SHELL煤气化炉的工艺计算及结果分析

第2期(总第95期)煤化INo.2(Total No. 95)2001年5月Coal Chemical IndustryMay 2001SHELL煤气化炉的工艺计算及结果分析张华新肖光升朱疆德州华鲁恒升化工(集团)有限公司 253024摘要通过对shell煤气化炉内过程的分析,对有关煤种进行了工艺计算,并对计算结果进行了探讨。关键词shell 煤气化炉工艺计算 分 析文章编号:1005-9598(2001)02 -0043-03中图分类号 :TQ54文 献标识码:BShell煤气化(SCGP)是一种洁净煤气化新工在休斯顿的Shell 煤气化装置中,采用了16种艺,具有操作弹性大、原料适用性强、环保性能好等不同的原料煤及石油焦为原料，成功地运行了特点,是很具竞争力的第三代煤气化。15 000 h。Shell煤气化的基本思路[1]是:(1)夹带物流;荷兰"Demkolec”商业化煤气化联合发电装置(2)纯氧气化;(3)夹套水冷壁;(4)液态排渣;(5)对(IGCC)1994年进入示范期，1998年1月1日称切向进料喷嘴;(6)干粉进料。结束,进入商业化运行阶段,负荷变动范围50%~流程简述:原料煤输送至磨煤机,磨煤机把原料105%,工艺操作时间约15000h,气化单元处理煤粉碎至合适有效的气化尺寸(质量分数为90 %的原料煤2 000t/d,自1997年7月负荷为80%~颗粒小于100 pm),煤粉碎的同时用惰性气体干燥，85 %。Shell 煤气化的化学合成装置处于推广阶段。把蒸发后的水蒸气带走,经内部分离器分级后,合格由于我国煤炭资源丰富,油、气资源相对贫乏，的煤粉被收集在沉降池里，气化所需要的氧气由空有几家中型氮肥企业已与壳牌公司接触,准备将气装置提供,空分装置来的氮气经压缩后为输煤系Shell煤气化装置用来生产合成氨。统提供低压氮气和高压氮气。干燥后的合格的煤粉在已公开的有关Shell煤气化资料提供的数据被氮气输送至煤加压及供料系统,如需要,加压后的的基础上，参考有关粉煤气化的理论,我们对山西晋煤粉、氧气和蒸汽可以通过成对喷嘴进入气化炉,气城地区的有关煤种的气化工艺进行了计算,得出了化炉的操作压力为3. 0 MPa~4.0 MPa,反应温度合成气成分及吨氨原料的气化部分消耗,现就计算高达1400C~1700C,熔渣自气化炉的下部流的过程及结果进行分析。出，与水接触,形成固体颗粒通过灰锁排出。温度为1 500 C的出口气体与冷激气混合后,降至900 C1 Shell 煤气化炉炉内过程分析进入废锅,经废热锅炉回收热量,合成气温度降至250C ,再经陶瓷过滤器将合成气中的粉尘降至Shell煤气化炉属于气流床加压气化,根据有关3 mg/m3~5 mg/m3 ,进入水洗塔,使合成气中的粉文献[2]关于气流床煤气化理论的介绍，-般认为气尘含量进-步降至1 mg/m*送后工序。化反应区出口的气体组成取决于气化反应区温度下工艺特点:的7中国煤化工成和CO2的还原反应，碳转化率>99.5 %或MHCN MH G△l(Ol=l平衡-l反应)的气体成分中(CO + H2)的体积分数>90 %某一温芨下的半衡吊数,△t被称为平衡温距。气流床反应[]一般分为三个反应区:喷嘴内焰收稿日期:2001-01-05.的有机组分的裂化反应区、外焰的缺氧反应区、炉内作者简介:张华新,男,1971年出生,1993年7月毕业于山东.空间的平衡反应区。由于物料切向进入,增加了反应工业大学化学工程系，助理工程师。现从事有关煤气化方面的技术工作。器内的反应物的混合程度,减少了产物的返混,使煤化工2001年第2期之更接近平推流反应器。水煤气的变换反应在吨氨耗原料标准气(CO +H2)按2160m3 /tNH31 300 C以上时反应十分迅速，为简化计算,假定计算,已知合成气中的H2、CO的含量已由计算得Shell煤气化炉为平推流反应器,这样就可以用平衡出,又因为V。也已由计算得到,不难计算吨氨消耗。温距来近似地计算出反应器的出口组成及有关消耗得到吨氨消耗以后,列出氢平衡方程和氧平衡指标,作为后工序装置能力配套及投资概算的依据。方程,可以解出水蒸气和氧的消耗。从壳牌公司正式公布的有关资料的数据,可以计算现举计算实例如下:(计算基准为100 g干基出Shell煤气化炉在1 500 C、40. 52 MPa(G)的条煤)件^下水煤气反应的Jp值为0.293 6,据计算shell煤已知:气化炉在1 500 C、40.52 MPa(G)的条件下该反应①阳泉1矿样煤的干基组成及发热值如下(质的logJp值在3.188左右。查表可以得到以上两个量分数):反应的Jp、log Jp值分别为0. 293 6、3. 188时的平灰含量:19.99.H:3.12、O:2.77、N:1.11.衡温度,就可以计算得到以上两个反应的平衡温距。S: 1.4.C: 72.Qnet,p : 27 370 J/g;②-氧化碳变换反应的Kp;反应器二氧化碳2计算方程式的确定的log Kp值;有机硫(COS)转化平衡常数值，碳的转化率经验值;从反应的产物来看,CO2、CO、H2、H2O、N2、③吹扫及输煤用氮的经验用量;(H2S+COS)的体积占反应产物体积的99.8 %以④CO、H2的燃烧热。上，故可以近似地将其它成分忽略不计,又因为N2求:出口气体组成、干煤气产量、蒸汽消耗、氧气和H2S是由反应物料及粉煤输送用气所决定的,通消耗、干煤气中的硫化物含量。过S、N平衡可以计算合成气中的N2和H2S的体积平衡方程式的建立:分数，建立以下几个平衡方程式:(1)冷煤气效率。在设备不变的情况下设备的(1)碳转化率为99.5%可以得到反应过程的热损失及水冷壁吸热可以认为基本不变(2%~碳平衡方程式。3 %),在气体出口的温度恒定的情况下，气体的显(2)由冷煤气效率可以得到CO和H2的体积热可以认为基本不变,因而,在进料状况.-样的情况分数的关系方程。下,冷煤气效率也可以认为是基本不变的,可以用已(3)由气体体积分数总和为1,可以得到CO、经公开的shell煤气化的有关资料提供的经验值82CO2H、H2O的体积分数的关系方程式。%计算,得到:(4)变换反应的反应产物及反应物的反应系数[(Xco/22.4X 10-3) X 67.7+ (X,/22. 4 X均为1,经计算,各组分在1 500 C、40. 52 MPa(G)10-*)X57.8]XVo=Qnet,pX0.82X 100下的逸度系数均接近1,根据以上计算得到的平衡(2)碳的转化率为0. 995,得到:温距可以得到平衡温度下的Kp,由分压计算Kp且VoX (Xoo+ Xo,)X12十22.4X10~3= 100XKp≈K,故可得Kp= (XH, X Xc, )/(XH,oX Xc)=0.72X0.995常数的平衡关系方程式。有五个方程,可以解出(3)做硫、氮平衡,根据shell煤气化炉的值,原XH, .Xco, .XH,o.Xco和V。五个未知数。料煤中有85%左右的硫转入合成气中。输煤及吹除用氮量据壳牌经验值为13. 12 g/100 g coal。其中,Kp一化学 反应的平衡常数;XeH,s+cos)六22.4X10-*XV。X32=0. 001 4XXH,、Xo2、XH,o、XcoH2、CO2、H2O、0.85X10-3X 100CO的体积分数;中国煤化工28=13. 12+1.11V。- 100g原料煤产生的合成气体积，m*/100g煤。MYHCNM H Gxo,+xno+xXo≈1(5)同(4)的方法,利用二氧化碳的还原反应的Qne.t原料煤的恒容低位发热量,kJ/glog Kp值可以计算得到Xco,和Xco。XHs+cosH2S+COS在合成气中的体积分计算过程中的计算基准宜选择干基无灰基煤作数为基准,以减少运算难度。(4)因为反应产物及反应物的反应系数均为1,2001年5月张华新等:SHELL煤气化炉的工艺计算及结果分析经计算,各组分在1 500 C、.40. 52 MPa(G)下的逸表2计算结果的比较度系数均接近1,可以用分压计算Kp,且Kp= K:项[阳泉一矿榆次古交桃园K;= (XH,X Xco, )/(XH,oXXco)=0.293689. 9987. 7287. 65无3. 904. 004.28(5) log Kp≈log(Xc,/Xco)XP总≈3. 188灰3.464.114. 34取Vo值,经反复试差计算得到:1.391. 261. 25组V。= 203. 00 m3/100 kg coal成1.752. 942. 47XH, =26.45%,Xco,=1. 09%,XH,o=1.52%，及Qnet.p/盾kJ°g34.2134. 1334. 28Xco=64.79 %,Xqn,s+cos)=0.41 %,XN,=5.62 %CO64. 7962. 9862.86如需要还可计算合成中的Cl、As等的含量。合H226. 4527. 9928. 48分别做氢平衡、氧平衡可以得到蒸汽消耗为H2O1.521.541.59212.25 kg/tNHs,氧气的消耗为656. 0 m*/tNH3。根分H2S +COS0.410. 690.57据吨氨耗氢氮气的量可以计算吨氨的原煤消耗为N:5. 625. 34单立1.091.021.031 166.2 kg/tNHs,折标准煤1 089.12 kg/tNHs。￥计算完毕。产气量/203.00.202. 30209. 10量m’●(100 kg)3各矿点的煤样在shell 煤气化炉中的计算吨实物煤/kg.1 166.20| 1 173.70| 1 130. 94 .氧气/m2656. 00613. 56617. 78结果肖蒸汽/kg212.25240. 68226. 00.耗标准煤/kg1 089.12| 1 086. 111 080. 12按以上的计算方法分别对山西榆次、古交等矿点的煤样做同样的运算,得到合成气成分(体积分(4)与单位原料煤产合成气密切相关的是原料数)、每100kg原料煤产气量(m*/100 kg煤)及吨氨煤的热值.热值越高每100 kg原料煤产合成气越消耗,列于表1.表2。表1原料煤的干基组成如果有必要还可以根据合成气中的有机硫原料煤的干基阳泉一矿榆次古交桃园(COS)转化平衡常数值计算COS和H2S的含量。组成及热值计算误差的主要来源是水煤气反应与二氧化碳C72.0069. 7271. 57的还原反应的平衡温距的差异以及气化炉内平衡反3.123. 183. 502. 773. 243. 54应区反应温度的不同。设备和工艺条件决定了气化1.111. 00炉的操作温度的差别不会太大，当选择的原料煤的1.402. 342.02 .灰熔点太高时必须加入助熔剂以利于排渣和保护设灰分19. 9920. 5218. 35备,温度太低必然使气体质量下降,蒸汽和原料煤的Qnt.p/.24. 2127. 12消耗上升,所以不同煤种的适宜操作温度是近似的,kJ●g对于概略计算来说,不同煤种在shell气化炉中的反应温度和平衡温距引起的误差也是可以接受的。4计算结果分析参考文献:从计算结果的比较可以看出:[1] Ir L O M Koenders. 具有竞争性的谢尔煤气化工艺(1)原料煤中的碳的含量(干基无灰基)越高，[J].大氮肥, 1995.168.制取的合成气中的CO的含量越高。[2]中国煤化工4].北京:化学工业出版社，(2)煤样中的碳的含量(干基无灰基)越高,吨FYHCNMHG氨氧耗就越高。[3]于遵宏等.大型台成氨1工艺过程分析[M].北京:中(3)吨氨消耗的比较中,标准煤的消耗是十分国石化出版社,1993.接近的。Analysis and Process Calculation of SHELLCoal GasifierZhang HuaxinXiao Guangsheng Zhu Jiang(Dezhou Hengsheng Hualu Chemical中国煤化工Ltd.)CHCNMHG_alysis of the SHELL coal....-np-gasifier inner chemical process, thecoal concerned withSHELL coal gasifier process has been calculated and thecalculation results are discussed. .Key words SHELL coal gasifier , process calculation,analysis