Shell煤气化技术及其在我国的应用

第33卷化肥工业第6期Shell煤气化技术及其在我国的应用汪家铭(川化集团有限责任公司成都 610301)摘要Shell谋气化技术历经30多年的发展,巳成为当今世界上先进的洁净煤气化技术之一。介绍了Sbell煤气化技术的发展历程技术特点、目前国内应用中存在的一些问题以及国内引进装置的建设和投产情况。关键词Shell 煤气化技术应用Shell Coal Gasification Technology and its Use in ChinaWang JjamingAbstract The Shell coal gasification technology has experienced over 30 years of developmentand become one of the advanced clean coal gasification processes in the world at present. A descriptionis given of the course of development of the Shell technology, its technical features, some problems inits use at home curently and the construction and onstream situation of the units imported.Keywords Shell coal gasifcation technology use煤气化技术是一-种最洁净的煤炭综合利用技近年来Shell公司极力开拓中国市场,从术,能够避免煤炭直接燃烧产生的污染。该技术2001年6月在国内签订第-一个技术转让协议起，是将煤炭转化为含有H2和CO的粗合成气,然后5年多来已有15家企业陆续与之签订了技术转作为工业原料再加工成各种化工产品。让协议。到目前为止，已有1套SCGP装置顺利从煤气化技术发展进程来看,早期的煤气化建成投产,并取得了良好的经济效益。本文简要技术都是使用块煤和小煤粒作为气化原料制取合介绍SCGP的发展历程、技术特点、在国内应用中成气,称为第-代煤气化技术。进人20世纪80存在的一些问题及目前技术转让项目的进展概年代后,随着洁净煤气化工艺的开发和研究,采用况。先进的气流床反应器,以水煤浆或千粉煤为原料，大规模、单系列、加压气化实现了工业化应用,称SCGP发展历程为第二代煤气化技术。Shell公司的石化燃料气化可以追溯到20世Shell 煤气化技术( SCGP)是目前世界上较为纪50年代,当时开发了以渣油为原料的Shell 气先进的,属于气流床气化的第二代煤气化技术,其化工艺(SGP) ,20世纪70年代初期又在渣油气工艺过程为粉煤、氧气及少量水蒸气在加压条件化的基础上开发了Shell粉煤气化技术。Shell 粉下并流进入气化炉内,在极为短暫的时间内完成煤气化技术从1972年开始进行中试，前后经历了升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等-系列物30多年的技术开发历程(表1)。理和化学过程,气化产物是以H2和CO为主的合成气,CO2含量很少,典型的SCGP煤气成分为CO2 SCGP 的技术特点65% H2 30%、N2 +Ar3. 1%、CO2 1. 6%、H,S +(1)煤种适应性广。Shell 气化炉可以采用C0S0.3%、CH,微量。无烟煤、烟煤、褐煤石油焦等原料,对煤的灰熔点本文作者的联系方式:ijming56@ sohu. com第33卷化肥工业第6期表1 Shell 煤气化技术(SCCP)的发展历程时间日投煤量t/t装置建设地点运行情况19766Shell阿姆斯特丹研究中心试验了30多个不同煤种,试用多种设备材料及气体处理工艺1978 .150Shell德国哈尔堡炼油厂运行了6 100 h,进行操作程序的优化工作运行15 000 h,进行了18种高硫、高灰分、高水分的原料煤的试1987220-330美国休斯顿 Shell石油公司迪尔帕克厂1988 -19931998年实现商业化运行,成功地气化了12个煤种,气化压力装置建设2000荷兰发电局德姆克勒公司联合循环发2.8 MPa,碳转化率>99% ,气化装负荷40% - 100% ,运转率1997 - 1998电厂95%以上示花运行2006年5月17日生产出合格合成氨用原料气,成为世界上首2006900中国湖北双环化工集团有限公司套用于合成氨生产的Shell煤气化装t范围比其它气化技术更宽,对于较高水分、灰分和计设备制造、工艺流程和试车投产的情况来看，含硫量的煤种也同样适应。以下几个方面值得关注。(2)单系列能力大。目前已投入生产运行的(1)适用范围单台气化炉内径4 600 mm,气化压力4.0 MPa,日SCCP生产的合成气,在国外主要用于发电，投煤量达2 000 t以上,更大规模日投煤量2 500t作为生产合成氨、甲醇的原料还没有使用的先例，以上的气化装置也正在实现工业化。其工艺流程和一些操作数据都是根据发电流程得(3)气化温度高。气化温度为1 450~1 600到的,并不完全适合于氢、氨、醇的生产。目前国C ,碳转化率可达99%左右,气体产品洁净,煤气内SCGP的引进主要是用于制合成氨和甲醇的原中有效成分可达90%以上,冷煤气效率达80% ~料气,由于没有成熟的经验可供借鉴,在设备制85%,其余15%热能被回收副产中压或高压蒸造、流程配置、施工管理投料试车到操作运行等汽,总热效率在98%左右。方面,都要有一个逐步消化吸收和认识掌握的过(4)氧耗量低。气化氧耗量比水煤浆气化工程。此外,装置的高压氮气和超高压氮气的用量艺低15% ~ 20% ,吨煤气化氧耗量约为600 m'都很大,这在-定程度上部分抵消了其节能的优(神府煤) ,因而与之配套的空分装置可相应减少势。投资费用。(2)设备制造(5)运转周期长。气化炉壁冷却采用水冷膜Shell煤气化装置的气化炉、输气导管、废热壁结构型式，并采用挂渣措施保护气化炉壁,无耐锅炉三大关键设备的内件都是在国外制造,工期火砖衬里;喷嘴设计使用寿命为8 000 h,维护工较长;喷嘴煤粉阀、排渣阀、灰阀等设备制造困作量小;气化炉内无转动部件运转安全可靠。难、要求精度高,完全依赖进口;飞灰过滤器、高压(6)环境效益好。SCGP从煤粉制备到产生氮气缓冲罐等大型设备的运输、现场加工和安装洁净合成气的整个生产过程中,对污染物都实行都比较困难;与之配套的磨煤机、激冷气压缩机、了全过程控制,高温气化物不产生焦油、酚等凝聚强制循环泵在国内都是第一-次制造,缺少制作经物,高温排出的熔渣经激冷后成性质稳定的玻璃验;由国内制造的气化炉外壳、废热锅炉外壳等与状颗粒,可作为商品出售;气化污水中含氰化物内件的现场组装技术精度要求高、难度大,制造成少,易于处理;利用高效飞灰过滤器除尘回收飞本也较高。灰,并可返回气化炉循环使用。(3)煤质要求从理论上来说，SCGP的煤种适应性广泛,但3存在的问题研究表明,并不是所有的煤种都适用于SCGP。为虽然SCGP是目前世界上最先进的煤气化技了确保煤气化装置的长周期稳定运行，要选用灰术之一,但由于其生产链长、工程量大,在装置设熔点低、活性好、灰分含量低的煤种,对于灰熔点第33卷化肥工业第6期较高的煤种需加人助燃剂以改变熔渣的性能,通备数量较多,特别是气化炉和废热锅炉的投资很常煤的灰分质量分数在8% ~ 15%为最佳。在实大,制造工艺复杂。目前国内引进的10余套际运行中,必须根据用户提供的煤种经过试烧,才SCCP装置无- -例外地选用了气化炉+废热锅炉能准确地进行工业化生产装置的设计。的流程,由此每套装置的投资费用至少增加1亿(4)操作控制元以上。是否一定要采用这种流程配套,还值得Shell煤气化装置的组态技术复杂、自动化控商榷。对于同样规模的煤气化装置，SCGP的投制程度高,其中包括Shell专有的工艺计算机控制资比Texaco和GSP都要高。技术,采用串级、前馈分程、比值的顺序控制和逻(7)建设周期辑控制,通过DCS、ESD、PLC实现生产过程的集国内第- -套引进SCGP的是湖北双环公司，中控制和管理,使气化装置在最佳的操作状态下于2001年6月签订技术转让协议,开始工艺包设运行。全套装置共有20多个开停车联锁, -旦操计和基础工程设计,2002年7月进行详细工程设作中出现问题就会立即联锁停车以保护装置的安计,2005年初项目建成,2006年5月投料试车成全,因此对配套工程、设备维护的要求就相当严功，前后历时近5年。用于合成氨生产的柳化公格。司和中石化湖北分公司原计划开车的时间一再推(5)除尘能力迟,可望在近期投产,但也都是2001年开始实施按SCCP装置的设计，经高温多室式陶瓷除项目的，至今也有5年多的时间了。其它项目均尘器后的气体中的微粒不大于2.0 μm,这对于发是在2003 -2004年间签订技术转让协议的,投产电装置来说并不存在较为严重的影响。但生产合日期至少还得1 ~2年。因此,引进项目的建设周成氨和甲醇的合成气中若带有这种微粒，就可能期长,相应投资回收期也长。进入变换催化剂中,或者经过变换催化剂后进入低温甲醇洗系统中。目前的设计是在陶瓷除尘器4应用概况后增设湿法洗涤塔,具体应用效果需在长期生产SCCP生产的合成气用途广泛,既可用作生运行过程中才能得到检验。产化工产品的原料,又可以用于制取运输燃油、城(6)投资费用市煤气、合成天然气及发电。目前国内已经签约日投煤量为2 000 t的Shell煤气化装置总投引进的15套SCGP装置建设及投产情况如表2资为10 ~20亿元,且选材很苛刻,要求进口的设所示。表2国内引进的 SCCP装建设及投产情况企业名称日投煤量/产品名称签约日期计划开车时间湖北双环化工集团有限公司900合成氨2001 -062006-05中石化岳阳亮牌煤气化有限公司2 0002001 -112006广西柳州化工股份有限公司I 30020012006-09中石化湖北化肥分公司2000中石化安庆分公司2003云天化集团天安有限公司2 8002007云南沾化有限责任公司2 900合成氨.200大化集团有限责任公司1 100甲醇2004 -02永城煤电(集团)有限责任公司河南中原大化有限公司河南开祥化工有限公司2004-02河南新乡中新化工集团有限公司1000中国神华内蒙古煤制油有限公司2x2 000制氢2004 -04天津渤海化工集团天津碱厂合成氨、甲醇、丁辛醇2006 -032009中国神华宁夏煤业集团4x2 0002006 -0720123第33卷化肥工业第6期4.1合成氨19日签订Shell煤气化工艺技术转让合同, 2003(1)湖北双环年10月28日动工兴建。因投产日期数次推迟,国内引进SCGP用于合成氨生产的装置有7目前上述2个项目仍未能建成投产。套,其中最先签约的是湖北双环。2001年6月经其它引进SCCP用于合成氨生产的中石化安原国家经贸委批准立项,该装置的煤气化部分由庆分公司云天化集团天安公司云南沾化公司均Shell公司提供基础设计包，五环公司进行详细工是在2003年签订技术转让协议的,其中云南的2程设计,配套公用工程由双环公司设计院设计。个项目已于2003年11月动工兴建,估计最早也经过5年多的基础设计、设备制造、配套安装,要在2007年才能建成投产。2006年5月17日投料试车成功,当天生产出合4.2甲醇格的合成氨原料气,成为国内采用SCGP生产合用于制取甲醇的SCGP签约都是在2004年。成氨的第-套装置,也是世界上首套用于生产合河南永城煤电公司于2004年2月与Shell就500成氨的SCGP装置。kt/a甲醇工程煤气化技术转让正式达成协议。永该项目是湖北双环实施的“油改煤”工程,先煤集团作为国内新兴的优质无烟煤生产基地,采后累计投资7.19亿元。该公司原200 kVa合成用SCGP生产500kVa甲醇项目将成为国内单系氨装置采用的原料是价格昂贵的重油,在该装置列最大的甲醇生产装置,也是世界上第-套用于建成后,取代重油的是价格便宜的河南粉煤。以生产甲醇的SCGP装置。前每生产1t合成氨需0.84t重油,油价为3200中原大化煤化工项目总投资50亿元,采用元/t,现在吨氨耗1. 45 t粉煤,煤价基本稳定在SCGP生产甲醇,已于2005年1月18日开工建470元/t左右,仅此- -项每天可降低生产成本109设,2010年建成后将达到500 kt/a甲醇、100 kt/a万元。据初步测算,装置正常运行后，每年可节约二甲醚.50 kV/a聚甲醛的生产能力。整个工程分生产成本2亿元。目前该装置的生产负荷已逐步三期建设,其中一期工程计划投资16.4亿元,预提高至110% ,各项工艺指标运行正常,合成气和计在2007年建成投产。有效气产量均达到设计值,原有的重油气化装置4.3制氢已全部停车。直接液化的煤制油工艺是煤炭在高温、高压(2)广西柳化条件下,催化加氢直接液化成液态烃类化合物,煤广西柳州化工股份有限公司于2001年10月气化的制氢装置是用于提供煤制油所需的氢气。与Shell公司正式签订技术转让协议,2004年42004年4月12日,Shell公司正式向中国最大的月工程开始全面启动。目前该项目已基本建成，煤炭企业神华集团转让SCGP技术,在内蒙古建即将进入投料开车的关键阶段。设一家日投煤量为4 000 t煤气化厂,年生产油品该项目建成投产及配套的变换和冷冻项目完1 000 kt,预计在2007年建成投产，将成为国内第成后,柳化的合成氨生产能力将达到300 kVa,吨-套采用SCGP煤炭直接液化制油的生产装置。氨煤耗从1.68t下降至1.33 t,由此合成氨成本2006年7月11日,Shell公司与神华宁夏煤下降幅度约38% ,尿素成本下降34% ,硝酸成本业集团公司签订了联合研究协议，除采用Shell煤下降26%。同时由于采用蒸汽透平代替电力驱炭间接液化核心技术外,双方还决定在宁夏宁东动压缩机,使吨氨电耗从1 300kW .h降至150煤炭基地投资60亿美元共同开发煤炭间接液化kw. h。按合成氨产量粗略计算，吨氨成本为项目,将共建1座日产汽油、柴油等油品及化工原900元左右,每年可降低生产成本约3亿元。料7万桶的煤炭间接液化工厂, 年处理煤炭3200(3)其它装置kt,预计在2012年投入运行。中石化岳阳公司于2001年11月正式签订Shell煤气化合资项目协议,2002年10月8日开5结语始工程建设。中石化湖北化肥分公司于2001年(1) SCGP对于国内化工企业,特别是化肥6月与Shell公司签订技术转让协议,2003年8月企业优化原料路线实现制氨原料的多元化、降低第33卷化肥工业第6期生产成本提高原料利用率建设资源节约型和环对引进技术的不断探索、认识、掌握和提高的过境友好型企业,提供了一种先进适用的现代洁净程。煤气化技术。(3)近年来SCGP在国内的引进并投产成(2)国内已投产的或在建的制合成氨、制甲功,使我国煤制气技术有了较大的发展,已显示出醇、制氢的SCGP装置都是投人工业化运行的世极大的推广应用价值和良好的产业化前景,有利界第-套装置,由于没有国外成功的经验可供借于推动我国煤制气产业的全面技术进步。鉴,因此装置的设计、建设、开车和运行就是一个(收稿日期2006 -08 -21)能量转换器在合成氨装置中的应用多种类型:按其结构内采用的转子轴承不同，可分弛放气中氨的回收工艺简介为气轴承透平膨胀机和油轴承透平膨胀机等;按目前国内氮肥企业对合成氨驰放气中氨的回其采用的工作介质种类不同,可分为液(如水等收- -般仍采用水洗法。该工艺虽然能回收弛放气多种液体)透平膨胀机、气(氢气、氮气、烟气、化中的氨,但却存在诸多无法克服的不足之处:(1)工混合尾气、空气)透平膨胀机等;按其采用的工需耗费大量洗氨用软水;(2)浪费了大量的蒸汽;作介质压力不同，可分为中压和低压透平膨胀机(3)生产过程中有大量稀氨水无法处理,不符合等。环保要求;(4)回收的氨的附加值低。合成氨系统弛放气的压力为1.2-1.6 MPa近年来国内已研发成功深冷法来回收弛放气(有的企业为2.0 ~2.2 MPa) ,通过能量转换器，中的氨。深冷法是利用弛放气内各组分的气液相弛放气在通流部分膨胀获得动能并通过风机、轴变点温度不同,采用深冷技术，使合成氨弛放气温输出外功,从而消耗了本身的内能,获得了最大绝度快速下降至-70~ -60 C ,从而使其中的气态热焓降,得到了所需要的低温,使氨分子液化,从氨相变成液态,并分离回收。该工艺可一次性使而达到组分分离的目的。弛放气中的氨下降至2%左右,提氨后的弛放气在深冷法氨回收装置中,除了快速能量转换经换热器逐段回收冷量后送至造气吹风气锅炉内器具有高速转动部件外,其余设备都属于无转动燃烧,其核心设备为能量转换器。部件的静止设备,只要工艺流程布局合理、设计符由于深冷法在不消耗任何外来能量(故又称合要求,都可以获得比较理想的运行效果。为无动力氨回收新装置)的情况下回收弛放气中由于无动力能量转换器精度要求高,其设计、的氨并返回系统内生产尿素,不仅降低了企业的制造安装、调试等质量对整个装置的安全性、可能耗,而且提高了回收氨的附加值,因此一般情况靠性、运行周期及企业效益有着直接影响,一旦出下3~6个月就能回收全部投资。故障,整个装置将无法运行。特别是化肥企业的2能量转换器简介生产介质易燃易爆,因此在材料、密封上都必须要快速能量转换器又称为透平膨胀机,它是深安全可靠、无泄漏。- -般要求能量转换器的连续冷法氨回收工艺中唯- -制造冷 源的高精度设备。运转时间不低于装置的连续运转时间，这就要求该快速能量转换器无须外供能源就能将具有一定设计合理、材料刚性好、轴承止推力强，只有这样压力的工作介质快速膨胀降压，使工作介质的压才能保证转子和轴承在高速旋转下的工作稳定力能转换成动能,再通过自身的耗能部件吸收工性。作介质的内能,从而使工作介质快速深度降温,混3结语合气中的不同组分就可在不同温度段内被液化分采用快速能量转换器来回收合成氨弛放气中离。氨的深冷法和相应的无动力装置具有其独特的优能量转换器主要由制冷部件(或称通流部点,已在不少化肥企业得到应用,经过一-段时期的件)、自身耗能部件(或称负载通流部件)和主体运行,证明应用是成功的,取得了满意的效果。部件组成。按其自身结构、所采用的介质种类、工(苏州申华低温成套设备有限公司作介质压力透平通流部分处理量的不同可分成215101沈铭钧)