浅析 SHELL 煤气化技术

·270·2016年7月 第8卷技术论坛工程技术浅析SHELL煤气化技术赵 野神华鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209摘 要：随着国内近年掀起的煤化工热潮，Shell煤气化工艺以其高效、安全和环保的特点，成为很多企业的首选工艺之一。

本文介绍了Shell煤气化的工艺原理、特点，煤种的选择，气化炉炉温偏高和偏低的参数变化和影响，气化炉温度监测，煤烧嘴与烧嘴罩损坏泄漏的一般原因及影响，以及对Shell煤气化未来的展望。

关键词：壳牌煤气化；气化炉的特点；煤种；炉温；烧嘴罩中图分类号：TQ546 文献标识码：A 文章编号：1671-5586（2016）64-0270-021 引言能源和环境是人类赖以生存与发展的基础，然而当今世界正面临着能源短缺、环境污染和温室效应等诸多问题，如何实现人类社会、经济与环境的协调可持续发展，已经引起国际社会的普遍关注。

人类必须在化石能源濒临枯竭和生存环境濒临崩溃之前，完成替代能源和相关技术的开发。

我国是能源消耗大国，而且煤多油少气贫，那么煤转气转油将是未来发展的趋势，它将带动经济的发展，也是国家能源战略储备的一部分。

壳牌煤气化技术的出现为洁净能源的开发指明方向，产品具有节能降耗，应用广泛的特点。

以下是结合自己在工作中的实践和对壳牌煤气化的所知进行分析探讨。

2 SHELL煤气化的原理和特点2.1 SHELL煤气化的工艺原理Shell煤气化技术是目前世界上较为先进的第二代粉煤气化技术之一，气化过程也是在高温加压下进行的。

其进料方式是将碎煤磨成0.1mm以下、水分2%以下的细粉，高压氮气通过特殊的喷嘴将粉煤送进炉膛，与被蒸汽稀释的氧气在气化炉内高温高压下气化形成合成气（CO+H2＞90%）、飞灰和熔渣[1]。

该技术工艺流程较简单，原煤经碎煤后送至磨煤机，磨成的细粉被热惰性气体干燥，由高压氮气将干煤粉送入气化炉，另外高压氧气和中压过热蒸汽混合后也由喷嘴喷入炉内。

炉口约1400～1600℃的高温合成气离开气化炉顶部，与来自洗涤和除灰系统混合后200℃的合成气混合，被激冷到900℃后进入合成气冷却段冷却到340℃，然后再进入干式除灰系统和湿洗除灰系统。

大部分熔渣被渣水激冷破碎成粒径平均接近1mm的玻璃球体。

2.2 SHELL煤气化的特点第一，干粉进料，气化效率高。

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，总的热效率可达98%左右。

第二，气化操作温度高。

气化温度约在1400～1600℃，在高的气化温度下碳转化率高达99%，有效气体成份含量高，产品气体相对洁净，不含重烃，甲烷含量很低，煤气品质好[2]。

第三，氧耗低。

与湿法进料水煤浆气化相比，氧气消耗低（15%～25%），原料制备系统简单，进料灵活，与之配套的空分装置投资可相对减少。

第四，加压操作，单炉生产能力大。

目前已投入的单炉日处理煤量达到2000吨。

第五，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[3]。

第六，生产调幅能力强，连续运转周期长。

采用对称式多烧嘴，混合效果好，提高了气化操作的可靠性和生产调幅能力。

气化煤烧嘴设计保证寿命8000h。

第七，煤种适应性广。

第八，环保性能好。

3 SHELL煤气化工艺对煤种的选择尽管壳牌煤气化炉适应的煤种很广，但也不是万能的，从技术经济的角度考虑对煤种还是有一定的要求。

煤种特性对煤气化炉和相关的设备设计及操作密切相关。

壳牌煤气化着重从水分、灰分、煤粉粒度、挥发份、反应活性、总硫、 灰熔点及灰组成来具体选择适合自己的煤。

4 SHELL煤气化炉温度4.1 气化炉温度监测气化炉蒸汽产量可以用来作为气化炉温度监测的主要参数，与此同时要对其渣型进行比对，保证对炉温进行正确判断，从而对气化温度进行调节，也可通过CO2和CH4量的变化对炉温进行监控。

气化炉蒸汽产量自动控制用于灰熔点和灰分正常波动时校正气化温度[4]。

图1 炉温偏高渣型 图2 炉温偏低渣型4.2 气化炉温度波动在气化炉操作过程中，炉温偏高，合成气中CO2含量升高、CH4含量降低、汽包小室副产蒸汽升高，煤粉燃烧后产生的煤渣成黄褐色晶体，针状物多（见图1所示），燃烧充分，渣的流动性强，炉壁不易挂渣，保温效果差，极易烧坏气化炉膜式水冷壁、烧嘴头以及烧嘴罩，降低了它们的使用寿命。

炉温过高煤粉燃烧后，液态熔渣还容易被合成气带到气化炉冷却段十字吊架处，随着温度的降低，熔渣容易凝固在换热器上，时间长了，换热器的前后压差将增大，SGC入口温度也会升高，气化炉压力增大，激冷气量明显下降，饱和蒸汽经过换热器时的换热效果差，过热蒸汽的温度将受到影响。

如果SGC出口温度也升高，说明换热器堵的不是很厉害；反之，说明堵的很严重了。

炉温偏低，合成气中CO2含量降低、CH4含量升高、汽包小室副产蒸汽降低，煤粉燃烧后产生的煤渣成黑色小颗粒状（见图2所示），燃烧很不充分，渣的流动性差，炉壁挂渣较厚，传热效果差，下渣口很容易堵渣，给生产造成影响。

5 SHELL煤气化炉烧嘴罩的损坏泄漏在气化炉运行过程中，导致烧嘴罩损坏泄漏的原因很多，也是诸多壳牌煤气化人多年要攻克的瓶颈，下面谈谈个人对此问题的理解，仅供参考。

5.1 烧嘴罩泄漏的直接原因局部超温导致的烧蚀。

制造烧嘴罩的材料为13CrMo4-5钢，其金相组织为铁素体/珠光体。

烧嘴罩泄漏部位的金相组织为马氏体。

金相学理论表明：超过840℃的高温可以导致铁素体/珠光体转变为马氏体，而马氏体恰好不耐高温。

5.2 烧嘴罩泄漏的根本原因（1））粉煤烧嘴火苗长度偏低，低于设计值。

导致粉煤烧嘴火苗的高温外焰（2500-3000℃）接近烧嘴罩。

（2））炉温整体偏高但波动很大。

炉温过高时，渣的流动性变得非常好。

因为烧嘴位置的原因，合成气和渣在炉膛内形成环流。

此种情况在下渣口下方同样存在。

渣的流动性太好，会有部分渣被气流带到渣裙和热裙的位置，并附着在（下转第273 页）工程技术技术论坛2016年7月 第8卷·273·3 控制系统工作原理及控制过程操作面板接收来自操作人员的操作指令并显示设备的运行状态；光电开关、行程开关、磁环开关等检测元件检测托盘及胶块的位置状态以及机械各部机的动作状态；系统PLC程序自动循环扫描各个输入输出点的当前状态，并根据程序所确定的逻辑关系刷新输出点的状态，通过交流接触器和电磁阀来控制相应电动机的启停和气缸的动作；IRC5机器人控制系统通过轴计算机扫描内部总线状态，结合内部运动程序和逻辑判断程序来控制码垛机器人的各个动作，同时通过总线与外部系统PLC进行通讯，从而完成整个码垛流程的自动控制。

控制系统的结构及原理简图如图3所示。

图3电控系统原理框图4 改进措施该应用方案操作灵活、码垛整齐美观、智能化程度高，极大地提高了码垛装箱效率，很好的满足了橡胶后处理自动生产线对码垛、装箱的要求。

但在实际应用过程中，仍旧存在一些问题容易引起码垛机器人系统故障，这些问题主要体现在以下三个方面：（1）由于机器人控制柜至手抓上的接近开关、光电开关和电磁阀的控制电缆，其敷设路径是在机器人手臂内部沿手臂敷设。

因此，伴随着机器手臂的扭转、拉伸，其内部的电缆也同步不停的进行扭转、拉伸，从而极容易引起损伤，出现电缆短路、断路和接地等故障，造成码垛机故障停机。

（2）由于码垛机装箱工作模式的切换需要频繁更换机器人腕部与手抓间的连接杆，引起机器人腕部伺服电机端盖螺孔和手抓底座螺孔均会出现螺纹损伤，引起滑丝、脱扣，造成手抓连接故障，而且难以维修。

（3）IRC5机器人控制柜对供电可靠性要求较高，突然的停电、来电易引起机器人控制系统内部数据丢失、启动失灵（系统不回零）甚至主板损坏，处理起来非常困难。

为应对上述问题，经过论证提出以下改进方案，实施后效果理想，使IRC5机器人码垛系统的运行稳定性得到了进一步提升：（1）对机器人手抓进行优化改造，尽量减少元件数量，从而减少沿机器人手臂敷设的信号线数量，将因线路损伤引起机器人故障的可能性减到最小。

一是将检测手抓状态的两只接近开关取消，改由PLC内部程序控制，并通内部时间继电器调整手抓抓合力度；二是将手抓电磁阀迁移至机器人机座处。

这样，沿机器人手臂内侧敷设的信号线的数量由6根减少到3根，将因线路损伤引起机器人故障的可能性降低了50%。

（2）对沿机器人手臂敷设线缆的路径和方式进行改造，缩减线路损伤后检查和更换线缆的作业难度。

一是将沿机器人手臂内侧敷设改为沿机器人手臂外侧敷设，这样便于检查和更换；二是将整根线缆分段处理，在旋转和拉伸部位设置过渡段，这样检查和更换的重点可集中在过渡段，使得检查和更换更容易进行。

（3）对机器人腕部与手抓间的连接杆安装方式进行改造。

在连接杆与机器人腕部伺服电机端盖间及连接杆与机器人手抓底座间增设安装法兰，变内孔螺栓为外部穿心螺栓，解决内孔螺纹的滑丝、脱扣问题。

（4）IRC5机器人控制柜电源由普通市电改为UPS供电，提高供电可靠性，并制定操作规范，杜绝停电后3分钟内送电，避免短时间内突停突送造成的数据丢失及主板损坏现象。

5 结束语将IRC5机器人与PLC控制技术相结合，应用于橡胶后处理自动包装线上，实现了成品胶块的自动装箱、自动码垛，通过优化控制程序、改进手抓及线路结构进一步降低了故障率、提高运行可靠性和稳定性。

参考文献[1]李晓刚.码垛机器人的研究与应用现状、问题及对策[J].包装工程，2011（3）：96-102.[2]胡洪国.码垛技术综述[J].组合机床与自动化加工技术，2000（6）：7-9.（上接第270 页）热裙上，越聚越多，便形成热裙位置的环形积渣。

这说明在某一时间段炉温过高。

炉温过高，烧嘴罩不能将热量及时传递出去，导致高温腐蚀。

烧嘴罩损坏，漏出的蒸汽对烧嘴流道造成影响，同时有可能导致渣的流动发生变化，也会对烧嘴流道造成影响。

而且烧嘴、烧嘴罩烧漏了，烧嘴冷却水的使用量将随着漏点的增大而增大，烧嘴冷却水缓冲罐补水的频率也将增加，蒸汽进入气化炉，导致水冷壁不挂渣，同时对耐火材料、销钉寿命有很大影响。

炉温过低时渣流动性差，粘度较高的渣流入烧嘴罩改变火焰形状，产生回火，在烧嘴罩内部形成了局部的高温区域，从而形成局部区域的磨蚀和点蚀，造成泄漏。

（3））煤种频繁波动。

煤种发生变化，煤中的灰含量也将发生变化。

煤种灰含量大幅变化时，炉温将大幅波动，渣层厚度也相应的发生变化。

烧嘴罩的插入深度有可能无法满足高灰含量的煤种，或者因为炉温波动导致渣层变厚，部分熔渣落入烧嘴罩内，对烧嘴流道造成影响，在烧嘴罩内形成局部过氧，损坏烧嘴。

（4）四条煤线粉煤流量不均匀。

烧嘴罩损坏时，我们观察煤线经常有大幅波动，导致煤线氧煤比高报警，那么煤线波动不稳定有哪些原因？煤粉给料仓锥部有异物，下料空间小。