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SCGP( 壳牌) 煤气化工艺

1、 SCGP( 壳牌) 煤气化技术简介。
1.1工艺原理。
SCGP壳牌煤气化过程是在高温、 加压条件下进行的, 煤粉、 氧气及少量蒸汽在加压条件下并流进入气化炉内, 在极为短暂的时间内完成升温、 挥发分脱除、 裂解、 燃烧及转化等一系列物理和化学过程。由于气化炉内温度很高, 在有氧存在的条件下, 碳、 挥发分及部分反应产物( H2和CO等) 以发生燃烧反应为主, 在氧气消耗殆尽之后发生碳的各种转化反应, 即过程进入到气化反应阶段, 最终形成以CO和H2为主要成分的煤气离开气化炉。典型的SCGP煤气成分见表1。

1.2工艺流程。
当前, 壳牌煤气化装置采用废锅流程, 废锅流程的壳牌煤气化工艺简略流程见图1。

原料煤经破碎由运输设施送至磨煤机, 在磨煤机内将原料煤磨成煤粉( 90％＜100μm) 并干燥, 煤粉经常压煤粉仓、 加压煤粉仓及给料仓, 由高压氮气或二氧化碳气将煤粉送至气化炉煤烧嘴。来自空分的高压氧气经预热后与中压过热蒸汽混合后导入煤烧嘴。煤粉、 氧气及蒸汽在气化炉高温加压条件下发生碳的氧化及各种转化反应。气化炉顶部约1500℃的高温煤气经除尘冷却后的冷煤气激冷至900℃左右进入合成气冷却器。经合成气冷却器回收热量后的煤气进入干式除尘及湿法洗涤系统, 处理后的煤气中含尘量小于1mg／m3送后续工序。
湿洗系统排出的废水大部分经冷却后循环使用, 小部分废水经闪蒸、 沉降及汽提处理后送污水处理装置进一步处理。闪蒸汽及汽提气可作为燃料或送火炬燃烧后放空。
在气化炉内气化产生的高温熔渣, 自流进入气化炉下部的渣池进行激冷, 高温熔渣经激冷后形成数毫米大小的玻璃体, 可作为建筑材料或用于路基。
1.3技术特点。
1.3.1煤种适应性广。
SCGP工艺对煤种适应性强, 从褐煤、 次烟煤、 烟煤到无烟煤、 石油焦均可使用, 也可将2种煤掺混使用。对煤的灰熔点适应范围比其它气化工艺更宽, 即使是较高灰分、 水分、 硫含量的煤种也能使用。
1.3.2单系列生产能力大。
煤气化装置单台气化炉投煤量达到 t/d以上, 生产能力更高的的煤气化装置也正在建设中。
1.3.3碳转化率高。
由于气化温度高, 一般在1400～1600℃, 碳转化率可高达99％以上。
1.3.4产品气体质量好。
产品气体洁净, 煤气中甲烷含量极少, 不含重烃, CO＋H2体积分数达到90％以上。
1.3.5气化氧耗低。
与水煤浆气化工艺相比, 氧耗低15％～25％, 可降低配套空分装置投资和运行费用。
1.3.6热效率高。
煤气化的冷煤气效率能够达到80％～83％, 其余15％副产高压或中压蒸汽, 总热效率高达98％。
1.3.7运转周期长。
气化炉采用水冷壁结构, 牢固可靠, 无耐火砖衬里。正常使用维护量小, 运行周期长, 无需设置备用炉。煤烧嘴设计寿命为8000h。烧嘴的使用寿命长, 是气化装置能够长周期稳定运行的重要保证。
1.3.8负荷调节方便。
每台气化炉设有4～6个烧嘴, 不但有利于粉煤的气化, 同时生产负荷的调节更为灵活, 范围也更宽。负荷调节范围为40％～100％, 每分钟可调节5％。
1.3.9环境效益好。
系统排出的炉渣和飞灰含碳低, 可作为水泥添加剂或其它建筑材料, 堆放时也无污染物渗出。气化污水量小且不含焦油、 酚等, 容易处理, 需要时可实现零排放。
2、 SCGP壳牌煤气化工艺存在的主要问题。
壳牌煤气化技术是当前世界上较为先进的煤气化技术之一, 但同时也存在很多影响大面积推广的问题, 主要有如下几个方面。
2.1流程复杂。包括磨煤及干燥、 煤粉加压及进料、 煤气化、 除渣、 除灰、 湿洗、 初步水处理七大工序和公用系统, 工序流程非常复杂。
2.2控制系统复杂。煤气化装置的控制系统比较复杂, I／O点多达3000多个, 采用串级、 前馈、 分程、 比值调节及顺序控制( 15个) 和逻辑控制( 50多个) , 经过分散型控制系统( DCS) 、 紧急停车系统( ESD) 、 可编程逻辑控制( PLC) 实现生产过程的集中监控和管理, 无论从规模还是复杂程度方面在国内化工行业单套装置中均为少见。
2.3设备结构复杂。煤气化关键设备气化炉、 输气管和合成气冷却器在煤气化框架上呈”门字形”连成一体, 3台设备共有200多个管口, 设备结构和受力情况复杂, 对材料要求高, 内件组装对外壳接管标高及方位要求极为严格, 设计、 制造、 组装、 运输和吊装难度大。
2.4疲劳设备多。煤气化装置共有13台疲劳设备, 要采用有限元应力分析法进行疲劳计算与设计, 对设备制造也提出了更高的要求。
2.5引进设备和仪表较多。煤气化关键设备中需要进口的主要有气化炉、 输气管、 合成气冷却器的内件, 飞灰过滤器的内件, 以及点火烧嘴、 开工烧嘴、 煤烧嘴、 煤流量控制阀、 煤三通阀、 煤粉流量测量仪表、 煤粉阀、 煤灰渣阀、 硬密封仪表球阀、 锅炉给水循环泵( 大流量) 、 恒力吊、 激冷气压缩机等, 进口设备一次性投入大, 运行成本也高。
2.6布置结构复杂。煤气化框架高超过90m, 为钢筋混凝土和钢结构混合结构, 其中安装设备不但数量多, 且质量大, 与框架的连接形式复杂。采用有限元模型从结构的动力特性、 变形、 强度、 建筑结构、 气化炉及地震对框架的影响等进行了模拟分析。结构施工和安装工作量较大。
2.7项目建设周期长、 投资大。
3、 SCGP壳牌煤气化装置应用注意事项
3.1试车或运行过程出现的问题。
壳牌煤气化装置在试车和运行过程中出现的主要问题有: A、 磨煤系统的气密性不好; B、 部分蒸汽伴管/电伴热设备和管道保温效果不佳; C、 柴油系统不洁净, 油系统压力不够和不稳定; D、 煤粉循环管线上的减压管后异径管易磨穿; E、 外部供电供汽供水系统故障; F、 充气锥堵塞和破裂; G、 点火烧嘴头损坏; H、 煤烧嘴罩损坏; I、 激冷气压缩机故障, 激冷气压缩机系统抗外部波动能力脆弱; J、 锅炉给水循环泵入口过滤器变形和破损; K、 煤粉中杂质等因素引起煤粉流量波动或换煤频繁, 导致气化炉运行不稳; L、 气化炉内渣保护层不稳定, 且难以准确直观判断气化炉内壁保护渣层厚度; M、 灰水处理系统故障, 渣水系统设备、 管道堵塞; N、 捞渣机断链; O、 飞灰过滤器内件损坏; P、 气化炉激冷区损坏; Q、 气化炉水冷壁进水喷嘴被异物堵塞; R、 合成气冷却器积灰。
3.2 SCGP壳牌煤气化装置生产运行过程中的注意事项。
3.2.1保持煤粉有良好的流动性和输送的稳定性, 否则会导致搭桥和充气锥堵塞, 还会造成进气化炉O／C难以控制, 继而造成一系列的后果。应注意的问题: A、 控制干煤粉水分在1％～2％之间; B、 保证煤粉在充氮的容器中贮存时间不要过长( 少于10天) ; C、 对干煤粉系统进行良好的保温, 保证煤粉温度大于80 ℃; D、 控制磨后煤粉粒度, 保证粒度小于5 μm煤粉量所占比例小于10％; E、 增加纤维筛, 以防止煤粉中进入杂物( 还可防止煤粉控制阀堵塞) ; F、 控制均衡加压, 防止V－1204因煤粉压实而导致排料不畅; G、 控制对V－1205缓慢加压至气化炉操作压力＋0.8 MPa, 保证V－1205充气锥充气量, 防止V－1205煤粉压实; H、 注意煤粉质量流量计的安装和初始校验。
3.2.2防止充气设备损坏。A、 控制锥部压差, 防止压差过高; B、 对于V－1204, 应控制进入充气锥的N2量, 或改变其结构, 用多孔板结构取代烧结金属结构。
3.2.3点火烧嘴、 开车烧嘴。A、 注意点火烧嘴和开工烧嘴的安装, 防止烧嘴的机械性损伤或使气化炉水冷壁损坏; B、 保持点火烧嘴和开工烧嘴通道的清洁, 防止烧嘴头损坏或通道堵塞; C、 氧气总管应设置气体缓冲罐, 避免当第1个煤烧嘴投运后开工烧嘴停车; D、 注意检查厂商的控制系统与装置控制系统的一致性。E、 煤粉循环管线上的减压管后异径管易于磨穿, 可改为特殊结构异径管。
3.2.4锅炉给水及循环系统。A、 保证锅炉给水循环泵入口过滤器的有效过滤面积、 滤网孔径和压差, 以避免损坏; B、 保证锅炉给水的水质, 避免结垢而引起水冷壁管损坏和锅炉给水循环泵损坏; C、 保证锅炉给水循环泵供电的可靠性, 如若突然停电, 易造成气化炉底部水冷壁热量无法及时移出而使水冷壁管烧坏; D、 在设备制造、 管道安装、 单体试车期间注意保持系统的洁净性, 以防止LAMONT孔板嘴堵塞, 继而使水冷壁管损坏。
3.2.5煤烧嘴。A、 为防止煤烧嘴冷却套和膨胀节损坏, 在装配时应保证在烧嘴罩上进行双面焊, 用耐火材料填充膨胀节; B、 煤烧嘴冷却水入口和出口增加温度测量, 以便于对煤烧嘴的实时监控。
3.2.6防止煤烧嘴罩损坏。A、 注意煤烧嘴伸入气化炉内的长度; B、 适当加大烧嘴罩冷却水流量; C、 保持煤粉输送系统的稳定; D、 保持煤的品质稳定( 若换煤种, 必须及时调整各相关工艺控制参数) ; E、 关注气化调温蒸汽的加入; F、 适当降低氧煤比; G、 经过助熔剂用量对渣的黏度进行修正。
3.2.7气化炉温度控制。气化炉温度控制改由基于气化炉所产生的蒸汽量( 响应时间仅几秒钟) , 而出口CO2含量只作为备用控制( 响应时间5～10min) 。注意为保证气化炉所产生的蒸汽流量测量的准确性和稳定性所应采取的相关措施。
3.2.8防止气化炉激冷区损坏。当激冷气压缩机跳车或激冷气量不足时, 要保证有充分的超高压N2吹扫气化炉激冷区( 联锁控制) , 以防止激冷区烧坏。
3.2.9防渣及渣水系统堵塞。A、 为防止大渣的生成, 避免1400系统堵塞, 在更换煤种时应测量灰分的组成, 经过黏度—温度试验确定加入的石灰石量。B、 注意1400系统渣池水的黏度和密度变化, 适当加大循环水排放量, 以防止渣浆浓度过高而使管道系统堵塞。
3.2.10设备和管道伴热。注意煤粉系统、 激冷气压缩系统、 飞灰系统设备和管道的良好伴热。
3.2.11飞灰过滤器陶瓷管。为防止飞灰过滤器陶瓷管损坏, 应加固文丘里和管板之间的连接, 并在文丘里和反吹管口之间安装连接件。
3.2.12 CO2加压和输送。对用于生产甲醇的壳牌煤气化项目, 由于用CO2取代N2作为煤粉加压和输送的介质, 当前还没有可借鉴的经验, 应关注由此可能引起的一系列问题。
3.2.13项目建设需关注的其它问题。A、 气化炉的供货和安装是壳牌煤气化项目的最关键路线, 处理好与此相关工作最有利于缩短项目建设周期; B、 增加壳牌煤气化装置关键设备合格认证供货商数量, 加快关键设备和仪表国产化进程, 加快装置系统的优化工作, 有利于降低装置建设投资; C、 气化炉水汽系统的洁净安装、 气化炉内耐火衬里的烘炉、 恒力吊的调试、 水汽系统的煮炉、 仪表和控制系统的单调和联调、 装置机械竣工检查等工作均非常重要, 应予以特别关注; D、 磨煤和煤干燥系统应先于其它工序建成, 以便首先生产出合格的煤粉, 并进行煤粉流量测量系统的校验工作, 此举可为气化炉的化工投料创造条件。
4、 结论。
当前主流煤气化工艺都有一定的先进性和局限性, SCGP壳牌煤气化是当前较为先进的煤气化工艺, 当然也存在投资大、 流程复杂、 建设周期长等不足之处, 对于企业来讲, 关键是选择适合自身特点、 符合当前节能环保要求的恰当方式。