Shell煤氣化技術(shù)綜述

宋超(江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司 江蘇徐州 221000)

一、概述

Shell煤氣化技術(shù)是在原K-T氣流床煤氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。將粒度為100目、水分<10%的煤粉，純度為>99%的氧氣和水蒸氣在噴嘴處混合進(jìn)入煤氣化爐進(jìn)行氣化反應(yīng)，爐內(nèi)的氣化壓力為2.0～4.0MPa，溫度為1400～1600℃，氣化生成的有效煤氣成分含量為90%～94%，碳的轉(zhuǎn)化率約為99%（飛灰再循環(huán)的條件下）。

二、Shell煤氣化反應(yīng)原理

Shell煤氣化反應(yīng)原理與K-T常壓粉煤氣化相同，是以干煤粉作為原料，氧氣和水蒸氣作為氣化劑在氣流床內(nèi)進(jìn)行的氣-固兩相流態(tài)化反應(yīng)。

干煤粉由氮?dú)饣蚨趸即等霘饣癄t，氣化爐內(nèi)的氣化反應(yīng)溫度很高，在有氧存在的條件下，以燃燒反應(yīng)為主，在氧氣反應(yīng)完成后進(jìn)入氣化反應(yīng)階段，物料在爐內(nèi)的停留時(shí)間一般為3～10s，氣化反應(yīng)很快就達(dá)到平衡。氣化產(chǎn)生的粗煤氣經(jīng)粗煤氣冷卻器冷卻后，最終形成以CO、H2為主的煤氣。反應(yīng)中產(chǎn)生的煤灰熔化后以液態(tài)的形式排出氣化反應(yīng)爐。

帶粗煤氣冷卻器（廢熱鍋爐）流程的特點(diǎn)如下：

1.結(jié)構(gòu)復(fù)雜，昂貴。1臺(tái)廢鍋，如2000t/d要多1個(gè)億的投資。

2.若用于化工，則后續(xù)的調(diào)比過(guò)程需要大量蒸汽，廢鍋產(chǎn)生的蒸汽約60-70%用于調(diào)比，真正能量回收的好處不大，用高投資的廢鍋而取得的效益不大。

三、原料要求

Shell煤氣化工藝對(duì)煤種有廣泛的適應(yīng)性，由于采用粉煤進(jìn)料和高溫、加壓氣化，故對(duì)煤的粘結(jié)性、機(jī)械強(qiáng)度、水分、灰分、揮發(fā)分等要求不是十分嚴(yán)格，但從技術(shù)角度考慮仍有一定要求。水分（收到基水分）：褐煤6%～10%，其它1%～6%，灰分干基＜24%，灰熔點(diǎn)FT＜1350℃，粒度＜0.15mm的＞90%。

1.煤的灰熔點(diǎn)是加壓干粉氣化選擇原料的主要條件，一般選擇灰熔融流動(dòng)溫度FT在1400℃以下的煙煤，F(xiàn)T超過(guò)1500℃的煤不宜采用。

2.煤的活性要好，一般以煙煤和褐煤為主。

3.灰渣的粘溫特性堿性組分含量高，一般堿/酸應(yīng)大于0.3。

4.灰分一般不超過(guò)30%，小于20%為宜。

四、Shell煤氣化工藝的關(guān)鍵設(shè)備

Shell煤氣化工藝的關(guān)鍵設(shè)備是煤氣化爐、煤氣冷卻器和煤氣過(guò)濾器。

Shell煤氣化爐主要由膜式水冷壁、環(huán)隙空間和高壓容器外殼構(gòu)成。

氣化爐反應(yīng)室內(nèi)上部空間為燃燒反應(yīng)區(qū)，下部為熔渣激冷區(qū)。干煤粉、氧氣和水蒸氣的混合氣通過(guò)噴嘴進(jìn)入氣化爐后在燃燒室反應(yīng)。氣化爐內(nèi)筒采用水（由于反應(yīng)溫度過(guò)高，可考慮采用脫鹽水或軟化水）循環(huán)冷卻，在向火側(cè)涂一層耐火涂層，運(yùn)行時(shí)在氣化爐內(nèi)壁形成一層煤熔渣層保護(hù)或減緩水冷壁在高溫、高壓氣-固混合氣的沖刷下的磨損，延長(zhǎng)氣化爐的運(yùn)行時(shí)間。氣化爐環(huán)隙空間的目的是為了容納水/蒸汽的輸入/輸出集汽管。Shell氣化爐一般將噴嘴安裝在內(nèi)筒側(cè)壁的下部位置，安裝有4～8個(gè)噴嘴呈中心對(duì)稱(chēng)分布，根據(jù)負(fù)荷進(jìn)行噴嘴增減。氣化爐噴嘴的使用壽命不低于7500小時(shí)，滿(mǎn)足裝置一年的運(yùn)行時(shí)間要求。爐底關(guān)鍵部件還有鎖斗上下的卸渣閥。

煤氣冷卻器（廢熱鍋爐）用于回收高溫粗煤氣的顯熱，產(chǎn)生高壓過(guò)熱蒸汽。煤氣冷卻器一般采用水管式結(jié)構(gòu)，由水管焊上管板組成，管板上設(shè)置有在線(xiàn)清洗裝置，沖洗管壁上的積灰，以免影響換熱效果。

過(guò)濾器用于除去粗煤氣中的煤粉塵，一般采用陶瓷過(guò)濾器或旋風(fēng)分離器，由于進(jìn)料煤氣的溫度、壓力均較高，要求除塵設(shè)備能夠安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。粗煤氣經(jīng)過(guò)濾后，煤氣中的含塵量應(yīng)<20mg/Nm3。

五、Shell煤氣化工藝概況

Shell煤氣化工藝屬加壓氣流床粉煤氣化，是以干煤粉為原料、氧氣為氣化劑，熔渣采用液態(tài)排渣形式。具體工藝流程見(jiàn)圖1 SCGP氣化工藝流程（干法氣化的技術(shù)關(guān)鍵在于干粉煤的加壓進(jìn)料）。

原煤在風(fēng)動(dòng)磨內(nèi)先破碎研磨成符合氣化要求的煤粉（粒度90%通過(guò)170目的篩孔；或粒度小于0.1mm）并經(jīng)干燥處理（含水量<2%；煙煤含水量1%、褐煤含水量10%）后，借助惰性氣體，粉煤經(jīng)過(guò)常壓粉煤倉(cāng)、粉煤鎖斗及粉煤給料倉(cāng)，由高壓氮（氮?dú)鉂庀?00g/m3）或CO2將粉煤送至氣化爐噴嘴。氧氣和蒸汽一起，進(jìn)氣化爐噴嘴。

氣-固反應(yīng)物料在氣化爐內(nèi)壓力為2.0～4.0MPa，溫度為1400～1600℃（通過(guò)控制加煤量，調(diào)節(jié)氧量和蒸汽量，來(lái)調(diào)節(jié)氣化溫度。）的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。氣化火焰中心溫度隨煤種不同約在1600～2200℃之間，出爐的煤氣溫度約為1400～1700℃。產(chǎn)生的高溫煤氣夾帶的煤粉細(xì)灰在高溫下具有一定的粘結(jié)性，為了防止煤粉細(xì)灰在設(shè)備和管道上粘結(jié)，影響設(shè)備的正常運(yùn)行，將出氣化爐的煤氣與一部分經(jīng)冷卻后的循環(huán)煤氣進(jìn)行混合，將高溫煤氣冷卻至900℃左右后，再將其送入廢熱鍋爐（水管式廢熱鍋爐，包括輻射室和對(duì)流室）內(nèi)，與軟化水進(jìn)行換熱，將其氣化產(chǎn)生高壓的過(guò)熱蒸汽。而煤氣經(jīng)進(jìn)一步冷卻后，溫度降至約300℃。

從廢熱鍋爐出來(lái)的煤氣中僅含有的少量灰份顆粒，在陶瓷過(guò)濾器或旋風(fēng)分離器中進(jìn)行分離，粉煤灰進(jìn)入灰鎖斗，再送至粉煤儲(chǔ)罐。粗煤氣經(jīng)干法除塵后煤氣中的含塵量約為10mg/Nm3，經(jīng)過(guò)水洗滌后煤氣的含塵為1mg/Nm3。

在整個(gè)煤氣化過(guò)程中，煤中約有83%以上的熱能轉(zhuǎn)化為有效煤氣，約有15%左右的熱能以高壓蒸汽的形式回收利用。

圖1 SCGP氣化工藝流程