Shell粉煤气化装置主要运行问题的分析

第3期(总第148期)煤化工No.3(Total No.148)2010年6月Coal Chemical IndustryJun.2010Shell粉煤气化装置主要运行问题的分析徐国壮周红军周广林崔隆起(中国石油大学(北京) ,北京100220)摘要为解决Shell粉煤气化装置运行中存在的问题,根据工业运行经验并结合实验室研究成果，分析了煤种、粉煤加乐进料及粉煤气化控制对Shell 粉煤气化装置运行的影响,并进一步探讨了煤种优化选配、粉煤稳定加压进料及粉煤气化优化控制的具体措施和研究方向。关键词Shell 粉煤气化运行问题文章编号: 1005 -9598 (2010)-03-0015-05中圈分类号 :TQ545文献标识码 :AShell气流床粉煤气化技术(SCGP)是第二代先并探寻解决方法,有利于开好.开稳SCGP装置,充分进的粉煤气化工艺,具有煤种适应性较广,运行周期发挥SCGP装置的经济效益，积累粉煤气化工业生产长,单炉生产能力大,运行和维护费用低,环境效益好经验,增强我国煤化工自主研发能力,促进我国煤化等优点。目前国内已有19套煤气化装置与壳牌签约，工相关产业健康发展。采用SCGP工艺生产合成气。双环、安庆、岳阳、枝江、柳州、永城云沾化、云天化及神华等企业的SCGP装1问题产生的原因置已陆续成功投料,并转入正常生产。由于SCGP工艺首次在中国应用，也是第一次在对于工业运行装置,工艺设计.工程施工、工艺控合成气生产领域应用,在试车及运行过程中遇到了诸制以及仪表设备状况等均会影响装置运行的稳定性。如:粉煤高压放料不畅;粉煤加压时间长;粉煤密相输仔细分析SCGP装置运行中产生的主要问题，不难发送不够稳定,输送能力不足;粉体关键设备、仪表、阀现这些问题主要集中在煤种的选配、粉煤加压进料以门易损坏;气化炉超温,煤烧嘴隔焰罩、水冷壁耐火材及粉煤气化控制这几个方面，而这几项也是SCGP工料和销钉易损坏;煤烧嘴频繁跳车;除渣系统易堵渣,艺技术的关键所在。捞渣机故障率高;合成气废热锅炉积灰较为严重;废1.1煤种的影响水处理系统运行不佳,严重时管道、塔罐被渣灰堵死Shell在汉堡的实验装置休斯敦的SCGP-1及荷等问题([4。此外,原料消耗较大,石灰石、煤、氧、水、兰的Demkolec 装置上,先后对大量的烟煤、褐煤、石电、氮及蒸汽等消耗定额明显高于设计值，如岳阳油焦及混合煤进行了试烧。不同原料的应用效果表SCGP装置最好煤种的原煤消耗也是设计值的明:几乎所有煤种都能在SCGP装置上气化,碳转化率107. 2%,达到0. 682t煤/10m有效气2。目前,虽然均在99%以上,但不同的煤种,气化条件相差较大田。岳阳SCGP装置连续运行取得了一些成绩(在较高负煤种不仅影响助熔剂、原煤、氧气的消耗定额,而且还荷下突破了100d),但相对于水煤浆气化,国内SCGP关系到冷煤气效率及能量回收。装置还未实现高负荷长周期运转。国内SCGP装置运行中，虽然对于物性相差较大分析和研究SCGP装置运行中产生的这些问题,的煤种,通过调整剂煤比(助熔剂与粉煤的质量比)、水氧比及氧煤比后,均能在同一套装置上气化,但发现使用不同的煤种.煤线稳定性相差很大。如岳阳装收稿日期:2010-01-05作者简介:徐国壮(1974-),男,1994年毕业于华东理工大置在中国煤化工,易磨碎,即使调学金山石油学院有机化工专业,中国石油大学新能源中心|Y片CNM H G细，导致粉煤输在读研究生,曾参加了Shell 气化装置的原始开车,现从送不稳2。另外,有些煤种气化时,废热锅炉(SGC)经事洁净煤技术和碳四综合利用方面的研究。常出现严重的积灰,换热效果不佳,合成气SGC出口- 16-煤化工2010年第3期温度逼近联锁值。如安庆装置气化原煤主要为皖北刘升高。因此,任何能引起管道内气速变化较大的因素,二矿煤种，运行较长时，SGC 严重积灰,提高蔽击装都将影响粉煤在水平及垂直管道中的输送状态。置的敲击频率,优化吹灰装置工况,均不能有效清除工业运行中发现,粉煤物性的变化、粉煤给料罐积灰川]。岳阳装置在使用山西潞安王庄矿煤作为气化与气化炉的压差波动、煤线通气设备的工况及粉煤管煤种时, SGC也出现了严重积灰田。道是否被异物堵塞,都会导致粉煤管道内气速发生变由.上可以看出:不仅原煤的组成及物化性质直接化,影响粉煤稳定输送[4n。此外,煤速、密度、氮气流影响粉煤气化过程，如原煤粒度或硬度不适宜，粉煤量、煤线压力及粉煤温度等仪表的失真,均会引起煤粒径分布很难达到理想值,粉煤不能实现稳定加压进量的失真,导致煤阀大幅开关,引起煤线的波动。但不料;而且气化产物的物性,如炉渣的黏温特性及飞灰少情况下,仪表失真的根本原因还是因为煤线不稳。的黏结特性,对粉煤气化装置的稳定运行也有重要影煤速、密度及煤量校正系数等对煤量测量的影响见公式(1)、(2)。1.2粉煤高压放料不畅G校=CG+Cz(1)为了实现粉煤连续加压进料,粉煤气化采用锁斗c= uAp,Ja.rp.P(273+2)/[P(273+) ]I(2)加压。每台粉煤储罐底部都设有通气锥,它是粉煤加P.7P.P273+o)/[P(273+)广压进料技术的关键设备，担负着粉煤储罐的加压、粉式中:Gx-一-粉煤质量校正流量, kg/h;煤的流化及除桥等工艺任务。目前,通气锥大多采用G一粉煤质 量流量,kg/h;烧结金属件。由于材质的限制，为了满足透气性要求，A一粉煤管道截面积,m;通气锥一般按单面承压1. 0MPa设计网。工业运行中,u-粉煤速度 ,m/s;由于上游氮气压力的波动以及粉煤放料顺控的欠缺,p.--粉煤混 合密度,kg/mr;放料罐通气锥承压常常超过设计值,易造成通气锥的P:-粉煤骨架密度,kg/m2;破裂,影响粉煤的加压及除桥效果。标准状态下的氮气密度,kg/m';此外,SCGP装置运行较长时间后,粉煤锁斗系统p煤线的压力 ,MPa;停车检修时发现,粉煤给料罐通气锥上方存有较多压煤线温度,C;实的粉煤。被压实的粉煤块很硬，积存在通气锥锥体标准压力, 100kPa;上方,下料通道也因存在粉煤块而明显缩小。在粉煤t一标准参考温度,25"C;放料罐,流化状态不好的粉煤也易压实。每次检修时,C、Cr--粉煤流量校 正系数。放料罐经多次吹扫打开后，底部仍可见不少粉煤块。从上述公式可以看出:煤量校正系数对煤线的稳这说明在操作压力下(4.8MPa),粉煤易在通气锥与储定十分重要。如果煤循环测试获得的煤量校正系数与罐的交汇处被压实。实际需要产生偏离,粉煤实际流量会偏高或偏低。煤由于粉煤在操作压力下容易被压实架桥,如果通量测量的偏离，破坏了- -定条件下粉煤速度与密度的气锥工况又不佳,极易造成放料不畅。放料不畅,除桥对应关系，不利于粉煤与氮气形成相对均匀的混合就较为频繁，易造成相关煤线及氧煤比较大波动;锁物，易造成煤线的不稳定”。斗高压隔离阀磨损也较快,导致粉煤给料罐与锁斗隔粉煤的密相输送不稳定，会引起实际氧煤比失离效果不好,给料罐罐顶压力波动较大,氮气消耗大,调。若不能及时调整,煤烧嘴及气化炉运行不稳定,易;也加剧了煤线的不稳定。另外,粉煤放料不畅,放料周造成煤烧嘴跳车。另外,未转化的高温煤粉直接落人'期延长,也造成了放料能力的不足。渣池,导致渣水的固体含量偏高,除渣废水排放量也1.3 粉煤密相输送不稳定被迫加大,废水处理工况无法运行正常。工业级管道粉煤密相输送实验表明:粉煤在水平1.4 粉煤气化控制欠佳管道上层悬浮相中含量较少,在下层沉积相中含量较粉煤、氧气及蒸汽经对置式喷嘴进入气化炉,在高。两相分界面在轴向呈波浪状的运动。在流化气量高温高非均胡名件下实成粉煤气化反应。粉煤偏小时,粉煤的流动减小并且不连续,甚至短时间内进人中国煤化工救，颗粒的对流及中断[5。粉煤在垂直管道中向上进行气力输送时,气辐射MHCNMHG燃烧、残炭的气化速较高的情况下,粉煤颗粒分散悬浮于气流中;如果反应、灰渣中矿物质之间的固相反应等过程。气速下降至噎塞速度,会出现腾涌现象,压力降急剧粉煤与氧气、蒸汽的混合扩散气化状况,决定着2010年6月徐国壮等: Shell粉煤气化装置主要运行问题的分析-17-炉膛及水冷壁的温度场分布以及炉膛内的浓度场分的煤种，可以根据Si02A120-Fe0-Ca0相图预测助熔布。这些都会影响到粉煤的转化率、冷煤气效率、膜式剂的添加量。此外,可运用公式来估计煤灰的流动温水冷壁挂渣状况及渣灰的形态和流量。度Tr,指导助熔剂的添加,如A.Collot等0提出的公由于气化炉内相关流场分布状况不能直接检测，式(3)。因此无法通过常规方法对粉煤气化进行控制,目前采T,=27. 793 1X+1 236. 89(3)用合成气质量控制系统调节CO2(CH)含量,间接控制其中:X = ([Si0]+ [A10;])/ ([Fe0.]+ [Ca0]+氧煤比和炉膛温度,但此控制系统严重滞后,工况变[Mg0]+ [Na20]+[K_0])化时,不能迅速稳定炉膛内温度,易造成气化温度大不同煤种的炉渣可分为2种类型:一种为玻璃性幅波动。炉膛温度过高时,会快速缩短烧嘴隔焰罩、耐能渣,另一种为水晶性能渣。对于玻璃性能渣来说,其火材料和销钉的寿命,也会造成除渣单元的堵渣。黏度在气化温度范围内的变化是连续的,但在气化温度区间内黏度相对大,易引起堵渣;而水晶性能渣的2解决方法的探讨黏度在临界黏度温度(T、)上,其变化是连续的,但在T。处及以下温度,其黏度变化迅速,此时极易引起排针对SCGP装置存在的主要问题，国内装置在开渣系统的堵塞。因此,新煤种的选择须测试其炉渣的车及运行过程中,在抓好设计、施工源头,确保仪表、熔融温度及黏温特性.要保证气化温度在T。以上8。.设备运行正常的基础上,积极地进行技改,解决了不在1350C~1 550C气化温度下，因为灰渣中各少危及生产的紧急问题,并通过摸索不同煤种对气化种矿物质组分之间存在固相反应,会生成新的无机成工况的影响,逐步提高了装置连续运行时间。分,甚至会发生低温共熔现象,从而影响炉渣的熔融例如:安庆、岳阳等几家SCGP装置,加大了煤烧特性,所以有时灰分组成相差不大的煤种,炉渣的熔嘴隔焰冷却盘管限流孔板的直径,从原来的5mm扩至融温度及黏度相差却较大。这也说明了煤灰的灰熔融7mm,有效解决了冷却盘管易损坏的问题。但由于粉煤性温度及黏性，与其炉渣的相关物性也可能差异较气化温度波动较大的根本原因尚未解决,后来有的装大。因此,新煤种最好先在试验装置上进行试烧,以便置煤烧嘴头又出现了高温疲劳损坏。针对合成气质量准确地预测炉渣黏性及助熔剂的添加量。控制相对滞后,不能快速有效地调整氧煤比,调控气研究不同煤种的飞灰组成、黏结特性及物性,对化温度,岳阳装置尝试运用膜式水冷壁的蒸汽产量作引导煤种的选撣十分重要,因为飞灰引起的黏堵现象为调控参数,间接控制氧煤比。这种方法虽然可以相可能与飞灰中的氯、氟、铅、钾、钠、磷、锅、钍和锡等对快速地调控气化温度,但膜式水冷壁的蒸汽产量与元素有关。它们在气化时蒸发,并在合成气冷却器的炉温无可靠的对应关系，只能反应炉温相对高低,因操作范围内(900C~600"C)冷凝,也就是会在灰粒之此限制了此技术的推广应用。间形成“黏结”而引起黏堵测。因此,若从根本上解决上述问题,并防止新问题2.1.2配煤工艺的开发的出现,必须进一步 研究SCGP工艺核心技术。不同灰熔融性温度的原煤,按--定的配比,可有2.1重视煤种的选配 .效降低高灰熔性原煤的灰渣熔融温度,降低助熔剂消2.1.1煤种的选择耗、氧耗及排渣热损失。另外,采用混煤气化,也能改选择煤种的主要指标有原煤的水分、灰分、挥发变飞灰的黏结特性,解决SGC上易堵灰的问题。安庆装分化学活性、热稳定性、灰熔融性温度、灰渣的黏温置通过叶式给煤机轮流上混煤,通过皮带输送到磨煤特性、煤中的微量元素、原煤的可磨性及飞灰、炉渣等千燥单元,将皖北刘二矿煤与云南镇雄煤混合，进行配气化产物的物化性质。煤试烧,不仅大幅降低了助熔剂消耗,而且解决了皖北灰分的含量、组成和灰熔融性温度及灰渣的黏温刘二矿煤在SGC上易堵灰的问题。此外，采用混煤技特性、飞灰的黏结特性,是煤种选择的关键参数。SCGP术,还有利于扩充原料的来源,防止气化炉频繁换煤。工业运行表明，灰分在8%~15%时，冷煤气效率比较国内云南沾化SCGP奘管设计时.者虑到其周边无大煤理想;较低的灰分有利于装置长周期运转，但考虑膜矿，中国煤化工锁斗系统混合进式水冷壁的保护渣层厚度,原煤灰分比例不能太低。煤的IYHCNMHG因此，开发适合灰分组成不同,其灰熔融性温度不同。煤种试烧前，SCGP 装置的配煤工艺，不仅能降低SCGP装置的运行一般应测试灰熔融性温度。灰熔融性温度高于1 400C费用,还能稳定装置运行,拓宽能气化的煤种范围。8-煤化工2010年第3期相对于水煤浆气化工艺，目前SCGP工艺在配煤气体通过通气锥壁的速度应选撣在临界流化速度和技术上的研究成果尚鲜见报道。不过,由于二者同属粉体沉降速度之间。于气流床气化工艺,而且又同是液态排渣的煤气化工根据通气锥的孔隙率、有效表面积、气体密度及艺,故SCCP配煤工艺可借鉴水煤浆配煤技术。上、下限速度,可针对不同的煤粉,估计通气锥的进气配煤灰渣的矿物质组分之间同样存在固相反应,量,以便生产操作时通人适量的氮气,保证锥部及附熔融温度并不是两种煤的灰熔融性温度的简单加和，近的粉煤始终处于流化态。因此配煤技术应着重寻找煤种比例与灰熔融性温度2.2.2稳定粉煤密相输送之间的联系。有研究表明[0]:配煤灰熔融性温度的变保持粉煤处于良好的流化状态,也是保证粉煤稳化与配煤比不呈线性,而与其三元相图上相应的液相定输送的关键。有研究表明:输送速度与固体流量/温度线有很好的相似性(见图1)。混煤灰成分在二元流化气量存在对应关系。为了保证粉态固体具有合适共晶线和低熔融共晶点附近的灰熔性温度随灰熔融的流化状态,一定的固体流量/流化气量,输送速度性温度变化显著,而且低于周围灰成分的灰熔融性温有相应的最低值(见表1网)。这就说明了一定煤量下，度,这为寻找最佳配煤比提供了方向。如果煤速控制太低，粉煤密相输送将不稳定。不同1800负荷下，都应逐个寻找稳定输送状态下，煤量与煤1 700相图的概相线温度速的对应关系。由于煤速与流化气量也存在一定的G风慌材寢五度.600t关系，而通常给料罐通气锥的流化气是固定的，由、1500煤量与煤速预置关系调整煤速，再由煤速调整补充流1 400化气，因此合理分配好流化气量也是工业生产的一个300 A.B混煤匯动温度所1 200调整方向。A.C混煤流动温度F100102030405060708090100.表1固体流/流化气量与最小输送速度对应关系B、C煤灰添加比例/%缩流化气粉媒质最小输最小输送速度计算值/m*'s图1混煤灰流动温 度与相图液相温度比较号质量流量量流率送速度GeldartRiz模型/kg.s1 /t.h /m"s1 /Li模型SCGP工艺配煤技术还须特别注意原煤的可磨A 0.0306 1. 49 10. 006. 8711.90性。有研究表明:配煤的哈德格罗夫指数(HCI)与配0. 031 42. 629.506. 7513.82煤比例在煤种HGI相差不大( <14)的条件下,呈线0. 040 13.63 11. 206.6214.96性关系;当煤种HGI相差很大时,不呈线性关系,有D0.04173.8211.406. 5915.13些煤种可显著降低HGI,有些可显著提高HCI山。另.0. 040 45.09 10. 406.4716.26外,如果两种原煤的HCI相差较大,不应在磨煤机前混合,应先制成粉煤再按比例混合,否则粉煤的粒度偏离的煤量校正系数能显著改变煤量与煤速的分布很难达到要求，不利于粉煤在管道中稳定地进行对应关系。为了获得符合实际需要的煤量校正系数，气力输送。煤循环测试时,数据采集应在粉煤低压储罐称重仪线此外,SCGP配煤技术也应着重研究飞灰的黏结性范围内,避免引人较大误差;煤线标定工况还应与特性,避免飞灰在装置中出现黏堵现象;应研究如何正常生产工况保持- -致。配煤,能同时改善飞灰的矿物质构成,增强飞灰的水粉煤的水含量、粒径及其分布对粉煤密相输送影硬性,使飞灰成为优良的类水泥建筑材料。响也较大,因此当煤种切换时,磨煤及干燥工序应及2.2优化粉煤加压 进料时调整磨煤机的加载油压.旋转分离器的转速及循环2.2.1确保粉煤放料顺畅风量。粉煤加压过程中，确保各路充压氮气的均衡,可此外,通气锥工况良好,有利于粉煤在流化状态保证粉煤处于流化状态,也是保证粉煤放料顺畅的关下加压和输送。进一一步改善通气锥的流化效果,这就键所在。这要求优化Shell粉煤放料顺控,合理分配要求中国煤化工r、设备结构等方各路氮气流量,并稳定上游氮气压力,稳定加压氮气面进YHCNM H G求,对其材料、锥的流量。体角度、微孔孔径、机械强度、孔隙率等进行合理的设为了防止粉煤在通气锥与储罐的交汇处被压实,计,保证其使用效果及寿命。2010年6月徐国壮等:Shell粉煤气化装置主要运行问题的分析-19-2.3建立工 业生产数学模型SCGP工艺大量采用复杂调节回路及顺序控制系参考文献:统,提高了自动化程度,但由于煤化工与传统油化工[1]韩启元.油改煤工程建设与运行情况总结[J]. 化肥相比,工艺控制难度大,对生产数据分析和处理的要工业, 2008 ,35 (6) :52-58.求很高。因此根据工业运行数据,建立数学模型,为生[2]胡益民，岳阳Shell粉煤气化装置运行情况总结产操作提供支持非常必要。[J].大氮肥.2007 , 30(6):420-426.目前,在煤质分析方面已有成功的经验模型。如[3]李相军,魏学新,牛巧霞.粉煤加压气化工艺对煤质Shell提出了渣分析模型,利用炉渣的化学组成对炉的要求[J].河南化工,2008, 25 (6):45-47.渣的熔融温度.黏度、密度、表面张力等进行日常估[4]章晨晖。通气锥在粉煤气化中的应用及其改进[J].测，可有效预测相应煤种所需的气化温度。大氮肥, 2008 ,31(1):66-69.粉煤气化已实现了对实验装置的模拟，如王辅臣[5]肖为国郭晓镭，代正华,等.工业级管道中粉煤浓相等叫基于Shell粉煤气化炉内流体流动特征,对Shell流动特性[J].化工学报,2007 , 58(11):2 759-2 763.粉煤气化过程进行了分析,建立了气相物料的混合模[6]邱晋刚.粉煤气力输送在壳牌煤气化中的应用[J].氮型、残碳量的计算模型及基础热力学数据计算模型,肥技术, 2008 , 29(5):14-17.数学模型计算结果与实验装置经验值吻合良好。[7]徐国壮.粉煤密相输送影响因素分析及对策探讨[J].如果建立能应用于工业生产的数学模型,并根据安庆石化,2008(6):52-53.生产在线数据,校验及修改建立的数学模型,动态描[8] Collot A. Matching Gasificat ion Technologies to述气化炉炉内的温度场和浓度场,可提高粉煤气化控Coal Properties [J]. Hydrogen from Coal ,2006, 65制水平。(3-4) :191-212.[9]郑振安.煤种特性对壳牌煤气化装置设计和操作的影响[J].化肥设计, 2003,41(6);15-23.3结语[10]乌晓江张忠孝,朴桂林,等.配煤对降低高灰熔融性经过以上分析可知,Shell粉煤气化装置运行问煤的三元相图分析[J].洁净煤技术，2007,13(3):64-67.题主要集中在煤种气化特性、粉煤加压进料及粉煤气[11]赵 亮,熊友辉,夏利民，配煤对可磨性指数的影响化控制等关键工艺技术的消化、吸收及改进上。为了规律研究[J].热力发电, 2006 (2) :54.解决这些问题,首先必须优化煤种的选配,根据煤种[12] Cowell A, Glinchey D M, Ansell R. Determination的试烧经验,结合理论分析,寻找合适的煤种;开发配of Pneumatic Transport Capabilities of Dry Pul-煤技术,拓宽气化原煤种类。其次进行工业级别粉煤verised Coal Suitable for Entrained Flow Pro-加压进料的研究,寻求适宜的工艺条件,实现粉煤高cesses[J]. Fuel , 2005, 84(17):2 135-2 288.压下稳定进料。另外,实现对工业粉煤气化炉的数值[13]王辅臣,龚欣,代正华, 等. Shell粉煤气化炉的分模拟,以便分析粉煤气化适宜的工艺条件,指导生产析与模拟[J].华东理工大学学报, 2003.29(2): 202-控制。216.The Analysis of the Main Operation Problems Exist inthe Shell Coal Gasification Process (SCGP) PlantsXu Guozhuang, Zhou Hongjun, Zhou Guanglin and Cui Longqi(China University of Petroleum, Beiing 100220)Abstract The impact of the coal variety, pulverized coal feed and the control of pulverized coal gasification on theoperation of the Shell coal gasification process (SCGP) plant was analyzed based on the commercial operation experienceincorporated with lab study result. Also discussed was the approach中国煤化工y orientation of theoptimized coal blend, stable pesurized feed of the pulverized coal an|YHC N M H Gal gaifiation. Thiseffort was made to solve the operation problems exist in the Shell coal gasification process plants.Key words Shell, pulverized coal, gasification, operation problem