Shell煤气化工艺的评述和改进意见

第6期(总第121期)煤化工No.6(Total No.121)2005年12月Coal Chemical IndustryDec.2005Shell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730060)商要叙述了Shell煤气化技术的发展过程,介绍了Shell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Shell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Shell 煤气化工艺废锅流程激冷流程文章编号:1005 9598 (2005) -06 0009-06中 围分类号:TQ54文献 标识码:A1978年，在汉堡附近的哈尔堡炼油厂建设一座编者按:虽然Shell煤气化工艺是目前世界上较为先处理煤量为1501/d的工厂，公司利用这座装置进行进的第二代煤气化工艺之一,但是这种工艺不是十全十美了一系列成功的试验，至1983年该装置停止运转为的。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止,累计运行了6 100h,其中包括超过1 000h的连续程实践经验，坦言Shell煤气化工艺存在的一些问题,并运转,顺利完成了工艺开发和过程优化的任务。提出Shell工艺的改进意见，可供业界同行参考。在汉堡中试装置成功运行的基础上,1987年,壳.牌公可在美国休斯顿附近的DeerPark石化中心建设She1l煤气化过程1-)是目前世界上较为先进的了一座规模较大的工厂，这座命名为SCGP 1的示范第二代煤气化工艺之一。按学术上的分类,Shell煤I进煤最为每天250t高硫煤或每天400t高湿度、商气化属气流床气化。煤粉、氧气及少量水蕉气在加压灰褐煤,共积累了15 000h的操作经验。SCGP 1试验条件下并流进入气化炉内,在极为短暂的时问内穴成了约18种原料,包括褐煤乃至石油焦。这些试验结果升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和充分证实壳牌煤气化技术在可靠性、原料灵活性、负化学过程，气化产物为以H2和cO为主的合成气,CO2荷可调性和环保方面都达到了极高水准，该示范装置的含量很少。运行成功。1988年，荷兰国家电力局决定由其下属的1 Shell 煤气化技术的发展历程Demkolec公司在荷兰南部的BuGGenun兴建--座发电自20世纪50年代起,壳牌公司就参与了气化技能力净输出为253MW 的煤气化联合循环发电J术的开发。当时,该公司开发了以油为原料的壳牌气(CCC)。Shell公司为装置提供专利技术及基础工程化技术(SGP),至今已有150 多套SGP设施得到技术设计，其煤气化装置设计能力为单炉日处理2000t转让。在积累油气化经验后,1972年开始在该公司的煤、气化压力为2. 8MPa。该电厂于1993 年底试车，阿姆斯特丹研究院(KSLA)进行煤气化技术研究。19761994年初开始为期3年的示范期,在此期间,该装置年，煤气化工艺(SCGP)已达到-定水平并建立一座处成功地完成了14个煤种的试验,并对商业化电站规模理煤量为6t/d的试验厂,利用该装置一共试验了30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99%以多个不同的煤种。中国煤化工调整。到2001年,气收稿日期:2005-08-15MHCNMH GShell公司开始向市作者简介:唐宏肯(1941- ),男,1965年毕业于北京大学,场推出冗牌保气化L乙。one1l 技术进展见表1。原兰州石化设计院副总工程师,教授级高工,现任全国化学由此可见,Shell煤气化技术的进程从中试开工程中心站技术委员会副主任,长期从事化学工程工.作。始,到可以商业化止,前后长达30年。这说明大型煤煤化工2005年第6期表1 Shell 技术进展年代规模(投煤量/d) .地点实效1972~ 19766t倚兰阿姆斯特丹30多个不同的煤种1978~ 1983150t德国汉堡累计运行了6 100h,连续运转超过1 000h250t高硫煤或1987美国休斯顿18种原料,运转15 000h400t商湿度、高灰褐煤1988~ 1993(建设)2 000t荷兰南部的BuGGenun14个煤种,碳的转化率可达99%以上,1994~ 1996 (示范)253MW (GCC)装置负荷可在40%~100%之间调整2001气化装置运转率在95%以上,达到商业化激冷气压缩机激冷气.煤、助溶剂过热蒸汽磨煤及干燥￥中乐蒸汽、返回气330'C160C煤进料中压蒸汽废|，锅炉给水化水热锅户一 一除干固体湿洗去净化。氧、蒸汽}下灰外运.炉渣或去磨煤图1 Shell 煤气化工艺流程简團气化技术的开发是艰巨的,为我国正在兴起的煤气化送来的冷煤气激冷至900°C，然后经输气管换热器、技术的开发提供了很好的启示。合成气冷却器回收热量后温度降至350C,再进入高温高压陶瓷过滤器除去合成气中99%的飞灰。出高温2 Shell 煤气化工艺及特点简介高压过滤器的气体分为2股,一股进人激冷气压缩机2.1、Shell 煤气化工艺流程压缩后作为激冷气,另一股进人文丘里洗涤器和洗涤典型的Shell煤气化工艺流程见图1。塔，经高压工艺水除去其中剩余的灰并将温度降至来自煤场的煤和石灰石通过称重给料机按一定150C后去气体净化装置。处理后的煤气含尘量小于比例混和后进人磨煤机混磨(按质量计,其中90%粒1mg/m,然后送后续工序。度<100um) ,并由热风作为动力带走煤中的水分,再在气化炉内产生的熔渣沿气化炉壁流入气化炉经过袋式过滤器过滤，干燥的煤粉进入煤粉仓中贮底部的渣池,遇水固化成玻璃状炉渣,然后通过收集存。器、渣锁斗,定时排放至渣脱水槽,再通过捞渣机捞出束自空分的氧气经氧压机加压并预热后与中压送至渣场,作为商品出售。过热蒸汽混合后导人喷嘴。在高温高压过滤器中收集的飞灰经飞灰气提塔出煤粉仓的煤粉通过锁斗装置，由氮气加压至气提并冷却至100C后进入飞厌贮罐，一部分飞灰返4.2MPa并以氮气作为动力送至喷嘴，与燕汽、氧气一起回中国煤化工伤。进入气化炉内燃烧，反应温度约为1 500C~1 600C,YHCNMHG由泵进行强制水循压力3. 5MPa。环,产生的5. 4MPa饱和蒸汽进人汽包,经汽水分离后出气化炉的气体先在气化炉顶部被激冷压缩机进人蒸汽总管,水循环使用。2005年12月唐宏青:Shell煤气化工艺的评述和改进意见2.2 Shell 煤气化工艺的特点炉，在废热锅炉内与脱氨水(4.0MPa, 40C)进行热交.2.2.1下煤粉 进料.换,冷却至300C左右。煤种适应性比较广,从无烟煤、烟煤、褐煤到石油2.2.7废热 锅炉焦均可气化,对煤的灰熔融性温度范围的要求比其他采用废锅法(水管式)回收高温煤气显热,要承受气化工艺较宽-些。对于较高灰分、较高水分、较高含高温高压和粉尘的冲刷,操作条件比较恶劣。由于温硫量的煤种也同样适应。但是,实际使用时.还是尽量差大,如何减少热应力给设备带来的损害也是必须考选择比较好的煤为宜。粉煤用密封料斗法升压(即间虑的问题。废热锅炉的金属外筒为受压容器,温度不断升压)，常压粉煤经变压仓升压进入工作仓(压力高(-350C)。内件由圆筒型水冷壁和若干层盘管型水仓).其压力略高于气化炉,粉煤用氮气或CO2夹带人冷璧组成,为消除水冷壁上的积灰,可设置若干数量炉(经喷嘴)。.的气动敵击除灰装置进行振动除灰。2.2.2气化 温度高2.2.8热效率高 ,煤中约83%的热能转化为合成气，气化温度约1 400C~1 600C ,压力3. 0\Pa,碳转约15%的热能被回收为高压或中压蒸汽,总的热效率化率高达99%以上,产品气体相对洁净,不含重烃,甲为98%左右。烷含量极低,煤气中有效气体(CO+H2)高达90%以上。2.2.9气化操作采用先进的控制 系统，其中包括高温气化不产生焦油、酚等凝聚物,不污染环境,ψ烷Shell公司专有的T艺计算机控制技术,为保护设备含量很少,煤气质量好。和操作人员安全,设有必要的DCS、ESD(紧急停车系2.2.3氧耗 低统)系统,使气化操作在最佳状态下进行。表2列出壳氧耗量与煤种有关,本工艺的氧耗比较低,吨煤牌煤气化工艺的主要性能参数。耗量约为600m2(神府煤),因而与之配套的空分装置表2壳牌煤气化工艺的主要 性能参数投资可减少。2.2.4 F煤粉 下喷式喷嘴,并有冷却保护名称主要性能参数Shell气化炉使用多个喷嘴,采用成双对称布置，气化上艺气流床、液态排渣喷嘴的空气动力学设计是经过研究计算后确定的。气适用煤种褐煤、次烟煤、烟煤、石油焦化炉喷嘴安放在气化炉下部,对列式布置,数量一般为气化压力/ MPa2. 0-4. 04个~6个。喷嘴冷却水系统是防止气化炉内高温对喷气化温度/C .1 400~1 600嘴造成过热损坏。软水经喷嘴冷却水泵分别打入喷嘴，气化剂纯氧出喷嘴的冷却水进人冷却器进行冷却后循环使用。进料方式干煤粉Shell公司专利气化喷嘴设计保证寿命为8000h,这是单炉最大投煤量/t.d12 00001 000m2合成气耗氧量/m'330-360--个重要验证。碳转化事/%-992.2.5 气化炉冷煤气效率/ %80-85 .Shell煤气化炉的单炉生产能力大,本工艺投人运合成气/%~90转的单炉气化压力3. 0MPa，H处理煤量已达1 000t ~2000t。该煤气化炉采用水冷壁结构,无耐火砖衬里，2.2.10出 废热锅炉的粗煤气进人干式除尘器,用高维护量少,运转周期长,无需备炉。该炉主要山内简和效飞灰过滤器除尘法回收飞灰,飞厌经收集并变压后外简两部分构成，外筒只承受静压而不承受高温,内返回常压煤仓(再气化),总的碳转化率较高(~99%),件形成气化空间、炉渣收集空间、气体输送空间。气化脱除的飞灰进人飞灰收集罐,出飞灰收集罐的飞灰返.炉内筒上.部为燃烧室，卜部为激冷室,煤粉及氧气在回气化炉循环使用。燃烧室反应,温度为1 600C左右。2.2.11气化炉高温排出的熔渣经激冷后成玻璃状2.2.6高温煤 气激冷和冷却颗粒,性质稳定,对环境影响比较小。气化污水中含氰气化形成的混合粗煤气气流夹带部分液涟化物中国煤化工零排放。(~10%),为避免液渣在凝固时粘璧,需用急冷法固化液渣,使炉温瞬间降至灰渣软化温度(ST)以下,在气*DHCN MHG题化炉上部经激冷冷却至900"C左右,使其中夹带的熔融态灰渣颗粒固化。粗煤气离开气化炉进入废热锅虽然Shell煤气化技术是日前国际上最先进的12 -煤化工2005年第6期煤气化技术之一,但是这种工艺不是十全十美的。不是很严重,但是对于化工来说,这个问题很严重。这3.1这种炉型 在国外虽然有成功经验，但那是用在个微粒带到变换催化剂中,会产生什么影响?如果能发电上的”。引进该技术应用于氢、氨、醇生产的过程够穿过变换催化剂,到低温甲醇洗中,又会产生什么中将面临着很多困难,认识上有很多不足。工艺流程影响?这些问题,只有在长时间的运行后,才能知道。和一些指标数据和优点是根据在发电流程上得到的,2um以下的微粒,总有一个出处,这个出处在哪里?并不完全适合于制氢、氨、醇生产。在与其他气化技术这可能就是现在要加湿洗的原因。既然加了湿洗,化比较时,比较的数据不是在同等条件下得到的,产生工上应用时,废热锅炉的优点又在哪里?失真8。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4气化后工艺内的功夫显然下得不够。何况在设备选型、流程配置、施工管理以及从试车到正常运行等方面,也都要有一为了比较深入地说明对Shell工艺的改进意见，个认识过程。需要对气化后工艺问题作一分析。3.2 煤气化的三大关键设备(即煤气化炉、输气导4.1 两种气化后工艺管、废热锅炉)的内件在国外制造,工期较长;喷嘴、煤“气化后工艺"是指气化炉出口的高温气体经过粉阀、渣阀、灰阀等完全依赖进口;其他大型设备,即回收热量、除尘和增湿,产生水煤气,满足下一个工序飞灰过滤器、高压氮气缓冲罐的运输和吊装比较困的需要。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3.3 Shell公司在设计上比较保守，在选材上很苛成。气体的热量被水的汽化吸收,灰渣混于水中,气相刻,要求进口的设备太多。装置控制的白动化程度很中包含有大量的水蒸气(50%左右),可以满足变换工高,采用串级、前馈、分程、比值及顺序控制和逻辑控艺的需婴。制,通过DCS、ESD、PLC实现生户过程的集中控制和管废锅流程可以由一级或多级废热锅炉、干洗和水理。有20多个停车联锁,一且操作中出现问题就联锁洗除尘组成。气体的热量产生高压和中压蒸汽,灰渣停车,因此对配套工程、操作、设备检修.设备性能的混于水中，气相中包含有少量的水蒸气(与操作压力有关,在3.0MPa下,合成气中含水蒸气14%) ,当用于3.4 为保持水冷壁管的水量均匀分布，有的水冷壁变换工艺时,要补充大量的水蒸气。管内径仅7mm ,对锅炉给水的水质要求高,同时对水在目前国内的运行的Texaco T.艺中，只有激冷汽系统配管、设备安装及试车的要求也高。流程一种，但这并不意味着Texaco工艺就是采用激.3.5国内相关设备的制造厂家都是第一次制作配套冷流程,如果需要,也可以采用废锅流程。设备,存在一个熟悉的过程，特别是三大件的外壳和同样地,在ShellT艺中,只有废锅流程一种,但.内件的组装技术要求高、难度大、制作周期延长。这并不意味着Shell 工艺就是采用废锅流程,如果需3.6 高压氮气和超高压氮气的用量过大，部分抵消要,也可以采用激冷流程。了其节能的优势。GSP工艺采用的是激冷流程,当然也可以采用废3.7煤质要求[9,101锅流程。研究表明,并不是所有的煤种都适于Shell 气化1.2 产品的需要决定气化后工艺法。要选用灰熔融性温度低、活性好、灰分含量较低的4.2.1 氢气和氨适于Shell气化的好煤种，能够确保长周期安全稳定实际上,Texaco工艺采用激冷流程,是由于产品运行、可操作性强。实际运行表明,灰分质量分数在品种的需要。目前国内煤制气的Texaco工艺,主要用8%~15%为最佳。同时,必须通过试烧,方能准确地进于合成氨。气化后的水煤气中的C0,要与水蒸气反应行工业装置的设计。这与一些报道不一样,应该引起全部转化为C02。 这就需要大量的水蒸气,通常是根据注意。史|中国煤 化工气气比(2.0左右)。激3.8 除尘问题曾湿的作用,使气化后有关Shell煤气化工艺中陶瓷除尘器的能力问气傅MCHCNMH Gs需要。因此,徽冷流题,目前是一个焦点问题。据称,陶瓷除尘器后,气体程是针对制氢和合成氨而言的。中的微粒不大于2μm。对于发电来说,这个问题影响4.2.2甲 醇.2005年12月唐宏青:Shell煤气化工艺的评述和改进意见-13甲醇合成需要H/CO在2.0左右,澈冷流程也比炉是必不可少的。较合适。如果采用废锅流程，虽然可以回收一部分热显然，不能把Texaco工艺、GSP 工艺与激冷流程量,但废锅出口的水蒸气含量比较低,气体温度较低,捆绑在一起,也不能把Shell工艺和废锅流程捆绑在经水洗的增湿作用有限。因此,仍然要补充- -部分水蒸一起。三个煤气化头和两个气化后工艺各是各的,应气到水煤气中,这不仅工艺上比较麻烦,能量利用反而该根据产品的品种,来决定配置何者。不合理。由此可见,废锅流程对甲醉并不十分合理。这个问题说明，在进行Texaco Shell和GSP工4.2.3费托合成艺比较时,应该针对同一种产品,将气化后工艺设置合成油工艺中,进入合成反应器时并不需要水蒸相同。不要把Texaco工艺和GSP工艺与激冷流程捆气，用铁催化剂时需要的H/C0在0.7~1.0之间,废绑在一起，把Shell工艺和废锅流程捆绑在一起,然锅流程比较合适，激冷流程就差一些。GSP 或Shell后进行三者投资的比较。但是现在有些“可行性研究”炉出口的CO含量虽然偏高，只要将少量的气体进行文件不是这样作的,而是采取不同流程捆绑在一-起的CO变换就可以了。用钴催化剂时需要的H/CO在2.0评价,这就把事情复杂化了,难以得到合理的结论。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。5Shell工艺在中国建设的回顾4.2.4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,不尽管我们从原理.上认识到不能把Shell工艺和需要大量的水蒸气,主要是发热量。废锅回收的热量废锅流程捆绑在一起,但实际上由于Shell废锅流程产生水蒸气,推动蒸汽透平发电,而气化炉产生的合工艺在现有的生产经验上,只是用于联合发电,没有成气推动燃汽透平发电,因此,废锅流程适合于联合大规模的化工上制氢气、氨和甲醇的经验，没有发电(IGCC)。Shell工艺及其废锅流程在国外主要用Shell炉加傲冷流程的成熟经验。于联合发电,原因就在于此。如前所说,Shell工艺和废锅流程捆绑在一起后4.3 评价并不适合制氢气、氨和甲醇,但是所有的这12套13废热锅炉的投资很大,制造工艺复杂。没有理由台引进的Shell工艺中，都是用于制氢气、氨和甲醇可以证明,用于合成氨、制氢、甲醇的工艺中,废热锅的,详见表3。表3中国在建的SCGP装置最终产品煤处理量气化炉+开车日期项目原料类型/t.d1废锅/台(预测)湖北应城合成氨1000高灰低硫当地烟煤2005年广西柳州1 100高灰、中硫当地烟煤湖南岳阳合成氨Hh2 000高灰、高硫当地烟煤湖北枝江合成氨、甲醇云南昆明2 700高灰高碗当地混合煤2006年辽宁大连甲醇1200高灰、低硫当地烟煤云南沾益商灰、高硫当地混合煤安徽安庆合成氨、Hg低灰、低硫当地烟煤内蒙神华H24 4002007年河南永城2 200河南新乡河南义马1 000商灰、低硫当地烟煤2008年从表3中明显地可看出一个事实:国内已经签约中国煤化工程公司,他们会不引进的12套13台Shell炉工艺中，毫无例外地把明白，MYHCNMHG引进Shell工艺用Shell工艺和废锅流程捆绑在一起，即现在的Shell于制氢气、氨和甲醇时,难道Shell公司不应该告诉工艺,这是一个多么令人难以理解的“误会”!国内业主应该采用激冷流程,而要强行推行每个装置煤化工2005年第6期的投资要1个亿以上的废锅流程?这个作法太商业化(2)采用干煤粉“由上而下”的上喷式气化炉,这.了就雷同于GSP和Texaco工艺，保持Shell 多喷嘴的国内油改煤的化肥企业经过多年的努力,还没有特色。开起车来，有的企业和文献声称的最早开车时间是这两种方式究竞采用哪种，业主可以作出判断。2003年底,后来几次推迟开车时间,现在已经是一年上述改进后，与其相应的后续工艺也要变更,气多时间过去了,但估计还没有推到尽头。国内的业主化后高温气体的激冷工艺、灰渣处理工艺都是成熟已经看到,Shell工艺加废锅流程的设备制造困难，的。省去废热锅炉和干式除尘器的高额投资,其效果周期长,推迟了投人生产的时间,这个损失是十分严是明显的。“由.上而下”的上喷式气化炉还可以省去循重的。在回顾这段历程的同时,业主已经明白;不能什环压缩机,可谓一举多得。么都听国外厂商的,组织企业自己的队伍来搞清化工参考文献:工艺原理是多么重要!Shell工艺在中国的开车问题牵动着国内的煤[1]任照彬. Shell粉煤加压气化与新型水煤浆气化技术化工业主和化学工程工作者的心,人们都希望一举成改造我国大、中型氨厂的技术评价[J].中氨肥, 2002 ,功,因为这是成熟工艺，但这是大家的希望和理想。回(2):8-10.忆渭河化肥厂开车Texaco工艺的经历，即使在成功[2]郑振安. Shell煤气化技术(SCGP)的特点[J]. 煤化的技术下,也要企业全体员工付出极大努力后才成功工, 2003 ,31 (2) :7-11.的。现在,这个历史时刻又摆在大家面前,许多人的担[3]彭爱华。Shell煤气化技术在合成氨生产中的应用[J].心不是没有道理的。尤其是在没有取得成功经验之化肥工业，2004, 31 (4) :45-48.[4]潘汉泽. Shell煤气化气体净化工艺的选择[J].中氮前,一下子引进12套,更加会让人担心。肥,2003, (3):1-4.6 Shell工艺的改进意见[5]郑振安.对应用壳牌煤气化工艺的工厂配置和设计的建议[J].化肥设计, 2004, 24(4):3-6.针对已经施工和即将生产的Shell 工艺中存在.[6]汪寿建.壳牌煤气化关键设备设计探讨[J].大氮肥,的问题,上述12个业主完全有可能根据实际经验,将2003 , 26(5) :304- 306.开车后的具体意见提出,并进行改进。本文在这里提出的意见是:Shell正在和将要为[7]郑振安.壳牌煤气化工艺在荷兰德姆科列克IGCC工厂的应用[J].化肥设计,2002 ,40(5) :5-7.中国设计的制氢气、氨和甲醇化工装置,将废锅流程[8]唐宏青.水煤浆气化和粉煤气化的模拟评价[J].大氮.改为激冷流程,这样就可以明显降低投资、加快建设肥,2001 ,2(4) :385-388.周期、提高开车速度、降低运行成本。具体作法有两种:[9]吴枫,阎承信.关于Shell气化法原料用煤的探讨(1)维持干煤粉“由下面上”的下喷式气化炉,气[J].大氮肥,2002 ,25 (5) :313-317.化出口仍在气化炉的上部，仍然有返回的激冷气体，[10]郑振安.煤种特性对壳牌煤气化装置设计和操作的这对于激冷流程中的文丘里洗涤和激冷洗涤塔有一影响[J].化肥设计,2003 ,41 (6):15-19.个明显的位差,连接它们的不再是废热锅炉,而是一[11] 唐宏青. GSP工艺技术概述[J].中氮肥,2005,(2):根高压管道。14-18.The Evaluation of Shell Coal Gasification Process and Its Ways of ImprovementTang Hongqing(Sinopec Ningbo Engineering Co., Lanzhou 730060)Abstract The development course of Shell coal gasification process and the characteristics of key equipment wereintroduced. The circumstances of the domestic plants licensing Shell中国煤化工problems conceningShell process were pointed out frankly and opinions for improvement:neat boiler process in-CNMHGto the chilling process for H2，methanol and ammonia production Urnio m JI wan u Huuw urSrease the investment,shorten the construction period, increase the operation speed and decrease the operation cost.Key words Shell, coal gasification, process, waste heat boiler process, cooling process