度对炉膛温度和气化效率等起到至关重要的作用。

［1］
由于气化炉烧嘴与径向夹角为4°，煤粉喷入炉膛后，受到高速(接近100 m/s)氧
化剂的曳引、剪切和雾化，形成交叉射流后再以锥形射流的形式向炉膛中心扩散，在气化炉中心形成切圆(见图1)，在烧嘴根部形成回流以有利于煤粉的稳定着火和
燃烧。

多伦项目气化炉运行期间煤管线中煤粉流速远大于7 m/s，造成停留时间短，反应不充分且煤循环不准确、6条煤线的煤量差别大，使气化炉内反应介质的速度场分布不均匀，从而造成燃烧不充分，气化效率低。

停炉后检查，发现6个烧嘴
下方的渣层厚度不均匀。

图1 多伦项目壳牌气化炉烧嘴平面布置示意
3.3 煤烧嘴运行不稳定
Shell气化炉烧嘴为水平对称布置，以保证煤粉颗粒的运动轨迹为螺旋状上升过程，从而使燃烧反应充分，增加炉内停留时间。

2011年多伦项目壳牌气化炉6条烧嘴的同时在线率偏低，导致气化炉膛内气流不均匀，发生偏流，燃烧不均匀，灰渣中残碳量高。

3.4 氧气温度低
设计进入气化炉中的氧气为180℃，多伦项目运行过程中没有投用氧气预热器，
这会造成火焰中心的温度高而炉内其他位置的温度偏低、渣中残碳偏高。

同时氧气温度低也会造成实际氧煤比偏少。

4 解决措施
4.1 提高反应温度和压力
提高氧煤比可以提高气化炉膛的反应温度，温度高反应速度快，且对正反应有利。

氧煤比的提高也会使废锅入口温度升高、小区蒸汽产量增大。

增加气化炉的运行压力有助于气化反应强度的提高，碳的转化率高，气化效率高。

4.2 确保煤线计量准确
重新做煤循环，保证所有煤线的入炉煤量一致，使气化炉的气流场均匀;单烧嘴的
氧煤比控制准确，保证所用煤线都投入运行，负荷一致。

炉内气流稳定，碳和氧气能够充分接触燃烧反应，提高气化效率，减少灰渣残碳量。

4.3 投用氧气预热器
氧气预热器的投用不仅能减少煤烧嘴的腐蚀，增加其使用寿命外，还可以使气化炉内整体的反应温度增加，能保证实际进入气化炉内的氧气计量准确。

5 改造后运行效果
通过采取以上措施后，多伦项目壳牌气化炉灰渣中的残碳量降至设计范围之内。

灰中残碳量＜2%，渣中残碳量均小于1%。

6 结语
从原料和实际运行的方面对多伦壳牌气化炉灰渣中残碳量高的情况进行分析和研究，并采取针对性的措施，实现了灰渣中残碳量达标的目的，灰渣中的残碳量由原来的最高17%和5%减低至目前的2%和1%左右，避免了大量资源的浪费，又为项目
的稳定安全运行节省资金和时间。

参考文献:
［1］陈二孩，岑涛，马江涛，等.试论Shell煤气化装置煤粉管线的稳定性［J］.
化肥设计，2009(5):26-28.。