煤气化技术简介50153

1、煤气化技术煤气化已有100多年的发展历史，先后开发了200多种气化工艺或气化炉型，有工业化应用前景的十余种。煤气化可分为完全气化和不完全气化两大类：完全气化是指煤及其它固体原料与气化剂进行一步法化学反应，生成可燃气或合成气；不完全气化是指固体原料进行热加工时，除生成可燃气外还有含碳固体产物（如煤炼焦过程）。这些产物又可进行加工利用。国外为了提高燃煤电厂热效率，减少环境污染，对煤气化联合循环发电技术作了大量工作，促进了煤气化技术的开发。目前已成功开发出了对煤种适应性广、气化压力高、生产能力大、气化效率高、污染少的新一代煤气化工艺，主要有荷兰壳牌（Shell）的粉煤气化工艺、德国克鲁伯考柏斯（Kr

2、uppKoppers）的Prenflo工艺，美国德士古（Texaco）和Destec的水煤浆气化工艺以及德国黑水泵的GSP工艺等。本章着重介绍我厂油改煤改造工程所引进的Shell粉煤气化工艺技术。第一节 煤气化技术分类及其发展一、煤气化技术分类最常用的气化分类方法是按煤和气化剂在气化炉内的相对运动来划分，大体可分成三种：逆流：固定床、移动床。煤（焦）由气化炉顶部加入，自上而下经过干燥层、干馏层、还原层和氧化层，最后形成灰渣排出炉外；气化剂自下而上经灰渣层预热后进入氧化层和还原层（两者合称气化层）。代表炉型为常压UGI炉和加压Lurgi炉，主要用于制取城市煤气。固定床气化的局限性是对床层均匀性和

3、透气性要求较高，入炉煤要有一定的粒(块)度及均匀性。煤的机械强度、热稳定性、粘结性和结渣性等指标都与透气性有关，因此，固定床气化炉对入炉原料有很多限制。并逆流或返混流：流化床、沸腾床。气化剂由炉底部吹入，使细粒煤（6mm）在炉内呈并逆流反应，通常称为流态化或沸腾床气化。煤粒( 粉煤 )和气化剂在炉底锥形部分呈并流运动，在炉上筒体部分呈并流和逆流运动。为了维持炉内的“沸腾”状态并保证不结疤，气化温度应控制在灰软化温度（ST）以下。要避免煤颗粒相聚而变大以致破坏流态化，显然不能使用粘结性煤。由于炉内反应温度低( 与气流床相比)，煤的停留时间短( 与固定床相比 )，并逆流气化对入炉煤的活性要求很高，

4、只有高活性褐煤才适应。而炉温低、停留时间短带来的最大问题是碳转化率低，飞灰多，残碳高，且灰渣分离因难。其次是操作弹性小(控制炉温不易)。代表炉型为常压Winkler炉和加压HTW炉，此外还有U-Gas、KRW等流化床气化炉也逐步走向工业化。并流或活塞流：气流床、夹带床。粉煤由气化剂夹带入炉并进行燃烧和气化，受反应空间的限制，气化反应必须在瞬间完成，为弥补停留时间短的缺陷，必须严格控制入炉煤的粒度（0.1mm），以保证有足够的反应面积。在并流气化反应中，煤和气化剂的相对速度很低，气化反应是朝着反应物浓度降低的方向进行，碳的损失不可避免，为增加反应推动力，必须提高反应温度即反应速度，火焰中心温度在

5、2000以上，采用液态排渣是并流气化的必然结果。代表炉型为常压气流床粉煤气化K-T炉，水煤浆加压气化Texaco炉，处于工业示范阶段的加压粉煤气化炉如SCGP、Prenflo等。各类气化方法主要特点见下表。表2-1-1 各类气化方法主要特点气化方法固定床流化床气流床典型工业炉UGILurgiWinklerHTWKTTexaco灰排出状态干灰干灰熔渣原料煤特性对小颗粒煤对粘结性煤对煤的变质程度对灰熔点要求受限好受限褐煤高不受限不受限任何煤低受限无烟煤需搅拌褐煤高操作特性气化压力/MPa(a)气化温度(出口)/炉内最高温度/耗氧量耗蒸汽煤在炉内停留时间常压23常压1.085090011008509

6、001100低高15min常压46.513501600> 2000高低 无400< ST无低高90min1S5S煤气成分H2COH2COCO2CH4N240327080.8203739202360273010120.5343630406575131512315890103545801520< 0.1煤气含焦油、烃类、酚极少量大量极少量无各类气化方法，其加煤和排渣都是两项最重要的课题。目前工业化炉型有干法排灰和液态排渣两种排灰方式，灰的熔融行为包括灰熔点和熔渣粘度特性对气化过程有直接影响。固定床和流化床要求灰软化温度 ST大于1250，而气流床则要求有较低的灰渣流动温度 FT，

7、一般应低于l3501400（如Texaco炉要求低于1350）。气流床液态排渣炉的操作极限，应控制熔渣粘度在 2540 Pa·S，粗略地估计，气化温度应高出灰渣流动温度FT 50100。对于高灰熔点煤，可借助于添加助熔剂 (一般为CaCO3或Fe203) 来降低灰熔点和改善熔渣粘温特性。 二、煤气化技术进展煤气化方法全世界已有200余种。各种技术的主要侧重点大多围绕如何适应不同原料的特性，提高碳的转化率及气化压力，生产连续化及长周期运转，废热利用及三废处理等方面。固定床（移动床）是最早实现工业化的工艺技术，常压固定层间歇造气是世界上第一座合成氨厂所采用的供气方法。由于该方法对设备要求

8、不高，不使用纯氧，因而具有很好的生命力。固定层炉的连续气化在30年代初由鲁奇公司推出，虽然使用了氧气但由于解决了连续及加压两大难题，所以一直成为当时主要气化技术之一。学术界将固定床Lurgi炉、流化床的Winkler炉及气流床的K-T炉称为第一代煤气化技术，现在这些技术都已不再发展。近年来，为了减少环境污染，提高煤炭的利用率，增加装置的生产能力，降低氧耗和煤耗，拓宽原料煤种的使用范围，充分利用煤炭资源，国外大公司开始竞相开发第二代先进的煤气化工艺技术。从进料方式来看，有干法、湿法两大流派，即欧洲的干法进料气化工艺（Shell、Prenflo）和美国的水煤浆湿法进料气化工艺（Texaco、Des

9、tec）。第二代煤连续气化的技术核心是干粉煤的加压进料。如何实现在将粉状固体原料加入到加压气化系统的同时，又不使有压煤气自炉中逸出，这是个关键的难题。早在50年代初期就有人探索粉煤加压连续输送技术，但未取得实质性进展，直到1978年Shell-Koppers工艺问世，才开发出一种粉煤间断升压和加压下连续进料的半连续加煤工艺，以后开发的Prenflo、SCGP和GSP等气化炉都属此类。Texaco公司放弃了干法加料这一传统做法，成功地开发出水煤浆湿法气化工艺，因而独树一帜，最先实现了加压非固定床连续气化的工业化，在80年代开始推广。目前，气流床气化炉中，采用湿法气化的Texaco、Destec和

10、采用干法气化的Shell、Prenflo气化炉的单炉出力都达到了2000t/d2500t/d等级，并都建立了250MW300MW等级的IGCC示范厂。Texaco气化炉的运行经验和已商业化的台数最多，用于IGCC发电，气化炉的可用率也可达到80以上，但它的喷嘴和耐火衬里的寿命较短，冷煤气效率和组成IGCC的效率目前还较低。Destec气化炉虽然也是水煤浆进料，但它是两段气化，冷煤气效率比Texaco高，而且可省去辐射废锅，加之火管式的对流冷却器使造价大幅度降低。但与干法进料相比，其喷嘴和耐火砖寿命较短。Shell气化炉的可用率已达95，已经进入商业化运行，其喷嘴和水冷壁寿命都较长，冷煤气效率和

11、组成IGCC效率与湿法进料气化工艺相比较高，但造价比Texaco、Destec大。Prenflo气化炉与Shell气化炉基本相似，只是冷却器结构有所不同，由于西班牙Puertollano IGCC示范电站的运行时间不长，Prenflo气化炉的性能尚待时间检验。三、干法加压气化的技术关键阀门：密封料斗系统的各类阀门开闭频繁，磨损严重，要解决好阀门的结构及材质问题。一般用球阀、底板阀等，密封面有软硬和硬硬两种结构。料斗煤位的测量：常压料斗、密封料斗和工作料斗的煤位测量有一定难度，特别在粉煤太湿易架桥的情况下会出现假料位，增加料位测量及输送的难度。目前大多采用Cs137或Co60同位素仪器测量。粉煤

12、密相输送：为减少煤气中N2量，要求提高粉煤输送的固气比，目前每立方米氮气可输送50500kg粉煤，载气和粉煤呈非连续相，即一股载气推动一股柱状粉煤直到气化炉燃烧器。粉煤的密相输送是本课题主要技术关键。精确计量：气流床部分氧化反应要求入炉物料精确计量，水煤浆工艺很容易做到，而干法气化难以做到精确计量。第二节 煤气化原理煤的气化工艺是在一定温度、压力下，用气化剂对煤进行热化学加工，将煤中有机质转变为煤气的过程。其涵义就是以煤、半焦或焦炭为原料，以空气、富氧（纯氧）、水蒸汽、二氧化碳或氢气为气化介质，使煤经过部分氧化和还原反应，将其中所含碳、氢等物质转化成为一氧化碳、氢、甲烷等可燃组分为主的气体产物

13、的多相反应过程(参看图2-2-1)。CH2OCO2H2COC+H2O= CO+ H2C+ CO2=2COH2+1/2O2= H2OCO+1/2O2=CO2O2图2-2-1 煤气化过程一、反应机理固体原料气化是一种复杂的物理化学过程，很难用一种简单的化学反应式来描述。固体原料气化的三种方法即固定床、流化床和气流床的反应机理基本相同。固定床气化炉的床层分界（干燥、干馏、还原、氧化、灰渣）比较明显；气流床气化的这几个主要反应过程并无明确的界限，干燥、干馏、还原和氧化几乎是同时进行的，统称为火焰型部分氧化反应；流化床反应机理介于固定床和气流床之间。（一）三种典型气化过程1. 固定床气化固定床气化中煤的

14、热解及半焦、碳的气化是两个最主要的反应过程。物相变化 熔融.流动.膨胀 固化 收缩 形成裂纹 主要产物 干煤 胶质体 半焦 焦炭过程本质 干燥脱气 解聚、分解为主 缩聚为主 阶段 干燥脱气 粘结形成半焦 熟化成焦析出煤气析出焦油(450最多)0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 () 脱气脱水开始软化图2-2-2典型烟煤的热解过程煤的热解 典型的烟煤热解(隔绝空气加热)过程见图2-2-2。入炉煤在200以前主要是干燥，然后分解，褐煤、烟煤、无烟煤开始分解的温度，分别为230260，300390和390400。烟煤在固定床气化炉中，首先进行中温（6

15、00800）干馏，焦油产率约67干馏煤气产率约200 Nm3/t干煤，半焦产率约7577，半焦中挥发分含量约810。无烟煤则主要成分为固定碳及灰分，其所含挥发分仅约1，故可以不考虑这一过程。半焦或碳的气化反应式 半焦(或碳)在气化层中发生以下反应（由于选用基准和实验所取条件不同各文献提出的反应热值有所差异。）C O2 CO2 393.777 Kj/molC CO2 2CO 172.28 Kj/mol2C O2 2CO 221.19 Kj/mol2CO O2 2CO2 563.37 Kj/molC H2O CO H2 131.39 Kj/molC 2H2O CO2 2H2 90.196 Kj/m

16、olCO H2O CO2 H2 41.194 Kj/mol2H2 O2 2H2O 483.99 Kj/mol2H2 C CH4 74.898 Kj/molCO 3H2 CH4 H2O 206.29 Kj/mol2CO 2H2 CH4 CO2 247.44 Kj/molCO 4H2 CH4 2H2O 162.867 Kj/mol2C 2H2O CH4 CO2 125.448 Kj/molCO H2S COS H2 123.1 Kj/molS H2 H2S 20.1 Kj/molN2 3H2 2NH32C H2 N2 2HCN2. 气流床气化 煤的气流床气化反应机理与重油气化相似，即在火焰中进行以

17、下化学反应。（1）挥发分燃烧和气化反应CmHn十 (m十)O2 mCO2 十 H20CmHn十 O2 mCO H2CmHn十mH20 mCO （m）H2CmHn mCO2 2mCO H2（2）碳的燃烧和气化反应C O2 CO2C O2 COC H2O CO H2C CO2 2CO（3）水煤气平衡反应CO H2O CO2 H23. 流化床气化流化床气化就是将气化剂(蒸汽和富氧空气)引人炉内，使原料(一般为褐煤)在炉内呈沸腾状态下进行气化反应。对于某一粒径的原料组成的床层，当气体流速高于对应的临界速度而低于其对应的极限沉降速度时呈流化床状态。由于燃料粒径分布分散和随反应时间而变化以及高温下原料颗粒

18、破碎等特点，流化床气化过程是一个复杂的过程。燃料层的强烈沸腾，使大量原料粉末随气流带到炉的上部空间，故需加入二次空气，因此沸腾层气化可视为两个阶段；沸腾层气化基本过程；原料粉末以悬浮状态气化次要过程。对刚入炉原料颗粒进入炽热的反应层中时，原料中的水分蒸发、碳的燃烧与气化、挥发物的分解以及焦油的裂化等，几乎是同时进行的，因而不存在固定床炉中燃料层所具有的分区情况，其挥发物的燃烧和气化，碳的燃烧和气化，水煤气平衡反应等反应方程式与固定层、气流床相同，不再列出。沸腾层气化的另一个特点是在床层内没有显著的温度梯度(温度差不超过土5)的条件下进行反应，炉底送入的氧气首先消耗于燃料中的挥发物生成CO2和水

19、蒸气。燃料伴随着CO2还原成CO、和H20还原成H2的反应，然而这些反应比固定床发生炉中进行得更不完全，沸腾床内的温度实际上是均匀的，要比固定床为低，因而在沸腾床中的氧化反应进行比较缓慢，而还原反应也因燃料床层较固定床薄，使得还原也不完全，结果制得的煤气中C02较高。另外沸腾层温度的均匀化，使炉子出口煤气温度较高。（二） 碳与氧及蒸汽的反应过程1. 碳的氧化反应过程实验证明，随着温度、流体力学条件及鼓风气相组成的分压不同，所制得的煤气中碳的氧化物比例（CO:CO2）变化范围是很大的。最初的理论认为CO2是碳和氧分子直接结合而生成，而CO的生成是CO2与碳之间的二次反应。以后又有人认为CO是碳与

20、氧的一次反应的产物，而CO2则是生成的CO进一步与O2化合而成。最后较多的实验研究结果认为碳与氧的作用结果，首先是生成碳与氧的中间络合物（CxOy），其过程有三个步骤：氧吸附于碳的表面； 在碳表面上生成碳与氧的络合物C-CO-CO2,系统达动态平衡； 以碳的氧化形态析出这些络合物。其次是碳氧络合物的热解，随着反应进行的条件不同，同时生成不同比例的CO和CO2。温度低于1200时，由于周围氧分子的作用，生成等分子的CO和CO2。C3O4CO2 2CO2CO2该反应为一级反应。当温度很高（1200）时，碳氧络合物自行热解。C3O4 2COCO2此时CO/CO22,该反应为零级反应。实验结果表明，反

21、应的速度不受氧浓度的影响。2. 二氧化碳的还原过程二氧化碳还原成一氧化碳的多相反应是重要的二次反应，在800以上以显著的速度进行。而在低温下还原反应速度不大。大量的研究工作得出结论：二氧化碳还原反应是复杂的多相反应，通过形成固体表面络合物CxOy及其分解作用而完成。可以认为，二氧化碳的还原过程是通过几个阶段进行的。(1) 吸附 CO2 C CO2 (C)(吸附)(2) 生成中间络合物 CO2 (C)x CxOy(吸附)(3) 中间络合物的分解热分解： CxOy nCO P (C)（吸附）气相中CO2参与反应： CxOy CO2 mCO q (C)(吸附)(4) 脱附CO （C） CO （吸附）

22、3. 碳与水蒸气的反应过程较多的研究者认为，水蒸气的分解反应也存在着化学吸附的过程：反应的第一阶段是水蒸气在碳表面的物理吸附C H2O (C) H2O(吸附)第二阶段是生成中间络合物，这是化学吸附过程。由水蒸气中的氧形成中间表面络合物，而蒸汽中氢在中间络合物生成时分离，并为碳表面所吸附，然后在高温下脱附。(C) H2O CxOy H2 (吸附) (吸附) H2 H2(吸附)所形成的中间络合物，既可在高温下分解，也可由于气相中的水蒸气与之反应而生成CO。CxOy H2O CO H2 (吸附)CxOy CO C (吸附)CO CO (吸附)二、气化反应的化学平衡（一） 质量作用定律及其对化学平衡的

23、影响根据质量作用定律，各组分气体分压表示的平衡常数Kp如下式：式中PA、PB、PC和PD各为A、B、C和D气体组分的分压。温度对平衡常数的影响，可用下列方程式表示： （等压反应）式中Qp等压下的反应热效应。由式可知，如果反应是吸热的，则Q0和0，平衡常数值随温度的升高而增加，即温度上升，平衡向吸热方向进行。如果反应是放热的，则：Q0和0，平衡常数值随温度的升高而减小，即温度下降，平衡向放热方向进行。（二）气化炉内主要化学反应的平衡1. 二氧化碳还原反应C CO2 2CO 172.28 kJ/mol图2-2-3 气化反应平衡当该反应平衡时，气相中只有CO和CO2，平衡常数Kp可表示为：Kp与温度

24、的关系如下式所示：2. 均相水煤气反应均相水煤气反应方程式为；COH2O CO2H2 41.868 kJHarris研究了反应温度为6741125之间的各平衡量并由此求得平衡常数： 0.08463lgT0.0002203T 2.4943该反应进行时体积没有变化，因此，压力对煤气的平衡组分没有影响。（三）Shell气化炉反应 Shell建立煤气化工艺（SCGP）机理模型过程中，由于反应温度很高（14001700），使得反应速度快，足够的停留时间（310秒）使反应可以达到平衡，假设发生以下的反应：CO2=CO2 393百万焦耳/千摩尔碳CCO2=2CO 173 百万焦耳/千摩尔碳CH2O=COH2

25、 131百万焦耳/千摩尔碳C2H2=CH4 75 百万焦耳/千摩尔碳COH2O=CO2H2 41 百万焦耳/千摩尔碳CH4H2O=CO3H2 211 百万焦耳/千摩尔碳图2-2-3给出了典型的相关反应的平衡条件与温度关系：图2-2-4给出了Shell气化炉中，氧/碳比的变化对温度、转化率、合成气中的CO2和CH4浓度的影响。（操作煤气化装置时要用到该关系图煤气化平稳操作的重要控制参数是煤与氧的进料比）图2-2-4 氧/碳比对气化的影响第三节 Shell粉煤气化技术Shell粉煤气化技术的研究和发展分为三个阶段，即研究和中试、示范装置和商业应用推广三个阶段。1. 研究和中试阶段：Shell公司自

26、1972年起，在油气化技术成功应用150多台套的基础上，开始对煤气化技术进行研究。1976年，在Shell公司煤气化研究中心（阿姆斯特丹）建成一座处理煤量为6t/h的试验厂，共试验了30多个不同的煤种，取得了较好的效果。2. 示范装置阶段：两个工业示范装置分别于1978年和1987年在德国Shell公司的汉堡（Hamburg）炼油厂和美国休斯顿的Shell石油公司的迪尔帕克（Deer Park）厂分别建成，规模为处理煤量150t/d和250t/d的示范装置，进一步取得经验。3. 商业推广应用阶段：在研究和中试、示范装置成功运行的基础上，Shell公司即开始商业应用的推广。1988年，荷兰国家电

27、力局根据国家能源政策及市场需要，决定在荷兰Demkolec南部的布根伦（Buggenum）建立一座以煤为原料的煤气化联合循环发电装置IGCC，通过专家咨询研究和技术经济比较后，决定采用Shell粉煤气化技术。项目于1990年获得政府批准，1993年建成投入运行，处理煤量为2000t/d，气化压力为2.8 MPa，发电能力（扣除自用）253MW。生产运行结果表明，SCGP工艺碳的转化率高达99以上，生产负荷可在40100之间进行调整，气化装置的运转率在95以上，其喷嘴和水冷壁的寿命都较长，冷煤气效率高，IGCC效率高。下面分别介绍该工艺主要特点、原料煤质及主要工艺流程。一、shell粉煤气化技术

28、特点（一）工艺特点 气化炉结构较简单，内部为膜式水冷壁，无任何耐火砖，烧嘴寿命长，所以气化炉坚固耐用，操作可靠。 煤种选用余地大，灰熔点高时只需加入助熔剂（石灰石），干粉进料，气化效率高，氧气消耗低于Texaco工艺（约15）。 高效率，原料煤所含能量之中，大约8083%以合成气形式回收，另外1416以蒸汽形式回收。 对称式多烧嘴，混合效果好，碳转化率高。 熔渣气化，熔渣可以保护膜式水冷壁，并确保产生无毒的废渣及灰。 高温气化，碳转化率大于99%，有效气体成份含量高，CO2含量低，几乎无CH4及酚类、焦油等生成。 有利于环保，SCGP工艺的硫氧化物及粉尘排放量实际上为零。煤的灰份则被转变成一种

29、惰性炉渣，可以用作道路建造材料。SCGP装置产生相当少废液排放，这种废液不含有机污染物，工艺用水可循环利用。表2-3-1 Shell工艺与Texaco水煤浆工艺特点比较序号项 目ShellTexaco1气化工艺气流床、液态排渣气流床、液态排渣2气化煤种次烟煤、烟煤、褐煤、无烟煤次烟煤、无烟煤3气化压力2.0或4.0MPa4.0或6.5MPa4气化温度14001600130014005气化剂O2O26进料方式干煤粉（N2输送）水煤浆（泵输送）7单炉最大煤处理量2000 t/d600 t/d8O2耗量Nm3/1000（CO+H2）Nm3330360(较Texaco低15)3804309单炉烧嘴数4

30、6个1个10炉体保护装置水冷壁耐火砖11易损件无烧嘴、耐火砖12碳转化率99%9698%13有效气（CO+H2）含量9094%80%14操作弹性50130%70110%15开工灵活性膜式水冷壁，点火后很快达煤气化温度（23hr）耐火砖，须严格遵循升温曲线（10天左右）图2-3-1 shell气化炉（二）主要设备shell气化炉特点1. 膜式水冷壁Shell认为即使对最先进的耐火砖在高热负荷和熔渣不断侵蚀的环境下也难以保证高强度和长寿命运行，所以确定了在气化炉的高压壳体中安装用沸水冷却的膜式水冷壁结构。使工艺过程实际上在膜式壁围成的空腔里发生。气化压力是由外部的高压壳体承受。膜式壁提高了SCGP

31、的效率，不需额外加入蒸汽，并可副产中、高压蒸汽，同时也增强了工艺操作强度。2. 环形空间环形空间位于压力容器和膜式壁之间，设计环形空间是为了容纳水/蒸汽的输入/输出管和集汽管，另外也便于检查和维修。3. 压力壳体 Shell气化炉的压力壳体是标准化设计，也可按标准进行制造。材料一般用低铬钢。4. 材料SCGP主要采用低合金钢。既可满足煤气化的工艺要求，又易于制造和维修、便于安装和焊接，适于在当地维修和保养，且价格比较低廉。 5. 烧嘴烧嘴的可靠性和寿命连续运行一年以上。Shell休斯敦的示范装置证实，烧嘴寿命可在9500小时以上。Buggenum的工业化装置中发现，烧嘴确未发生操作故障。表2-

32、3-2 Shell与Texaco气化炉的比较项 目ShellTexaco数量1台3台(2开1备)气化炉形式加压气流床加压气流床直径/mm45002794(1676)气化剂氧气氧气气化压力/MPa(g)3.5或4.04.0或6.4能量回收型式水冷壁+废锅水激冷气化温度/140017001400单炉生产能力/t.d-11500600加煤装置煤喷枪Texaco烧嘴炉体保护装置水冷壁耐火材料易损件无烧嘴、耐火材料破渣装置有有排渣装置锁渣罐锁渣罐炉膛温度检测设施按CO2含量推算热电偶CH4值估测 专家物料衡算估测 系统适用原料煤种范围较宽煤种有一定要求使用原料粒度粉煤粉煤二、对煤质的要求图2-3-2 0

33、(Wt) FeOShell煤气化工艺的原料是干煤粉，用高压氮气输送入气化炉，对煤种的使用范围较宽，能够以任何煤种为原料，且碳转化率超过99%。该工艺过程对煤的特性，例如煤的粒度、粘结性、含水量、含硫量、含氧量及灰份含量均不敏感，在荷兰Demkolec工厂工业化装置上已使用过包括澳大利亚煤、印尼煤、南非煤、美国煤、波兰煤等14个煤种进行气化，均能正常生产。只要有煤质分析数据，不需Shell公司再进行试烧、认定，即可根据用户提供煤种进行装置设计。但对于灰熔点较高的煤，须加入助熔剂（石灰石），改变熔渣性能，Shell公司绘有三角相图供操作者查阅（下附Shell提供的几个典型相图）。图2-3-3 5(

34、Wt) FeO图2-3-4 10(Wt) FeO 第四节 Shell粉煤气化工艺流程一、煤的研磨及干燥本单元是Shell加压粉煤气化工艺不可缺少的重要组成部分，其作用是将原煤干燥并磨制成合格的煤粉。煤粉细度PSD及煤粉中含水量应满足如下要求：> 90m 10 (max.) %> 5.0m 90 %含水量 2%根据煤气化炉生产能力和设计煤种，以及可能的煤质变化情况，煤的研磨及干燥系统设置2台磨煤机，即2条煤的研磨及干燥（CMD）生产线，正常生产时两条线同时运行。当一条线停运时，另一条线按设计能力运行，以满足下游配套部分的生产要求。（一）原煤与石灰石粉贮存系统1. 原煤原煤贮存在原煤仓

35、(V-1101A/B)内。来自V-1101A/B的原煤经重力式给煤机(X-1101A/B)计量称重后通过落煤管进入磨煤机，为保证系统的安全，重力式给煤机始终保持在连续的氮净化状态。V1101A/B含尘气体通过原煤仓放空过滤器(S-1101A/B)除尘后，由原煤仓排风机(K-1104A/B)排入大气。为了监控原煤的自燃，S-1101A/B出口设有一氧化碳含量在线分析报警（2个煤仓合用一个）。 V-1101A/B内装有一个氮气分配环。2. 石灰石粉石灰石粉贮存在石灰石粉仓(V-1102)内。80160目的石灰石粉由密封罐车卸至一中间粉仓，再经空气提升机送入石灰石粉仓(V-1102)。V1102内的

36、石灰石粉依靠重力进入石灰石粉配料箱后，通过改变配料箱出口旋转给料机转速使石灰石粉按照与煤一定的重量比依次通过旋转给料机和石灰石粉喷射器进入磨煤机。V1102上部含尘气体通过石灰石粉仓放空过滤器(S-1104)除尘后排入大气。（二）研磨及干燥系统根据煤质特点，采用性能优越的MPS中速磨，集研磨、干燥与动态分离于一体。中速磨煤机在研磨过程中，将连续对物料进行干燥。满足细度要求的煤粉和气体混合物经出粉管道进入粉煤过滤器S-1103A/B进行气粉分离。煤粉的细度取决于循环气速率、滚筒在磨盘上的压力和S-1102A/B的可调速率。分离后的煤粉储存在粉斗内，通过螺旋送入下游装置粉煤储罐V1201A/B。分

37、离后的气体（含尘量小于10 mg/Nm3）被循环风机K1102A/B抽走，一部分进入惰性气体发生器F1101A/B循环使用，另一部分排入大气。石子煤和其它不合格原料自动落入石子煤箱中（磨盘下的一个气密阀系统）排出。为防止煤粉的侵入，通过密封风机(K-1103A/B)提供的空气对磨煤机轴封和轴承进行密封。为避免煤粉自燃和粉尘爆炸，磨煤机在微负压条件和低氧的惰性气体环境下操作，通常控制氧气浓度在8 vol%以下，当S-1103A/B出口或磨煤机入口氧含量过高时，向循环回路中补充低压氮气。（三）惰性气体发生器磨煤采用热惰性气体干燥，热惰性气体由惰性气体发生器(F-1101A/B)经燃料气（油）燃烧加

38、热产生，燃料量由研磨煤机出口温度进行控制。燃料气（油）燃烧所需空气量由燃烧空气鼓风机按比例提供。为了满足低能耗的要求，K1102A/B出口大约80%的热惰性气体需循环回到F1101A/B。正常运行时F-1101A/B采用炼厂干气和合成弛放气的混合气作为燃料，由燃烧空气鼓风机(K-1101A/B)提供助燃空气，柴油备作为备用燃料。开车期间（点火）采用液化石油气作为燃料，助燃空气为压缩空气。循环风机为系统的惰性气体流动提供动力。二、加压进煤来自CMD的粉煤和粉煤过滤器(S-1201A/B)过滤下的煤粉进入粉煤储罐(V-1201A/B)，若粉煤储罐达到允许的最高料位时，CMD将停止运行。煤气化炉开停

39、车期间，粉煤也将通过粉煤烧嘴前的循环线返回到V1201中。低压氮气连续通入粉煤储罐以保证系统在惰性气氛下操作。粉煤储罐的操作压力为0.02MPa(g)，操作温度为80。粉煤依靠重力由V1201流入粉煤放料罐(V-1204A/B),V1201达到设定料位后即与所有低压设备隔离开，然后加压直至与粉煤给料罐(V-1205A/B)的压力相同，此时打开这两个罐间的压力平衡阀。V1204是用高压氮气来加压的，氮气通过罐底部的通气锥直接进入罐中，为保护通气锥中的通气板，氮气加压管线上设置了压差控制阀以控制进入通气锥的氮气流量。粉煤靠重力由V1204流入V1205，当V1204达到设定的低料位后，关闭V120

40、4底部的切断阀，与高压系统隔离，V1204开始卸压。V1204卸压分为三步，前两步均通过限流孔板和切断阀将氮气经S1201排放到大气中，第三步则通过V1204和S1201间的压力平衡线来保证两台设备间的压力平衡。V1204操作压力为4.70.02MPa(g)，操作温度为80。V1205内的粉煤从底部送往粉煤烧嘴。为维持V1205与气化炉间的压差，稳定气化炉的运行，V1205内不断通入氮气，并通过S1201排入大气。同样，为了保护罐底的通气锥，氮气管线上设置了压差控制阀。V1205操作压力为4.7MPa(G)，操作温度为80。三、煤气化及合成气冷却来自空分装置的纯氧经高温锅炉水预热到180，与3

41、00的过热工艺蒸汽充分混合后，和来自V-1205A/B的粉煤一起通过水平对称布置的四个粉煤烧嘴喷入气化炉(V-1301)内，在4.0MPa(G)的压力下进行部分氧化反应。气化炉内温度高达1400-1700，在此高温下，合成气中基本不含C1以上的有机成分。同时由于气化炉中部分固化的煤渣层形成的隔热壁最大限度地阻止了热量的流失，从而获得较高的冷煤气效率。反应后的高温合成气在气化炉顶部出口被来自循环气压缩机(K-1301)的冷合成气激冷至约900，然后经合成气冷却器冷却至340后进入干法除灰单元。激冷循环气压缩机设计由调频电机驱动。正常操作时，四个粉煤烧嘴同时运行。烧嘴负荷通过气化炉的负荷调节器来调

42、节，其入口的氧气蒸汽比通常保持恒定不变。为了保证烧嘴的稳定运行，延长烧嘴的使用寿命，本单元设置了烧嘴冷却水（锅炉水）系统。气化炉还设置了点火烧嘴和开工烧嘴系统。粉煤气化反应过程中所产生的大量高位能显热在气化炉及合成气冷却器（SGC）中被回收以产生中压过热蒸气。SGC是水管型废锅，特殊的设计使之能够处理带有不粘性粉煤灰的气流。从气化炉中压汽包(V-1304)出来的271循环锅炉水由中压循环泵(P-1301A/B/C)分别送入气化炉中压蒸汽发生器(E-1320)即气化炉水冷壁，激冷段中压蒸汽发生器(E-1301)、传导段中压蒸汽发生器(E-1302)和SGC中压蒸汽发生器(E-1303)，以产生5

43、.5MPa(G)的中压蒸汽，产生的汽水混合物在汽包中分离后，蒸汽送入SGC中压蒸汽过热器(E-1306)过热至400。中压过热蒸汽除少部分送入公用工程系统供气化装置自用外，其余送往界区管网。汽包内部隔成两个室，一个室与气化炉水冷壁相连，另一个室则与气化炉内其它的蒸汽发生器相连。采用这种设计可以通过监测气化炉不同部位的产汽量以评估气化炉的运行状况。气化炉和SGC设置了清洁系统，主要设备是激冷段吹灰器、位于SGC内过热器入口处的飞灰鼓风机和敲击锤，清洁系统在PLC控制下按设定的程序进行工作。 四、除渣除渣系统负责对熔融煤渣进行冷却、粒化和排放处理。1700左右的熔融炉渣向下流入气化炉底部的灰渣激冷

44、罐(V-1401)，迅速分解成灰渣小颗粒，灰渣颗粒向下流入收集罐(V-1402)中。为防止较大的煤渣颗粒被夹带进水循环系统，90的灰水由循环泵(P-1401A/B)从收集罐顶部抽出，经水力旋流器(S-1403A/B)和循环灰水冷却器(E-1401A/B)循环回到灰渣激冷罐。水力旋流器的目的是将激冷水中的固体颗粒含量控制在11.5wt%，而循环灰水冷却器则利用循环冷却水将灰水冷却至50。渣由收集罐进入渣放料罐(V-1403)，在此过程中，灰水通过灰水泵(P-1402A/B)循环回到收集罐中，同时系统中补入高压新鲜水以补充由水力旋流器底部排到废水汽提及澄清单元的水。当所有的渣进入放料罐后，放料罐即

45、与收集罐隔绝并开始卸压，然后将渣全部排入炉渣脱水仓(T-1401)。由排放水罐(T-3302)来的40低压新鲜/循环水通过排放水循环泵(P-3306A/B)送到放料罐中，冲洗和重新注水完成后，用高压氮气加压至4.0MPa(G)，然后与收集罐重新连通。炉渣脱水仓中的渣由捞渣机(X-1402)捞出，并经送渣皮带(X-1403)送往中间渣场。炉渣脱水仓中含细微颗粒的灰水通过灰渣水排放泵(P-1403A/B)输送至澄清槽(S-1701)中。五、干法除灰干法除灰单元核心设备是带有程序反吹系统的高温高压陶瓷过滤器S1501。来自合成气冷却器(V-1302)340合成气送入S-1501过滤除灰后直接送往洗涤

46、单元，过滤后的合成气中灰尘含量约12(最大20)mg/Nm3。高温高压过滤器设置了反吹系统，利用7.8MPa(g)、225的高压合成气对滤芯进行反吹。高温高压过滤器过滤下来的飞灰通过飞灰收集罐(V-1501)落入飞灰放料罐(V-1502)，飞灰放料罐持续用5.2MPa(G)、225的高压氮气进行气提。当飞灰放料罐中的飞灰量达到高料位时，高温高压过滤器与放料罐之间的阀门关闭，然后将放料罐中的氮气粗合成气混合气通过放料罐过滤器(S-1502)送入火炬，直至将飞灰放料罐卸压至大气压。放料罐过滤器的压差利用5.2MPa(G)、225的高压反吹气来维持。卸压完成后，飞灰放料罐与飞灰卸料冷却罐(V-1504A/B)中的其中1个连通，飞灰落入飞灰卸料冷却罐中。当飞灰放料罐中的飞灰达到低料位时，关闭二者之间的阀门，然后用高压氮气对飞灰放料罐加压至与高温高压过滤器的压力达到平衡，并重新连通飞灰放料罐和高温高压过滤器。在飞灰放料罐的卸压及放料过程中，高温高压过滤器过滤下的飞灰落入其下部的飞灰收集罐(V-1501)中。在飞灰卸料冷却罐中利用0.7MPa(G)、80的低压氮气对飞灰进行加压气提吹扫，以保证有毒合成气不泄漏到大气中并将飞灰温度降至约250以下。气