配煤技术在Shell粉煤气化中的应用及优化

2012年6月v Jun:2012第35卷第3期Large Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryVoL.35 No.3配煤技术在Shell粉煤气化中的应用及优化吴国祥.(神华鄂尔多斯煤制油分公司,内蒙古鄂尔多斯017209)摘要:介绍Shell粉煤气化工艺对煤质的要求,阐述配煤技术的定义及理论依据,分析Shell气化采用配煤措施的主要原因,详细论述配煤技术的具体实施步骤及相应案例,得出优化配煤的措施。关键词:配煤Shell 粉煤气化应用随着煤化工在国内逐渐兴起,Shell粉煤气化1 550。低灰熔点煤种在Shell粉煤气化炉上实际在中国得到了广泛应用，目前国内在建或在运的气化时,会存在转化率低、无法挂渣等问题;而高Shell气化装置共有21套。虽然Shell粉煤气化技灰熔点煤种则需要添加助溶剂方可正常气化。术的煤种适应性广,但在实际生产过程中,单一煤5)要求炉渣在气化温度下拥有适宜黏度。最种的气化仍然存在较多问题。这些问题不仅影响佳黏度范围为25~40Pa.s,此时水冷壁上能正常挂Shell粉煤气化装置的长周期连续运行，同时也制渣,从而可以实现“以渣抗渣”约了其运行的经济性。目前国内多数在运的Shell6)对粉煤粒度大小有严格要求,一.般要求煤粉煤气化装置均使用配煤气化措施，通过配煤技的哈氏可磨指数(HGI)在65以上,从而保证磨煤术的合理利用,不仅能降低Shell粉煤气化装置的系统以合适能耗磨制出合格煤粉。氧耗、煤耗及能耗,还能提高气化效率,从而提高7)气化煤种的化学反应性及热稳定性对Shell装置的经济性。因此,优化配煤技术对Shell粉煤气化也有一定影响， 通常情况下要求其拥有较好气化具有十分重要的现实意义。的化学反应活性及适中的热稳定性。8)对于硫、氯等有毒有害元素,要求越低越1 Shell粉煤气化工艺对煤质的要求好,这样既能保护环境,又能避免对操作人员的身Shell 粉煤气化的煤种适应性相对较广，但并心健康造成伤害。不是所有煤种均适宜。Shell 粉煤气化对煤种煤质的具体要求如下。2配煤定义及配煤的理论依据1)Shell粉煤气化要求煤中水分越低越好,配煤是指将- -种或几种不同种类、不同性质一般不要超过10%,否则会给粉煤的磨制和输煤种按照一- 定比例混合在一起，并达到预期煤质送带来麻烦。要求的作业0。配煤的实质就是一种改善气化煤种2)对于灰分有严格要求,最佳的灰分含量为品质的过程，即为了使气化煤种的质量满足Shell12%~25%，这样既能保证气化炉水冷壁上正常挂气化的煤质要求，把不同性质气化用煤按照事先渣，又能将装置的运行成本及对设备管道的磨损计算好的比例进行均匀混配，从而得到一种灰熔控制在合理范围内。点、灰分、挥发分、硫分等均适合Shell 粉煤气化炉3)气化对煤中挥发分没有特别要求,但对于磨煤系统，如果挥发分太高，将会影响其安全运中国煤化工日期:2012-05- -08。行，因此Shell粉煤气化要求煤中挥发分不超过CN MH G学本科,工程师。2003年毕业于安徽理上大字化子. L程与⊥艺专业,现主要从事Shell 粉煤35%。气化装置工艺技术管理工作。联系电话:0477-8283018;E -mail:4)气化煤种最适宜的灰熔点范围为1250~wuguoxiang1718@126.com。第3期吴国祥.配煤技术在Shell粉煤气化中的应用及优化15的混煤。炉煤种煤质不会发生大幅波动。配煤的理论依据主要基于混煤性质线性可加3.2改善煤质性原则。通常情况下,其理论依据有12.3]:实际气化煤种的煤质往往千变万化，很难找1)配煤中水分可以使用加权平均法计算,即到一种煤质完全符合Shell粉煤气化要求的煤种。把各单煤的内水含量(M.)乘以相应配比,其乘积对于那些煤质不适宜使用Shell 粉煤气化工艺的之和再除以各单煤配比之和。该方法同样适用于煤种，通过配煤措施来改善煤质,使其能够满足计算配煤的灰分含量(Au)、挥发分含量(V2)、全硫Shell粉煤气化的煤质要求，实现这些煤种的正常含量(S.1)等指标。气化。2)配煤干燥基灰分含量(As)的计算,需把各3.3提高装置运行可 靠性单煤的空气干燥基配比折算成干燥煤配比后才能煤质的波动或是煤质的不符合会使Shell气用加权平均法求解配煤的As，即干燥煤配比等于化装置出现各种各样的运行问题，严重制约了气空气干燥基煤配比乘(100 -M.)/100,然后再根据化装置的长周期连续运行,降低了装置的运行经加权平均的方法计算出配煤的Aso济性。通过配煤措施,可以有效减少运行问题,提3)干燥无灰基挥发分含量(Va)的计算,需要高装置的运行可靠性。把各单煤的配比换算成干燥无灰基煤的配比后再3.4提高装置的碳转化率及能量利用效率进行加权计算。即干燥无灰基煤的配比等于空气Shell粉煤气化工艺有“三高”技术优势,即碳干燥基煤的配比乘(100-Mw-A a)/100,由此得到转化率高、冷煤气效率高及能量利用效率高,这也干燥无灰基煤的配比后，然后再根据加权平均的是其优于其他煤气化技术的最重要特征之一。但方法计算出配煤的Vaio是如果采用单一煤种作为气化原煤,煤质的频繁.4)配煤灰熔融温度的计算需综合考虑各单波动及煤质的不符合会严重降低其碳转化率及能煤灰分产率因素，这主要是由于各单煤的灰分组量利用效率。通过配煤，可以有效避免该问题出成不尽相同所致。其计算公式如下:配煤的软化温现,充分发挥Shell粉煤气化的技术优势。度(ST)、流动温度(FT)或变形温度(DT)(C)=Z[(A、B .....几种单煤配比)x(A .B ......几种4配煤技术的具体实施.单煤x(100- M)/100)x(A、B、C、...种单煤灰4.1配煤煤种 的选择分)x(A、B、C、..几种单煤ST、FT或DT)]+E1)混配的两种或者几种煤种必须要满足煤质[(A、B、C、....几种单煤配比x( 100-M.)/100)x互补原则，这样配制出来的混煤煤质才会相对适(A.、.....几种单煤灰分)]。中,从而有利于Shell气化炉的气化。2)混配的煤种要尽量做到就地或就近取材,3Shell粉煤气化装置采用配煤措施的原因选取那些价格低廉的煤种来作为混配煤种，以最Shell粉煤气化装置采用单煤种气化时，不仅大程度降低配煤成本。无法实现其长周期连续运行，还会降低其运行经3)抓住配煤对象的主要矛盾来选择配煤煤济性。采取配煤措施主要有以下原因。种,主要矛盾解决后,再通过优化配煤比例及添加3.1 稳定煤质其他配煤煤种的方式来解决次要矛盾，最终选择煤质稳定对Shell气化炉十分关键,只有气化一种最优化配煤方案。炉人炉煤种的煤质保持稳定，气化炉才能平稳运.4)充分利用配煤对象及配煤煤种的灰熔点、行,气化装置的长周期连续运行才能够实现。而中灰分、挥发分、水分及发热量等煤质参数的线性可国煤炭资源的地质分布非常不均匀，同--煤矿不加性原则进行配煤煤种的初选，这样就可以有效同矿井的煤种煤质都会有较大程度变化，再加上缩小配煤目柯做升竹节用的由光平煤煤种的最开采方式、运输、储存以及天气等诸多影响因素,终选定打好中国煤化工JMHCNMH G列尽可能低,煤质的波动几乎不可避免。采取配煤措施,通过将5)一定要州坏乱脉林T所口比口各种不同种类、不同性质的煤种混配在--起,就可配煤后的混煤中仍然要以配煤对象为主要组分,以得到一种煤质稳定的混煤,确保Shell气化炉人这样不仅可以最大程度降低配煤成本，还能缩小1522012年第35 卷配煤设施的规模。将会得到快速广泛的应用。.2 配煤比例的确定为了保证配煤质量,同时也考虑到配煤成本，配煤比例的确定需要通过建立与求解优化配配煤工艺的选择一般应满 足下列原则:①因地制煤数学模型得出,通常情况下,建立与求解配煤数宜 ,灵活多变。配煤工艺要便于调整配煤产品的结学模型的理论主要有两种:一种理论认为,混煤的构,以满足不同用户的需求;②投资省,成本低,见煤质指标满足线性可加性原则，即混煤的煤质指效快,便于运行维护,经济效益要显著;③根据生标是各单煤煤质指标的线性回归或加权平均值,产线规模大小来确定配煤工艺的流程及配煤工艺然后利用单纯形法进行求解,该理论简单易行,相机械化 、自动化程度的高低,规模愈大,要求配煤对而言比较方便;理论之二认为,混煤的煤质指标工艺的机械化、自动化水平就愈高;④确保所选配不满足线性可加性原则，该理论-般采用模糊数煤工艺拥有一-定的兼容性和可扩展性，以能够适学或者人工神经网络法进行求解，相对而言比较应今后生产线的变更及扩容。复杂,需要借助计算机来辅助求解,但是其精确度4.4 配煤试验较高。为简单起见,本文采取第- 种理论来对配煤配煤试验的主要目的有:①为气化装置寻找比例进行求解。根据Shell粉煤气化工艺对气化煤供煤基地,并确定经济合理的配煤方案;②对新使种煤质的要求可得下列数学模型4.]:用的煤种进行煤质鉴定,评估其气化性能及在配MinC(x)=(XP+XP+...+X.P.)/(X.+<+...+X.)煤气化中的应用，以便合理地利用煤炭资源和扩(X,M;+XM+..+X.M.)/(X +2x+..+X.)<15%大气化用煤基地范围;③根据煤炭供应情况，调整.12%≤(XA +XzA+..+X.)/(Xt++...+X.)≤气化生产配煤方案,以保证气化用煤的质量;④检25%验气化用煤的准备情况及气化工艺的实际效果。(XV:+Xx2e+..+X.Vn)/(X+X+..+X.)≤35%用于配煤试验的气化炉种类有很多，可以分为实1 250≤(X.FTy+XJFT+...+X.FT.)/(X+X+...+X.)验室规模的小型试验气化炉、半工业化的试验气≤1550化炉以及工业化试验气化炉。就Shell粉煤气化装式中:n-对应配煤煤种组分;置的配煤试验而言,由于有现成的工业气化装置,X.-每种配煤组分所占比例, %;故可直接进人配煤工业试验阶段。A.-对应配煤煤种的灰分含量, %;4.5 配煤实施案例V.一对应配煤煤种的挥发分含量, %;以国内某Shell粉煤气化装置为例,该装置原M.一对应配煤煤种的水分含量,%;设计煤种为神华上湾煤，是- -种低灰熔点、低灰FT.-对应配煤煤种的灰熔融流动温度,C;分、低硫分、高挥发分的优质动力煤种(见表1),但P.-对应配煤煤种的价格,元/t;是作为气化用煤,单独在Shell 粉煤气化装置上气C(x)-配煤成本函数。化时,存在气化炉水冷壁上无法挂渣、合成气冷却利用单纯形法对.上述数学模型进行求解,即.器结垢严重等众多运行问题。为提高神华上湾煤可得出配煤中每个单煤所占的比例，该配煤比例的灰熔点、灰分及硫分含量,降低其挥发分,使其需要经过配煤试烧得出的运行数据以及实际气化能在Shell装置上得到良好气化,采取配煤气化无条件进行优化调整。疑是- -种最佳选择。4.3 配煤工艺的选择表1神华上湾煤的煤质数据配煤工艺主要有:简单粗放的配煤场式堆配、工业分析项目神华上湾煤神华乌海高硫煤煤质分层波动严重的仓配、混合相对均匀的机械收到基水分(M.),%13.46.80式皮带混配以及计算机参与的全自动优化配煤等灰分(A.),% .7.6630.82等。配煤场式堆配工艺较简单,配煤粗放,产品单_29.9521.61一,配煤的煤质波动非常大，精确度也非常低,-中国煤化工4945.81般不建议采用。拥有计算机参与的全自动优化配干燥者MHCNMHGs.0s.22.455煤目前在国外应用较普遍，在我国该技术尚未广流动温度(FT)/C1230>1 500泛运用,相信随着煤化工的进- -步发展,这一- 技术1)配煤煤种的选择。考虑到神华上湾煤的煤第3期昊国祥.配煤技术在Shell粉煤气化中的应用及优化153质特点及气化过程中的问题,应该选用灰熔点高、个配比对神华上湾煤的Shell粉煤气化是最合适灰分较高、挥发分较低、硫分较高的煤种来作为其的。混配煤种。参考国内各主要煤种的煤质特点，同时兼顾到运输成本、煤价、就近原则等众多因素,最5优化配煤措施终选用神华乌海高硫煤来作为其配煤煤种。神华5.1采用 自动精确配煤工艺乌海高硫煤的煤质数据见表1。自动配煤工艺不仅能保证配煤煤质的精确根据混煤煤质指标线性可加性原则及神华上度,还能有效提高配煤操作的自动化程度,大大减湾煤、乌海高硫煤的煤质数据,假定神华上湾煤的少配煤管理、操作及维护的工作量。因此建议Shell，价格为360元/吨,百分比含量为X,神华乌海高气化装置采用全自动控制机械化操作的配煤工硫煤的价格为150元/吨,百分比含量为X2,可以艺,以实现优化配煤操作。得出如下算式:5.2合理利用三元相图理论指导配煤操作MinC(x )=(360X;+ 150X2)/(X;+X2)三元相图是研究煤灰中矿物质成分间关系的(13.4%X+6.8%X2)/(X+X2)≤15%重要方法，利用三元相图直观形象的对配煤煤灰.12%≤(7.66%X.+30.82%X2)/(X.+X2)≤25%中的各种成分进行分析，从而可以预测配煤的灰(29.95%X.+21.61%X2)/(X;+X2)≤35%熔融性,并初步确定配煤的煤种和配煤比例6。1 250≤( 1230X + 1500X2)/(Xp+X2)≤15505.3通过实践逐步改善配煤的数学模型及策略算X+Xz=100%法对上述所列所有不等式进行综合求解，可以通过配煤理论建立的配煤数学模型及策略算得出如下结果:法并不是最佳的，需要经过配煤试验及试烧实践按照灰分含量因素可得:18.74%≤X2≤74.87%来予以改善和优化。由数学模型及策略算法求解按照灰熔点因素可得:X2≥7.41%.出来的配煤比例也不是最合适的，需要通过实际根据灰熔点优先原则，同时考虑运输及实际气化来予以检验。通过气化过程获得相应的运行配煤操作的，成本因素,一般认为配煤煤种的比例数据及气化条件，然后利用这些数据来对配煤数不应超过15%为宜。据此,可初步选定神华上湾煤学模型及策略算法进行重新优化。通过气化实践与神华乌海高硫煤的比例(X;X2)为10:1 .9:1、8:1还可以验证配煤煤种的选择是否合适，并为进一及7:1这4个作为预选的配煤比例。步优选配煤煤种提供现实依据。2)配煤工艺的选择。为确保配煤比例的准确5.4 建立专门部门进行配煤管理性及混煤煤质的均匀性，同时考虑到配煤比例较为确保配煤操作的有效实施，需建立专职部小这--因素,故选择料斗均匀给料的称重式给煤门进行配煤管理，同时还要对配煤操作人员进行皮带来将神华乌海高硫煤配人神华上湾煤中。图1专业培训,以提高配煤操作维护的技能水平。通过为该配煤工艺的流程简图。这种专业化、精细化的管理,可以对配煤操作的全流程进行把关，有效保证配煤操作的连续性及配来自堆场的煤设施的可靠性。配煤料斗6结论来自洗煤厂的一n dO配煤用称重式皮带配煤作为一种稳定煤质、改善煤质的主要措神华上湾煤输煤用称重式皮带q施,目前在Shell粉煤气化装置上已经得到了广泛应用，但是现阶段各厂家的配煤操作普遍比较粗原煤仓放。本文针对配性站术的过诊对守 际配煤操作提供- -些参考，中国煤化工配煤理论和图1料斗给料称重式皮带给煤配煤工艺流程优化配煤揩放MHCNM HC装置的长周3)配煤试验。经过多轮配煤试验,神华上湾煤期优化平稳运行。与神华乌海高硫煤的配煤比例为8:1及9:1,这两(下转第158页)1582012年第35卷时，开始形成晶间破断,并在应力作用下扩展。在对挖除的简体焊缝裂纹切块检查时发现,3.2热处理效果差切块内侧的焊缝明显比较粗糙(图5),有返修后的从修复开始前的硬度检测数据看，焊缝裂纹痕迹,这也说明了该焊缝属于返修焊缝,返修后热周围的硬度较高(225~240HB),其他焊缝周围的硬处理加热不均匀,返修部位的温度未达到要求,造度则比较正常，这也说明在原始制造时该部位热成该部位产生较大的应力集中。处理效果差。3.3应力集中4结束语蒸汽发生器又称废热锅炉，正是由于其处于表国机械高温、高压、临氢工况下,因此在合成氨装置中属关键设备。国内合成氨装置中由于废热锅炉出现缺陷而导致长期停工的案例屡见不鲜，因此对该类设备的检修需要不断总结经验，使关键设备真图5焊缝裂纹 切块正做到长周期安全运行。REPAIR OF WELD CRACK ON STEAM GENERATOR CYLINDERAND ANALYSIS OF CAUSESHou Ning(PetroChina Urumqi Petrochemical, Urumqi 830019)Abstract:The welds crack appeared on the cylinder of steam generator in ammonia plant is introducedand repair scheme formulated; the process of repair is also introduced; break -up of weld inter- -crystals, pooreffect of heat treatment and stress concentration are the main causes for the defect.Key words :steam ;generator ;weld crack ;repair(上接第153页)洁净煤技术，199,5(10):43- -46.参考文献[4] 何京东,吕一波,张宏波.动力配煤技术及其数学模型.黑龙[1] 苗俊明.动力配煤技术的发展及现状[J].中国科技信息，江矿业学院学报, 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