第36卷第2期化工設(shè)計通訊Vol.36 No.22010年6月Chemical Engineering Design CommunicationsJun.2010殼牌(SHELL)氣化爐在環(huán)保中的應用及存在的問題劉芃鑫郭明 波(河南煤業(yè)化工集團中原大化集團公司,河南濮陽457004)摘要:殼牌(hell)干煤粉氣化工藝是殼牌(ShelI)公司開發(fā)的煤粉 氣化工藝,具有鮮明的技術(shù)特色,也是當前先進的第二代煤氣化工藝,工藝相對成熟,已廣泛運用于發(fā)電、合成氨等行業(yè)。殼牌(SHELL)氣化爐的問世,無疑對改善我國環(huán)境條件將起到十分重要的作用。但由于在干粉氣化工藝設(shè)計和運行方面經(jīng)驗不足,現(xiàn)有殼牌(SHELL)氣化爐均不同程序地存在一- 些問題。關(guān)鍵詞:殼牌(SHELL)氣化爐;干粉氣化工藝;環(huán)保中圖分類號:TQ113.25*4文獻標識碼:A文章編號:1003-6490(2010)02 - 0000 -04其中第一步的放熱反應釋放的能量用于推動第二步1殼牌(SHELL)氣化爐燃燒原理的吸熱反應:(1)燃料+ 02= sCO↓2+ H↓20+能量殼牌煤氣化工藝Shell Coal Gasification Process(2)燃料+ CO2+ H20+能量=CO+ H2(SCGP)屬于當前先進的第二代煤氣化工藝,具有碳然而為了真正的理解氣化過程,應當知道更為基轉(zhuǎn)化率高,對原煤要求低適用與絕大部分煤種。具本的氣化方程。為簡便起見,在這些方程中把煤表示體燃燒原理如下:為純碳,習慣上負的反應熱將表示生成熱量。對煤而來自粉煤給料倉的粉煤,用高壓氮氣或二氧化碳言可以區(qū)分出下列幾個氣化反應:送至煤氣化燒嘴。同時,來自空分的加壓氧氣經(jīng)預熱C+ 1/202=C0(1) - 110MJ/kmole C后也進入氣化燒嘴。C+ H20∈C0+ H2(2) + 131MJ/kmole CSCCP工藝采用了有多個燃燒器的水冷卻膜壁C+ 2H2CH4(3) - 75M]/kmole C的氣化,可以用下列總反應說明SCGP中的簡化后的這些反應說明,含碳燃料事實上以三種方式進行煤(和焦炭)氣化反應:氣化,即:(1)部分氧化反應, (2)和水蒸汽的吸熱轉(zhuǎn)化CH+ 1/202=C0+ 1/2H2反應和(3)加氫氣化反應。其中,CH是煤的簡化分子式。實際上部分氧化反應必須分為二步:這個簡化方程式可以認為是通過二步法實現(xiàn)的,中國煤化工- 393MJ/kmole C收璃日期:2010-03-08fHCNMHG作者簡介:劉茂鑫(1983- ),男, 2006年畢業(yè)于鄭州大學,助理工程師,現(xiàn)在河南煤化集團中原大化公司氣化廠控制室工作。聯(lián)系電話:13949703926 E- mail:uptitan@ 163.com?；ぴO(shè)計通訊第36卷C + CO2=2CO(5) + 173MJ/kmole C2.4膜式水冷 壁結(jié)構(gòu)這分開的二步表明氣化反應進行時需要的能量氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu),無耐火磚襯里。水冷壁是內(nèi)部產(chǎn)生的。而且它表明,第二步反應應當是平衡設(shè)計壽命按25a考慮。正常生產(chǎn)維護量很小，運行周反應。.期長，也無需設(shè)置備用爐。商業(yè)化運行單臺爐日處理氣化爐為立式壓力容器,爐內(nèi)為水冷壁組成的氣煤量已達2 000t,目前,正在設(shè)計更大規(guī)模的裝置。化室,煤氣化燒嘴位于氣化室中下部燒嘴二個一組2.5合理的燒嘴設(shè)置 可有效的延緩燒嘴壽命對稱布置。由煤氣化燒嘴噴人的煤粉、氧及蒸汽的混每臺氣化爐設(shè)有4個燒嘴，故對生產(chǎn)負荷調(diào)節(jié)比合物在1 500C高溫下,瞬間完成煤的氣化反應,生成Texaco單個燒嘴更為靈活,范圍也更寬。Shell 燒嘴(CO+ H2)含量很高且夾帶飛灰的粗煤氣,由下向上保證壽命為8 000h,目前運行已超過16 000h。燒嘴從氣化爐頂排出。為防止飛灰粘結(jié)在后續(xù)設(shè)備,在氣的使用壽命長,也是氣化裝置能長期運行的一個重要化爐反應段出口處均勻噴人循環(huán)返回的200%低溫保證。激冷氣,將其激冷至900C,使飛灰固化,再進入合成2.6 熱效率高氣冷卻器回收熱量,合成氣溫度降至350C左右進入Shell煤氣化的冷煤氣效率達到78% ~ 83% ,其后續(xù)設(shè)備。余~ 15%副產(chǎn)高壓或中壓蒸汽,總的原料煤的熱效率達98% ,處于很高水平。.2殼牌(SHELL)氣化爐的特點2.7對環(huán)境影響小氣化過程無廢氣排放。系統(tǒng)排出的融渣和飛灰殼牌(Shel)干煤粉氣化工藝是殼牌( Shell)公司含碳低,可作為水泥等建筑材料,堆放時也無污染物開發(fā)的煤粉氣化工藝,具有鮮明的技術(shù)特色,也是當滲出。氣化污水不含焦油、酚等,容易處理,需要時前先進的第二代煤氣化工藝,工藝相對成熟,已廣泛可作到零排放。.運用于發(fā)電、合成氨等行業(yè)。殼牌粉煤氣化工藝具有如下特點:3殼牌(SHELL)氣化爐在環(huán)保中2.1采用干煤粉作 氣化原料,煤粉用情氣輸送,操作的應用十分安全對煤種的適應性比較廣泛,從較差的褐煤、次煙世界經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展，也給人類賴以煤、煙煤到石油焦均可使用;對煤的灰熔點適應范圍生存的大氣環(huán)境帶來了 破壞作用。當人類生活和生比其它氣化工藝更寬,即使是高灰分、高水分、高硫的產(chǎn)活動所排放的污染物超過了環(huán)境本身的自然降解煤種也能使用。,能力時,災難性的大氣污染、酸雨、溫室效應和臭氧層2.2氣化溫度高的破壞等問題,就變的越來越嚴重。這些環(huán)境問題主氣化溫度-般穩(wěn)定的維持在1 400~ 1 600C,碳要是燃燒礦物燃料造成的。礦物燃料所產(chǎn)生的污染轉(zhuǎn)化率高達99%,合成氣質(zhì)量好。煤氣中甲烷含量物，主要有三大類:一是氣體污染;而是粉塵及礦物質(zhì)極少,不含重烴,CO+ H2達到90%。由于氣體中有雜志污染;三是廢水污染。而我國是產(chǎn)煤大國,一次.效組分高,煤氣總量有所減少,因而氣化消耗煤量也.能源消費中76%以上是煤炭;而在煤炭的利用中,約可降低。84%是直接用于燃燒獲取熱能,其中燃煤大戶是火力2.3氧耗低發(fā)電廠。從火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程來講，污染物的排采用干煤粉進料與水煤漿氣化相比不需在爐內(nèi)放主中國煤化工物;其中最主要的是蒸發(fā)水分,氧氣用量因而可減少15% ~ 25% ,從而降危害MHCNMHG低了成本。配套空分裝置規(guī)模相對減小,投資也可相排放到大氣中的SO2和NO,將導致嚴重的環(huán)境應降低。問題,除了其本身的強刺激性外,他們與空氣中的水第2期劉芃鑫,郭明波:殼牌(SHELL)氣化爐在環(huán)保中的應用及存在的問題蒸氣相遇時,還會變成硫酸和硝酸,硫酸和硝酸隨著以上反應在1 400C~ 1 600C的爐膛中基本完雨水降落就形成了酸雨。酸雨會以不同方式危害自全反應,反映產(chǎn)生的SO2、H2S隨合成氣進入合成氣然界的陸生生態(tài)系統(tǒng)及水生生態(tài)系統(tǒng)。我國是世界冷卻器冷卻到300C左右后，進入濕洗工段,含S的上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國,由于國內(nèi)僅有極少數(shù)合成氣在濕洗塔中經(jīng)3層填料床被水與20%左右的燃煤電廠與工業(yè)鍋爐用戶對燃用煤進行了脫硫處理,Na0H的混合液反洗。在此間含SO2、H2S的酸性溶導致SO2等污染物的排放量逐年增長,并使我國成為液與NaOH發(fā)生中和反應,最終以鹽的形式脫除了合了世界頭號SO2排放大國。目前，我國降雨pH值小成氣中的s,同時氣化反應產(chǎn)生的其他酸性氣體如于5.6的酸雨區(qū)面積已達40%,每年酸雨造成的損失HCN、NH3和甲酸,以及煤中存在的大多數(shù)Cl.F和與超過百億元。Se所轉(zhuǎn)化成的酸都在濕洗工段中以同樣的方式被CO2作為主要的溫室氣體是地球臭氧層被破壞脫除。.以及全球變暖的頭號殺手,其不能燃燒以及不穩(wěn)定的3.3在減少 CO2污染方面水溶性等特性導致其很難被處理,但是由于我國工業(yè)粉煤在爐膛中發(fā)生了部分完全反應的日益發(fā)展以及煤炭燃燒在獲取能量方式中占據(jù)著C+ O2= =CO2近80%的重大份額,導致CO2的排放量日益增加。2C + 02=2C0在嚴峻的形式面前,對SO2、CO2和NO,等有害使CO2和CO共存于合成氣中。而且煤粉的輸氣體的的處理已刻不容緩。而殼牌(SHELL)氣化爐作為-種新型燃燒技術(shù)，送用CO2作為載氣,使得合成氣中CO2有一定的含其在燃燒過程中能有效的控制SO2 .CO2和NO,的生量,而為了環(huán)保并使更多的有害氣CO2變?yōu)橛行釩O,在工藝允許的前提下盡量提升爐膛溫度使反應C成和排放,是-種相對清潔的燃燒方式。+ CO2-2C0盡量向正向移動。同時合成氣中未能3.1在減少 NO,污染方面NO,是氣化爐燃燒生成的氮氧化物NO和NO2加以轉(zhuǎn)化的CO2在后續(xù)低溫甲醇洗工段加以吸收并的統(tǒng)稱。在爐內(nèi)燃燒的過程中,生成氮氧化物的機理經(jīng)壓縮機輸送回前系統(tǒng)作為粉煤的載氣繼續(xù)使用,大可分為熱力型NO,和燃料型NO,兩類。熱力型NO,幅度降低了CO2的直接排放量。是指送入爐內(nèi)燃燒用空氣中的熱力型N2,在高溫條3.4在減少燃燒產(chǎn) 物污染方面粉煤在燃燒后所剩余的煤渣,飛灰和工藝中的污件下氧化生成的氮氧化物,如下所示:2N+ 02-→2NO水作為燃燒產(chǎn)物也經(jīng)過-系列處理，在經(jīng)過鎖斗減壓熱力型NO,的生成與爐膛溫度關(guān)系極大,當爐和氣提等處理后,達標的產(chǎn)物將重新加以利用。膛溫度大于1 100C時,熱力型NO,才有較快的反應系統(tǒng)排出的融渣和飛灰含碳低,可作為水泥等建速度。殼牌(SHELL)氣化爐(爐膛燃燒溫度1 400C筑材料,堆放時也無污染物滲出。氣化污水不含焦~1600C)雖然具有較高的爐膛溫度,但是由于有激油、酚等,容易處理,需要時可做到零排放。冷氣循環(huán)系統(tǒng)的存在,使得200C的低溫氣返回至爐綜上所述殼牌(SHELL)氣化工藝從很大程度上膛,從而使爐膛內(nèi)的平均燃燒溫度通常控制在800C降低了有害物質(zhì)的排放,在環(huán)保方面有著突出的表~900C的范圍內(nèi),低的燃燒溫度使燃燒過程中由于現(xiàn)。因此,殼牌(SHELL)粉煤氣化技術(shù)是目前工業(yè)應高溫氧化所產(chǎn)生的熱力型NO,大幅度降低。用中最經(jīng)濟有效的低污染氣化技術(shù),這也是它在世界3.2在減少 SO2污染方面范圍內(nèi)得到重視、得到快速發(fā)展的重要原因。煤中的s在氣化反應中都轉(zhuǎn)化為SO2、H2S等形中國煤化工作為一種清潔高效式加人到合成氣中。如下所示:的氣YHCNMHG電,資源綜合利用，S+ 02→SO2環(huán)保產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域取得重大發(fā)展,創(chuàng)造優(yōu)良的經(jīng)濟效益S+ H2→H2S和社會效益。4化工設(shè)計通訊第36卷質(zhì)泄漏從而引發(fā)事故。4殼牌(SHELL)氣化爐運行中存5殼牌(SHELL)氣化爐的發(fā)展在的問題前景殼牌(SHELL)氣化爐雖然有著較好的環(huán)保特性，但在運行中暴露出不少問題,有些問題相當嚴重,直殼牌(SHELL)氣化爐的燃燒方式是一種高效、清接影響了這一技術(shù)的進--步發(fā)展和商業(yè)市場的競爭潔的燃燒方式,對有害污染物質(zhì)的處理比較得當排放能力。并且發(fā)生的問題帶有很大的普遍性。具體地達到環(huán)保標準，且操作簡單,經(jīng)濟性好,所以,隨著全說,有以下幾個問題:社會對環(huán)境保護的日益重視,殼牌(SHELL)氣化爐必4.1煤種變化問題然會得到很大的發(fā)展。由于殼牌(SHELL)氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率比較高,能同時,也也應該看到,在現(xiàn)階段,殼牌(SHELL)氣夠適用與絕大部分煤種。但如若這樣- - 旦煤種(包括化爐存在的問題還有很多,有些問題甚至很棘手。對灰份含碳量灰熔點揮發(fā)份)發(fā)生變化,會導致整個此,我們必須有- -個清醒的認識。氣化系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的波動之中,直接影響爐膛反應在對待殼牌(SHELL)氣化爐的發(fā)展問題上我們溫度合成氣有效組分含量等重要數(shù)據(jù)。不能盲目樂觀，認為前景一片光明,也不能因為發(fā)生4.2爐膛溫度難以控制了比較多的問題而一概否定。 對發(fā)生的問題應仔細由于殼牌(SHELL)氣化爐的反應溫度高達1 400分析,找出原因,并進行認真研究,逐個加以解決。只~1 600C這使在裝置運行過程中直接用電藕對爐溫有這樣,殼牌(SHELL)氣化爐技術(shù)才能健康發(fā)展,相進行測量并加以控制增加了難度,而如間接的通過中信經(jīng)過不懈的努力,我們能夠研制出適合我國煤資源壓氣包的蒸汽產(chǎn)量或者合成氣中的CO2的含量加以特點的新-代高效低污染大容量殼牌(SHELL)氣判斷又存在著干擾因素,這個無形中為維持穩(wěn)定的爐化爐。膛溫度增加了難度。殼牌(SHELL)氣化爐能將節(jié)約能源與環(huán)境保護4.3 受熱不均勻二者有機的結(jié)合在一起，從而提高燃煤的有效利用由于殼牌(SHELL)氣化爐采用的是膜式水冷壁率。但殼牌(SHELL)氣化爐還存在許多問題有待進對爐膛換熱,所以這對水冷壁中751路水管中的循環(huán)- -步完善 ,使之不斷改進和提高,相信殼牌(SHELL)水的清潔程度有很高的要求,如一根管發(fā)生堵管現(xiàn)象氣化爐在我國將 會有更廣闊的發(fā)展前景。則將導致該管負責換熱的區(qū)域換熱不良,使該區(qū)域受熱不均勻?qū)е鲁瑴?容易燒毀反應室爐膛壁。[參考文獻]4.4 燒結(jié)金屬容易損壞金屬管線沖刷嚴重[1] 唐旭華.電氣識圈與控制[M].北京:化學工業(yè)出版社，1997. 12.由于殼牌( SHELL)氣化爐采用干粉加壓給料系[2] 施仁.自動化儀表與過程控制[M].北京:電子工業(yè)出版社,統(tǒng),煤粉的供給包括燃燒副產(chǎn)品渣和灰的充泄壓處2003.3.理需要借助鎖斗頻繁的充泄壓。這使得設(shè)備中的燒[3]顧國維,高廷耀 .水污染控制工程[M].北京:高等教育出版社,2002.8. .結(jié)金屬遭到強烈的沖刷。包括其運輸管線在輸送過[4] 馬廣大,郝吉明.空氣污染控制工程[M].北京:高等教育出版程中也受到來自內(nèi)部介質(zhì)的沖刷摩擦。容易造成介社,2003.5.中國煤化工歡迎征訂、投稿CNMHG .告《化工設(shè)計通訊》編輯部