SHELL气化炉的工艺特点及现存问题

SHELL气化炉的工艺特点及现存问题
本文主要介绍了shell粉煤加压气化工艺的特点以及在运行过程中出现的问题。

经过分析得出:shell工艺在煤种稳定的前提下,煤种适用范围才能广泛。

但大部分shell气化炉用户无法满足此要求。

壳牌气化炉在运行过程中,存在堵塞、堵渣、积灰、磨损和磨蚀、烧嘴罩泄露等问题需待解决。

标签：shell气化炉工艺特点存在问题
0 引言
随着我国经济持续快速稳定的发展,对能源的需求量逐年增加。

而我国能源结构缺油、少气、多煤。

据统计,我国一次能源消费中煤炭约占75%,在今后相当长的一段时间内煤炭仍是我国的主要能源,本世纪初,国家已经把煤炭的高效,洁净利用技术作为煤炭资源的利用的主要手段。

因此,各种先进的煤气化技术在我国均有应用业绩。

为了保护环境,拓宽原料煤种的范围,提高煤炭的综合利用效率,增加气化炉的单炉生产能力,降低煤耗和氧耗,保证气化炉安全稳定运行,国内外研究人员先后成功的开发了一些列先进的煤气化工艺技术,具有代表性的主要有,鲁奇加压固定床气化(Lurgi)工艺,干法粉煤进料的加压气流床SCGP(Shell)气化工艺和Texaco、GSP工艺,常压流化床气化(灰熔聚)工艺。

上述几种煤气化工艺中,Shell 粉煤加压气化工艺其技术经济性具有明显的优势和较强的竞争力,我公司采用了Shell煤气化工艺。

1 Shell气化原理及技术特点
原料煤经破碎机破碎后在热风干燥的磨机内磨制成100%<100m的煤粉,由粉煤贮罐,经粉煤喷吹罐,进入给煤罐,再由高压载气N2或者CO2送至气化炉喷嘴。

来自空分的高压氧气经预热后与过热蒸汽混合送入喷嘴。

煤粉、氧气和蒸汽在气化炉高温高压的条件下(气化温度约1400～1600℃)发生碳的部分氧化反应(碳转化率高达99%以上),生成CO+H2大于85%的高温煤气及一定量的飞灰,经废锅回收热量、干法除尘和湿法洗涤后的粗合成气送后序工段。

干法气化工艺具有如下技术特点:
1.1 采用干煤粉进料,加压N2/CO2输送,连续性好,气化炉操作稳定。

1.2 煤种适应性广,从褐煤、烟煤、无烟煤到石油焦均可气化,对煤的活性几乎没有要求,高灰熔点、高灰分、高水分、高含硫量的煤种同样也适应。

1.3 气化温度约1400～1600℃,碳转化率高达99%以上,产品气体洁净,不含重烃,甲烷含量极低,煤气中有效气体(CO+H2)达到85%左右。

1.4 氧耗和煤耗低,与水煤浆气化工艺比较,氧耗低15～25%,原料煤消耗降低10~15%,因此可降低配套的空分装置投资费用
1.5 单炉生产能力大,目前已投入商业运行的单台炉操作压力4.0MPa,日处理煤量已达3000吨。

1.6 热效率高,原煤能量的77～83%转换在合成气中,而水煤浆气化工艺的能量转换率只有76%。

约15%的能量被回收为蒸汽,总热效率为98%左右。

1.7 气化炉采用水冷壁结构,以渣抗渣,无昂贵的耐火砖衬里, 维护量较少,气化炉内无传动部件,运转周期长,而水煤浆气化工艺气化炉耐火砖的费用昂贵。

干法工艺气化炉运行安全可靠。

无需备用炉。

1.8 气化炉烧嘴及控制系统安全可靠。

采用多喷嘴加料(4~8只),喷嘴的设计寿命可保证达到8000小时,气化装置可以长周期运行。

Demkolec电厂使用的煤烧嘴4年中未出现问题,工艺操作采用先进的控制系统,自动化程度高,设有必要的安全联锁,使工艺操作处于最佳状态下运行。

1.9 单位重量的原料煤可以多产生10%的合成气,合成气中的有效气体成份(CO+H2)高达94%左右。

1.10 开车灵活壳牌气化炉为水冷壁结构,开车时在建立锅炉给水循环系统后经开工烧嘴点火就能很快达到煤气化的要求温度,一般仅3～4小时就可投入正常运行,灵活便捷。

1.11 环境影响小炉渣和灰可用作水泥渗合剂或道路建造材料。

气化炉高温排出的熔渣经激冷后成玻璃状的颗粒,性质稳定,对环境几乎没有影响。

气化污水中不含酚、氰、焦油等有害物质,仅排出少量含盐量高的澄清水,水中含氰化物少,容易处理,可做到零排放。

2 shell气化技术开发历程
2.1 粉煤气化第一代干法粉煤气化是常压K-T炉。

目前在南非和印度等国仍有部分装置在运行,因其在常压下运行,该气化技术已基本停止发展。

二代干法气化工艺,即干法粉煤进料加压气化技术的开发研究始于80年代。

最先由荷兰的Shell公司和西德的Krupp-koppers合作开发Shell-Koppers气化工艺,第一套投煤量6t/d的小试装置建在荷兰的阿姆斯特丹,主要用于发电,目的是研究Shell-koppers煤气化工艺的基本原理、测试原料处理方式及不同煤种的气化行为,共进行了21种原料煤的气化实验,累计运行13000小时。

1978年又在西德的Harburg建成一套投煤量为150t/d,操作压力3.0Mpa的试验装置,共进行了6000多小时的运行试验,其中包括1000小时的连续运转,完成了工艺开发和过程优化任务。

主要工艺特点是密封料斗进煤和粉煤浓相輸送技术。

气化炉为立式压力容器,
炉内采用水冷壁结构,煤烧嘴位于气化室中下部,烧嘴二个一组对称布置。

2.2 SCGP气化工艺1987年Shell公司在美国的休斯顿附近Deer Park建成了一套投煤量为250~400t/d示范装置,主要任务是验证SCGP工艺技术,包括工艺特性和设备可靠性,开发工业化生产的操作运行经验,试验各种煤种的适应性。

该装置累计运行15000多小时,其中连续运转时间为1500多小时,共试烧了褐煤、次烟煤、烟煤、石油焦等不同水分、灰分、灰熔点的16个煤种,为工业化生产装置提供了可靠的依据。

经对各种煤气化工艺的技术经济性进行详细的分析、研究比较,荷兰国家电力局采用SCGP工艺于1993年底在Demkolec南部的Buggenum建成了一座发电能力为300MW的煤气化联合循环发电装置,气化装置的设计能力为单炉投煤量2000t/d,气化压力为2.8Mpa。

生产运行的结果表明:SCGP工艺碳的转化率高达99%以上,生产负荷可在40~100%之间进行调整,气化装置的运转率在95%以上。

SCGP粗煤气的主要组成如下:
SCGP粗煤气的主要组成
组分CO H2 CO2 CH4 N2+Ar H2S+COS
V ol%65 30 1.6 <0.1 2.5 0.9
SCGP气化工艺的流程如图1所示:
3 shell煤气化技术在应用过程中出现的问题
Shell在国内已有22套应用业绩。

已经开车的shell气化炉有15套。

中国用户积累了很多运行经验的同时,shell气化炉也存在着许多急待解决的问题。

针对shell炉子进行分析和总结和交流,以便更快、更合理的找到解决办法。

3.1 煤种适应性,对灰熔点灰份无严格要求的问题。

第一,目前已投产的大部分shell气化炉均添加适量的石灰,或者烧低熔点煤粉。

对于灰熔点大于1456℃以上煤种,则必须添加石灰,否则造成温度太高,易把气化内的水冷壁、烧嘴罩等内部件烧坏。

炉温达到1700℃时,无论是水冷壁还是喷嘴,寿命都无法保证。

第二,要求煤种必须稳定,否则,气化炉温度太高,水冷壁上挂的渣都熔融掉流下来,温度太低又挂不上或不均。

第三,灰渣的粘温特性必须好,因气化炉是液态排渣,完全是靠渣重力自流到渣池中。

不同于德士古气流把液态渣带到水中。

在1450℃,其粘度应小于25~40pa.s排渣顺利,否则,易堵渣口或在池中结成大块,造成无法排渣停车事故。

3.2 煤气的冷激问题shell炉子上升气体温度大约1400℃以上,其中夹带着20～30%的飞灰。

若这些飞灰被煤气带到气化炉顶部会在顶部过热器上结成大块,使气化炉顶部阻力大无法继续运行。

采用的办法是用200℃的煤气和热煤气按1:1～1:1.5的比例进行激冷,使之降到900℃左右,实现它是靠大功率的循环压缩机克服<0.2MPa的压差,并对气体要求严格,气体中夹带的飞灰则易磨损或堵塞,炉子此处直径为3000mm,要求混合均匀。

3.3 煤的输送计量问题shell炉子采用干粉煤进料,要求磨煤系统将原料煤研磨到100μm以上,此时原料煤具有液体易于流动的性质,但和液体又有区别,一是有细煤粉颗粒会造成设备和管道磨损,二是分密相浓度,三是沉降。

由常压到2.8MPa加压,有锁斗,许多程控阀来回切换,因此阀门、管道的磨损比较严重;防止沉降堵塞,在许多地方有金属烧结的陶瓷用高压N2将其流化,易出问题;因为煤粉有密相稀相,计量方法和液体不同,瞬时流量不稳定,误差较大,影响操作。

因为氧气、蒸气易于计量。

其三者比例是主要控制参数,直接影响到炉温、挂渣、消耗等。

3.4 除灰问题Shell采用陶瓷干法除尘,DN4750mm设备内部500多根过滤管,气体流动,陶瓷管内高压气通气反吹,因此断裂损坏易发生,合成气中飞灰远大于1PPm,直接影响到冷激气循环机的运行和耐硫变换催化剂使用寿命。

4 结论
Shell气化炉有着自己的技术优势,煤种稳定的前提下,煤种适用范围才能广泛。

但大部分shell气化炉用户无法满足此要求。

壳牌气化炉存在堵塞、堵渣、积灰、磨损和磨蚀、烧嘴罩泄露等问题。

针对相关的问题,shell公司与各家用户积极合作,做了很多研究工作,取得了很多的运行经验。

目前最长连续运行73天,一般在30天左右。

Shell气化炉的连续运行时间在逐步增加,但是用户为此也缴纳了高额的“学费”。