第2期(總第95期)煤化INo.2(Total No. 95)2001年5月Coal Chemical IndustryMay 2001SHELL煤氣化爐的工藝計(jì)算及結(jié)果分析張華新肖光升朱疆德州華魯恒升化工(集團(tuán))有限公司 253024摘要通過(guò)對(duì)shell煤氣化爐內(nèi)過(guò)程的分析,對(duì)有關(guān)煤種進(jìn)行了工藝計(jì)算,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞shell 煤氣化爐工藝計(jì)算 分 析文章編號(hào):1005-9598(2001)02 -0043-03中圖分類(lèi)號(hào) :TQ54文 獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BShell煤氣化(SCGP)是一種潔凈煤氣化新工在休斯頓的Shell 煤氣化裝置中,采用了16種藝,具有操作彈性大、原料適用性強(qiáng)、環(huán)保性能好等不同的原料煤及石油焦為原料，成功地運(yùn)行了特點(diǎn),是很具競(jìng)爭(zhēng)力的第三代煤氣化。15 000 h。Shell煤氣化的基本思路[1]是:(1)夾帶物流;荷蘭"Demkolec”商業(yè)化煤氣化聯(lián)合發(fā)電裝置(2)純氧氣化;(3)夾套水冷壁;(4)液態(tài)排渣;(5)對(duì)(IGCC)1994年進(jìn)入示范期，1998年1月1日稱(chēng)切向進(jìn)料噴嘴;(6)干粉進(jìn)料。結(jié)束,進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行階段,負(fù)荷變動(dòng)范圍50%~流程簡(jiǎn)述:原料煤輸送至磨煤機(jī),磨煤機(jī)把原料105%,工藝操作時(shí)間約15000h,氣化單元處理煤粉碎至合適有效的氣化尺寸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90 %的原料煤2 000t/d,自1997年7月負(fù)荷為80%~顆粒小于100 pm),煤粉碎的同時(shí)用惰性氣體干燥，85 %。Shell 煤氣化的化學(xué)合成裝置處于推廣階段。把蒸發(fā)后的水蒸氣帶走,經(jīng)內(nèi)部分離器分級(jí)后,合格由于我國(guó)煤炭資源豐富,油、氣資源相對(duì)貧乏，的煤粉被收集在沉降池里，氣化所需要的氧氣由空有幾家中型氮肥企業(yè)已與殼牌公司接觸,準(zhǔn)備將氣裝置提供,空分裝置來(lái)的氮?dú)饨?jīng)壓縮后為輸煤系Shell煤氣化裝置用來(lái)生產(chǎn)合成氨。統(tǒng)提供低壓氮?dú)夂透邏旱獨(dú)?。干燥后的合格的煤粉在已公開(kāi)的有關(guān)Shell煤氣化資料提供的數(shù)據(jù)被氮?dú)廨斔椭撩杭訅杭肮┝舷到y(tǒng),如需要,加壓后的的基礎(chǔ)上，參考有關(guān)粉煤氣化的理論,我們對(duì)山西晉煤粉、氧氣和蒸汽可以通過(guò)成對(duì)噴嘴進(jìn)入氣化爐,氣城地區(qū)的有關(guān)煤種的氣化工藝進(jìn)行了計(jì)算,得出了化爐的操作壓力為3. 0 MPa~4.0 MPa,反應(yīng)溫度合成氣成分及噸氨原料的氣化部分消耗,現(xiàn)就計(jì)算高達(dá)1400C~1700C,熔渣自氣化爐的下部流的過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行分析。出，與水接觸,形成固體顆粒通過(guò)灰鎖排出。溫度為1 500 C的出口氣體與冷激氣混合后,降至900 C1 Shell 煤氣化爐爐內(nèi)過(guò)程分析進(jìn)入廢鍋,經(jīng)廢熱鍋爐回收熱量,合成氣溫度降至250C ,再經(jīng)陶瓷過(guò)濾器將合成氣中的粉塵降至Shell煤氣化爐屬于氣流床加壓氣化,根據(jù)有關(guān)3 mg/m3~5 mg/m3 ,進(jìn)入水洗塔,使合成氣中的粉文獻(xiàn)[2]關(guān)于氣流床煤氣化理論的介紹，-般認(rèn)為氣塵含量進(jìn)-步降至1 mg/m*送后工序。化反應(yīng)區(qū)出口的氣體組成取決于氣化反應(yīng)區(qū)溫度下工藝特點(diǎn):的7中國(guó)煤化工成和CO2的還原反應(yīng)，碳轉(zhuǎn)化率>99.5 %或MHCN MH G△l(Ol=l平衡-l反應(yīng))的氣體成分中(CO + H2)的體積分?jǐn)?shù)>90 %某一溫芨下的半衡吊數(shù),△t被稱(chēng)為平衡溫距。氣流床反應(yīng)[]一般分為三個(gè)反應(yīng)區(qū):噴嘴內(nèi)焰收稿日期:2001-01-05.的有機(jī)組分的裂化反應(yīng)區(qū)、外焰的缺氧反應(yīng)區(qū)、爐內(nèi)作者簡(jiǎn)介:張華新,男,1971年出生,1993年7月畢業(yè)于山東.空間的平衡反應(yīng)區(qū)。由于物料切向進(jìn)入,增加了反應(yīng)工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程系，助理工程師。現(xiàn)從事有關(guān)煤氣化方面的技術(shù)工作。器內(nèi)的反應(yīng)物的混合程度,減少了產(chǎn)物的返混,使煤化工2001年第2期之更接近平推流反應(yīng)器。水煤氣的變換反應(yīng)在噸氨耗原料標(biāo)準(zhǔn)氣(CO +H2)按2160m3 /tNH31 300 C以上時(shí)反應(yīng)十分迅速，為簡(jiǎn)化計(jì)算,假定計(jì)算,已知合成氣中的H2、CO的含量已由計(jì)算得Shell煤氣化爐為平推流反應(yīng)器,這樣就可以用平衡出,又因?yàn)閂。也已由計(jì)算得到,不難計(jì)算噸氨消耗。溫距來(lái)近似地計(jì)算出反應(yīng)器的出口組成及有關(guān)消耗得到噸氨消耗以后,列出氫平衡方程和氧平衡指標(biāo),作為后工序裝置能力配套及投資概算的依據(jù)。方程,可以解出水蒸氣和氧的消耗。從殼牌公司正式公布的有關(guān)資料的數(shù)據(jù),可以計(jì)算現(xiàn)舉計(jì)算實(shí)例如下:(計(jì)算基準(zhǔn)為100 g干基出Shell煤氣化爐在1 500 C、40. 52 MPa(G)的條煤)件^下水煤氣反應(yīng)的Jp值為0.293 6,據(jù)計(jì)算shell煤已知:氣化爐在1 500 C、40.52 MPa(G)的條件下該反應(yīng)①陽(yáng)泉1礦樣煤的干基組成及發(fā)熱值如下(質(zhì)的logJp值在3.188左右。查表可以得到以上兩個(gè)量分?jǐn)?shù)):反應(yīng)的Jp、log Jp值分別為0. 293 6、3. 188時(shí)的平灰含量:19.99.H:3.12、O:2.77、N:1.11.衡溫度,就可以計(jì)算得到以上兩個(gè)反應(yīng)的平衡溫距。S: 1.4.C: 72.Qnet,p : 27 370 J/g;②-氧化碳變換反應(yīng)的Kp;反應(yīng)器二氧化碳2計(jì)算方程式的確定的log Kp值;有機(jī)硫(COS)轉(zhuǎn)化平衡常數(shù)值，碳的轉(zhuǎn)化率經(jīng)驗(yàn)值;從反應(yīng)的產(chǎn)物來(lái)看,CO2、CO、H2、H2O、N2、③吹掃及輸煤用氮的經(jīng)驗(yàn)用量;(H2S+COS)的體積占反應(yīng)產(chǎn)物體積的99.8 %以④CO、H2的燃燒熱。上，故可以近似地將其它成分忽略不計(jì),又因?yàn)镹2求:出口氣體組成、干煤氣產(chǎn)量、蒸汽消耗、氧氣和H2S是由反應(yīng)物料及粉煤輸送用氣所決定的,通消耗、干煤氣中的硫化物含量。過(guò)S、N平衡可以計(jì)算合成氣中的N2和H2S的體積平衡方程式的建立:分?jǐn)?shù)，建立以下幾個(gè)平衡方程式:(1)冷煤氣效率。在設(shè)備不變的情況下設(shè)備的(1)碳轉(zhuǎn)化率為99.5%可以得到反應(yīng)過(guò)程的熱損失及水冷壁吸熱可以認(rèn)為基本不變(2%~碳平衡方程式。3 %),在氣體出口的溫度恒定的情況下，氣體的顯(2)由冷煤氣效率可以得到CO和H2的體積熱可以認(rèn)為基本不變,因而,在進(jìn)料狀況.-樣的情況分?jǐn)?shù)的關(guān)系方程。下,冷煤氣效率也可以認(rèn)為是基本不變的,可以用已(3)由氣體體積分?jǐn)?shù)總和為1,可以得到CO、經(jīng)公開(kāi)的shell煤氣化的有關(guān)資料提供的經(jīng)驗(yàn)值82CO2H、H2O的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系方程式。%計(jì)算,得到:(4)變換反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物及反應(yīng)物的反應(yīng)系數(shù)[(Xco/22.4X 10-3) X 67.7+ (X,/22. 4 X均為1,經(jīng)計(jì)算,各組分在1 500 C、40. 52 MPa(G)10-*)X57.8]XVo=Qnet,pX0.82X 100下的逸度系數(shù)均接近1,根據(jù)以上計(jì)算得到的平衡(2)碳的轉(zhuǎn)化率為0. 995,得到:溫距可以得到平衡溫度下的Kp,由分壓計(jì)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常數(shù)的平衡關(guān)系方程式。有五個(gè)方程,可以解出(3)做硫、氮平衡,根據(jù)shell煤氣化爐的值,原XH, .Xco, .XH,o.Xco和V。五個(gè)未知數(shù)。料煤中有85%左右的硫轉(zhuǎn)入合成氣中。輸煤及吹除用氮量據(jù)殼牌經(jīng)驗(yàn)值為13. 12 g/100 g coal。其中,Kp一化學(xué) 反應(yīng)的平衡常數(shù);XeH,s+cos)六22.4X10-*XV。X32=0. 001 4XXH,、Xo2、XH,o、XcoH2、CO2、H2O、0.85X10-3X 100CO的體積分?jǐn)?shù);中國(guó)煤化工28=13. 12+1.11V。- 100g原料煤產(chǎn)生的合成氣體積，m*/100g煤。MYHCNM H Gxo,+xno+xXo≈1(5)同(4)的方法,利用二氧化碳的還原反應(yīng)的Qne.t原料煤的恒容低位發(fā)熱量,kJ/glog Kp值可以計(jì)算得到Xco,和Xco。XHs+cosH2S+COS在合成氣中的體積分計(jì)算過(guò)程中的計(jì)算基準(zhǔn)宜選擇干基無(wú)灰基煤作數(shù)為基準(zhǔn),以減少運(yùn)算難度。(4)因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)物及反應(yīng)物的反應(yīng)系數(shù)均為1,2001年5月張華新等:SHELL煤氣化爐的工藝計(jì)算及結(jié)果分析經(jīng)計(jì)算,各組分在1 500 C、.40. 52 MPa(G)下的逸表2計(jì)算結(jié)果的比較度系數(shù)均接近1,可以用分壓計(jì)算Kp,且Kp= K:項(xiàng)[陽(yáng)泉一礦榆次古交桃園K;= (XH,X Xco, )/(XH,oXXco)=0.293689. 9987. 7287. 65無(wú)3. 904. 004.28(5) log Kp≈log(Xc,/Xco)XP總≈3. 188灰3.464.114. 34取Vo值,經(jīng)反復(fù)試差計(jì)算得到:1.391. 261. 25組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如需要還可計(jì)算合成中的Cl、As等的含量。合H226. 4527. 9928. 48分別做氫平衡、氧平衡可以得到蒸汽消耗為H2O1.521.541.59212.25 kg/tNHs,氧氣的消耗為656. 0 m*/tNH3。根分H2S +COS0.410. 690.57據(jù)噸氨耗氫氮?dú)獾牧靠梢杂?jì)算噸氨的原煤消耗為N:5. 625. 34單立1.091.021.031 166.2 kg/tNHs,折標(biāo)準(zhǔn)煤1 089.12 kg/tNHs。￥計(jì)算完畢。產(chǎn)氣量/203.00.202. 30209. 10量m’●(100 kg)3各礦點(diǎn)的煤樣在shell 煤氣化爐中的計(jì)算噸實(shí)物煤/kg.1 166.20| 1 173.70| 1 130. 94 .氧氣/m2656. 00613. 56617. 78結(jié)果肖蒸汽/kg212.25240. 68226. 00.耗標(biāo)準(zhǔn)煤/kg1 089.12| 1 086. 111 080. 12按以上的計(jì)算方法分別對(duì)山西榆次、古交等礦點(diǎn)的煤樣做同樣的運(yùn)算,得到合成氣成分(體積分(4)與單位原料煤產(chǎn)合成氣密切相關(guān)的是原料數(shù))、每100kg原料煤產(chǎn)氣量(m*/100 kg煤)及噸氨煤的熱值.熱值越高每100 kg原料煤產(chǎn)合成氣越消耗,列于表1.表2。表1原料煤的干基組成如果有必要還可以根據(jù)合成氣中的有機(jī)硫原料煤的干基陽(yáng)泉一礦榆次古交桃園(COS)轉(zhuǎn)化平衡常數(shù)值計(jì)算COS和H2S的含量。組成及熱值計(jì)算誤差的主要來(lái)源是水煤氣反應(yīng)與二氧化碳C72.0069. 7271. 57的還原反應(yīng)的平衡溫距的差異以及氣化爐內(nèi)平衡反3.123. 183. 502. 773. 243. 54應(yīng)區(qū)反應(yīng)溫度的不同。設(shè)備和工藝條件決定了氣化1.111. 00爐的操作溫度的差別不會(huì)太大，當(dāng)選擇的原料煤的1.402. 342.02 .灰熔點(diǎn)太高時(shí)必須加入助熔劑以利于排渣和保護(hù)設(shè)灰分19. 9920. 5218. 35備,溫度太低必然使氣體質(zhì)量下降,蒸汽和原料煤的Qnt.p/.24. 2127. 12消耗上升,所以不同煤種的適宜操作溫度是近似的,kJ●g對(duì)于概略計(jì)算來(lái)說(shuō),不同煤種在shell氣化爐中的反應(yīng)溫度和平衡溫距引起的誤差也是可以接受的。4計(jì)算結(jié)果分析參考文獻(xiàn):從計(jì)算結(jié)果的比較可以看出:[1] Ir L O M Koenders. 具有競(jìng)爭(zhēng)性的謝爾煤氣化工藝(1)原料煤中的碳的含量(干基無(wú)灰基)越高，[J].大氮肥, 1995.168.制取的合成氣中的CO的含量越高。[2]中國(guó)煤化工4].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，(2)煤樣中的碳的含量(干基無(wú)灰基)越高,噸FYHCNMHG氨氧耗就越高。[3]于遵宏等.大型臺(tái)成氨1工藝過(guò)程分析[M].北京:中(3)噸氨消耗的比較中,標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗是十分國(guó)石化出版社,1993.接近的。Analysis and Process Calculation of SHELLCoal GasifierZhang HuaxinXiao Guangsheng Zhu Jiang(Dezhou Hengsheng Hualu Chemical中國(guó)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