Shell煤气化工艺的评述和改进意见.doc

Shell煤气化工艺的综述及流程改进意见戴进美（湖南工学院 材料与化学工程系 应用化工专业0901班 ）摘 要： 叙述了Shell煤气化技术的发展过程，介绍了Shell煤气化工艺和主要设备的特点，回顾国内的装置建设情况，坦言一些存在的问题，并提出Shell工艺的改进意见：在为中国设计的制氢气、氨和甲醇化工装置中，将废锅流程改为激冷流程，町以明显降低投资，加快建设周期，提高开车速度，降低运行成本。关键词： Shell 煤气化工艺 废锅流程 激冷流程编者按：虽然Shell煤气化工艺是目前世界上较为先进的第二代煤气化工艺之一，但是这种工艺不是十全十美的国内引进该枝术应用于氢、氨、醇生产的过程中将面临着很多困难，认识上有很多不足。本文作者结合多年的工程实践经验，坦言Shell煤气化工艺存在的一些问题，并提出Shell工艺的改进意见可供业界同行参考。 Shell煤气化过程是目前世界上较为先进的第二代煤气化工艺之一。按学术上的分类，She1煤气化属气流床气化。煤粉、氧气及少量水蒸气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，气化产物为以氢气和一氧化碳为主的合成气，二氧化碳的含量很少。1 Shell煤气化技术的发展历程自20世纪50年代起，壳牌公司就参与了气化技术的开发。当时，该公司开发r以油为原料的壳牌气化技术(SGP)，至今已有150多套SGP没施得到技术转让。在积累油气化经验后，1972年开始在该公司的阿姆斯特丹研究院(KSLA)进行煤气化技术研究。1976年，煤气化工艺(SCGP)已达到一定水平并建立一座处理煤量为6td的试验厂，利用该装置一共试验了30多个不同的煤种。1978年，在汉堡附近的哈尔堡炼油厂建设一座处理煤量为150td的工厂，公司利用这座装置进行了一系列成功的试验，至1983年该装置停止运转为止，累计运行了6l00h，其中包括超过1 000h的连续运转，顺利完成了工艺开发和过程优化的任务。在汉堡中试装置成功运行的基础上，1987年，壳牌公司在美同休斯顿附近的DeerPark石化巾心建设了一座规模较大的上厂，这庠命名为SCGP l的示范进煤量为每天250t高硫煤或每天400t高湿度、高灰褐煤，共积累了15000h的操作经验。SCGP1试验了约18种原料，包括褐煤乃至石油焦。这些试验结果充分汪实壳牌煤气化技术在可靠性、原料灵活性、负荷可调性和环保方面都达到了极高水准，该示范装置运行成功。1988年，荷兰国家电力局决定由其下属的Demkolec公司在荷兰南部的BuGGenun兴建能力净输出为253MW的煤气化联合循环发电厂(IGCC)。Shell公司为装置提供专利技术及基础设计，其煤气化装置设计能力为单炉日处理2000t煤、气化压力为28MPa。该电厂于1993年底试车1994年初开始为期3年的示范期，在此期间，该装置成功地完成了14个煤种的试验，并对商业化电站规模的可靠性操作、环保、负荷调节及经济方面进行了全面的评估。该装置的实践表明，碳的转化率可达99以上，装置负荷可在40100之间调整。到2001年，气化装置运转率在95以上，从此Shell公司开始向市场推出壳牌煤气化工艺。Shell技术进展见表1。由此可见，Shell煤气化技术的进程从中试开始，到可以商业化巾，前后长达30年。这说明大型煤气化技术的开发是艰巨的，为我国正在兴起的煤气化技术的开发提供了很好的启示。表1 SheB技术进展年代规模(投煤量d)地点实效197219766t荷兰阿姆斯特丹30多个不同的煤种19781983150t德国汉堡累计运行了6l00h，连续运转超过1000h1987250t高硫煤美国休斯顿18种原料，运转15 000h198819932000t荷兰南部BuGGenun14个煤种，碳的转化率达99%以上，装置负荷率可在40%100%间调节2001253MW荷兰南部的BuGGenun气化装置运带率在95以上，达到商业化2 Shell煤气化工艺及特点简介21 Shell煤气化工艺流程来自煤场的煤和石灰石通过称重给料机按一定比例混和后进入磨煤机混磨，并由热风作为动力带走煤中的水分经过袋式过滤器过滤，干燥的煤粉进煤粉仓中贮存。束自空分的氧气经氧压机加压并预热后与中压过热蒸汽混合后导入喷嘴。出煤粉仓的煤粉通过锁斗装置，由氮气加压至4.2MPa并以氮气作为动力送至喷嘴，与蒸汽氧气进入气化炉内燃烧，反应温度约为l5001600压力3.5MPa。出气化炉的气体先在气化炉顶部被激冷压缩机送来的冷煤气激冷至900然后经输气管换热器、合成气冷却器回收热量后温度降至350，再进入高温高压陶瓷过滤器除去合成气中99的飞灰。出高温高压过滤器的气体分为2股，一股进入激冷气压缩机版缩后作为激冷气，另一股进文丘里洗涤器和洗涤塔，经高压工艺水除去其中剩余的灰并将温度降覃150后去气体净化装置。处理后的煤气含尘量小于1mgm3，然后送后续工序。在气化炉内产生的熔渣沿气化炉壁流人气化炉底部的渣池，遇水固化成玻璃状炉渣，然后通过收集器、渣锁斗，定时排放至渣脱水槽，再通过捞渣机捞出送至渣场，作为商品出售。在高温高压过滤器中收集的飞灰经飞灰气提塔气提并冷却至i00后进人飞从贮罐，一部分飞灰返回至磨煤机，另一部分作为商品出售。气化炉膜式壁内和各换热器由泵进行强制水循环，产生的5.4MPa饱和蒸汽进人汽包，经汽水分离进人蒸汽总管，水循环使用。22 Shell煤气化工艺的特点22 1 r煤粉进料煤种适应性比较广，从无烟煤、烟煤、褐煤到石油焦均可气化，对煤的灰熔融性温度范围的要求比其他气化工艺较宽些，对于较高灰分、较高水分、较高含硫量的煤种也同样适应。但是，实际使用时还是尽量选择比较好的煤为宜。粉煤用密封料斗法升压(即问断升压)，常压粉煤经变压仓升压进人工作仓(压力仓)，其压力略高于气化炉，粉煤用氮气或CO。央带人炉(经喷嘴)。2 .2.2气化温度高气化温度约l400l 600，碳转化率高达99以上，产品气体相列洁净，不含重烃，甲烷含量极低，煤气中有效气体(CO+H2)高达90以上。高温气化不产生焦、油、酚等凝聚物，不污染环境，煤气质量好。223氧耗低氧耗量与煤种有关，本工艺的氧耗比较低，吨煤耗量约为600m3(神府煤)，因而与之配套的空分装置投资可减少。224 |煤粉下喷式喷嘴，并有冷却保护Shell气化炉使用多个喷嘴，采用成烈对称布置，喷嘴的李气动力学设汁是经过研究计算后确定的。气化炉喷嘴安放在气化炉下部，对列式布置，数量一般为4个6个。喷嘴冷却系统是防止气化炉内高温对喷嘴造成过热损坏。软水经喷嘴冷却水泵分别打入喷嘴，出喷嘴的冷却水进人冷却器进行冷却后循环使用。Shell公司专利气化喷嘴设计保证寿命为8 000h，这是一个重要验证。225气化炉Shell煤气化炉的单炉生产能力大，本工艺投入运转的单炉气化丝力3.0MPa，日处理煤量已达1 000t一2000t。，该煤气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖衬里，维护量少，运转周期短，无需备炉。该炉主要由内筒和外筒两部分构成，外筒只承受静压而不承受高温，内什形成气化空间、炉渣收集空间、气体输送空间。气化炉内筒上部为燃烧窜，下部为激冷室，煤粉及氧气燃烧反应，温度为1600左右。226高温煤气激冷和冷却气化形成的混合粗煤气气流夹带部分液渣(40)，为避免液渣在凝吲时粘壁，需用急冷法固化液渣，使炉温瞬间降至灰渣软化温度(ST)以下，在气化炉上部经激冷冷却至900左右，使其中夹带的熔融态灰渣颗粒固化。粗煤气离开气化炉进入废热锅在废热销炉内与脱氧水(4.0MPa，40)进行热交换，冷却至300左右。227废热锅炉采用废锅法(水管式)回收高温煤气显热，要承受高温高压和粉坐的冲刷，操作条件比较恶劣。由于温差大，如何减少热应力给设备带来的损害也是必须考虑的问题。废热锅炉的会属外筒为受压容器，温度不高(350)。内件由圆筒型水冷壁和若干层盘管型水冷壁组成，为消除水冷壁上的积灰，可殴置若干数量的气动敲击除灰装置进行振动除灰。228热效率高煤中约83的热能转化为合成气，约15的热能被心收为高压或中压蒸汽，总的热效率为98左右。229气化操作采用先进的控制系统，其中包括Shell公司专有的工艺计算机控制技术，为保护设备和操作人员安全设有必要的DCS、ESD(紧急停车系统)系统，使气化操作在最佳状态下进行。表2列出壳牌煤气化工艺的主要性能参数。2210出废热锅炉的粗煤气进入干式除尘器，用高效飞灰过滤器除巾法回收飞灰，飞从经收集并变压后返回常压煤仓(再气化)，总的碳转化率较高(99)，脱除的飞灰进入飞灰收集罐，出飞灰收集罐的飞灰返回气化炉循环使用。2211气化炉高温排出的熔渣经激冷后成玻璃状颗粒，性质稳定，对环境影响比较小，气化、污水中含氰化物少，容易处理，自可能做到近零排放。3 Shell煤气化工艺存在的问题虽然Shell煤气化技术足目前国际上最先进的煤气化技术之一，但是这种工艺不是十全十美的。31这种炉型在同外虽然有成功经验，但那是用在发电上的。引进该技术应用于氢、氨、醇生产的过程中将面临着很多困难，认识有很多不足。工艺流程和一些指标数据和优点是根据在发电流程上得到的，并不完全适合于制氢、氨、醇。在与其他气化技术比较时，比较的数据不是在同等条件下得到的，产生失真。对这样的新技术，我们要有一个消化吸收的过程，也就足一个客观事实的认识过程。在这方面，国内的功夫显然下得不够。何况在设备选型、流程配置、施工管理以及从试车到正常运行等方面，也都要有一个认识过程。32煤气化的关键设备(即煤气化炉、输气导管、废热锅炉)的内件在国外制造，工期较长；喷嘴、煤粉阀、渣阀、灰阀等完全依赖进u；其他大型设备，即飞灰过滤器、高压氮气缓冲罐的运输和吊装比较困难。33Shell公司在设计上比较保守，在选材上很苛刻，要求进口的设备太多。装置控制的自动化程度很高，采用串级、前馈、分程、比值及顺序控制和逻辑控制，通过DCS、ESD、PLC实现生产过程的集中控制和管理。有20多个停车联锁，一旦操作中出现问题就联锁停车，因此对配套工程、操作、殴备检修、设备性能的要求很高。34为保持水冷壁管的水量均匀分布，有的水冷壁管内径仪7mm，对钠炉给水的水质要求高，同时对水汽系统配管、设备安装及试车的要求也高。35国内相关设备的制造厂家都是第一次制作配套设备，存在一个熟悉的过程。36高压氮气和超高压氮气的用量过太，部分抵消了其节能的优势。37 煤质要求研究表明，并不是所有的煤种都适于Shell气化法。要选用灰熔融性温度低、活性好、灰分含量较低的适于Shell气化的好煤种，能够确保长周期安全稳定运行，可操作性强。实际运行表明，灰分质量分数在8一15为最佳。同时，必须通过试烧，方能准确地进行工业装置的设计。这与一些报道不一样，应该引起注意。38除尘问题Shell煤气化工艺中陶瓷除尘器的能力问题，目前是一个焦点问题。据称，陶瓷除尘器后，气体中的微粒不大于2um。对于发电来说，这个问题影响不是很严重，但是对于化工来说，这个问题很严重。这个微粒带到变换催化剂中，会产生什么影响?如果能够穿过变换催化剂，到低温甲醇洗中，又会产生仆么影响?这些问题，只有在长时问的运行后，才能知道。2 um以下的微粒，总有一个出处，这个出处在哪里?这可能就是现在要加湿洗的原因。既然加了湿洗，化工应用时，废热锅炉的优点又在哪里?4气化后工艺为了比较深入地说明Shell工艺的改进意见，需要对气化后工艺问题作一分析。41两种气化后工艺“气化后工艺”是指气化炉出口的高温气体经过回收热量、除尘和增湿，产生水煤气，满足下一个工序的需要。通常有激冷流程和废锅流程两种。激冷流程可以由激冷室、文丘里、炭黑洗涤塔组成。气体的热量被水的汽化吸收灰渣混于水中，气相巾包含有大量的水蒸气(50左右)，可以满足变换工艺的需要。废锅流程呵肚由一级或多级废热锅炉、干洗和水洗除华组成。气体的热量产生高压和中压蒸汽，灰渣混于水中，气相中包含有少量的水蒸气(与操作压力有关，在30MPa下，合成气中含水蒸气14)，当用于变换工艺时，要补充大量的水蒸气。在目前国内的运行的Texaco丁艺中，只有激冷流程一种，但这并不意味着Texaco工艺就是采用激冷流程，如果需要，也可以采用废锅流程。同样地，在Shell工艺中，只有废锅流程一种，但这并不意味着Shell工艺就是采用废锅流程，如果需要，也可以采用激冷流程。GSP工艺采用的是激冷流程，当然也可以采用废锅流程。42产品的需要决定气化后工艺421氧气和氨实际上，Texaco工艺采用激冷流程，。是由于产品品种的需要。目前周内煤制气的Texaco工艺，主要用于合成氨。气化后的水煤气中的CO，要与水蒸气反应全部转化为CO2。这就需要大量的水蒸气，通常是根据变换催化剂的要求达到一定的汽气比(20左右)。激冷流程既脱除了尘渣，义起到增湿的作用，使气化后气体中的汽气比满足变换工艺的需要。因此，激冷流程足针对制氢和合成氨而言的。422甲醇甲醇的合成需要HC0在20左右，激冷流程也比较合适。如果采用废锅流程，虽然可以回收部分热量，但废锅出口的水蒸气含量比较低，气体温度较低，经水洗的增湿作用有限。因此，仍然要补充一部分水蒸气到水煤气中，这不仅工艺上比较麻烦，能量利用反而不合理。由此可见，废锅流程对甲醇并不十分合理。423费托合成合成油工艺中，进入合成反应器时并不需要水蒸气用铁催化剂时需要的H2CO在0.7-1.0之间，废锅流程比较合适，激冷流程就差一些。GSP或Shell炉出口的CO含量虽然偏高，只要将少量的气体进行CO变换就可以了。用钴催化剂时需要的HCO在2.0左右，激冷流程也可以，情况与甲醇一样，但进合成前脱除水蒸气要消耗的能量比较大。424城市煤气和发电发电和城市煤气也一样，气化出口的气体中，不需要大量的水蒸气，主要是发热量。废锅回收的热量产生水蒸气，推动蒸汽透平发电，而气化炉产生的合成气推动燃汽透平发电，因此，废锅流程适合于联合发电。Shell工艺及其废锅流程在国外主要用于联合发电，原因就在于此。43评价废热锅炉的投资很大，制造工艺复杂。没有理由可以证明用于合成氨、制氢、甲醇的工艺中，废热锅炉是必不可少的。显然，不能把Texaco工艺、GSP工艺与激冷流程捆绑在一起，也不能把Shell工艺和废锅流程捆绑在一起。三个煤气化头和两个气化后工艺各是各的，应该根据产品的品种，来决定配置何者。这个问题说明，在进行Texaco、Shell和工艺比较时，应该针对同一种产品，将气化后工艺设置相同。不要把Texaco工艺和GSP工艺与激冷流程捆绑在一起，把Shell工艺和废锅流程捆绑在一起，然后进行三者投资的比较。但是现在有些“可行性研究”文件不是这样作的，而是采取不同流程捆绑在一起的评价，这就把事情复杂化了，难以得到合理的结论。5 Shell工艺在中国建设的回顾尽管我们从原理上认识到不能把Shell工艺和废锅流程捆绑在一起，但实际上由于Shell废锅流程工艺在现有的生产经验上，只是用于联合发电，没有大规模的化工厂制氢气、氨和甲醇的经验，没有Shell炉加激冷流程的成熟经验。如前所说，Shell工艺和废锅流程捆绑在一起后并不适台制氢气、氨和甲醇，但是所有的这12套13台引进的Shell工艺中，都是用于制氢气、氨和甲醇的，详见表3。从表3中明显地可看出一个事实：国内已经签约引进的12套13台Shell炉工艺巾，毫无例外地把Shell工艺和废锅流程捆绑在一起，即现在的Shell工艺，这是一个多么令人难以理解的“误会”!Shell是国际上有实力的大工程公司，他们会不明白这一点吗?当国内业主提出要引进Shell工艺用于制氢气、氨和甲醇时，难道Shell公司不应该告诉国内业主应该采用激冷流程，而要强行推行每个装置的投资要1个亿以上的废锅流程?这个作法太商业化了。国内油改煤的化肥企业经过多年的努力，还没有开起车来，有的企业和文献声称的最早开车时问是2003年底，后来几次推迟开车时间，现在已经是一年多时间过去了，但估计还没有推到尽头。国内的业主已经看到Shell工艺加废锅流程的设备制造困难，周期长，推迟了投人生产的时间，这个损失是十分严重的。在回顾这段历程的同时，业主已经明白：不能什么都听国外厂商的，组织企业自己的队伍来搞清化工工艺原理是多么重要!Shell工艺在中国的开车问题牵动着国内的煤化工业主和化学工程工作者的心，人们都希望一举成功，因为这是成熟工艺，但这是大家的希望和理想。回忆渭河化肥厂开车Texaco工艺的经历，即使在成功的技术下，也要企业全体员工付出极大努力后才成功的。现在，这个历史时刻又摆在大家面前许多人的担心不是没有道理的。尤其是在没有取得成功经验之前，一下子引进12套，更加会让人担心。6Shdell工艺的改进意见针对已经施行和即将生产的Shell工艺中存在的问题，上述12个业主完全有可能根据实际经验，将开车后的具体意见提出，并进行改进。本文在这里提出的意见是：Shell正在和将要为中国设计的制氢气