Shell煤气化技术

Shell煤气化技术吴迎(中国五环化学工程公司，武汉 430079) 2006-08-041 概述谢尔粉煤加压气化工艺(简称Shell煤气化工艺)，是荷兰壳牌公司开发的一种先进的煤气化技术，与先进的德士古(Texaco)水煤浆加压气化技术相比，Shell煤气化具有对煤质要求低，合成气中有效组分 (CO+H2>90％)含量高，原煤和氧气消耗低，环境污染小和运行费用低等特点，已成为近年来国内外设计单位和生产厂家首选的气化工艺。

我国正在设计和建设中的洞庭氮肥厂、柳州化学工业公司等厂家，已将该技术应用于合成氨生产。

湖北化肥厂和安庆化肥厂也准备将该技术用于本厂的“油改煤”制氨流程。

湖北双环科技股份有限公司引进Shell公司基础设计，由我院做工程设计，正在建设规模为800t／d(相当于20万t／a)的工业示范装置，即将投运。

Shell煤气化技术是我国建设大型煤化工项目或中氮肥改造的主要方向。

Shell工艺虽属先进，但投资偏高，一般企业不易接受，建议尽快实现关键技术和设备的国产化。

2 Shell煤气化工艺原理、技术特点及主要设备2.1 Shell煤气化工艺原理Shell煤气化过程是在高温高压下进行的，Shell煤气化属气流床气化。

粉煤、氧气及水蒸汽在加压条件下并流进入气化炉，在极为短暂的时间(3～10s)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，其工艺流程如图1所示，气化工艺指标如表1所示。

2.2 技术特点a.煤种适应性广。

从无烟煤、烟煤、褐煤到石油焦化均可气化，对煤的灰熔融性适应范围宽，即使高灰分、高水分、高含硫量的煤种也同样适应。

b.气化温度约1 600℃，碳转化率高达99％以上，产品气体洁净，不含重烃，甲烷含量低，煤气中有效气体(CO+H2)高达90％以上。

c.氧耗低，单炉生产能力大。

氧气消耗低，比水煤浆气化工艺低15％～25％，因而配套的空分装置投资相对降低；目前已投入运转的单炉气化压力3.0MPa，日处理煤量已达2000t，因此，单炉生产能力大，目前更大规模的装置正在工业化。

d.热效率高，排渣易处理。

煤中约83％的热能转化为合成气，约15％的热能被回收为高压或中压蒸汽，总的热效率为98％；其气化炉高温排出的熔渣经激冷后成玻璃状颗粒，性质稳定，对环境几乎无影响，气化污水含氰化物少，易处理。

e.Shell气化炉关键部件烧嘴的设计寿命为8000h，已有使用4a仍未更换的记录；另外控制系统安全可靠，设有必要的安全联锁，使气化操作始终处于最佳状态下运行。

f.Shell气化炉炉壁采用水冷壁结构，无耐火砖衬里，维护量少，气化炉内无传动部件，运转周期长，无需备炉。

2.3 主要设备Shell气化装置的核心设备是气化炉和废热锅炉。

气化炉结构如图2所示。

Shell煤气化炉由内筒和外筒两部分组成，包括膜式水冷壁、环形空间和高压容器外壳。

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，其一，为了减少热损失；其二，主要是为了挂渣，充分利用渣层的隔热功能，以渣抗渣，以渣护炉壁，使气化炉热损失减少到最低，以提高气化炉的可操作性和气化效率。

环形空间位于压力容器外壳和膜式水冷壁之间，即内筒与外筒之间有空隙气层，设计环形空间的目的是为了容纳水／蒸汽的输入／输出管和集气管，同时，环形空间还有利于检查和维修。

其内筒仅承受微小压差。

气化炉烧嘴是Shell 煤气化工艺的关键设备及核心技术之一，与其它气化炉不同的是Shell气化炉采用侧壁烧嘴，根据气化炉能力由4～8个烧嘴呈中心对称分布。

气化炉外壳为压力容器，一般小直径气化炉用钨合金钢制造，其它用低铬钢制造。

由于气化炉的特殊设计，保证了Shell煤气化工艺指标先进可靠。

废热锅炉用于回收高温煤气的显热，其内件由圆筒形水冷壁和若干层盘管形水冷壁组成，盘管形水冷壁各层之间密封分隔。

为消除水冷壁上的积灰、设置了气动敲击除灰装置，定期或不定期进行振动除灰。

气化炉和废热锅炉顶部用导气管连接，导气管内部也为水冷壁结构。

3 结语煤气化技术是煤炭洁净、高效和综合利用的基础技术和关键技术，其应用领域极为广泛。

因此，大力开发煤种适应性强，单炉生产能力高，煤气成本低，气体为可调的先进加压气化技术十分重要。

Shell气化技术代表当今气化工艺发展方向，适合我国大多数煤灰熔融性温度偏高的国情，该工艺是我国建设大型煤化工项目或中氮肥改造的主要方向。

Shell工艺虽属先进，但投资偏高，一般企业不易接受，降低造价的办法是采用国内专利技术，走国产化道路。

建议在引进和改进Texaco水煤浆加压气化技术和Shell粉煤加压气化技术的同时，尽快实现关键技术和设备的国产化。

Texaco煤气化工艺技术指标与经济效益评价系统的设计国蓉1 程光旭1 郑宝祥2 王毅1 赵勇平2(1.西安交通大学环境与化工学院 710049) (2.陕西渭河化肥厂渭南 714000) 2003-08-16 Texaco煤气化技术是由美国Texaco公司在重油气化的基础上开发成功的第二代煤气化技术，属于加压气流床气化工艺。

与其它气化工艺相比，Texaco水煤浆气化工艺以水煤浆形式加料，简化了干粉煤给料及加压煤仓加料的问题，取消了气化前的干燥，节约能量。

同时，气化采用1 300～1 500℃的高温，气化压力达6.5MPa，气化效率高，煤转化效率高(达98％以上)，无焦油等污染物，是一种工艺先进、可靠的气化工艺。

国内目前运行中的Texaco气化装置有山东鲁南化肥厂、上海焦化厂、淮南化工集团以及陕西渭河化肥厂4套装置，这项新技术的应用与投产运行，使我国煤气化技术的应用又获得了进一步的发展。

目前各厂对这一新技术的技术指标、经济效益评价基本上都采用手工作业的方式，手工输入数据，用Excel等应用软件处理数据、输出报表，缓慢而且繁琐，工作量大，周期也比较长，无法及时、准确地评价工艺流程的运行状况。

国外一些公司虽然推出了计算、统计软件，但由于在设计时更多考虑广泛适用性，因此对于个别厂家来说，并不是很适合。

笔者针对陕西渭河化肥厂的具体生产情况，开发了基于VB 6.0环境的Texaco煤气化工艺技术经济指标评价系统，并成功地应用于工厂的技术经济分析中。

1 Texaco煤气化工艺流程分析1.1 Texaco煤气化工艺流程Texaco煤气化技术属于加压气流床并流气化工艺，气化过程包括煤浆制备、煤浆气化、灰水处理和CO变换等工序。

煤、石灰石(助熔剂)、添加剂和NaOH经称量后加入磨煤机中，与一定量的水相混合，磨成一定粒度分布、浓度为65％～70％的水煤浆，通过滚筒筛滤去较大颗粒后进入磨机出口槽，最后经磨机出口槽泵和振动筛送至煤浆槽中。

煤浆槽中煤浆由高压煤浆给料泵送气化炉工艺喷嘴，与空分装置来的氧气一起进入气化炉，在l 300～1 400℃温度下进行部分氧化生成粗煤气，经气化炉底部的激冷室激冷后，气体和固渣分离。

粗煤气经喷嘴洗涤器进入碳洗塔，冷却除尘后进入CO变换工序。

气化炉出口灰水经灰水处理工段4级闪蒸处理后，部分灰水返回碳洗塔作洗涤水，经泵进入气化炉，其余送废水处理。

熔渣被激冷固化后进入破渣机，特大块渣经破碎进入锁斗，定期排入渣池，由捞渣机捞出定期外运。

1.2 Texaco煤气化工艺中的关键设备1.2.1 气化炉气化炉是圆柱形加压容器，内衬耐火材料，由上部燃烧室和下部激冷室组成，中间有激冷环，着下降管，具体结构见图1。

上部的燃烧室内衬4层耐火材料：第一层为高温层(向火面)，主要成份为Cr2O3，主要是抗煤融渣的侵蚀，其次是抗高温、高压气流和气流夹带的未氧化的煤粒及煤融渣的冲刷；第二层为保护层，主要材料是Al2O3，有部分Cr2O3，主要作用是为绝热创造条件，同时也充当安全衬里的作用，即在高温层整体厚度减薄时，确保装置在短期内继续运行；第三层亦为保护层，Al2O3含量很高，主要作用是提供绝热，以保证壳体温度在设计范围内；第四层为可压缩层，采用陶瓷毡，当产生热膨胀时，防止因壳体不均匀而使得保温层与壳体之间产生的压力不均匀。

气化炉激冷室主要由激冷环、下降管和上升管组成。

激冷水经过激冷环分配室的小孔喷射进入激冷室，沿下降管内表面流下，与煤气并流接触，完成降温、增湿、除灰等作用。

1.2.2 烧嘴Texaco气化工艺中使用的烧嘴有预热烧嘴和工艺烧嘴2种。

气化炉养护及气化炉预热的初始阶段，使用预热烧嘴。

工艺烧嘴用于煤气化阶段，水煤浆及氧化剂通过工艺烧嘴进入气化炉反应室，发生气化反应。

Texaco工艺烧嘴端部结构见图2。

工艺烧嘴是煤气化的关键设备之一，其雾化性能直接影响产品气的成份和转化率；其寿命及运转状况直接影响到气化的技术指标与经济效益；火焰的刚性直径和长度不但影响气化的技术指标与经济效益，同时也影响着气化炉的寿命。

因此烧嘴的设计、制造、安装及更换都是非常重要的。

1.2.3 磨煤机和煤浆泵磨煤机与煤浆泵是煤浆制备系统的主要设备。

煤浆泵的作用是将水煤浆泵送至气化炉，所以其运行状况直接关系到整个装置的运行。

磨煤机又分球磨机、棒磨机等不同的型式，是制备高浓度水煤浆的关键设备。

2 技术指标与经济效益评价的基础2.1 评价的理论基础气化炉中总反应可表示为：2.2 评价的工艺基础2.2.1 原料煤的工业分析数据Texaco煤气化工艺对原料煤的适应性较强，但最好选择灰熔点为1 300℃左右、灰含量低于20％的煤种。

作为低灰熔点的煤种，甘肃华亭煤被选作气化原料煤，其工业分析数据与热值见表1，原料煤元素分析见表2。

2.2.2 气化装置运行参数气化装置运行参数见表3、表4与表5。

2.3 评价指标的计算方法在分析气化工艺反应机理的基础上,选取了如下指标作为评价的主要参数,并通过对气化工艺进行物料衡算、热量衡算，得到了如下的指标计算方式：3 技术指标与经济效益评价系统的设计与实现3.1 系统的需求分析通过仔细分析，评价系统具有如下需求。

(1)系统功能需求在系统功能方面，要求进入、退出系统应有明显的命令及提示，能够设置打印机型号等参数，能够不退出系统而更改当前用户(即注销)，并且有联机帮助及使用说明。

(2)数据库管理功能需求在数据库管理方面，要求能够建立和删除数据库、修改数据库信息等；能够对数据库的信息按照不同项目进行统计；可方便地导入、导出数据并进行备份和恢复；通过权限设置，保证数据库不受非法访问。

(3)报表管理功能需求在报表管理方面，要求能够建立和删除报表、修改报表信息；报表信息能够与数据库信息保持同步；能够打印报表；可编辑输出格式；能够将报表输出并保存为Word文档格式。

3.2 评价系统结构及运行流程通过上述流程分析、工艺分析及需求分析，开发了Texaco煤气化工艺技术经济指标评价系统。

系统分为系统功能、统计数据库管理、用户数据库管理及报表管理几个部分，总体结构如图3所示，系统运行流程见图4。