壳牌(SHELL)气化炉在环保中的应用及存在的问题

第36卷第2期化工设计通讯Vol.36 No.22010年6月Chemical Engineering Design CommunicationsJun.2010壳牌(SHELL)气化炉在环保中的应用及存在的问题刘芃鑫郭明 波(河南煤业化工集团中原大化集团公司,河南濮阳457004)摘要:壳牌(hell)干煤粉气化工艺是壳牌(ShelI)公司开发的煤粉 气化工艺,具有鲜明的技术特色,也是当前先进的第二代煤气化工艺,工艺相对成熟,已广泛运用于发电、合成氨等行业。壳牌(SHELL)气化炉的问世,无疑对改善我国环境条件将起到十分重要的作用。但由于在干粉气化工艺设计和运行方面经验不足,现有壳牌(SHELL)气化炉均不同程序地存在一- 些问题。关键词:壳牌(SHELL)气化炉;干粉气化工艺;环保中图分类号:TQ113.25*4文献标识码:A文章编号:1003-6490(2010)02 - 0000 -04其中第一步的放热反应释放的能量用于推动第二步1壳牌(SHELL)气化炉燃烧原理的吸热反应:(1)燃料+ 02= sCO↓2+ H↓20+能量壳牌煤气化工艺Shell Coal Gasification Process(2)燃料+ CO2+ H20+能量=CO+ H2(SCGP)属于当前先进的第二代煤气化工艺,具有碳然而为了真正的理解气化过程,应当知道更为基转化率高,对原煤要求低适用与绝大部分煤种。具本的气化方程。为简便起见,在这些方程中把煤表示体燃烧原理如下:为纯碳,习惯上负的反应热将表示生成热量。对煤而来自粉煤给料仓的粉煤,用高压氮气或二氧化碳言可以区分出下列几个气化反应:送至煤气化烧嘴。同时,来自空分的加压氧气经预热C+ 1/202=C0(1) - 110MJ/kmole C后也进入气化烧嘴。C+ H20∈C0+ H2(2) + 131MJ/kmole CSCCP工艺采用了有多个燃烧器的水冷却膜壁C+ 2H2CH4(3) - 75M]/kmole C的气化,可以用下列总反应说明SCGP中的简化后的这些反应说明,含碳燃料事实上以三种方式进行煤(和焦炭)气化反应:气化,即:(1)部分氧化反应, (2)和水蒸汽的吸热转化CH+ 1/202=C0+ 1/2H2反应和(3)加氢气化反应。其中,CH是煤的简化分子式。实际上部分氧化反应必须分为二步:这个简化方程式可以认为是通过二步法实现的,中国煤化工- 393MJ/kmole C收璃日期:2010-03-08fHCNMHG作者简介:刘茂鑫(1983- ),男, 2006年毕业于郑州大学,助理工程师,现在河南煤化集团中原大化公司气化厂控制室工作。联系电话:13949703926 E- mail:uptitan@ 163.com。化工设计通讯第36卷C + CO2=2CO(5) + 173MJ/kmole C2.4膜式水冷 壁结构这分开的二步表明气化反应进行时需要的能量气化炉采用水冷壁结构,无耐火砖衬里。水冷壁是内部产生的。而且它表明,第二步反应应当是平衡设计寿命按25a考虑。正常生产维护量很小，运行周反应。.期长，也无需设置备用炉。商业化运行单台炉日处理气化炉为立式压力容器,炉内为水冷壁组成的气煤量已达2 000t,目前,正在设计更大规模的装置。化室,煤气化烧嘴位于气化室中下部烧嘴二个一组2.5合理的烧嘴设置 可有效的延缓烧嘴寿命对称布置。由煤气化烧嘴喷人的煤粉、氧及蒸汽的混每台气化炉设有4个烧嘴，故对生产负荷调节比合物在1 500C高温下,瞬间完成煤的气化反应,生成Texaco单个烧嘴更为灵活,范围也更寬。Shell 烧嘴(CO+ H2)含量很高且夹带飞灰的粗煤气,由下向上保证寿命为8 000h,目前运行已超过16 000h。烧嘴从气化炉顶排出。为防止飞灰粘结在后续设备,在气的使用寿命长,也是气化装置能长期运行的一个重要化炉反应段出口处均匀喷人循环返回的200%低温保证。激冷气,将其激冷至900C,使飞灰固化,再进入合成2.6 热效率高气冷却器回收热量,合成气温度降至350C左右进入Shell煤气化的冷煤气效率达到78% ~ 83% ,其后续设备。余~ 15%副产高压或中压蒸汽,总的原料煤的热效率达98% ,处于很高水平。.2壳牌(SHELL)气化炉的特点2.7对环境影响小气化过程无废气排放。系统排出的融渣和飞灰壳牌(Shel)干煤粉气化工艺是壳牌( Shell)公司含碳低,可作为水泥等建筑材料,堆放时也无污染物开发的煤粉气化工艺,具有鲜明的技术特色,也是当渗出。气化污水不含焦油、酚等,容易处理,需要时前先进的第二代煤气化工艺,工艺相对成熟,已广泛可作到零排放。.运用于发电、合成氨等行业。壳牌粉煤气化工艺具有如下特点:3壳牌(SHELL)气化炉在环保中2.1采用干煤粉作 气化原料,煤粉用情气输送,操作的应用十分安全对煤种的适应性比较广泛,从较差的褐煤、次烟世界经济和工业生产的高速发展，也给人类赖以煤、烟煤到石油焦均可使用;对煤的灰熔点适应范围生存的大气环境带来了 破坏作用。当人类生活和生比其它气化工艺更宽,即使是高灰分、高水分、高硫的产活动所排放的污染物超过了环境本身的自然降解煤种也能使用。,能力时,灾难性的大气污染、酸雨、温室效应和臭氧层2.2气化温度高的破坏等问题,就变的越来越严重。这些环境问题主气化温度-般稳定的维持在1 400~ 1 600C,碳要是燃烧矿物燃料造成的。矿物燃料所产生的污染转化率高达99%,合成气质量好。煤气中甲烷含量物，主要有三大类:一是气体污染;而是粉尘及矿物质极少,不含重烃,CO+ H2达到90%。由于气体中有杂志污染;三是废水污染。而我国是产煤大国,一次.效组分高,煤气总量有所减少,因而气化消耗煤量也.能源消费中76%以上是煤炭;而在煤炭的利用中,约可降低。84%是直接用于燃烧获取热能,其中燃煤大户是火力2.3氧耗低发电厂。从火力发电厂的生产过程来讲，污染物的排采用干煤粉进料与水煤浆气化相比不需在炉内放主中国煤化工物;其中最主要的是蒸发水分,氧气用量因而可减少15% ~ 25% ,从而降危害MHCNMHG低了成本。配套空分装置规模相对减小,投资也可相排放到大气中的SO2和NO,将导致严重的环境应降低。问题,除了其本身的强刺激性外,他们与空气中的水第2期刘芃鑫,郭明波:壳牌(SHELL)气化炉在环保中的应用及存在的问题蒸气相遇时,还会变成硫酸和硝酸,硫酸和硝酸随着以上反应在1 400C~ 1 600C的炉膛中基本完雨水降落就形成了酸雨。酸雨会以不同方式危害自全反应,反映产生的SO2、H2S随合成气进入合成气然界的陆生生态系统及水生生态系统。我国是世界冷却器冷却到300C左右后，进入湿洗工段,含S的上最大的煤炭生产国和消费国,由于国内仅有极少数合成气在湿洗塔中经3层填料床被水与20%左右的燃煤电厂与工业锅炉用户对燃用煤进行了脱硫处理,Na0H的混合液反洗。在此间含SO2、H2S的酸性溶导致SO2等污染物的排放量逐年增长,并使我国成为液与NaOH发生中和反应,最终以盐的形式脱除了合了世界头号SO2排放大国。目前，我国降雨pH值小成气中的s,同时气化反应产生的其他酸性气体如于5.6的酸雨区面积已达40%,每年酸雨造成的损失HCN、NH3和甲酸,以及煤中存在的大多数Cl.F和与超过百亿元。Se所转化成的酸都在湿洗工段中以同样的方式被CO2作为主要的温室气体是地球臭氧层被破坏脱除。.以及全球变暖的头号杀手,其不能燃烧以及不稳定的3.3在减少 CO2污染方面水溶性等特性导致其很难被处理,但是由于我国工业粉煤在炉膛中发生了部分完全反应的日益发展以及煤炭燃烧在获取能量方式中占据着C+ O2= =CO2近80%的重大份额,导致CO2的排放量日益增加。2C + 02=2C0在严峻的形式面前,对SO2、CO2和NO,等有害使CO2和CO共存于合成气中。而且煤粉的输气体的的处理已刻不容缓。而壳牌(SHELL)气化炉作为-种新型燃烧技术，送用CO2作为载气,使得合成气中CO2有一定的含其在燃烧过程中能有效的控制SO2 .CO2和NO,的生量,而为了环保并使更多的有害气CO2变为有效气CO,在工艺允许的前提下尽量提升炉膛温度使反应C成和排放,是-种相对清洁的燃烧方式。+ CO2-2C0尽量向正向移动。同时合成气中未能3.1在减少 NO,污染方面NO,是气化炉燃烧生成的氮氧化物NO和NO2加以转化的CO2在后续低温甲醇洗工段加以吸收并的统称。在炉内燃烧的过程中,生成氮氧化物的机理经压缩机输送回前系统作为粉煤的载气继续使用,大可分为热力型NO,和燃料型NO,两类。热力型NO,幅度降低了CO2的直接排放量。是指送入炉内燃烧用空气中的热力型N2,在高温条3.4在减少燃烧产 物污染方面粉煤在燃烧后所剩余的煤渣,飞灰和工艺中的污件下氧化生成的氮氧化物,如下所示:2N+ 02-→2NO水作为燃烧产物也经过-系列处理，在经过锁斗减压热力型NO,的生成与炉膛温度关系极大,当炉和气提等处理后,达标的产物将重新加以利用。膛温度大于1 100C时,热力型NO,才有较快的反应系统排出的融渣和飞灰含碳低,可作为水泥等建速度。壳牌(SHELL)气化炉(炉膛燃烧温度1 400C筑材料,堆放时也无污染物渗出。气化污水不含焦~1600C)虽然具有较高的炉膛温度,但是由于有激油、酚等,容易处理,需要时可做到零排放。冷气循环系统的存在,使得200C的低温气返回至炉综上所述壳牌(SHELL)气化工艺从很大程度上膛,从而使炉膛内的平均燃烧温度通常控制在800C降低了有害物质的排放,在环保方面有着突出的表~900C的范围内,低的燃烧温度使燃烧过程中由于现。因此,壳牌(SHELL)粉煤气化技术是目前工业应高温氧化所产生的热力型NO,大幅度降低。用中最经济有效的低污染气化技术,这也是它在世界3.2在减少 SO2污染方面范围内得到重视、得到快速发展的重要原因。煤中的s在气化反应中都转化为SO2、H2S等形中国煤化工作为一种清洁高效式加人到合成气中。如下所示:的气YHCNMHG电,资源综合利用，S+ 02→SO2环保产业等领域取得重大发展,创造优良的经济效益S+ H2→H2S和社会效益。4化工设计通讯第36卷质泄漏从而引发事故。4壳牌(SHELL)气化炉运行中存5壳牌(SHELL)气化炉的发展在的问题前景壳牌(SHELL)气化炉虽然有着较好的环保特性，但在运行中暴露出不少问题,有些问题相当严重,直壳牌(SHELL)气化炉的燃烧方式是一种高效、清接影响了这一技术的进--步发展和商业市场的竞争洁的燃烧方式,对有害污染物质的处理比较得当排放能力。并且发生的问题带有很大的普遍性。具体地达到环保标准，且操作简单,经济性好,所以,随着全说,有以下几个问题:社会对环境保护的日益重视,壳牌(SHELL)气化炉必4.1煤种变化问题然会得到很大的发展。由于壳牌(SHELL)气化炉的碳转化率比较高,能同时,也也应该看到,在现阶段,壳牌(SHELL)气够适用与绝大部分煤种。但如若这样- - 旦煤种(包括化炉存在的问题还有很多,有些问题甚至很棘手。对灰份含碳量灰熔点挥发份)发生变化,会导致整个此,我们必须有- -个清醒的认识。气化系统处于不稳定的波动之中,直接影响炉膛反应在对待壳牌(SHELL)气化炉的发展问题上我们温度合成气有效组分含量等重要数据。不能盲目乐观，认为前景一片光明,也不能因为发生4.2炉膛温度难以控制了比较多的问题而一概否定。 对发生的问题应仔细由于壳牌(SHELL)气化炉的反应温度高达1 400分析,找出原因,并进行认真研究,逐个加以解决。只~1 600C这使在装置运行过程中直接用电藕对炉温有这样,壳牌(SHELL)气化炉技术才能健康发展,相进行测量并加以控制增加了难度,而如间接的通过中信经过不懈的努力,我们能够研制出适合我国煤资源压气包的蒸汽产量或者合成气中的CO2的含量加以特点的新-代高效低污染大容量壳牌(SHELL)气判断又存在着干扰因素,这个无形中为维持稳定的炉化炉。膛温度增加了难度。壳牌(SHELL)气化炉能将节约能源与环境保护4.3 受热不均匀二者有机的结合在一起，从而提高燃煤的有效利用由于壳牌(SHELL)气化炉采用的是膜式水冷壁率。但壳牌(SHELL)气化炉还存在许多问题有待进对炉膛换热,所以这对水冷壁中751路水管中的循环- -步完善 ,使之不断改进和提高,相信壳牌(SHELL)水的清洁程度有很高的要求,如一根管发生堵管现象气化炉在我国将 会有更广阔的发展前景。则将导致该管负责换热的区域换热不良,使该区域受热不均匀导致超温,容易烧毁反应室炉膛壁。[参考文献]4.4 烧结金属容易损坏金属管线冲刷严重[1] 唐旭华.电气识圈与控制[M].北京:化学工业出版社，1997. 12.由于壳牌( SHELL)气化炉采用干粉加压给料系[2] 施仁.自动化仪表与过程控制[M].北京:电子工业出版社,统,煤粉的供给包括燃烧副产品渣和灰的充泄压处2003.3.理需要借助锁斗频繁的充泄压。这使得设备中的烧[3]顾国维,高廷耀 .水污染控制工程[M].北京:高等教育出版社,2002.8. .结金属遭到强烈的冲刷。包括其运输管线在输送过[4] 马广大,郝吉明.空气污染控制工程[M].北京:高等教育出版程中也受到来自内部介质的冲刷摩擦。容易造成介社,2003.5.中国煤化工欢迎征订、投稿CNMHG .告《化工设计通讯》编辑部