Shell煤气化工艺的评述和改进意见

1、第期（总第期）年月煤化工（）煤气化工艺的评述和改进意见唐宏青（中国石化集团宁波工程公司（原兰州院），兰州）摘要叙述了煤气化技术的发展过程，介绍了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，可以明显降低投资，加快建设周期，提高开车速度，降低运行成本。关键词煤气化工艺废锅流程激冷流程文章编号：（）中图分类号：文献标识码：收稿日期：作者简介：唐宏青（），男，年毕业于北京大学，原兰州石化设计院副总工程师，教授级高工，现任全国化学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

2、上的分类，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，气化产物为以和为主的合成气，的含量很少。煤气化技术的发展历程自世纪年代起，壳牌公司就参与了气化技术的开发。当时，该公司开发了以油为原料的壳牌气化技术（），至今已有多套设施得到技术转让。在积累油气化经验后，年开始在该公司的阿姆斯特丹研究院（）进行煤气化技术研究。年，煤气化工艺（）已达到一定水平并建立一座处理煤量为的试验厂，利用该装置一共试验了多个不同的煤种。年，在汉堡附近的哈尔堡炼油厂建设一座处理煤量为的工厂，公司利用这座装置进行了一系

3、列成功的试验，至年该装置停止运转为止，累计运行了，其中包括超过的连续运转，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，年，壳牌公司在美国休斯顿附近的石化中心建设了一座规模较大的工厂，这座命名为的示范厂进煤量为每天高硫煤或每天高湿度、高灰褐煤，共积累了的操作经验。试验了约种原料，包括褐煤乃至石油焦。这些试验结果充分证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。年，荷兰国家电力局决定由其下属的公司在荷兰南部的兴建一座发电能力净输出为的煤气化联合循环发电厂（）。公司为装置提供专利技术及基础工程设计，其煤气化装置设计能力为单炉

4、日处理煤、气化压力为。该电厂于年底试车，年初开始为期年的示范期，在此期间，该装置成功地完成了个煤种的试验，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，碳的转化率可达以上，装置负荷可在之间调整。到年，气化装置运转率在以上，从此公司开始向市场推出壳牌煤气化工艺。技术进展见表。由此可见，煤气化技术的进程从中试开! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 编者按：虽然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。

5、国内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，认识上有很多不足。本文作者结合多年的工程实践经验，坦言煤气化工艺存在的一些问题，并提出工艺的改进意见，可供业界同行参考。年第期煤化工 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。煤气化工艺及特点简介煤气化工艺流程典型的煤气化工艺流程见图。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（按质量计，其中粒度），并由热风作为动力带走煤中的水分，再经过袋式过滤器过滤，干燥的煤粉进入煤粉仓中贮存。来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

6、至并以氮气作为动力送至喷嘴，与蒸汽、氧气一起进入气化炉内燃烧，反应温度约为，压力。送来的冷煤气激冷至，然后经输气管换热器、合成气冷却器回收热量后温度降至，再进入高温高压陶瓷过滤器除去合成气中的飞灰。出高温高压过滤器的气体分为股，一股进入激冷气压缩机压缩后作为激冷气，另一股进入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至后去气体净化装置。处理后的煤气含尘量小于，然后送后续工序。在气化炉内产生的熔渣沿气化炉壁流入气化炉底部的渣池，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

7、冷却至后进入飞灰贮罐，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，产生的饱和蒸汽进入汽包，经汽水分离后表技术进展年代（建设）（示范）规模（投煤量）高硫煤或高湿度、高灰褐煤（）（）地点荷兰阿姆斯特丹德国汉堡美国休斯顿荷兰南部的荷兰南部的实效多个不同的煤种累计运行了，连续运转超过种原料，运转个煤种，碳的转化率可达以上，装置负荷可在之间调整气化装置运转率在以上，达到商业化图煤气化工艺流程简图年月煤气化工艺的特点干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一些。对于较高灰分、较高水分、较高

8、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（即间断升压），常压粉煤经变压仓升压进入工作仓（压力仓），其压力略高于气化炉，粉煤用氮气或夹带入炉（经喷嘴）。气化温度高气化温度约，压力，碳转化率高达以上，产品气体相对洁净，不含重烃，甲烷含量极低，煤气中有效气体（）高达以上。高温气化不产生焦油、酚等凝聚物，不污染环境，甲烷含量很少，煤气质量好。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（神府煤），因而与之配套的空分装置投资可减少。干煤粉下喷式喷嘴，并有冷却保护气化炉使用多个喷嘴，采用成双对称布置，喷嘴的空气动力学设计是经过研究计算后确定的。

9、气化炉喷嘴安放在气化炉下部，对列式布置，数量一般为个个。喷嘴冷却水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，出喷嘴的冷却水进入冷却器进行冷却后循环使用。公司专利气化喷嘴设计保证寿命为，这是一个重要验证。气化炉煤气化炉的单炉生产能力大，本工艺投入运转的单炉气化压力，日处理煤量已达。该煤气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖衬里，维护量少，运转周期长，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，内件形成气化空间、炉渣收集空间、气体输送空间。气化炉内筒上部为燃烧室，下部为激冷室，煤粉及氧气在燃烧室反应，温度为左右。高温煤气激冷和冷却气化形成的混合粗煤

10、气气流夹带部分液渣（），为避免液渣在凝固时粘壁，需用急冷法固化液渣，使炉温瞬间降至灰渣软化温度（）以下，在气化炉上部经激冷冷却至左右，使其中夹带的熔炉，在废热锅炉内与脱氧水（，）进行热交换，冷却至左右。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尘的冲刷，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。废热锅炉的金属外筒为受压容器，温度不高（）。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，可设置若干数量的气动敲击除灰装置进行振动除灰。热效率高，煤中约的热能转化为合成气，约的热能被回收为高压或中压蒸汽，总的热效率为左右。气

11、化操作采用先进的控制系统，其中包括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、（紧急停车系统）系统，使气化操作在最佳状态下进行。表列出壳牌煤气化工艺的主要性能参数。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尘法回收飞灰，飞灰经收集并变压后返回常压煤仓（再气化），总的碳转化率较高（），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。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，有可能做到近零排放。煤气化工艺存在的问题虽然唐宏青：煤气化工艺的评述和改进意见表壳牌煤气化工艺的主要性能参数名称气化

12、工艺适用煤种气化压力气化温度气化剂进料方式单炉最大投煤量合成气耗氧量碳转化率冷煤气效率合成气主要性能参数气流床、液态排渣褐煤、次烟煤、烟煤、石油焦纯氧干煤粉年第期煤化工煤气化技术之一，但是这种工艺不是十全十美的。这种炉型在国外虽然有成功经验，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，认识上有很多不足。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、醇生产。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，也就是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

13、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。煤气化的三大关键设备（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、灰阀等完全依赖进口；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。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、实现生产过程的集中控制和管理。有多个停车联锁，一旦操作中出现问题就联锁停车，因此对配套工程、操作、设备检修、设备性能的要求很高。为保持水冷壁管的水量均匀分布，有的水冷壁管内径仅，对锅炉给水的水质

14、要求高，同时对水汽系统配管、设备安装及试车的要求也高。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，特别是三大件的外壳和内件的组装技术要求高、难度大、制作周期延长。高压氮气和超高压氮气的用量过大，部分抵消了其节能的优势。煤质要求，研究表明，并不是所有的煤种都适于气化法。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。除尘问题有关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

15、体不是很严重，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，又会产生什么影响？这些问题，只有在长时间的运行后，才能知道。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，化工上应用时，废热锅炉的优点又在哪里？气化后工艺为了比较深入地说明对工艺的改进意见，需要对气化后工艺问题作一分析。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

16、收，灰渣混于水中，气相中包含有大量的水蒸气（左右），可以满足变换工艺的需要。废锅流程可以由一级或多级废热锅炉、干洗和水洗除尘组成。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，在下，合成气中含水蒸气），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工艺中，只有激冷流程一种，但这并不意味着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，在工艺中，只有废锅流程一种，但这并不意味着工艺就是采用废锅流程，如果需要，也可以采用激冷流程。工艺采用的是激冷流程，当然也可以采用废锅流程。产品的需要决定气化后工艺氢气和氨实际上，工艺采用激冷流程，是由

17、于产品品种的需要。目前国内煤制气的工艺，主要用于合成氨。气化后的水煤气中的，要与水蒸气反应全部转化为。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（左右）。激冷流程既脱除了尘渣，又起到增湿的作用，使气化后气体中的汽气比满足变换工艺的需要。因此，激冷流程是针对制氢和合成氨而言的。年月甲醇合成需要在左右，激冷流程也比较合适。如果采用废锅流程，虽然可以回收一部分热量，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。费托合成合成油工艺中，进入合成

18、反应器时并不需要水蒸气，用铁催化剂时需要的在之间，废锅流程比较合适，激冷流程就差一些。或炉出口的含量虽然偏高，只要将少量的气体进行变换就可以了。用钴催化剂时需要的在左右，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。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（）。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。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

19、不可少的。显然，不能把工艺、工艺与激冷流程捆绑在一起，也不能把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、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。不要把工艺和工艺与激冷流程捆绑在一起，把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。工艺在中国建设的回顾尽管我们从原理上认识到不能把工艺和废锅流程捆绑在一起，但实际上由于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

20、上制氢气、氨和甲醇的经验，没有炉加激冷流程的成熟经验。如前所说，工艺和废锅流程捆绑在一起后并不适合制氢气、氨和甲醇，但是所有的这套台引进的工艺中，都是用于制氢气、氨和甲醇的，详见表。项目湖北应城广西柳州湖南岳阳湖北枝江云南昆明辽宁大连云南沾益安徽安庆内蒙神华河南永城河南新乡河南义马最终产品类型合成氨合成氨合成氨、合成氨、甲醇合成氨甲醇合成氨合成氨、甲醇甲醇甲醇煤处理量气化炉废锅台原料高灰、低硫当地烟煤高灰、中硫当地烟煤高灰、高硫当地烟煤高灰、高硫当地烟煤高灰、高硫当地混合煤高灰、低硫当地烟煤高灰、高硫当地混合煤低灰、低硫当地烟煤低灰、低硫当地烟煤高灰、低硫当地烟煤高灰、低硫当地烟煤高灰、低硫当

21、地烟煤开车日期（预测）年年年年年年年年年年年年表中国在建的装置唐宏青：煤气化工艺的评述和改进意见从表中明显地可看出一个事实：国内已经签约引进的套台炉工艺中，毫无例外地把工艺和废锅流程捆绑在一起，即现在的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工艺用于制氢气、氨和甲醇时，难道公司不应该告诉 煤 化 工 年第 期 （）采用干煤粉 “由上而下” 的上喷式气化炉， 这 的投资要 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间是 年底， 后来几次推迟开车时间， 现在已经是一年 多时间过去

22、了， 但估计还没有推到尽头。国内的业主 已经看到， 工艺 加废锅流程 的 设 备制 造 困 难， 周期长， 推迟了投入生产的时间， 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！ 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 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 套， 更加会让人担心。 就雷同于 和 工艺，保持 多喷嘴的 特色。 这两种方式究竟采用哪种， 业主可以作出判断。 上述改进后，与其相应的后续工艺也要变更， 气 化后高温气体的激冷工艺、