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Shell煤气化技术评述 2004-2-19 1． Shell煤气化技术的发展过程 Shell公司气化技术的开发源自20世纪50年代，成功开发了以渣油为原料的Shell气化技术（SGP），至今全球已有150多套装置投入商业运行。在此基础上，于1972年开始，在该公司的阿姆斯特丹研究院（KSLA）进行了煤气化技术开发与研究。1976年，在该研究院内建立了一套日处理6吨煤的气化装置，试验了30多种煤，取得了宝贵的试验数据。1978年在德国汉堡的Shell炼油厂建成日处理150吨煤的中试装置，用于验证煤气化的工艺模型和进行设备测试。1987年在美国休斯顿建成日处理250吨高硫烟煤的气化装置和日处理400吨高灰份高水份的褐煤气化装置，利用该装置，进行了从褐煤到石油焦共18种原料试验，证明Shell粉煤气化技术具有工艺可靠，原料适应性强，负荷可调，环境友好等特性。 上述示范装置建成后，荷兰国家发电局决定采用Shell粉煤气化技术，在位于荷兰Buggenum的Demkolec电厂建设250MW整体煤气化联合循环发电装置，日处理煤量2000吨（2001年起，该电站由Nuon公司拥有）。该装置1990年开始建设，投资4.5～5.0亿美元，其中气化部分占总投资的27。1993年开车，自1994年进入3年验证期，发电效率达到43.2，截至2001年底，该装置成功运行了24000小时，气化了14种原料煤。 Shell公司在中国正积极推广其粉煤气化技术用于生产合成氨等化学品，目前已列入计划的项目如表1所示。 表1 中国计划的SCGP项目 Gasification Technologies 2003, San Francisco, California, USA, October 12–15, 2003 Piet Zuideveld and Jan de Graaf, Shell Global Solutions International BV, the Netherlands Owner Location Feedstock , t/d Syngas output 106Nm3/d End product Start-up date Shuanghuan Chemical Yingcheng, Hubei Coal 900 1.3 Chemicals 2004 Liuzhou Chemical Liuzhou, Guangxi Coal 1200 2.1 Chemicals 2005 Sinopec-Shell Yueyang, Hunan Coal 2000 3.4 Chemicals 2005 Sinopec Zhijiang, Hubei Coal 2000 3.4 Chemicals 2005 Sinopec Anqing, Anhui Coal 2000 3.4 Chemicals 2005 Dahua Chemical Dalian, Liaoning Coal 1000 1.5 Chemicals 2006 Yuntianhua Chemicals Anning, Yunnan Coal 2000 3.4 Chemicals 2006 Yunzhanhua Chemicals Qujing, Yunnan Coal 2000 3.4 Chemicals 2006 2． Shell粉煤气化（SCGP）工艺流程 图1 SCGP气化工艺流程示意图 Shell煤气化工艺SCGP以干煤粉为原料、纯氧作为气化剂，液态排渣，属加压气流床气化见图1。原煤先行破碎研磨成煤粉并经干燥处理后，粉煤经过常压粉煤仓、粉煤锁斗及粉煤给料仓，由高压氮将粉煤送至气化炉喷嘴。氧气和蒸汽一起，进气化炉喷嘴。上述过程所用的氧气和氮气，均由空气分离装置提供。喷入的煤粉、氧气和蒸汽的混合体在高于气化压力0.5MPa下通过对列式烧嘴进入炉膛，在气化炉内3.5～4.0MPa压力下，1400～1700℃的温度范围内发生化学反应。高温气化确保煤中所含的灰份熔渣沿气化炉膜壁自由流下至气化炉底部，变成一种玻璃状不可沥滤的炉渣而排出。这个温度亦防止形成不合需要的有毒热解副产物，例如苯酚和多环芳香烃。同时高温还可获得高的碳转化率≥99，确保了粗合成气中基本上没有比甲烷重的有机组份。 气化炉顶的合成气温度～1500℃，用返回的粗合成气激冷至850～900℃，然后进入合成气冷却器（废热锅炉）作进一步冷却，气化炉内膜式水冷壁及废锅可同时产生高、中压蒸汽。 从废锅出来的合成气中所携带的少量灰份颗粒，在组合式陶瓷过滤器中分离除去，干灰进入灰锁斗，然后送往储仓，可作为水泥的配料。干法除尘后合成气中含尘～10ppm，经水洗后含尘为1ppm。 离开气化工序的合成气中含有80～83的原煤能量，被称为冷煤气效率。由气化炉和合成气冷却器产生的蒸汽，含有另外的14～l6能量。 煤炭中所含的硫、卤素及氮化合物，在气化过程中生成气态的硫化物、卤素、分子态氮、痕量氨及氰化氢。氰化氢及硫化羰（COS）被催化转化为氨及硫化氢。卤素和氨经水洗塔洗涤除去．水洗过的合成气送入后工序装置。 3． Shell粉煤气化与Texaco水煤浆气化工艺的比较 3.1 煤种适应性 煤的成分、灰分、灰熔点、活性和粘结性等参数变化范围很大，煤质不同，煤气化的状态和效率也不同。 Shell煤气化是干煤粉进料，用高压氮输送到气化炉，该工艺对煤的粒度、粘结性、含水量、含硫量、含氧量和灰分含量均不敏感，从褐煤、次烟煤、烟煤到石油焦均可使用。对于灰熔点较高的煤加入助熔剂（石灰石）就可改变熔渣性能，碳转化率超过99。在荷兰Demkolec装置上已使用了包括澳大利亚煤、哥伦比亚煤、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。根据Demkolec装置的运行记录，若在操作过程中煤质发生较大的变化，堵渣、停炉、停车也在所难免。稳定煤质也是Shell气化炉正常操作的一个重要条件。 Texaco气化炉水煤浆进料，对原料煤有一定的要求灰含量小于13，灰熔点小于1300℃，内水含量小于8，另外还要求煤有一定的可磨性、成浆性和化学活性。煤样需由Texaco认定和试烧且原料煤的供应要求稳定可靠。 3.2 煤气化的主要工艺及性能参数 表2给出了Shell煤气化技术和Texaco煤气化技术的主要工艺及性能参数的比较。从比较表2中可以看出，Shell粉煤气化技术在煤种适应性、主要工艺指标（如有效气成份、氧耗量、碳转化率、冷煤气效率、总热效率）、操作弹性、设备寿命等方面具有明显优势，这些优势主要来源于干粉进料、水冷壁和多喷嘴结构。但是气化压力只能达到2.0～4.0MPa，而Texaco煤气化的压力可高达6.5 MPa，更适合于后续化工产品的高压合成。 表2 Shell粉煤气化和Texaco水煤浆气化的比较 序号 比较项目 Shell工艺 Texaco工艺 1 气化工艺 气流床、液态排渣 气流床、液态排渣 2 气化煤种 褐煤、次烟煤、烟煤、石油焦等 次烟煤、烟煤等 3 气化压力 2.04.0MPa 4.06.5 MPa 4 气化温度 14001600℃ 13001400℃ 5 气化剂 氧气＋蒸汽 氧气 6 进料方式 干煤粉 水煤浆 7 1000Nm3COH2的氧耗量 360 Nm3 430 Nm3 8 碳的转化率 99（飞灰再循环） 95 飞灰再循环有可能达9899 9 冷煤气效率 8184 7176 10 有效气（COH2）成分含量 9094 83 11 总热效率 98 9095 12 操作弹性 50130 70110 13 技术成熟性 高 高 14 目前单炉最大投煤量 2000吨/天 2000吨/天 15 烧嘴寿命 8000小时 1500小时 16 装置年运转率 6500小时2003年 90（有备用炉） 17 炉体保护装置 水冷壁 耐火砖 18 易损件 陶瓷过滤器 烧嘴、耐火砖 19 气化炉测温 CO2推算 热电偶、CH4值估测、物料衡算估测以及专家系统 3.3 关键设备 3.3.1 Shell煤气化装置 Shell煤气化装置的核心设备是气化炉、合成气冷却器（即废热锅炉）和陶瓷过滤器。 Shell煤气化炉主要由内筒和外筒两部分构成。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l 600℃左右。为了避免高温、熔渣腐蚀及开停车产生应力对耐火材料的破坏而导致气化炉无法长周期运行，Shell气化炉内筒采用水冷壁结构，仅在向火面有一层薄的耐火材料涂层，正常操作时依靠挂在水冷壁上的熔渣层保护金属水冷壁，气化炉内筒与外筒之间有空隙气层，内筒仅承受微小压差。其他主要部件如烧嘴，与其它气化炉不同，Shell气化炉采用侧壁烧嘴，并且可根据气化炉能力由4～8个烧嘴呈中心对称分布。烧嘴的使用寿命可达8000小时以上。炉底关键部件还有锁斗上下的卸渣阀。 废热锅炉用于回收高温煤气的显热，既要承受高温高压，又要承受煤气中粉尘的冲刷，操作条件比较恶劣。由于温差大，如何消除或减少热应力给设备带来的损害也是必须周密考虑的问题。废热锅炉的金属外筒为受压容器，承受的温度不高设计温度约350℃。内件由圆筒型水冷壁和若干层盘管型水冷壁组成，盘管型水冷壁各层之间密封分隔，为消除水冷壁上的积灰，废锅可根据需要设置若干数量的气动敲击除灰装置，定期或不定期进行振动除灰。 气化炉和废锅顶部用导气管连接，导气管内部也为水冷壁结构。气化炉和废锅内部的结构及如何消除两设备整体热膨胀，都是Shell公司多年来通过理论和实践摸索出来的技术秘诀。 陶瓷过滤器用于除去煤气中的粉尘。陶瓷过滤管根据压差自动控制，每20秒用高压氮气反吹一次，随着使用时间的延长，陶瓷过滤器的压降逐渐增大，一般使用寿命为1年。 3.3.2 Texaco煤气化装置 Texaco煤气化装置的核心设备是气化炉。气化炉为一圆柱形受压容器，内衬耐火材料，上部为燃烧室，下部为激冷室（用于发电时，采用辐射锅炉）。出燃烧室的煤气通过下降管进入下部的激冷室中。下降管上端有激冷环，下部浸入水中，煤气经激冷环和下部水层被激冷至露点，且为水蒸气饱和，同时大部分煤灰及未反应碳以灰渣的形式从煤气中被水洗涤除去。根据粒度大小，粗渣在激冷室中沉降，经破渣机破碎后通过锁渣罐定期排放；细渣以黑水的形式从激冷室连续排出，送往灰水处理工序处理．灰水循环使用，细渣回收或废弃。烧嘴安置在气化炉顶部，烧嘴头部有冷却水夹套，身部有冷却盘管。冷却水经过冷却盘管和夹套温度升高到49℃回到冷却水贮槽，然后用冷却水泵加压到1.38MPa，经冷却器冷却到43℃送入烧嘴冷却水系统循环使用。烧嘴的使用寿命一般为1500小时（现在可达2400小时）。其两种气化工艺的排渣系统类似。 3.4 投资与运行费用 根据国内设计院的对两种气化工艺做的投资对比分析，Shell粉煤气化工艺和Texaco水煤浆气化工艺的固定资产投资方面，Shell工艺较高（说法不一，一般认为是1.5倍）。下面仅对合成气生产能力相同时，相关的过程单元的投资定性对比分析。 （1）空分 Shell粉煤气化工艺耗氧量比Texaco水煤浆气化工艺小；但前者需要专门设置高纯度的N2制造和增压系统，从而多耗厂电，并使氧气空分系统复杂化，而Texaco水煤浆气化工艺无需设置高纯度的制氮和氮气增压系统。 （2）原料制备和输送 Shell工艺的原料制备和输送包括磨煤、干燥、储存及输送，其调节控制系统较复杂， 同时，粉煤干燥还要消耗一部分系统的能量，系统较Texaco工艺复杂，投资费用高于Texaco工艺。为了保证气化工艺的年运转率，Shell工艺的原料制备和输送需设计一个备用序列。在Texaco工艺中，高压煤浆泵是原料制备和输送过程中的一个重要设备。 （3）气化及初步净化 Shell工艺的气化及初步净化过程中的单体较Texaco工艺复杂（气化炉及其内件、合成气冷却器、陶瓷过滤器等），但一般情况下，Texaco工艺为了提高装置的年运转率需设置一个备用炉。但Shell气化炉的压力不能超过4.5MPa，若与合成甲醇等化工后续过程相衔接需用压缩机将合成气增压。而Texaco工艺的气化炉压力可以达到8.5 MPa，便于与后续化工过程相衔接。 （4）变换 若气化工艺生产的合成气用于燃气轮机发电，不需考虑变换工艺所耗费的成本。若合成气用于生产合成氨，则因二种工艺的合成气成分不同而变换工艺投资也有所不同。Shell工艺虽然合成气有效成分比Texaco工艺高出10，但后者H2成份比前者高6，而CO成份却比前者低约1516。因而Texaco工艺变换所用的催化剂要少，相应的变换装置规模也要小。 在运行费用方面，不考虑操作费用和原料费用的情况下，两者的区别主要体现在一些易损件的更换上。Shell工艺的喷嘴使用寿命可达8000小时以上；而Texaco工艺的喷嘴每运行1500小时（现在可达2400小时）左右就需要对喷嘴进行检查和维护，并作预防性更换，采用Texaco工艺的Tampa电站每更换一次喷嘴需3小时。Texaco工艺每年需要更换一次耐火砖，大约需要几十万美金，Tampa电站每更换一次耐火砖需要40天；而Shell工艺只需要每年修补耐热衬套。据Shell公司介绍，用于干灰系统的陶瓷过滤器需每年更换一次，每次的费用约500万人民币。 3.5 成熟性与设备的国产化 Shell工艺和Texaco工艺均是成熟、先进的气流床煤气化工艺。Shell工艺将首先在中国将其气化工艺生产的合成气用于作为大宗化学品的原料，由表1可以看出新的装置将很快开车试运行，估计还需要不断的摸索消化吸收该技术。Texaco工艺在中国已有多套工业装置生产合成气用于作为大宗化学品的原料，运行经验较为丰富，国内技术基础较好。 Shell工艺的设备复杂，其关键设备的外壳如气化炉、输气管（连接气化炉和合成气冷却器）、合成气冷却器可进行国产化，但鉴于国内制造行业的水平，关键设备的内件依赖进口。除此，破渣阀、卸渣阀、粉煤三通阀等一些关键仪表阀门也可能依赖进口。 Texaco工艺的设备相对复杂性小，绝大多数设备可国产化，可能只有破渣阀、卸渣阀、煤浆泵等一些关键仪表阀门需要进口。 4 总结 Shell粉煤气化技术是先进的洁净煤技术，具有消耗低、煤种适应范围广、碳转化率高、热效率高等优势，由于Shell气化炉采用水冷壁结构，无需耐火材料，同时气化喷嘴运行周期在8000小时以上，保证了气化炉装置的长周期运行。但在运行过程中需稳定煤质，以保证气化炉长周期运行。 在同等规模的合成气生产能力下，Shell工艺的投资高于Texaco工艺，但在运行费用方面，Shell工艺低于Texaco工艺。由于Shell工艺的关键设备单体复杂，除外壳外，内件大都需要进口，在设备的国产化方面不如Texaco工艺。 Shell工艺在电力行业IGCC已经有良好的表现。但迄今还没有一套装置正式运用于化工行业，估计还需要不断的摸索消化吸收该技术以满足化工行业的要求。目前，设计院提供的一些投资分析、工艺性能参数等数据需要通过实践检验。同时，Shell工艺一般只有单台气化炉，一旦气化炉出现故障就必须全系统停车。 壳牌煤气化技术的可行性分析 SHELL 煤气化工艺概况 Shell 粉煤气化工序由以下主要单元组成①磨煤及干燥、②煤加压及进煤、③气化及合成气冷却、④除渣、⑤除灰、⑥洗涤系统等。 壳牌的煤气化工艺（SCGP）是一种洁净的煤气化工艺技术。SCGP 可采用多种煤制成合成气，操作弹性大，从高级烟煤至褐煤、石油焦均可作为原料。粗煤经磨粉、干燥（COAL MILLING AND DRYING） 后用氮气输送至粉煤储罐，粉煤通过上煤锁斗系统加压，并与氧气和水蒸气混合后通过成对烧嘴送入气化炉。粉煤、氧气和水蒸气在气化炉内，4. 0MPa （G）的压力下进行燃烧反应，反应后的高温合成气（1400 ℃ - 1700 ℃）在气化炉出口被约209 ℃、4. 06MPa（G）的冷合成气激冷至约900 ℃，然后经合成气冷却器冷却至340 ℃后进入除灰工序。 煤灰熔化并以液态形式排出。高温气化后，1600 ℃的熔融状炉渣和灰份向下流入气化炉底部的灰渣激冷工序。最终将排出的渣运到废渣场。气化反应过程中产生的大量高位能显热在气化炉及合成气冷却器中被回收以产生中压过热蒸气。 冷却至340 ℃的粗煤气经高温高压陶瓷过滤器将煤气中的飞灰（FLY ASH）与气体分离，飞灰可出售，也可返回气化炉循环以灰渣形式排出。经高温高压陶瓷过滤器除尘的煤气灰尘含量约1～2（最大20）mg/ Nm3 ，煤中的硫和氮化合物已被转化成气态硫化物、氮气、微量的氨和氰化氢，通过湿法洗涤可以除去，外送煤气温度为160 ℃，含尘1～2mg/Nm3。主要流程如图1 所示 SCGP 的主要技术特点 1 煤种的适应性较广 对煤的活性几乎没有特殊要求，可以气化多种煤、石油焦、工业垃圾等。该工艺过程对煤的特性，包括煤的粒度、粘结性、含水量、含硫量、含氧量及灰分含量均不敏感，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 在荷兰Demkolec 工厂工业化装置上已使用过包括澳大利亚煤、哥伦比亚煤、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。一般情况下，只要有煤质分析数据，不需进行试烧、认定，即可根据用户提供煤种进行工业装置设计。Texaco 煤气化工艺的原料是水煤浆，水煤浆要求具有良好的稳定性、流动性、易泵送性、较低的灰熔点和灰含量等性质，这就需要在向磨煤机中加入煤、水的同时，再定量加入添加剂和助熔剂（石灰石），制成高质量的水煤浆，而且对所制备的煤浆中煤的粒度分布有一定的要求，水煤浆制备系统要求较高。Texaco 由于煤气化温度相对较低（1250 - 1350 ℃） ，致使对煤种的适应范围较窄。 2 碳转化率高，能耗低 高温气化，碳转化率 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。氧气消耗较Texaco 气化低15～25 ，原料制备系统较简单，进料灵活。由于水煤浆气化工艺为湿法进料，在气化炉内必须把占原料量（35～40 ） 的水加热蒸发到1400 ℃，原料煤能量的的18. 5 要被消耗掉，而Shell 粉煤气化工艺为干煤粉进料，避免了湿法进料因水汽化和升温而带来的能量损失，用于加热蒸发煤中水的热量则要小得多。因此，在同等条件下，Shell 煤气化有效气体成份（H2 CO）为90 左右，而Texaco 煤气化有效气体成份（H2 CO）为80 左右；Shell 煤气化比Texaco 煤气化耗氧量至少低20 ；Shell 煤气化渣中含碳量 0.5 ，且能量回收较彻底，冷煤气效率前者为80～83 ，后者为74～77 。采用同等煤质时Shell 气化和Texaco 气化产生的合成气组成见表1 。 表1 气化炉出口典型的合成气组分 vol Shell 粉煤气化 Texaco 水煤浆气化 H2 26. 7 30. 3 CO 63. 3 39. 7 CO2 1. 5 10. 8 H2O 2. 0 16. 5 H2S 1. 3 1. 0 N2 4. 1 0. 7 Ar 1. 1 0. 9 CH4 - 0. 10 原料煤所含能量之中，大约80～83 以合成气形式回收，另外14～16 以蒸汽形式回收。蒸汽可以用来驱动空气分离装置的空气压缩机，也可被用来发电或作其它用途。 3 运行周期长 气化炉结构较简单，内部为膜式水冷壁，无任何耐火砖，烧嘴寿命较长，气化炉坚固耐用、操作可靠，并且如果一个烧嘴出现问题，其余几个烧嘴仍可维持运行。 4 运行维护费用低 Shell 粉煤气化工艺中，气化炉采用类似锅炉的水冷壁技术，熔态排渣，利用熔渣在水冷壁上冷却硬化形成一层渣层保护炉壁不受高温磨损，气化壁利用水管产生蒸汽以调节温度，使气化炉即有高温防护和又有磨损防护。由于其气化效率高和消耗低，因而生产成本低；同时由于采用单系列运行，检修和维护工作量大大降低，特别是采用水冷壁代替耐火砖后，节省更换耐火砖的费用和砌炉的时间。这样，Shell 粉煤气化的运行和维护费用相对较低。 5 清洁生产，对环境无污染 有利于环保，SCGP 工艺的硫氧化物及粉尘排放量实际上极少。干法除灰，灰水处理系统较小；煤的灰份则被转变成一种惰性炉渣，可以用作道路建筑材料。SCGP 装置仅产生少量废液，这种废液不含有机污染物，工艺用水可循环利用，总的废水排放量少。 7