Shell煤气化技术及其在我国的应用

第33卷化肥工业第6期Shl煤气化技术及其在我国的应用汪家铭(川化集团有限贵任公司成都610301)摘要She煤气化技术历经30多年的发展,已成为当今世界上先遗的洁净煤气化技术之一。介绍了Shl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裳王的建设和投产情巩。关词 Shell煤气化技术应用Shell Coal Gasification Technology and its Use in ChinaWang jiamingAbstract The Shell coal gasification technology has experienced over 30 years of developmentd become one of the advanced clean coal gasification processes in the word at present. A descriptionis given of the course of development of the Shell technology, its technical features, some problems inits use at home currently and the construction and onstream situation of the units importedsification technology use煤气化技术是一种最洁净的煤炭综合利用技近年来She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C0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SCP的发展历程技术特点在国内应用中成气称为第一代煤气化技术。进入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,以水煤浆或干粉煤为原料,大规模、单系列、加压气化实现了工业化应用,称1SCP发展历程为第二代煤气化技术。Shl公司的石化燃料气化可以追溯到20世Shel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She气先进的,属于气流床气化的第二代煤气化技术其化工艺(ScP),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Shel粉煤气化技术。She粉下并流进人气化炉内在极为短暂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、燃烧及转化等一系列物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SCP煤气成分为C02SCP的技术特点65%H230%、N2+Ar3.1%、CO21.6%、H2S+中国煤化工气化炉可以采用Cos0.3%、CH微量。CNMHG料对煤的灰熔点本文作者的联系方式winning?56@sohu.com第33卷化肥工业第6期表1Sh煤气化技术(ScGP)的发展历程时间日投煤量/装置建设地点运行情况She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She德国哈尔堡炼油厂运行了6100h,进行操作程序的优化工作运行15000h进行了18种高硫、高灰分、高水分的原料煤的试20~30美国休斯顿Sbel石油公司迪尔帕克厂烧装置建设荷兰发电局德姆克勒公司联合循环发1998年实现商业化运行,成功地气化了12个煤种气化压力28MPa碳转化率>99%,气化装置负荷40%-100%,运转率1997-1998示范运行5%以上中国湖北双环化工集团有限公司2006年5月17日生产出合格合成氨用原料气,成为世界上首套用于合成氨生产的She煤气化装置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4600mm,气化压力4.0MPa,日SCP生产的合成气,在国外主要用于发电,投煤量达2000t以上,更大规模日投煤量2500t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1450-1600到的并不完全适合于氢氨醇的生产。目前国℃,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1%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。方面都要有一个还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600m3都很大这在一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She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800h,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)煤质要求中国煤化工种适应性广泛,但3存在的问题CNMHG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SCGP装置无一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Shl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She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一套引进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,一且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SCP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20m,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。进人变换催化剂中,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SCP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200t的Shl煤气化装置总投引进的15套SCP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SCGP装置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合成氨2001-062006-05中石化岳阳壳牌煤气化有限公司2001-11广西柳州化工股份有限公司合成氨2006-09中石化湖北化肥分公司合成氨中石化安庆分公司合成氨云天化集团天安有限公司合成氨云南沾化有限责任公司合成氨大化集团有限责任公司2004-02永城煤电(集团)有限责任公司河南中原大化有限公司甲甲甲2004-02河南开祥化工有限公司l1002004-02河南新乡中新化工集团有限公司中国神华内蒙古煤制油有限公司2x2000中国煤化工天津渤海化工集团天津碱厂2x2000合成氨CNMHG中国神华宁夏煤业集团4x2000制氢2006-07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SCGP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She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200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。成氨的第一套装置,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Shl就500成氨的SGP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719亿元。该公司原200ka合成用SCP生产500k/a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,也是世界上第一套用于建成后,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1.45t粉煤,煤价基本稳定在CGP生产甲醇,已于2005年1月18日开工建470元/t左右仅此一项每天可降低生产成本109设,2010年建成后将达到500k/a甲醇、100k/a万元。据初步测算装置正常运行后,每年可节约二甲醚50kt/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164亿元,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Shl公司正式签订技术转让协议,2004年42004年4月12日,Shl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SGP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4000t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1000kt,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300kt/a,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1.33t,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She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1300kW·h降至150煤炭基地投资60亿美元共同开发煤炭间接液化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。月正式sd煤气化合资项目协议20年10月8日开5V山凵中国煤化工始工程建设。中石化湖北化肥分公司于2001年CNMHG业,特别是化肥6月与She2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SCCP装置都是投入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,有利界第一套装置,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1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弛放气中氨的回其采用的工作介质种类不同,可分为液(如水等收一般仍采用水洗法。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12-1.6MPa近年来国内已研发成功深冷法来回收弛放气(有的企业为2.0~2,2MPa),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℃,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。一般要求能量转换器的连续冷法氨回收工艺中唯一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(或称通流部件)、自身耗能部件(或称负载通流部件)和主体点运中国煤化工,经过一段时期的CNMHG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15l01沈铭钧)