美国大平原气化工程

第2期煤质技术2015年3月煤化工美国大平原气化工程忻仕河(北京满世能源化工研究院，北京100013)摘要:介绍了美国大平原煤气化厂的建设发展历史、主要设计数据及性能保证、生产运行情况、.煤制天然气定价机制，从多效蒸发浓缩液焚烧处理、变换装置、低温甲醇洗装置、硫回收装置等方面探讨了开车初期暴露出的问题及改进措施，并从煤质数据、装置负荷率、产品品质、能源转化效率等工厂主要运行数据重点分析其生产运行情况，以供国内设计、生产运行人员参考。关键词:鲁奇气化;煤制天然气;设计数据;性能指标;能源转化效率中图分类号: TQ54文献标识码: A文章编号: 1007-7677 (2015) 02-0001-05Gasification project of Great plains in AmericaXIN Shi-he :(Beijing Manshi Energy Chemical Research Instiute, Beijing 100013, China)Abstract: This paper introduced the developing history， main designing data and performance guarantee, production anoperation circumstances and pricing mechanism of SNG of Great plains coal gasification plant, from aspects such as incinerationtreatment of multiple effect evaporating concentrate, transition of equipments, methanol wash process in low temperature,sulfur recovery equipment, the problems in initial periods on-stream and the improving measurements were discussed, anmoreover, from the main operating data like coal quality data， loading rate， production quality, energy transformationefficiency, the operation circumstances were analyzed, which could be the reference for domestic designing and operating staff.Key words: Lurgi gasification; SNG; designing data; performance indexes; energy conversion eficiency随着国内大唐克旗煤制天然气项目的投产，项包整个工程，并由Kaiser Engineers 负责施工;目暴露出一些问题，国内专家就是否应该发展煤制Woodward Clyde负责项目的环境研究和环评; Sa-天然气产业展开了大讨论，笔者发现业内对全球首sol担任工程的主要顾问，负责煤的试烧、工艺包个煤制天然气项目一--美国大 平原气化工程缺乏全设计的审查、编制操作和维修程序;CH2MHill面的了解。为了使业内人士对煤制天然气有一个更协助进行水系统和废水处理技术的研究开发; Or-清晰的认识，以下对美国大平原煤制天然气项目作baCorp负责审查KaiserEngineers公司备煤系统一个全面的介绍。的设计。大平原煤气化厂位于北达科他州俾斯麦市东北1工厂建设发展历史[1,2]75英里处，在Mercer县Beulah镇附近，工厂占美国大平原煤气化厂(Great plains Coal Gasi-地面积约一平方英里。北达科他州拥有丰富的褐煤fication Plant)为世界上第一座由煤气化经甲烷化资源，其储量占美国褐煤储量的23。工厂紧邻合成高热值天然气的大型商业化工厂。该项工程由Basin Electric Power (BEP)公司建设的发电厂，American Natural Resource (ANR)于20世纪70该发电厂装机容量2x44万Kw,双方签定协议，年代初提出，第一期工程的设计能力为日产代用天气化厂将筛下的粉煤供给BEP电厂锅炉，电厂向然气125百万标准立方英尺(按Streamday，日产气化厂提供电力，两厂共用供水工程、铁路专运线137. 5百万标准立方英尺)。项目总投资约为21亿和公路等公用设施。美元(1984年美元值)，包括全部的工艺设备、公大平原煤气化厂经过了长期的运筹和策划。用工程(电力除外)、罐区、建筑物和环保辅助系1974年在南非萨索尔完成了北达科他褐煤的工业统。由C- E Lummus和Kaiser Engineers协作承化试烧试验，得到了关键结论和设计数据; 1975第2期煤质技术2015年3月年3月, American Natural Resource (ANR)的子术，计划2017年投产(0]。公司Michigan Wisonsin Pipeline Co向联邦能源电2工厂的主要设计数据及性能保证[4,5]力委员会提交文件拟建设日产250MMSCFD(日历日) SNG的Lurgi 煤气化工厂，ANR成立工厂以14台MarkIV型Lurgi干法移动床加ANG Coal Gasification Co子公司投资运营该厂。压气化炉为中心，包括备煤、空分、煤气化、煤气1975年5月Lurgi公司负责的7个工艺单元开始初变换冷却、低温甲醇洗、甲烷化、产品气的脱水干步设计; 1976年在评估了项目的财政困难后，决燥和压缩、煤气水分离、煤气冷凝液处理(包括溶定一期只建设日产125百万标准立方英尺SNG,剂脱酚、氨回收、多效蒸发)、火炬系统等单元。等一期达到满意的运行结果后再建设第二期。1978天然气管道长57.9 km，外径610 mmn,设计压力年1月，能源部担心私营企业没有能力获得财政支9. 93 MPa,管道两端都设计量站。持建设该项目，于是召集32家最大的天然气公司设计煤质数据见表1。开会，建议成立至少5家公司的联合体来建设该项表1美国大平原煤气化厂的设计煤质数据目。1978年春天Michigan Wisonsin Pipeline Co联项目数值合另4家公司成立了Great Plains Gasification As-M/%34.3sociations (GPGA)投资建设运行该项目，同时项FC./%28.8目得到美国能源部的全力支持成为工业示范项目。工业分析V./%27.41981年8月里根总统同意支持该工程15. 5亿美元A。/%9.5的贷款担保，1982年1月能源部签署最终贷款担HHV (Btu/lb)6744保书。项目于1981年开始建设，1983 年10月调Cav/%72.9试，1984年7月20日首次将产品气送入输气管Hae/%.6Oas/%19.8道，1984 年11月双系列投运，1985年春代用天然元素分析Na1%气产量达到设计指标。1985 年8月，由于天然气Sa1/%.3价格低廉，工厂亏损以致无法偿还贷款，GPGAClasV%0.02的股东通知能源部终止参与该项目，双方多次谈判T/C1 199未果，最终由能源部接管该厂，并由ANG负责工灰熔融性T2/C1 208厂的运行。1986年2月能源部决定出售该工厂，TsC1 210前提条件是买家必须保证该厂的长期运行。1987年10月共有9家公司提交了报价，经过深入谈判,美国大平原煤气化厂的主要设计数据如图1所1988年10月美国能源部以8500万美元的低价及示。收益共享的条件将该厂卖给了BEP。工厂设计性能保证如下:BEP公司为了提高项目经济效益、开发新产①SNG产量:日产125百万标准立方英尺;品和适应环保的要求，累计投入8.34亿美元。先②SNG产品气质量:后增加了酚精制、从空分装置分离惰性气体氪和高位热值一-970Btuv/ SCF (dry);氙、锅炉烟气氨法脱硫单元、锅炉烟气静电除尘单CO2含量≤1. 65%;元和CO2压缩输送单元(出售CO2气体给加拿大H2含量≤6. 5%;油田提高采油率)、焦油(中油)精馏装置，同时③原料煤能源转化效率(SNG+焦油+中油+去掉了一些运行中不稳定的单元，1996 年又建成石脑油+粗酚的热值) /原料煤的热值≥76%;了日产1 000 t合成氨装置。目前工厂运行良好，④去甲烷化的净煤气硫含量小于0.2ppmv;2013年大平原气化厂获得ACC ( The American⑤酚回收后煤气水残留酚小于30ppmw(根Chemistry Council)颁发的废物最少化、循环再利据一些文献提供的运行数据，应该是指单元酚);用奖，是3家获奖单位之一。⑥气化炉氧耗小于0.37磅/磅煤(daf);2014年7月，大平原气化厂开工建设日产⑦气化炉蒸汽消耗小于1.90磅/磅煤(daf);1100t大颗粒尿素装置，采用Stamicarbon尿素技⑧满足所有的环保排放要求。2第2期煤质技术2015年3月泄压高低压煤锁气去锅炉_9053Nm/h 煤锁充压13157. 6Nm/h废锅循环去喷淋洗绦煤气水I硫回收4.525th-硫磺84.141t/h| 10845Nm2/h 212113Nm/h[甲醇7 0.64/h煤S30.7/h[39808053Nmh、 |L合成间歌运行(给低温甲醇洗提供甲醇)75410Nm/h氧365390 Lupi 183919变换 211314620822.低温1 39695J田2川压缩1 162232气化Nm/hNm/Nm/h甲醇洗Nmh甲烷化 干燥 mih 5-去管网产品气(3.8MPa,355C)T265.3th貪35.59| |其它 309.8thth 27.2Vh41.96thS6.7Uh煤气水石脑油Co, 167408Nm'hn液氨内循坏煤气水分离煤锁气洗涤5.43th(含20%的水分灰渣) L含尘焦油?重焦油(.8%的水)其中轻焦油9.45t/h(含21%的尘)h空主合8.8%炉685Nm/h液氨(含水0.5%) .4.63th酚氨7509th废水到循发水到街同妆99.50%3.425th, 640Nm/h粗酚I 硫回收图1美国大平原煤气化厂主要设计数据性能考核时间要求:开车后2年内完成连续艺。72 h运行，满足上述性能指标。(4)硫回收装置。Streford 硫回收工艺处理高3生产运行情况[5-刀]CO2含量的富H2S酸性气，硫回收效率低，环保不达标，改为该酸性气直接送锅炉燃烧然后氨法烟3.1开车初期暴露的问题及改进气脱硫处理。大平原建议类似的项目硫回收采用克工厂开车后暴露出的主要问题包括低温甲醇洗劳斯+尾气处理工艺。净化气碗含量严重超标，硫回收单元不能正常运(5)任何含H2S或有机硫的废气必须在锅炉行，用来焚烧多效蒸发浓缩液的焚烧炉机械故障太或其它焚烧装置进行焚烧处理，直接放空会产生恶多，全厂气味较大。针对开工初期暴露的问题，主臭气味。要改进如下:(6)由于酚氨回收后的水直接作为循环水补(1)多效蒸发浓缩液送气化炉焚烧处理。运水，冷却塔除了冷却外，还要生化降解有机物。由行表明气化炉不仅可以很好地处理含尘焦油，而且于水中仍含有较浓度较高的焦油/油，必须对换热多效蒸发浓缩物、生化处理产生的污泥均可送气化器进行定期检修。炉处理，对气化炉也没有不利的影响，因此去掉了(7)为了提高气化炉的生产能力,减少带出焚烧炉。物，降低煤气出口温度，缩短了气化炉的波斯曼套(2)变换装置。走旁路的煤气和变换后的煤气简。分别独立设计了冷却系统，由于煤质的变化，粗煤截止2013年，全厂的气味主要来自浊循环冷气中的H/CO比设计值偏高，致使旁路的换热器却塔逸出的氨味，因为酚氨回收后，煤气水中的氨冷却能力不够，变换气换热器的冷却能力过剩，通约800ppmv直接作为循环水补水，2014年拟对过增设气量调节管线解决了上述问题。Phosam- W氨回收装置进行改造，提高氨回收(3)低温甲醇洗装置。出低温甲醇洗净煤气硫率[8。含量超标，经查找原因是因为热再生塔产生的精甲3.2工厂 主要运行数据醇含有微量的硫醇，硫醇的存在既影响了精洗段3.2.1煤质数据H2S的吸收，也增加了净煤气中的总硫。经过对.表2。美国大平原1985年全年原料煤的分析数据见热再生塔增加氮气空气气提，可使净煤气中的总3.2.2装置负荷率硫低于0.05ppmv。另外，大平原气化厂低温甲醇大平原气化厂装置的实际运行负荷见表3。洗采用CO2和H2S非选择性吸收工艺，大平原建3.2.3产品的品质议对硫含量高的煤采用CO2和H2S选择性吸收工1985年三季度大平原气化厂生产SNG的质量第2期煤质技术2015年3月，及其副产品的质量分别见表4、表5。表5中，由有第四季度的详细运行数据，以下以第三季度的运于煤中硫含量较高，实际上其副产品中主要是有机行数据进行计算(表6)。硫，如硫醇、硫醚和噻吩等。如果按照现在的发电效率和工厂自建热电装置，采用鲁奇炉制天然气的效率应该还可以进-步表2美国大平原1985年全年原料煤分析提高。全年平均值范围目前大平原气化厂主要产品的产量如下:年产M./%32~39约12亿方天然气、40万t液氨、12700 t精FCJ %29. 6624~31酚、13 600 t杂酚(Crude cresylic acid)、3 180万V./%27.9724~30工业分析A./%3~11 .升石脑油和2 000万升燃料油(焦油加工成6号燃Ss./%0. 580.3~1.3料油)5)。HHVs (Btuv/Ib)6 9925 720~7 6504煤制天然气定 价机制[1Cas/%76. 0571~80元素分析Hsas/ %4. 624.0~5.2大平原气化厂生产的天然气根据协议出售四家Nes/%0.810.3~1.2管道公司(实际上都是GPGA的合作方的子公Sur/%1.010.5~2.2灰熔点软化温1 2651 166~1 371司)，根据供气协议SNG的价格做如下规定，即以(氧化)度/C(第三季度) (第三季度)$6. 75/ MMBtu (1981 年1月1日的美元值)为基准，随着劳工局统计的等热值2号燃料油价格和生表3大平原气化厂装置实际运行负荷产价格指数的变化按季度调整，并设定上限。上限设计负荷的百分敷D设定如下:时间预计实际①投产的前5年SNG的价格不能超过不受政1984年下半年25%28. 90%府管制的等热值2号燃料油的价格;1985年上半年68%68. 20%②第6年到第10年，可以比管道公司支付的1985年下半年72%92. 80%气田天然气的平均气价或者比从加拿大、墨西哥进1986年上半年75%100%口的天然气平均气价高些，但不能高于10%，且1986 年下半年79%98. 70%1987年上半年82%104. 70%都不能超过不受政府管制的等热值2号燃料油的价1987年下半年86%100. 80%格;1988年1月105. 70%③10年以后，与市场价格接轨;如果10年1988年2月103. 40%后，民用天然气价仍受政府管制，则不能超过从加1988年3月100. 70%拿大、墨西哥的进口气价。1988年4月106. 60%1984年7月28日到1984年12月31日,1988年5月102. 70%1988年6月103. 50%SNG的实际售价在$5.69-6.1MMBtu波动。1988年7月46. 90%1985年7月劳工局停止发布2#燃料油的统计价1988年8月86. 90%格，修改定价机制成为必然，ANG 坚持从1985年1988年9月98. 10%7月到1985年年底SNG的价格以$5.37/MMBtu1988年10月103. 90%进行结算(基于6月份公布的2号燃料油统计价①设计负荷: 137. 5MMSCFD,即日产SNG 137.5 百万标准格)。1985年9月，ANG向4家管道公司提出新立方英尺;②1988年7月和8因甲烷化装量发生著火事故影响的定价机制，即根据劳工局最后-次公布的2号燃负荷。料油统计价格，根据生产价格指数的变化按月调整3.2.4能源 转化效率气价。尽管只有1家管道公司同意新的价格机制,设计性能保证中只要求原料煤的能源转化效美国能源部(DOE)仍然指示ANG从1986年1月率，即:(SNG+焦油+中油+石脑油+粗酚的热起按新的价格机制结算。新的价格机制SNG的价值) /原料煤的热值≥76%。文献提到1985 年第格波动非常大，1985年7月到12月每MMBtu三季度该值为72%，第四季度为75.8%，由于没SNG的价格在$5.02到$6.27之间波动，19864第2期煤质技术2015年3月年每MMBtu SNG的价格在$5.71到$2.56之间原气化厂生产的SNG的季度平均售价-直高于全波动。自1985年8月份到1988年10月份，大平美天然气的平均市场价格。表4 1985年三季度大平原气化厂生产SNG的质t月份高位热值(BtuV SCF)N2/%CO2/ %H2/%.CH4%.COV%H2S/ ppb7月957. 470.944.1394. 45.<<0.01.<50，8月953. 630.111. 384.7593.43<0. 01<509月964. 410. 150. 763.2795. 46< <0.01平均958. 500.101. 034. 0594.45表51985年三季度大平原 气化厂生产副产品的质量石膪油焦油中油混合物热值(Btu/1lb)硫含量/%热值(Btuv Ib)殖含量/%热值(Btuv/ Ib)17 0101. 3913 7300. 0816 3920.46417 3251.413 825.0. 07416 22517 2251.313 7750.1416 5380.4517 1871.37 .13 77716 3850.44表61985 年三季度大平原气化厂效睾计算输入消耗(产出)总量单位热值总热值/MJ原料煤(ST)12997777036. 7 Btu/Ib19294527998电(kwh)1535030903. 6MY kwh1625326835输出SNG (MMSCF)11 355. 65958.5 BtvV sef11483032004石脑油(Gals)43 78517 187 BtvIb5525179. 016酚(Gals)91 91613 777 Btu/ Ib12039942. 21焦油+中油(Gals)329 91516 385 Btv Ib47588649. 42全厂能源转化效率/ %55. 20原料煤能源转化效率/ %72. 10注: 1)都是利用高位热值计算，采用低位热值计算效率要低于高位热值计算的效率; 2) 1ST=0.907 r, 1Bu=1.055 KJ, 1Gal=3.785L，1SCF=0.028 316 m', lb=0. 453 59 kg; 3)副产品的密度取设计数据，石脑油: 0.843 g/ml,酚: 1.08g/mL, 中油: 0.953 gmL,焦油: 1.03g/mL,由于文献中没有单独的中油和焦油量，因此假定中油焦油混合物的密度为1 B mL; 4)副产品输出量是除锅炉燃料外，净剩余量; 5)电按设计文件发电效串34%折算能量消耗; 6) 锅炉除了烧副产品外，还烧了一部分产 品SNG和气化炉泄压煤锁气，表中SNG产量是指实际送管道的气量，三季度烧掉产品SNG 916. 35 MMSCF,泄压煤锁气2216460 000 SCF.大平原多效蒸发的浓缩液送入气化炉燃烧，而不5结是深井注射，深井注射的仅为净循环水系统的浓针对目前有关“大平原煤制天然气颐目的排水。CO2捕集率最高50%，工厂把多效蒸发浓缩液注要客观分析大平原工程的得失，吸收其精华去入深井”的片面言论，笔者纠正如下:大平原煤其糟粕，特别是在技术及环保方面的改进，不要重制天然气项目目前输送到加拿大油田的CO2量约复犯大平原的错误。国内采用鲁奇煤气化技术的煤占化工生产产生CO2量的50%，化工生产产生化工项目在设计、运行管理水平等方面与国外还有的COr均来自低温甲醇洗100%捕集，不是最高捕集50%，只是卖给加拿大的约占50%，其余-定的差距，所以国内在采用鲁奇气化建设煤化工的放空，新增的尿素装置还能利用一-部分COz;(下转第48页)5第2期煤质技术2015年3月来煤煤种、煤质特性以及供货商诚信度等因素，将面地规范制样和化验全过程。从改造现有的机械来煤情况分成几类进行制定。制样方案的制定应考采样设备，使之在获取留样时直接缩分出所需备虑到煤的水分、粒度以及样品量等因素。不管何种查样品;在制样过程中，按原有要求留存3 mm采制样的方案，均应重点关注偏倚和过程中的全水备查样;样品制备完成后，在制粉阶段直接分出分变化。0.2 mm存样。在定期的抽检工作中，应将采样燃煤采样、制样、化验的操作均应按相关的国机留样、3mm备查样和0.2mm存样成对抽出，家和行业标准进行规范。重新编码进行检测;对于检测的3个结果，连同原样的测试结果一起，除全水分外，全部折算成4燃料验收的 监督工作干燥基结果进行统计。同时统计的信息还包括在目前燃料验收的监督工作主要包含现场监督、采制化过程中的设备、人员、方法等信息。最终视频监督以及样品抽检。样品的采集过程应通过监将验证样品从采样后的制样和化验全过程，并通督来控制质量，监督的重要方向应为既定的采样方过对数据的集中分析，从而可以发现在整个制样案是否获得落实，采样过程中的操作是否规范。同化验过程中各环节出现的问题，并最终根据分析时应加大在卸煤过程中对煤炭的监督，现有固定车的结果规范制样化验过程以及制定下一阶段的抽厢的机械采样设备往往都存在盲区，故需要对装车检方案。的盲区开展人工补采，并对补采的样品单独进行制5结语样化验，将数据与日常验收的结果进行比较，并作统计分析。通过以上所列方法，对燃煤到厂验收进行规制样过程存查样及其抽查抽检工作，是煤炭验范，可有效排除燃煤验收过程中的人为因素，及时收过程监督的一个重要方面。正常情况下，燃料监发现并解决技术漏洞问题，减少电厂燃料验收过程督人员会定期抽查制样过程中留存的3 mm备查中的各种偏差，促进社会公平公正。样，并对此展开严格的管理，但3 mm备查样的抽检工作往往只能找出3mm后的制样和化验阶段的作者简介:秦岭(1982-)， 男，江苏扬州人，高级工程师，总偏差，不能详细地对制样和化验各环节中存在的现任华电电力科学研究院、中国华电集团公司煤炭质检计量中心燃料应用技术部主任，从事锅炉燃烧、煤炭技术相关研究工作。人为或技术问题精确地反映。此处提出全新的样品存查和抽检方法，以全(收稿日期: 2014-12-19)(. 上接第5页)4]Great plains coal gasification plant public design report项目时，更应该认真地去研究大平原煤气化厂的经[R], July 1985.验和教训，把好的设计改进经验应用到项目中去，[5] R. C. Delanery et. Great plains coal gasification plant而不是片面地放大该工程曾出现过的一些问题。希technical lessons learned report [R], Nov 1988.望以上信息能给政府部门、生产企业和设计院等各6] Great plains coal gasification project quarterly techni-cal progress report [R]，DOE U. s., 3rd quarter方面人员就煤制天然气产业提供一个评价和再认识1985.的素材。7]Practical experience gained during the first twenty参考文献:years of operation of the Great Plains Gasificatin andimplications for the future projects [R]，April 2006.[1] An overview of DOE’s Ownership and Divestiture of[8] Great Plains Dakota Gasification Company, 2013 Re-the Great plains Project [R]，GAO/RCED- 89 -sponsible care performance report [R], 2013.15[2]Status of the Great Plains Coal Gasification Project作者简介:忻任河(1972-), 男，河北张家口人，工学硕士,高级工程师，目前主要从事煤气化技术及煤化工项目的技术经济研[R], GAO/RCED - 87 - 90FS, Feb 1987.。[3] Great Plains Synfuel Plant North dakota. http: //www. dakotagas. com/ Companyinfo/ index. html.(收稿日期: 2015-01-02)48