shell煤氣化技術(shù)特點(diǎn)及國內(nèi)應(yīng)用概況

馬海騰，馬雪蓮，周亞濤

（1.義煤集團(tuán)河南開祥化工有限公司 河南 三門峽 472300；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 內(nèi)蒙古 包頭 014010）

引言

能源是社會存在和發(fā)展的必需品，也是國家經(jīng)濟(jì)的命脈，而世界30%的能源[1]由煤炭提供。我國屬于“缺油，少氣，富煤”的國家，對于能源結(jié)構(gòu)上的不平衡，煤化工彌補(bǔ)了這方面的不足，煤制油、煤制氣、煤制甲醇等大批煤化工項(xiàng)目在我國興起。發(fā)展煤化工的核心在于煤氣化技術(shù)，目前國際上具有代表性的有Texaco、GSP、Shell等煤氣化技術(shù)。我公司年產(chǎn)25萬噸甲醇項(xiàng)目就引進(jìn)了shell煤氣化技術(shù)。

一、shell煤氣化技術(shù)的發(fā)展歷史

Shell煤氣化屬于第二代煤氣化技術(shù)，前后經(jīng)歷了30多年的技術(shù)開發(fā)歷程。1972年開始在Shell阿姆斯特丹研究院進(jìn)行研究開發(fā),1976年煤氣化技術(shù)達(dá)到一定水平并建成了一座處理煤量為6t/d的試驗(yàn)廠。1978年在德國漢堡建成日處理煤150 t的氣化裝置，進(jìn)行操作程序的優(yōu)化工作。1987年在美國休斯頓Deer Park石化中心建成SCGP-1示范廠，日處理高硫煙煤250 t或日處理高灰分褐煤400 t，對18種原料煤進(jìn)行試驗(yàn)工作。1988年在荷蘭Buggenun進(jìn)行裝置建設(shè)，裝置設(shè)計(jì)能力為單爐日處理煤2 000 t。于1998年完成3年示范期，到2001年,氣化裝置運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到95%以上,自此Shell公司開始向市場推出殼牌氣化工藝。2001年6月湖北雙環(huán)與Shell最先簽約，開始了shell煤氣化技術(shù)在我國的發(fā)展之路。

二、shell煤氣化工藝簡介

目前,Shell煤氣化大型工業(yè)化裝置均采用廢熱鍋爐流程,簡略流程見圖1。

原煤從煤場送至磨煤系統(tǒng)，在微負(fù)壓環(huán)境下的磨煤機(jī)進(jìn)行碾磨，并被熱風(fēng)爐送過來的熱風(fēng)所干燥。粉煤和熱氣一起被送至粉煤袋式過濾器，在此煤粉被收集下來，經(jīng)螺旋被送至低壓粉煤貯倉。

煤粉通過煤鎖斗的承上啟下被送至煤進(jìn)料罐，在煤進(jìn)料罐出來的煤粉被煤加速器加速，通過煤燒嘴被送至氣化爐，氧蒸混合氣通過燒嘴環(huán)隙進(jìn)入氣化爐。氣化溫度為1400℃～1700℃，氣化壓力為3.5～4.0MPa，三種物料在極為短暫的時間內(nèi)完成升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒及轉(zhuǎn)化等一系列物理和化學(xué)過程。氣化反應(yīng)產(chǎn)生的渣以液態(tài)的形式經(jīng)氣化爐壁向下流入渣池，通過除渣系統(tǒng)送至渣場。產(chǎn)生的合成氣從頂部出氣化爐，在激冷口被激冷至900℃以下。然后分別經(jīng)過水汽系統(tǒng)的激冷段、輸氣管、氣體返回室、蒸汽過熱器、合成氣冷卻器進(jìn)行冷卻。

被冷卻的合成氣被送至除灰系統(tǒng)，通過高溫高壓陶瓷過濾器除去里面的飛灰，潔凈的合成氣從過濾器頂部出來。分兩路送出，一路送往濕洗系統(tǒng)，另外少量的合成氣被送至激冷壓縮機(jī)。飛灰經(jīng)過氣提和冷卻被送至灰?guī)?。?jīng)過濕洗系統(tǒng)的合成氣被進(jìn)一步的濕洗和冷卻后，分兩路送出，一路被送往變換，一路被送往激冷壓縮機(jī)，第三路被送至合成氣緩沖罐作為燃料氣使用。

氣流床氣化過程是煤炭在高溫下的多相熱力學(xué)反應(yīng)，它所涉及的的化學(xué)反應(yīng)和傳遞過程很多，反應(yīng)過程十分復(fù)雜。下面從熱力學(xué)角度和動力學(xué)角度簡述分析其反應(yīng)的機(jī)理。

1.熱力學(xué)機(jī)理

氣化反應(yīng)溫度很高，煤粉受熱速度極快，粉煤中的殘余水分能瞬間快速蒸發(fā)。同時快速脫除其中的揮發(fā)分，生成半焦和氣體產(chǎn)物，在富氧的環(huán)境下，氣體產(chǎn)物中的可燃成分與O2迅速發(fā)生燃燒反應(yīng)，并放出大量的熱維持反應(yīng)[2]的進(jìn)行。反應(yīng)過程大致可分為三步，第一步；裂解及揮發(fā)分燃燒。當(dāng)粉煤和O2噴入氣化爐內(nèi)后，被迅速加熱到較高的溫度，粉煤在此時發(fā)生干餾和裂解，釋放出焦油、甲醇、甲烷、酚、樹脂等揮發(fā)分，水分變成水蒸氣，粉煤變成煤焦。第二步；燃燒及氣化。煤焦一方面與剩余的O2發(fā)生燃燒反應(yīng)，生成CO和CO2等氣體，放出熱量。另一方面與水蒸氣和CO2發(fā)生氣化反應(yīng)，生成H2和CO。第三步；氣化。煤焦和CH4等與水蒸氣發(fā)生氣化反應(yīng)生成H2和CO。

2.動力學(xué)機(jī)理

氣化反應(yīng)是氣化劑與焦渣接觸而發(fā)生的，它的反應(yīng)歷程為氣化劑分子自氣流向焦渣外殼擴(kuò)散→滲透過焦油的外殼灰層而達(dá)到未反應(yīng)的焦油表面→滲透到焦渣的毛細(xì)孔而到達(dá)焦渣的內(nèi)表面→與焦渣發(fā)生氣化反應(yīng)→生成的產(chǎn)物循上述相反進(jìn)行而擴(kuò)散到氣流中去。

三、應(yīng)用概況

自湖北雙環(huán)公司,于2001年6月簽訂第一份技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議至2012年6月，國內(nèi)已有15家企業(yè)與shell公司簽訂了19份合同，引進(jìn)了23臺氣化爐[3,4]。 其中9套裝置10臺氣化爐用于生產(chǎn)合成氨,9套裝置11臺氣化爐用于生產(chǎn)甲醇,1套裝置2臺氣化爐用于生產(chǎn)氫氣,基本情況見表1。

四、Shell煤氣化技術(shù)特點(diǎn)

1、干粉進(jìn)料

Shell煤氣化技術(shù)采用干煤粉進(jìn)料，利用加壓 N2輸送，連續(xù)性好，便于操作。

2、煤種的適應(yīng)性廣

由于Shell氣化爐采用干煤粉進(jìn)料和氣流床氣化，因而煤種的適應(yīng)范圍較寬，在添加合適的助熔劑或嚴(yán)格的配煤比的條件下，對于較高水分、灰熔點(diǎn)、灰分和含硫量的煤種適應(yīng)性較強(qiáng)。

3、熱效率高

Shell煤氣化工藝的熱效率很高，其中原煤中77%～83%的熱能被轉(zhuǎn)化為合成氣，約15%的熱能被廢熱鍋爐回收，產(chǎn)出高壓或中壓蒸汽,總的熱效率能夠達(dá)到98%左右。

4、氣化溫度高

Shell 煤氣化溫度為 1 400～1 600℃，在這樣的高溫下碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%以上，所產(chǎn)氣體相對潔凈，不污染環(huán)境，并且所產(chǎn)粗合成氣中的有效氣體（CO+H2）可以達(dá)到85%以上。

5、單爐生產(chǎn)能力大

目前已投入運(yùn)行的氣化爐日處理煤量高達(dá)1 000～4000t，運(yùn)行時氣化爐的壓力控制在3.0～4.0 MPa。

6、氧耗低

Shell煤氣化技術(shù)與水煤漿氣化相比，O2消耗低15%～25%,因而與之配套的空分裝置可以降低投資。

7、采用水冷壁結(jié)構(gòu)

Shell氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu),利用以渣抗渣原理，通過開車前的掛渣對爐壁進(jìn)行保護(hù)，無需昂貴的耐火磚襯里，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長,維護(hù)量少，使用壽命一般都在10年以上,無需備爐。

8、先進(jìn)的控制系統(tǒng)

氣化操作采用了先進(jìn)的工藝計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，輸入輸出點(diǎn)多達(dá)3 000多個，采用分程、串級、前饋、比值調(diào)節(jié)以及順序控制和邏輯控制，通過DCS、ESD、PLC實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中的監(jiān)控和管理，自動化程度高,保障系統(tǒng)能夠在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

9、燒嘴運(yùn)轉(zhuǎn)周期長

Shell煤氣化燒嘴的設(shè)計(jì)使用壽命為8 000 h，保證了氣化裝置長周期運(yùn)行，并且維護(hù)量小。

10、粗合成氣激冷冷卻

Shell煤氣化技術(shù)通過粗合成氣循環(huán)冷卻系統(tǒng)將氣化爐出口溫度激冷至900℃左右，氣體中夾帶的灰渣液滴被固化并冷卻，從而形成一種非粘性的飛灰顆粒，避免了飛灰在膜式壁上的凝固堆積。同時也避免了廢熱鍋爐的高溫材料限制。

11、開車靈活

Shell氣化爐為水冷壁結(jié)構(gòu)，開車時先建立鍋爐給水循環(huán)系統(tǒng)，通過開工蒸汽對氣化爐進(jìn)行預(yù)熱升溫，然后經(jīng)開工燒嘴點(diǎn)火達(dá)到煤氣化的溫度要求，投入煤燒嘴，一般僅需要3～4小時就可以投入正常運(yùn)行，靈活便捷。

12、環(huán)境效益好

Shell煤氣化在整個生產(chǎn)過程中對污染物都實(shí)行了全過程控制，高溫氣化不產(chǎn)生焦油、酚等凝聚物，排出的熔渣經(jīng)水幕激冷后成玻璃狀顆粒，性質(zhì)穩(wěn)定，可用作道路建設(shè)等材料。產(chǎn)生的飛灰被飛灰過濾器除塵回收，可用作水泥滲合劑等。氣化產(chǎn)生的污水中含氰化物少，易于處理，必要時可以做到零排放。

五、應(yīng)用過程中存在的問題與改進(jìn)

1、氣化爐燒嘴罩泄露

在最初的試車及生產(chǎn)過程中shell煤氣化裝置燒嘴罩曾頻繁出現(xiàn)燒穿事故，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)過研究分析開發(fā)出了第二代燒嘴罩[5]，自此泄漏問題已基本得到解決。

2、合成氣冷卻器積灰

合成氣冷卻器積灰問題是困擾氣化裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的公認(rèn)技術(shù)難題，而且造成合成氣冷卻器積灰的因素眾多，如激冷比控制不當(dāng)、氧煤比調(diào)節(jié)不適、配煤比、煤質(zhì)問題等等。目前這一根本問題尚不能有效解決，但實(shí)踐證明，除去操作因素外，煤質(zhì)是影響合成氣冷卻器積灰的最重要因素。

3、激冷氣系統(tǒng)故障

激冷氣壓縮機(jī)為國有技術(shù)，采用的是高壓變頻調(diào)速，在某些設(shè)計(jì)上還存在不足，如抗晃電干擾能力弱等方面，曾多次推遲開車或中斷運(yùn)行。為氣化裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行，擬進(jìn)行相關(guān)改造。

4、飛灰過濾器故障

飛灰陶瓷過濾器故障主要是因?yàn)闉V芯得不到有效反吹而發(fā)生堵塞或折斷，此外反吹閥系統(tǒng)故障，飛灰性質(zhì)改變，反吹氣不合格及操作失誤等也會造成陶瓷過濾器的故障。目前加裝了新設(shè)計(jì)的安保濾芯[6]，當(dāng)陶瓷濾芯發(fā)生斷裂后，安保濾芯會迅速封閉氣體流通通道來維持裝置的運(yùn)行。目前金屬濾芯也開始投入使用。

5、煤質(zhì)要求嚴(yán)格

Shell氣化爐對煤質(zhì)的要求相對較為寬松，但要確保氣化裝置能夠長、滿、優(yōu)運(yùn)行，在沒有備爐的情況下，研究和運(yùn)行實(shí)踐[7,8]表明，必須選擇適宜的煤種。一般認(rèn)為應(yīng)從活性、可磨指數(shù)、灰分、水分、熱值、硫含量、灰熔點(diǎn)等方面加強(qiáng)控制。

6、燒嘴點(diǎn)火困難

開工燒嘴點(diǎn)火成功率低 [9]大大增加了開車費(fèi)用和開車時間，給企業(yè)造成了很大的損失。經(jīng)過研究和分析提出了低壓投煤技術(shù) [10]，實(shí)踐證明采用低壓投煤技術(shù)1次投煤成功率幾乎100%。

表1 國內(nèi)引進(jìn)的SCGP裝置基本情況

7、投資大，建設(shè)周期長。

由于設(shè)備復(fù)雜和龐大，使得氣化裝置投資也相對較大，建設(shè)周期長，而且相應(yīng)投資回收期也長。為了降低投資成本，開始了Shell煤氣化技術(shù)的本土化及關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化的研究，目前Shell氣化爐設(shè)備的國產(chǎn)化率已經(jīng)達(dá)到了98%，大大降低殼牌煤氣化項(xiàng)目的總成本，而且國內(nèi)用戶還得到了更加及時高效的售后服務(wù)。

六、Shell煤氣化運(yùn)行狀況

隨著shell煤氣化裝置連續(xù)運(yùn)行時間的不斷刷新，標(biāo)志著這一技術(shù)的運(yùn)行狀況已“漸入佳境”。下面將近兩年的A級連運(yùn)天數(shù)記錄做簡單介紹，2011年中石化安慶shell煤氣化裝置連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行152天，2012年3月龍宇煤化工殼牌煤氣化單機(jī)連續(xù)運(yùn)行154天，2012年6月云南天安化工實(shí)現(xiàn)的殼牌煤氣化裝置連續(xù)運(yùn)行157天，2012年9月27日中石化安慶分公司shell煤氣化裝置連續(xù)運(yùn)行185天，2013年4月10日云維集團(tuán)沾化分公司殼牌煤氣化裝置連續(xù)運(yùn)行203天。2013年5月12日河南煤化集團(tuán)龍宇煤化殼牌氣化爐連續(xù)運(yùn)行207天。2013年4月20日我公司也創(chuàng)造了殼牌煤氣化裝置連續(xù)運(yùn)行150天的好成績，在這不斷刷新的記錄中我們看到了采用先進(jìn)shell煤氣化技術(shù)的中國企業(yè)取得的優(yōu)秀的運(yùn)行業(yè)績，同時也看到了shell煤氣化技術(shù)運(yùn)行狀況的穩(wěn)定與成熟。以2009年為例，柳化全年運(yùn)行331天，平均操作負(fù)荷在90%以上[11]，達(dá)到了設(shè)計(jì)的年操作時間330天的要求。shell煤氣化在我國已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了“連續(xù)運(yùn)行百日常態(tài)化”和“全年累計(jì)運(yùn)行三百日常態(tài)化”。比如，云南天安化工，岳陽中石化殼牌合資公司，中石化安慶分公司和神華煤制油等企業(yè)的殼牌煤氣化裝置在2012年接連取得了其連續(xù)運(yùn)行的最好成績。雙環(huán)、柳化、永城等多家企業(yè)已在2011年取得了累計(jì)運(yùn)行超過300天的業(yè)績，其中最高紀(jì)錄達(dá)到一年累計(jì)運(yùn)行338天。

7、前景展望

我國煤炭資源儲量豐富，在世界已探明的儲量當(dāng)中，我國的煤炭儲量占到了大約15%，這為煤化工行業(yè)提供了豐富的原料。同時shell煤氣化技術(shù)成功的將節(jié)約能源與環(huán)境保護(hù)二者有機(jī)的結(jié)合在一起，有效的提高燃煤利用率，降低生產(chǎn)成本嗎，這與我國的環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式相統(tǒng)一。Shell煤氣化技術(shù)自2001年開始引進(jìn)到現(xiàn)在，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、采購、施工、試車及生產(chǎn)運(yùn)行過程中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了很好的消化與吸收。

經(jīng)國內(nèi)制造企業(yè)的不斷努力，shell煤氣化裝置的國產(chǎn)化達(dá)到98%，有效的降低了生產(chǎn)成本。隨著國內(nèi)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，企業(yè)間管理經(jīng)驗(yàn)和操作訣竅的交流，國內(nèi)相關(guān)科研、設(shè)計(jì)、工程、生產(chǎn)單位的密切合作，Shell煤氣化裝置將實(shí)現(xiàn)長周期穩(wěn)定運(yùn)行的更好記錄。shell煤氣化技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展的十多年歷程中不斷的改進(jìn)和提高變得逐漸完善，但扔存在一些問題有待進(jìn)一步解決。綜合來看相信shell煤氣化技術(shù)在我國將有更廣闊的發(fā)展前景。

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