殼牌(SHELL)氣化爐在環保中的應用及存在的問題

劉鑫 郭明波

(河南煤業化工集團中原大化集團公司,河南濮陽 457004)

殼牌(SHELL)氣化爐在環保中的應用及存在的問題

(河南煤業化工集團中原大化集團公司,河南濮陽 457004)

殼牌(Shell)干煤粉氣化工藝是殼牌(Shell)公司開發的煤粉氣化工藝,具有鮮明的技術特色,也是當前先進的第二代煤氣化工藝,工藝相對成熟,已廣泛運用于發電、合成氨等行業。殼牌(SHELL)氣化爐的問世,無疑對改善我國環境條件將起到十分重要的作用。但由于在干粉氣化工藝設計和運行方面經驗不足,現有殼牌(SHELL)氣化爐均不同程序地存在一些問題。

殼牌(SHELL)氣化爐;干粉氣化工藝;環保

1 殼牌(SHELL)氣化爐燃燒原理

殼牌煤氣化工藝Shell Coal Gasification Process (SCGP)屬于當前先進的第二代煤氣化工藝,具有碳轉化率高,對原煤要求低適用與絕大部分煤種。具體燃燒原理如下:

來自粉煤給料倉的粉煤,用高壓氮氣或二氧化碳送至煤氣化燒嘴。同時,來自空分的加壓氧氣經預熱后也進入氣化燒嘴。

SCGP工藝采用了有多個燃燒器的水冷卻膜壁的氣化,可以用下列總反應說明SCGP中的簡化后的煤(和焦炭)氣化反應:

其中,CH是煤的簡化分子式。

這個簡化方程式可以認為是通過二步法實現的,其中第一步的放熱反應釋放的能量用于推動第二步的吸熱反應:

(1)燃料+O2?CO?2+H?2O+能量

(2)燃料+CO2+H2O+能量?CO+H2

然而為了真正的理解氣化過程,應當知道更為基本的氣化方程。為簡便起見,在這些方程中把煤表示為純碳,習慣上負的反應熱將表示生成熱量。對煤而言可以區分出下列幾個氣化反應:

這些反應說明,含碳燃料事實上以三種方式進行氣化,即:(1)部分氧化反應,(2)和水蒸汽的吸熱轉化反應和(3)加氫氣化反應。

實際上部分氧化反應必須分為二步:

這分開的二步表明氣化反應進行時需要的能量是內部產生的。而且它表明,第二步反應應當是平衡反應。

氣化爐為立式壓力容器,爐內為水冷壁組成的氣化室,煤氣化燒嘴位于氣化室中下部,燒嘴二個一組對稱布置。由煤氣化燒嘴噴入的煤粉、氧及蒸汽的混合物在1 500℃高溫下,瞬間完成煤的氣化反應,生成(CO+H2)含量很高且夾帶飛灰的粗煤氣,由下向上從氣化爐頂排出。為防止飛灰粘結在后續設備,在氣化爐反應段出口處均勻噴入循環返回的200℃低溫激冷氣,將其激冷至900℃,使飛灰固化,再進入合成氣冷卻器回收熱量,合成氣溫度降至350℃左右進入后續設備。

2 殼牌(SHELL)氣化爐的特點

殼牌(Shell)干煤粉氣化工藝是殼牌(Shell)公司開發的煤粉氣化工藝,具有鮮明的技術特色,也是當前先進的第二代煤氣化工藝,工藝相對成熟,已廣泛運用于發電、合成氨等行業。殼牌粉煤氣化工藝具有如下特點:

2.1 采用干煤粉作氣化原料,煤粉用惰氣輸送,操作十分安全

對煤種的適應性比較廣泛,從較差的褐煤、次煙煤、煙煤到石油焦均可使用;對煤的灰熔點適應范圍比其它氣化工藝更寬,即使是高灰分、高水分、高硫的煤種也能使用。

2.2 氣化溫度高

氣化溫度一般穩定的維持在1 400～1 600℃,碳轉化率高達99%,合成氣質量好。煤氣中甲烷含量極少,不含重烴,CO+H2達到90%。由于氣體中有效組分高,煤氣總量有所減少,因而氣化消耗煤量也可降低。

2.3 氧耗低

采用干煤粉進料與水煤漿氣化相比不需在爐內蒸發水分,氧氣用量因而可減少15%～25%,從而降低了成本。配套空分裝置規模相對減小,投資也可相應降低。

2.4 膜式水冷壁結構

氣化爐采用水冷壁結構,無耐火磚襯里。水冷壁設計壽命按25a考慮。正常生產維護量很小,運行周期長,也無需設置備用爐。商業化運行單臺爐日處理煤量已達2 000t,目前,正在設計更大規模的裝置。

2.5 合理的燒嘴設置可有效的延緩燒嘴壽命

每臺氣化爐設有4個燒嘴,故對生產負荷調節比Texaco單個燒嘴更為靈活,范圍也更寬。Shell燒嘴保證壽命為8 000h,目前運行已超過16 000h。燒嘴的使用壽命長,也是氣化裝置能長期運行的一個重要保證。

2.6 熱效率高

Shell煤氣化的冷煤氣效率達到78%～83%,其余～15%副產高壓或中壓蒸汽,總的原料煤的熱效率達98%,處于很高水平。

2.7 對環境影響小

氣化過程無廢氣排放。系統排出的融渣和飛灰含碳低,可作為水泥等建筑材料,堆放時也無污染物滲出。氣化污水不含焦油、酚等,容易處理,需要時可作到零排放。

3 殼牌(SHELL)氣化爐在環保中的應用

世界經濟和工業生產的高速發展,也給人類賴以生存的大氣環境帶來了破壞作用。當人類生活和生產活動所排放的污染物超過了環境本身的自然降解能力時,災難性的大氣污染、酸雨、溫室效應和臭氧層的破壞等問題,就變的越來越嚴重。這些環境問題主要是燃燒礦物燃料造成的。礦物燃料所產生的污染物,主要有三大類:一是氣體污染;而是粉塵及礦物質雜志污染;三是廢水污染。而我國是產煤大國,一次能源消費中76%以上是煤炭;而在煤炭的利用中,約84%是直接用于燃燒獲取熱能,其中燃煤大戶是火力發電廠。從火力發電廠的生產過程來講,污染物的排放主要是粉塵污染物和氣體污染物;其中最主要的是危害最大的SO2CO2和NOx。

排放到大氣中的SO2和NOx將導致嚴重的環境問題,除了其本身的強刺激性外,他們與空氣中的水蒸氣相遇時,還會變成硫酸和硝酸,硫酸和硝酸隨著雨水降落就形成了酸雨。酸雨會以不同方式危害自然界的陸生生態系統及水生生態系統。我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國,由于國內僅有極少數燃煤電廠與工業鍋爐用戶對燃用煤進行了脫硫處理,導致SO2等污染物的排放量逐年增長,并使我國成為了世界頭號SO2排放大國。目前,我國降雨pH值小于5.6的酸雨區面積已達40%,每年酸雨造成的損失與超過百億元。

CO2作為主要的溫室氣體是地球臭氧層被破壞以及全球變暖的頭號殺手,其不能燃燒以及不穩定的水溶性等特性導致其很難被處理,但是由于我國工業的日益發展以及煤炭燃燒在獲取能量方式中占據著近80%的重大份額,導致CO2的排放量日益增加。

在嚴峻的形式面前,對SO2、CO2和NOx等有害氣體的的處理已刻不容緩。

而殼牌(SHELL)氣化爐作為一種新型燃燒技術,其在燃燒過程中能有效的控制SO2、CO2和NOx的生成和排放,是一種相對清潔的燃燒方式。

3.1 在減少NOx污染方面

NOx是氣化爐燃燒生成的氮氧化物NO和NO2的統稱。在爐內燃燒的過程中,生成氮氧化物的機理可分為熱力型NOx和燃料型NOx兩類。熱力型NOx是指送入爐內燃燒用空氣中的熱力型N2,在高溫條件下氧化生成的氮氧化物,如下所示:

2N+O2→2NO

熱力型NOx的生成與爐膛溫度關系極大,當爐膛溫度大于1 100℃時,熱力型NOx才有較快的反應速度。殼牌(SHELL)氣化爐(爐膛燃燒溫度1 400℃～1 600℃)雖然具有較高的爐膛溫度,但是由于有激冷氣循環系統的存在,使得200℃的低溫氣返回至爐膛,從而使爐膛內的平均燃燒溫度通常控制在800℃～900℃的范圍內,低的燃燒溫度使燃燒過程中由于高溫氧化所產生的熱力型NOx大幅度降低。

3.2 在減少SO2污染方面

煤中的S在氣化反應中都轉化為SO2、H2S等形式加入到合成氣中。如下所示:

以上反應在1 400℃～1 600℃的爐膛中基本完全反應,反映產生的SO2、H2S隨合成氣進入合成氣冷卻器冷卻到300℃左右后,進入濕洗工段,含S的合成氣在濕洗塔中經3層填料床被水與20%左右的NaOH的混合液反洗。在此間含SO2、H2S的酸性溶液與NaOH發生中和反應,最終以鹽的形式脫除了合成氣中的S,同時氣化反應產生的其他酸性氣體如HCN、NH3和甲酸,以及煤中存在的大多數Cl、F和Se所轉化成的酸都在濕洗工段中以同樣的方式被脫除。

3.3 在減少CO2污染方面

粉煤在爐膛中發生了部分完全反應

使CO2和CO共存于合成氣中。而且煤粉的輸送用CO2作為載氣,使得合成氣中CO2有一定的含量,而為了環保并使更多的有害氣CO2變為有效氣CO,在工藝允許的前提下盡量提升爐膛溫度使反應C +CO2?2CO盡量向正向移動。同時合成氣中未能加以轉化的CO2在后續低溫甲醇洗工段加以吸收并經壓縮機輸送回前系統作為粉煤的載氣繼續使用,大幅度降低了CO2的直接排放量。

3.4 在減少燃燒產物污染方面

粉煤在燃燒后所剩余的煤渣,飛灰和工藝中的污水作為燃燒產物也經過一系列處理,在經過鎖斗減壓和氣提等處理后,達標的產物將重新加以利用。

系統排出的融渣和飛灰含碳低,可作為水泥等建筑材料,堆放時也無污染物滲出。氣化污水不含焦油、酚等,容易處理,需要時可做到零排放。

綜上所述殼牌(SHELL)氣化工藝從很大程度上降低了有害物質的排放,在環保方面有著突出的表現。因此,殼牌(SHELL)粉煤氣化技術是目前工業應用中最經濟有效的低污染氣化技術,這也是它在世界范圍內得到重視、得到快速發展的重要原因。

殼牌(SHELL)氣化工藝技術作為一種清潔、高效的氣化技術,必將在我國的能源發電,資源綜合利用,環保產業等領域取得重大發展,創造優良的經濟效益和社會效益。

4 殼牌(SHELL)氣化爐運行中存在的問題

殼牌(SHELL)氣化爐雖然有著較好的環保特性,但在運行中暴露出不少問題,有些問題相當嚴重,直接影響了這一技術的進一步發展和商業市場的競爭能力。并且發生的問題帶有很大的普遍性。具體地說,有以下幾個問題:

4.1 煤種變化問題

由于殼牌(SHELL)氣化爐的碳轉化率比較高,能夠適用與絕大部分煤種。但如若這樣一旦煤種(包括灰份含碳量灰熔點揮發份)發生變化,會導致整個氣化系統處于不穩定的波動之中,直接影響爐膛反應溫度合成氣有效組分含量等重要數據。

4.2 爐膛溫度難以控制

由于殼牌(SHELL)氣化爐的反應溫度高達1 400～1 600℃這使在裝置運行過程中直接用電藕對爐溫進行測量并加以控制增加了難度,而如間接的通過中壓氣包的蒸汽產量或者合成氣中的CO2的含量加以判斷又存在著干擾因素,這個無形中為維持穩定的爐膛溫度增加了難度。

4.3 受熱不均勻

由于殼牌(SHELL)氣化爐采用的是膜式水冷壁對爐膛換熱,所以這對水冷壁中751路水管中的循環水的清潔程度有很高的要求,如一根管發生堵管現象則將導致該管負責換熱的區域換熱不良,使該區域受熱不均勻導致超溫,容易燒毀反應室爐膛壁。

4.4 燒結金屬容易損壞金屬管線沖刷嚴重

由于殼牌(SHELL)氣化爐采用干粉加壓給料系統,煤粉的供給包括燃燒副產品渣和灰的充泄壓處理需要借助鎖斗頻繁的充泄壓。這使得設備中的燒結金屬遭到強烈的沖刷。包括其運輸管線在輸送過程中也受到來自內部介質的沖刷摩擦。容易造成介質泄漏從而引發事故。

5 殼牌(SHELL)氣化爐的發展前景

殼牌(SHELL)氣化爐的燃燒方式是一種高效、清潔的燃燒方式,對有害污染物質的處理比較得當排放達到環保標準,且操作簡單,經濟性好,所以,隨著全社會對環境保護的日益重視,殼牌(SHELL)氣化爐必然會得到很大的發展。

同時,也也應該看到,在現階段,殼牌(SHELL)氣化爐存在的問題還有很多,有些問題甚至很棘手。對此,我們必須有一個清醒的認識。

在對待殼牌(SHELL)氣化爐的發展問題上我們不能盲目樂觀,認為前景一片光明,也不能因為發生了比較多的問題而一概否定。對發生的問題應仔細分析,找出原因,并進行認真研究,逐個加以解決。只有這樣,殼牌(SHELL)氣化爐技術才能健康發展,相信經過不懈的努力,我們能夠研制出適合我國煤資源特點的新一代高效低污染大容量殼牌(SHELL)氣化爐。

殼牌(SHELL)氣化爐能將節約能源與環境保護二者有機的結合在一起,從而提高燃煤的有效利用率。但殼牌(SHELL)氣化爐還存在許多問題有待進一步完善,使之不斷改進和提高,相信殼牌(SHELL)氣化爐在我國將會有更廣闊的發展前景。

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TQ113.25+4

A

1003-6490(2010)02-0001-04

2010-03-08

劉鑫(1983-),男,2006年畢業于鄭州大學,助理工程師,現在河南煤化集團中原大化公司氣化廠控制室工作。聯系電話: 13949703926 E-mail:upgtitan@163.com。