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技術前沿

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殼牌煤氣化技術



技術擁有單位:殼牌全球解決方案國際私有有限公司

 

殼牌是世界知名的國際能源公司之一。殼牌煤氣化技術可以處理石油焦、無煙煤、煙煤、褐煤和生物質。氣化爐的操作壓力一般在4.0MPa,氣化溫度一般在14001700攝氏度。在此溫度壓力下,碳轉化率一般會超過99%,冷煤氣效率一般在8083%。對于廢熱回收流程,合成氣的大部分顯熱可由合成氣冷卻器回收用來生產高壓或中壓蒸汽;如配合采用低水氣比催化劑的變化工藝,在變換單元消耗少量蒸汽即可保證變換深度要求,剩余大量蒸汽可送入全廠蒸汽管網,獲得可觀的經濟效益。

目前,殼牌全球解決方案國際私有有限公司負責殼牌氣化技術的技術許可,工藝設計以及技術支持。2007年殼牌成立了北京煤氣化技術中心,2012年初,殼牌更是將其全球氣化業務總部也從荷蘭移師中國,這充分體現了殼牌對中國現代煤化工蓬勃發展的重視,同時殼牌也能更好地利用其全球氣化技術能力,貼近市場,為中國客戶提供更加快捷周到的技術支持。目前,在北京的殼牌煤氣化技術團隊可提供從研發、工程設計、培訓、現場技術支持以及生產操作和管理的全方位技術支持和服務。

一、整體配套工藝

根據不同的煤質特性以及用戶企業的不同生產需求和規劃,殼牌開發了下面3種不同爐型:

 

 

殼牌廢鍋流程是當前工業應用經驗最豐富的干粉氣化技術。它的效率和工藝指標的先進性已經得到了驗證和認可,而且在線率也在不斷創造新的世界紀錄,大部分客戶已實現滿負荷、長周期、安全、穩定運轉。如果業主比較關注熱效率,全廠能效和環保效益的話,采用殼牌廢鍋流程并配合已成功應用的低水氣比變換技術應該是最合適穩妥的方案。

殼牌上行水激冷流程特別適合處理有積垢傾向的煤種;適合大型項目,此外投資低,可靠性高。對于比較關注在線率和低投資的業主,采用殼牌上行水激冷流程應該是最合適穩妥的方案。

殼牌下行水激冷流程在煤種的適應性方面與市場上其它下行水激冷技術相似,特別適合處理有積垢傾向的煤種;由于其采用了殼牌廢鍋流程成熟的對置多燒嘴布置,氣化爐內流場分布合理,溫度場均勻,使得碳轉化率高,負荷調節靈活。同時采用經過工業驗證的豎管式水冷壁設計,氣化爐規模易于放大,能滿足大型項目的需求。

1、工藝簡介

殼牌廢鍋流程工藝流程如下:

 

  通過帶式輸送機從煤場取原煤,在磨煤與干煤系統中經過研磨和干燥后,然后通過“粉煤加壓與給料”(鎖斗)系統,在一定壓力下,送入氣化爐的煤燒嘴。

粉煤在氣化爐中與蒸汽稀釋后的氧氣氣流發生反應,產生合成氣與(飛灰)渣。從氣化爐頂部出來的合成氣被經過濕洗的合成氣激冷到800900℃,然后在合成氣冷卻器(廢鍋)中進一步冷卻。大部分渣在氣化爐底部以熔渣的形式從氣化爐出來,在渣(水)池中被激冷分散成小玻璃狀渣塊(大小平均約25mm)。

合成氣所夾帶的飛灰在干法脫灰單元中由一個高溫高壓過濾器去除并通過灰鎖斗系統排出,經過氣提和冷卻后,飛灰送到存儲和處理設施去。

基本上不含飛灰的合成氣最后進入濕洗單元,灰塵含量降至<1毫克/標準立方米,同時濕洗也將合成氣中鹵化物含量降至<<1ppmv。合成氣離開濕洗單元時達到水汽飽和,到氣化界區時溫度大約在160175℃。

在渣池中收集的渣通過鎖斗系統排放,通過撈渣鏈與水分離,再經過傳送帶輸送至界區外。通過帶有外部冷卻器的渣池水循環回路,移走渣池中吸收的熱量。

為防止除渣與濕洗系統中的微量元素累積,兩個系統均配有污水排放。排放水先經過汽提脫除硫化氫及其它酸性氣體,并降低水中的氨到環境可以接受的水平,然后澄清,此過程稱為“初級水處理”。澄清池中的固體物經真空帶式過濾器分離,做成濕餅進行回收,送至原料煤場,并在“干燥”后加到磨煤機的進料中。通常廢水汽提塔尾氣被送至界區外的硫回收單元,放空氣被送至火炬系統。

2、技術特點

殼牌氣化爐與其他的干粉水冷壁氣化爐相比有兩個獨特的特點:對置多燒嘴設計和豎管水冷壁設計。

對置多燒嘴設計:流場熱負荷均勻,峰值熱負荷低,保護水冷壁;掛渣均勻,熱疲勞低,熱損少;燒嘴磨損小,水冷壁壽命長;煤氧混合均勻,停留時間長,碳轉化率高;單爐氣化能力大,易于放大(4000/天單爐);負荷調節能力強(單燒嘴條件范圍是40%120%)。

豎管式水冷壁的設計:直管水冷壁,成熟技術,故障低,到現在沒出現重大故障;流程短換熱能力大,允許的換熱流程長,爐子的尺寸易于放大;氣化爐水冷壁的使用壽命保證25年;可在環形空間對水冷壁維修,無須拆出內件維修,周期短。

3、技術優勢

高效率、低氧耗、低煤耗、低水耗,符合發改委設定的效率及消耗門檻

隨著國家對煤化工項目更高的能效和環保要求,擬在建項目應綜合考慮運行和環保成本。對于不同的煤化工產業鏈研究表明,殼牌廢鍋流程都能接近發改委“十二五”煤炭深加工項目的指標的先進值。       煤種適應性寬,豐富的理論和實踐經驗

殼牌氣化裝置已成功處理國內上百種煤作為生產原料,涵蓋無煙煤到褐煤不同煤種(灰分636%,水分3.835%,灰熔點從1140~到大于1500℃)以及石油焦。由于殼牌掌握煤質對氣化影響基礎理論和經過實際驗證的數學模型,無需試燒即可對煤質進行氣化適應性的評價。目前,殼牌已經對國內用戶進行多輪培訓使其掌握運行訣竅,并提供殼牌專有煤質氣化特性分析模型給用戶用于日常生產。

廢水少,渣灰可利用,環境友好

廢鍋流程廢水排放量約為0.10/千標準立方米有效氣,只相當于國內干粉水激冷技術的1/8。而且飛灰和渣可作為建筑材料進行銷售和使用。保優勢將成為客戶帶來巨大的社會和環保效益。

成熟的大規模工業應用

多家殼牌技術用戶已實現了連續運行百日常態化和全年累計運行三百日常態化,運行的可靠性和技術的成熟度已得到了業內的逐漸認可。豐富的運行經驗,以及不斷的改進和優化,保證了殼牌是風險最小,技術最成熟的干粉氣化技術。

完善的設備維護和管理體系,豐富的煤化工裝置的運行管理經驗

可幫助用戶建立科學的管理體系(先進風險及可靠性管理系統以及對設備維護),對于客戶縮短學習摸索的時間,設備可靠性的提高,并盡快實現高負荷長周期運行都將打下牢固的基礎。

二、技術特點參數表

氣化技術類型

氣流床氣化

氣化技術名稱

殼牌煤氣化技術 Shell Coal Gasification Process SCGP

氣化爐組合方式

對小型化工項目,單爐可以滿足8000小時的設計時間。對于大型項目中,多臺氣化爐通過優化,以及負荷調整實現滿負荷運行。

進料方式

下部進料(相對頂部進料),干煤粉與氧氣和蒸汽的混合物通過四個對置燒嘴進入氣化爐反應段,反應物出燒嘴后實現更充分混合。

根據不同產品要求,載氣可采用氮氣或二氧化碳。

噴嘴類型和特點

殼牌煤氣化燒嘴由兩個同心圓通道組成:內通道輸送粉煤,外通道輸送氧化劑(氧氣,或者氧氣/蒸氣混合物)。燒嘴設計壽命為8000小時,最長累計使用壽命可達20000小時。

流動方式

殼牌獨有的對置多燒嘴布置,保證合理的反應流場,使煤氧混合更均勻,相對停留時間更長,碳轉化率更高。

耐火襯里

豎管水冷壁,使用壽命保證25

合成氣冷卻方式

采用循環合成氣激冷,之后通過合成氣冷卻器回收熱量

氣化介質

氧氣,極少量蒸汽(取決于煤質)

技術運行的階段

20多年的國內外大規模工業應用

運行周期

連續百日運行常態化,全年累計三百天常態化。目前,單次最長連續運行280+天,年累計運行最長341天。

煤的粒度范圍

一般要求590微米分布在90%以內,褐煤粒度有所放寬。

煤的工業分析

廣泛的煤種適應性,已成功處理國內100余種原料,涵蓋從無煙煤到褐煤,以及石油焦。殼牌擁有豐富的理論和實際經驗,無需對煤種試燒即可為用戶提供方案。

操作條件

操作壓力:2.04.3MPag

操作溫度:14001700

根據灰分的粘溫特性考慮,至少需要100℃以上的操作窗口

粗煤氣的組成

(典型,干基)

典型組分:CO68%,H222%,CO29%,CH4<100ppm

(組分會隨不同煤質而變化)

工藝指標

(典型值)

氧耗

315390Nm3/KNm3(CO+H2)

蒸汽消耗

一般不消耗(如含碳量高,反應活性差加入少量蒸汽);

采用低水氣比變換技術,可副產大量高壓或中壓過熱/飽和蒸汽。

煤耗

610650kg/KNm3(CO+H2)(收到基,隨煤組成而變化)

碳轉化率

一般大于99%

適合工業領域

化工生產用合成氣(甲醇,合成氨,煤基油品/烯烴,制氫等),IGCC

三、市場應用情況

殼牌煤氣化技術作為在中國應用的第一種干粉加壓氣流床煤氣化技術,不但給中國傳統的煤氣化帶來了先進的技術和全新的理念,同時也大大地促進了國內干粉氣流床技術的發展。

2001年與湖北雙環簽訂第一個技術許可合同以來,殼牌至今已在中國簽訂了20個合同,包含27臺氣化爐,分別應用于合成氨、甲醇、制氫、烯烴以及費托油品等的生產。到20136月底,已有17個項目的21臺氣化爐投入生產運行。目前,許多殼牌現有用戶已經在考慮繼續采用殼牌爐擴大生產規模或用于新廠建設。

2013年殼牌與國內某企業簽訂的43200/天處理能力的廢鍋流程氣化裝置,將是迄今為止投入實際生產的最大的殼牌煤氣化裝置。此外,殼牌又與現有客戶河南開祥化工簽訂的二期煤制化學品項目,采用與一期相同規模的廢鍋流程氣化裝置。

 

 

除了第三方的技術許可之外,殼牌還與中石化成立了岳陽中石化殼牌煤氣化有限公司。殼牌是在中國唯一一家自己投資運行煤氣化裝置的國際氣化技術專利商。

在海外,殼牌近幾年先后簽訂了韓國的IGCC項目,澳大利亞的化肥項目,越南兩套化肥項目,其中一套已在2012年順利開車投入商業運行。

殼牌還通過每年召開全球用戶年會來推動技術交流和分享,到2013年已經舉辦了7屆會議。會議在各個用戶現場輪流舉行,它是一個與其他殼牌用戶討論操作和改進的技術信息及經驗的開放平臺。

四、運行情況

實際運行證明,殼牌氣化裝置在開車后是可以取得較高的在線率的。煤氣化裝置運行實現“安、穩、長、滿、優”離不開下面這些要素:成熟可靠的氣化技術;良好的設計、采購和施工(EPC);高水平的工廠管理(煤質管理,設備維護等);懂得操作訣竅的操作技術人員。

隨著國內各家對殼牌氣化技術的掌握和煤質管理水平的提高,裝置的在線率不斷提高,由于氣化本身原因引起的停車越來越少。殼牌的中國用戶已經實現了連續運行百日常態化,全年累計運行300天常態化。

2012年多臺殼牌煤氣化裝置累計運行超300天,最長達到341天,并連續四年超過330天。2013年多家企業單爐單次連續運行記錄超過200天,云維集團大維制氨公司創造的單爐單次連續運行記錄已經突破280天,并不斷刷新。天福、中石化安慶和云沾化均實現了石油焦摻混,天福在2012年采用石油焦摻混滿負荷累積運行265天;多家煤燒嘴設計壽命達到60008000小時左右,多個燒嘴超過10000小時,3個煤燒嘴已經累積運行540多天(13000小時)未更換;濾芯最長記錄4年沒有損壞和更換,多家企業濾芯壽命超過23年。

根據殼牌每周對所有客戶的運行裝置運行情況的統計,如排除氣化裝置上下游和非氣化因素造成的停車,平均技術可靠性已經達到并超過設計指標。2012年年平均可靠性超過92%,在20133月達到了創紀錄的97%

國內大部分運行客戶已經完成性能考核,氧耗、煤耗等指標均低于保證值,殼牌氣化技術的先進性得到驗證和認可。

案例:某年產26萬噸合成氨裝置,采用殼牌廢鍋匹配低水氣比變換流程,年運行時間已連續4年超過8000小時,副產品每年有六千多萬收益。

產品

/

/

百萬人民幣/(8000小時)

飛灰

>300

3.5

8.4

灰渣

150

9.0

10.80

蒸汽(外送)

230

27

47.98

總收益

68.88

五、最新動態

1、進行設計優化

基于第一批和第二批殼牌氣化裝置的開車經驗,在新項目中,殼牌不但會采用所有最新的設計改進,而且在項目詳細設計審查等關鍵階段就會參與審查,保證在項目初期就能避免問題的發生。今后的所有新項目都將受益于殼牌這種系統的經驗總結模式,并得到殼牌北京技術服務團隊和國外專家的全力技術支持。

2、推進煤質和設備管理

有效的煤質監測和管理是保障氣化爐穩定運行的關鍵措施,殼牌在這方面已經協助客戶對煤質管控做了大量工作。從幫助客戶對煤質實施“六點監控法”(即從煤礦產地到煤料進入氣化爐之間的6個關鍵節點上對煤質進行監控)提高煤質的穩定性,到基于殼牌建立全面的煤種數據庫,對不同煤種混合配比提供專業建議,都對用戶裝置運行穩定性的提高起到了關鍵作用。

此外,殼牌還特別關注裝置中設備儀表閥門等的長周期運行,憑借豐富的工廠管理經驗,可幫助用戶建立風險評估為基礎的維修,基于風險的檢查,設備運行故障周期等管理體系。

3、推進設備國產化

殼牌一直致力于關鍵設備的國產化,以此降低氣化裝置的初始投資,加快設備交貨時間,縮短項目周期。不斷擴大的本地授權供貨商為用戶提供了更多的選擇,實實在在為用戶降低運行和備件的成本。

 

已許可的和正在許可進程中的國內關鍵設備供貨商(2013/07/01

已經許可的供貨商

正在許可的供貨商

氣化爐內件

上海鍋爐,無錫華光,蘇州海陸,東方鍋爐

煤燒嘴

上海711所和航天遠征(燒嘴制造),岳陽四化建(頭部維護)

點火/開工燒嘴

航天遠征

上海711所(正在許可)

鎖斗閥

上海開維喜,上海弘盛,蘇州安特威

濾芯

北京安泰(金屬濾芯)

煤閥

開維喜

三通閥

合肥通用,岳陽東方

開維喜

充氣設備

西安寶德,北京安泰

*上鍋和東鍋已經開始為國內項目制造氣化爐內件。

4、實現下行水激冷技術的商業驗證

針對不同客戶對效率,投資的不同需求,殼牌基于成熟的水冷壁和對置多燒嘴技術又特別開發和驗證混合氣化技術即下行水激冷氣化。20111月殼牌與惠生簽署商業技術協議,兩家公司在南京化工園區合作建設900/天投煤量的下行水激冷氣化裝置。

此氣化爐全部由國內企業生產并整體運輸到現場,并于201212月在南京惠生廠區安裝到位。目前,項目進展順利,預計將于20139月開車運行,并計劃在之后6個月內對不同煤種進行驗證運行,然后進入正式商業運行并開始對外授權許可該技術。

 


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