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    壳牌粉煤气化技术介绍

  • 来源:化工网 时间:2018-5-8 17:58

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        壳牌是世界知名的国际能源公司之一。壳牌煤气化技术可以处理石油焦、无烟煤、烟煤、褐煤和生物质。气化炉的操作压力一般在4.0MPa,气化温度一般在1400~1700摄氏度。在此温度压力下,碳转化率一般会超过99%,冷煤气效率一般在80~83%。对于废热回收流程,合成气的大部分显热可由合成气冷却器回收用来生产高压或中压蒸汽;如配合采用低水气比催化剂的变化工艺,在变换单元消耗少量蒸汽即可保证变换深度要求,剩余大量蒸汽可送入全厂蒸汽管网,获得可观的经济效益。


目前,壳牌全球解决方案国际私有有限公司负责壳牌气化技术的技术许可,工艺设计以及技术支持。2007年壳牌成立了北京煤气化技术中心,2012年初,壳牌更是将其全球气化业务总部也从荷兰移师中国,这充分体现了壳牌对中国现代煤化工蓬勃发展的重视,同时壳牌也能更好地利用其全球气化技术能力,贴近市场,为中国客户提供更加快捷周到的技术支持。目前,在北京的壳牌煤气化技术团队可提供从研发、工程设计、培训、现场技术支持以及生产操作和管理的全方位技术支持和服务。

一、整体配套工艺

根据不同的煤质特性以及用户企业的不同生产需求和规划,壳牌开发了下面3种不同炉型:


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壳牌废锅流程是当前工业应用经验最丰富的干粉气化技术。它的效率和工艺指标的先进性已经得到了验证和认可,而且在线率也在不断创造新的世界纪录,大部分客户已实现满负荷、长周期、安全、稳定运转。如果业主比较关注热效率,全厂能效和环保效益的话,采用壳牌废锅流程并配合已成功应用的低水气比变换技术应该是最合适稳妥的方案。


壳牌上行水激冷流程特别适合处理有积垢倾向的煤种;适合大型项目,此外投资低,可靠性高。对于比较关注在线率和低投资的业主,采用壳牌上行水激冷流程应该是最合适稳妥的方案。


壳牌下行水激冷流程在煤种的适应性方面与市场上其它下行水激冷技术相似,特别适合处理有积垢倾向的煤种;由于其采用了壳牌废锅流程成熟的对置多烧嘴布置,气化炉内流场分布合理,温度场均匀,使得碳转化率高,负荷调节灵活。同时采用经过工业验证的竖管式水冷壁设计,气化炉规模易于放大,能满足大型项目的需求。

1、工艺简介

壳牌废锅流程工艺流程如下:


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通过带式输送机从煤场取原煤,在磨煤与干煤系统中经过研磨和干燥后,然后通过“粉煤加压与给料”(锁斗)系统,在一定压力下,送入气化炉的煤烧嘴。粉煤在气化炉中与蒸汽稀释后的氧气气流发生反应,产生合成气与(飞灰)渣。从气化炉顶部出来的合成气被经过湿洗的合成气激冷到800~900℃,然后在合成气冷却器(废锅)中进一步冷却。大部分渣在气化炉底部以熔渣的形式从气化炉出来,在渣(水)池中被激冷分散成小玻璃状渣块(大小平均约2~5mm)。


合成气所夹带的飞灰在干法脱灰单元中由一个高温高压过滤器去除并通过灰锁斗系统排出,经过气提和冷却后,飞灰送到存储和处理设施去。基本上不含飞灰的合成气最后进入湿洗单元,灰尘含量降至<1毫克/标准立方米,同时湿洗也将合成气中卤化物含量降至<<1ppmv。合成气离开湿洗单元时达到水汽饱和,到气化界区时温度大约在160~175℃。在渣池中收集的渣通过锁斗系统排放,通过捞渣链与水分离,再经过传送带输送至界区外。通过带有外部冷却器的渣池水循环回路,移走渣池中吸收的热量。为防止除渣与湿洗系统中的微量元素累积,两个系统均配有污水排放。排放水先经过汽提脱除硫化氢及其它酸性气体,并降低水中的氨到环境可以接受的水平,然后澄清,此过程称为“初级水处理”。澄清池中的固体物经真空带式过滤器分离,做成湿饼进行回收,送至原料煤场,并在“干燥”后加到磨煤机的进料中。通常废水汽提塔尾气被送至界区外的硫回收单元,放空气被送至火炬系统。


2、技术特点

壳牌气化炉与其他的干粉水冷壁气化炉相比有两个独特的特点:对置多烧嘴设计和竖管水冷壁设计。对置多烧嘴设计:流场热负荷均匀,峰值热负荷低,保护水冷壁;挂渣均匀,热疲劳低,热损少;烧嘴磨损小,水冷壁寿命长;煤氧混合均匀,停留时间长,碳转化率高;单炉气化能力大,易于放大(4000吨/天单炉);负荷调节能力强(单烧嘴条件范围是40%~120%)。竖管式水冷壁的设计:直管水冷壁,成熟技术,故障低,到现在没出现重大故障;流程短换热能力大,允许的换热流程长,炉子的尺寸易于放大;气化炉水冷壁的使用寿命保证25年;可在环形空间对水冷壁维修,无须拆出内件维修,周期短。

3、技术优势

高效率、低氧耗、低煤耗、低水耗,符合发改委设定的效率及消耗门槛,随着国家对煤化工项目更高的能效和环保要求,拟在建项目应综合考虑运行和环保成本。对于不同的煤化工产业链研究表明,壳牌废锅流程都能接近发改委“十二五”煤炭深加工项目的指标的先进值。


项目能耗煤耗吨标煤新鲜水耗 , 
基本要求先进值基本要求先进值基本要求先进值
煤制天然气>56%>60%<2.3/千方SNG<2.0 /千方SNG<3.0/吨标煤<2.5/吨标煤
壳牌废锅流程58%2.02.4
煤制烯烃>40%>44%<5.3/吨烯烃<5.0/吨烯烃<4.0/吨标煤<3.0/吨标煤
壳牌废锅流程44%4.03.3

*计算基于某典型煤种

煤种适应性宽,丰富的理论和实践经验

壳牌气化装置已成功处理国内上百种煤作为生产原料,涵盖无烟煤到褐煤不同煤种(灰分6~36%,水分3.8~35%,灰熔点从1140~到大于1500℃)以及石油焦。由于壳牌掌握煤质对气化影响基础理论和经过实际验证的数学模型,无需试烧即可对煤质进行气化适应性的评价。目前,壳牌已经对国内用户进行多轮培训使其掌握运行诀窍,并提供壳牌专有煤质气化特性分析模型给用户用于日常生产。

废水少,渣灰可利用,环境友好

废锅流程废水排放量约为0.10吨/千标准立方米有效气,只相当于国内干粉水激冷技术的1/8。而且飞灰和渣可作为建筑材料进行销售和使用。保优势将成为客户带来巨大的社会和环保效益。

成熟的大规模工业应用

多家壳牌技术用户已实现了连续运行百日常态化和全年累计运行三百日常态化,运行的可靠性和技术的成熟度已得到了业内的逐渐认可。丰富的运行经验,以及不断的改进和优化,保证了壳牌是风险最小,技术最成熟的干粉气化技术。

完善的设备维护和管理体系,丰富的煤化工装置的运行管理经验

可帮助用户建立科学的管理体系(先进风险及可靠性管理系统以及对设备维护),对于客户缩短学习摸索的时间,设备可靠性的提高,并尽快实现高负荷长周期运行都将打下牢固的基础。

二、技术特点参数表

气化技术类型气流床气化
气化技术名称壳牌煤气化技术 Shell Coal Gasification Process (SCGP)
气化炉组合方式对小型化工项目,单炉可以满足8000小时的设计时间。对于大型项目中,多台气化炉通过优化,以及负荷调整实现满负荷运行。
进料方式下部进料(相对顶部进料),干煤粉与氧气和蒸汽的混合物通过四个对置烧嘴进入气化炉反应段,反应物出烧嘴后实现更充分混合。根据不同产品要求,载气可采用氮气或二氧化碳。
喷嘴类型和特点壳牌煤气化烧嘴由两个同心圆通道组成:内通道输送粉煤,外通道输送氧化剂(氧气,或者氧气/蒸气混合物)。烧嘴设计寿命为8000小时,最长累计使用寿命可达20000小时。
流动方式壳牌独有的对置多烧嘴布置,保证合理的反应流场,使煤氧混合更均匀,相对停留时间更长,碳转化率更高。
耐火衬里竖管水冷壁,使用寿命保证25年
合成气冷却方式采用循环合成气激冷,之后通过合成气冷却器回收热量
气化介质氧气,极少量蒸汽(取决于煤质)
技术运行的阶段20多年的国内外大规模工业应用
运行周期连续百日运行常态化,全年累计三百天常态化。目前,单次最长连续运行280+天,年累计运行最长341天。
煤的粒度范围一般要求5~90微米分布在90%以内,褐煤粒度有所放宽。
煤的工业分析广泛的煤种适应性,已成功处理国内100余种原料,涵盖从无烟煤到褐煤,以及石油焦。壳牌拥有丰富的理论和实际经验,无需对煤种试烧即可为用户提供方案。
操作条件操作压力:2.0~4.3MPag操作温度:1400~1700℃根据灰分的粘温特性考虑,至少需要100℃以上的操作窗口
粗煤气的组成(典型,干基)典型组分:CO~68%,H2~22%,CO2~9%,CH4<100ppm(组分会随不同煤质而变化)
工艺指标(典型值)氧耗315~390Nm3/KNm3(CO+H2)
蒸汽消耗一般不消耗(如含碳量高,反应活性差加入少量蒸汽);采用低水气比变换技术,可副产大量高压或中压过热/饱和蒸汽。
煤耗610~650kg/KNm3(CO+H2)(收到基,随煤组成而变化)
碳转化率一般大于99%
适合工业领域化工生产用合成气(甲醇,合成氨,煤基油品/烯烃,制氢等),IGCC

三、市场应用情况

壳牌煤气化技术作为在中国应用的第一种干粉加压气流床煤气化技术,不但给中国传统的煤气化带来了先进的技术和全新的理念,同时也大大地促进了国内干粉气流床技术的发展。

自2001年与湖北双环签订第一个技术许可合同以来,壳牌至今已在中国签订了20个合同,包含27台气化炉,分别应用于合成氨、甲醇、制氢、烯烃以及费托油品等的生产。到2013年6月底,已有17个项目的21台气化炉投入生产运行。目前,许多壳牌现有用户已经在考虑继续采用壳牌炉扩大生产规模或用于新厂建设。

2013年壳牌与国内某企业签订的4台3200吨/天处理能力的废锅流程气化装置,将是迄今为止投入实际生产的最大的壳牌煤气化装置。此外,壳牌又与现有客户河南开祥化工签订的二期煤制化学品项目,采用与一期相同规模的废锅流程气化装置。


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除了第三方的技术许可之外,壳牌还与中石化成立了岳阳中石化壳牌煤气化有限公司。壳牌是在中国唯一一家自己投资运行煤气化装置的国际气化技术专利商。

在海外,壳牌近几年先后签订了韩国的IGCC项目,澳大利亚的化肥项目,越南两套化肥项目,其中一套已在2012年顺利开车投入商业运行。

壳牌还通过每年召开全球用户年会来推动技术交流和分享,到2013年已经举办了7届会议。会议在各个用户现场轮流举行,它是一个与其他壳牌用户讨论操作和改进的技术信息及经验的开放平台。

四、运行情况

实际运行证明,壳牌气化装置在开车后是可以取得较高的在线率的。煤气化装置运行实现“安、稳、长、满、优”离不开下面这些要素:成熟可靠的气化技术;良好的设计、采购和施工(EPC);高水平的工厂管理(煤质管理,设备维护等);懂得操作诀窍的操作技术人员。随着国内各家对壳牌气化技术的掌握和煤质管理水平的提高,装置的在线率不断提高,由于气化本身原因引起的停车越来越少。壳牌的中国用户已经实现了连续运行百日常态化,全年累计运行300天常态化。


2012年多台壳牌煤气化装置累计运行超300天,最长达到341天,并连续四年超过330天。2013年多家企业单炉单次连续运行记录超过200天,云维集团大维制氨公司创造的单炉单次连续运行记录已经突破280天,并不断刷新。天福、中石化安庆和云沾化均实现了石油焦掺混,天福在2012年采用石油焦掺混满负荷累积运行265天;多家煤烧嘴设计寿命达到6000~8000小时左右,多个烧嘴超过10000小时,3个煤烧嘴已经累积运行540多天(13000小时)未更换;滤芯最长记录4年没有损坏和更换,多家企业滤芯寿命超过2到3年。


根据壳牌每周对所有客户的运行装置运行情况的统计,如排除气化装置上下游和非气化因素造成的停车,平均技术可靠性已经达到并超过设计指标。2012年年平均可靠性超过92%,在2013年3月达到了创纪录的97%。国内大部分运行客户已经完成性能考核,氧耗、煤耗等指标均低于保证值,壳牌气化技术的先进性得到验证和认可。


案例:某年产26万吨合成氨装置,采用壳牌废锅匹配低水气比变换流程,年运行时间已连续4年超过8000小时,副产品每年有六千多万收益。

产品元/吨吨/时百万人民币/年(8000小时)
飞灰>300~3.58.4
灰渣~150~9.010.80
蒸汽(外送)2302747.98


总收益68.88

五、最新动态

1、进行设计优化

基于第一批和第二批壳牌气化装置的开车经验,在新项目中,壳牌不但会采用所有最新的设计改进,而且在项目详细设计审查等关键阶段就会参与审查,保证在项目初期就能避免问题的发生。今后的所有新项目都将受益于壳牌这种系统的经验总结模式,并得到壳牌北京技术服务团队和国外专家的全力技术支持。

2、推进煤质和设备管理

有效的煤质监测和管理是保障气化炉稳定运行的关键措施,壳牌在这方面已经协助客户对煤质管控做了大量工作。从帮助客户对煤质实施“六点监控法”(即从煤矿产地到煤料进入气化炉之间的6个关键节点上对煤质进行监控)提高煤质的稳定性,到基于壳牌建立全面的煤种数据库,对不同煤种混合配比提供专业建议,都对用户装置运行稳定性的提高起到了关键作用。

此外,壳牌还特别关注装置中设备仪表阀门等的长周期运行,凭借丰富的工厂管理经验,可帮助用户建立风险评估为基础的维修,基于风险的检查,设备运行故障周期等管理体系。

3、推进设备国产化

壳牌一直致力于关键设备的国产化,以此降低气化装置的初始投资,加快设备交货时间,缩短项目周期。不断扩大的本地授权供货商为用户提供了更多的选择,实实在在为用户降低运行和备件的成本。

已许可的和正在许可进程中的国内关键设备供货商(2013/07/01)


已经许可的供货商正在许可的供货商
气化炉内件上海锅炉,无锡华光,苏州海陆,东方锅炉
煤烧嘴上海711所和航天远征(烧嘴制造),岳阳四化建(头部维护)
点火/开工烧嘴航天远征上海711所(正在许可)
锁斗阀上海开维喜,上海弘盛,苏州安特威
滤芯北京安泰(金属滤芯)
煤阀
开维喜
三通阀合肥通用,岳阳东方开维喜
充气设备西安宝德,北京安泰

*上锅和东锅已经开始为国内项目制造气化炉内件。

4、实现下行水激冷技术的商业验证

针对不同客户对效率,投资的不同需求,壳牌基于成熟的水冷壁和对置多烧嘴技术又特别开发和验证混合气化技术即下行水激冷气化。2011年1月壳牌与惠生签署商业技术协议,两家公司在南京化工园区合作建设900吨/天投煤量的下行水激冷气化装置。

此气化炉全部由国内企业生产并整体运输到现场,并于2012年12月在南京惠生厂区安装到位。目前,项目进展顺利,预计将于2013年9月开车运行,并计划在之后6个月内对不同煤种进行验证运行,然后进入正式商业运行并开始对外授权许可该技术。

项目:


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