第33卷化肥工業(yè)第6期Shell煤氣化技術及其在我國的應用汪家銘(川化集團有限責任公司成都 610301)摘要Shell謀氣化技術歷經(jīng)30多年的發(fā)展,巳成為當今世界上先進的潔凈煤氣化技術之一。介紹了Sbell煤氣化技術的發(fā)展歷程技術特點、目前國內(nèi)應用中存在的一些問題以及國內(nèi)引進裝置的建設和投產(chǎn)情況。關鍵詞Shell 煤氣化技術應用Shell Coal Gasification Technology and its Use in ChinaWang JjamingAbstract The Shell coal gasification technology has experienced over 30 years of developmentand become one of the advanced clean coal gasification processes in the world at present. A descriptionis given of the course of development of the Shell technology, its technical features, some problems inits use at home curently and the construction and onstream situation of the units imported.Keywords Shell coal gasifcation technology use煤氣化技術是一-種最潔凈的煤炭綜合利用技近年來Shell公司極力開拓中國市場,從術,能夠避免煤炭直接燃燒產(chǎn)生的污染。該技術2001年6月在國內(nèi)簽訂第-一個技術轉讓協(xié)議起，是將煤炭轉化為含有H2和CO的粗合成氣,然后5年多來已有15家企業(yè)陸續(xù)與之簽訂了技術轉作為工業(yè)原料再加工成各種化工產(chǎn)品。讓協(xié)議。到目前為止，已有1套SCGP裝置順利從煤氣化技術發(fā)展進程來看,早期的煤氣化建成投產(chǎn),并取得了良好的經(jīng)濟效益。本文簡要技術都是使用塊煤和小煤粒作為氣化原料制取合介紹SCGP的發(fā)展歷程、技術特點、在國內(nèi)應用中成氣,稱為第-代煤氣化技術。進人20世紀80存在的一些問題及目前技術轉讓項目的進展概年代后,隨著潔凈煤氣化工藝的開發(fā)和研究,采用況。先進的氣流床反應器,以水煤漿或千粉煤為原料，大規(guī)模、單系列、加壓氣化實現(xiàn)了工業(yè)化應用,稱SCGP發(fā)展歷程為第二代煤氣化技術。Shell公司的石化燃料氣化可以追溯到20世Shell 煤氣化技術( SCGP)是目前世界上較為紀50年代,當時開發(fā)了以渣油為原料的Shell 氣先進的,屬于氣流床氣化的第二代煤氣化技術,其化工藝(SGP) ,20世紀70年代初期又在渣油氣工藝過程為粉煤、氧氣及少量水蒸氣在加壓條件化的基礎上開發(fā)了Shell粉煤氣化技術。Shell 粉下并流進入氣化爐內(nèi),在極為短暫的時間內(nèi)完成煤氣化技術從1972年開始進行中試，前后經(jīng)歷了升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒及轉化等-系列物30多年的技術開發(fā)歷程(表1)。理和化學過程,氣化產(chǎn)物是以H2和CO為主的合成氣,CO2含量很少,典型的SCGP煤氣成分為CO2 SCGP 的技術特點65% H2 30%、N2 +Ar3. 1%、CO2 1. 6%、H,S +(1)煤種適應性廣。Shell 氣化爐可以采用C0S0.3%、CH,微量。無煙煤、煙煤、褐煤石油焦等原料,對煤的灰熔點本文作者的聯(lián)系方式:ijming56@ sohu. com第33卷化肥工業(yè)第6期表1 Shell 煤氣化技術(SCCP)的發(fā)展歷程時間日投煤量t/t裝置建設地點運行情況19766Shell阿姆斯特丹研究中心試驗了30多個不同煤種,試用多種設備材料及氣體處理工藝1978 .150Shell德國哈爾堡煉油廠運行了6 100 h,進行操作程序的優(yōu)化工作運行15 000 h,進行了18種高硫、高灰分、高水分的原料煤的試1987220-330美國休斯頓 Shell石油公司迪爾帕克廠1988 -19931998年實現(xiàn)商業(yè)化運行,成功地氣化了12個煤種,氣化壓力裝置建設2000荷蘭發(fā)電局德姆克勒公司聯(lián)合循環(huán)發(fā)2.8 MPa,碳轉化率>99% ,氣化裝負荷40% - 100% ,運轉率1997 - 1998電廠95%以上示花運行2006年5月17日生產(chǎn)出合格合成氨用原料氣,成為世界上首2006900中國湖北雙環(huán)化工集團有限公司套用于合成氨生產(chǎn)的Shell煤氣化裝t范圍比其它氣化技術更寬,對于較高水分、灰分和計設備制造、工藝流程和試車投產(chǎn)的情況來看，含硫量的煤種也同樣適應。以下幾個方面值得關注。(2)單系列能力大。目前已投入生產(chǎn)運行的(1)適用范圍單臺氣化爐內(nèi)徑4 600 mm,氣化壓力4.0 MPa,日SCCP生產(chǎn)的合成氣,在國外主要用于發(fā)電，投煤量達2 000 t以上,更大規(guī)模日投煤量2 500t作為生產(chǎn)合成氨、甲醇的原料還沒有使用的先例，以上的氣化裝置也正在實現(xiàn)工業(yè)化。其工藝流程和一些操作數(shù)據(jù)都是根據(jù)發(fā)電流程得(3)氣化溫度高。氣化溫度為1 450~1 600到的,并不完全適合于氫、氨、醇的生產(chǎn)。目前國C ,碳轉化率可達99%左右,氣體產(chǎn)品潔凈,煤氣內(nèi)SCGP的引進主要是用于制合成氨和甲醇的原中有效成分可達90%以上,冷煤氣效率達80% ~料氣,由于沒有成熟的經(jīng)驗可供借鑒,在設備制85%,其余15%熱能被回收副產(chǎn)中壓或高壓蒸造、流程配置、施工管理投料試車到操作運行等汽,總熱效率在98%左右。方面,都要有一個逐步消化吸收和認識掌握的過(4)氧耗量低。氣化氧耗量比水煤漿氣化工程。此外,裝置的高壓氮氣和超高壓氮氣的用量藝低15% ~ 20% ,噸煤氣化氧耗量約為600 m'都很大,這在-定程度上部分抵消了其節(jié)能的優(yōu)(神府煤) ,因而與之配套的空分裝置可相應減少勢。投資費用。(2)設備制造(5)運轉周期長。氣化爐壁冷卻采用水冷膜Shell煤氣化裝置的氣化爐、輸氣導管、廢熱壁結構型式，并采用掛渣措施保護氣化爐壁,無耐鍋爐三大關鍵設備的內(nèi)件都是在國外制造,工期火磚襯里;噴嘴設計使用壽命為8 000 h,維護工較長;噴嘴煤粉閥、排渣閥、灰閥等設備制造困作量小;氣化爐內(nèi)無轉動部件運轉安全可靠。難、要求精度高,完全依賴進口;飛灰過濾器、高壓(6)環(huán)境效益好。SCGP從煤粉制備到產(chǎn)生氮氣緩沖罐等大型設備的運輸、現(xiàn)場加工和安裝潔凈合成氣的整個生產(chǎn)過程中,對污染物都實行都比較困難;與之配套的磨煤機、激冷氣壓縮機、了全過程控制,高溫氣化物不產(chǎn)生焦油、酚等凝聚強制循環(huán)泵在國內(nèi)都是第一-次制造,缺少制作經(jīng)物,高溫排出的熔渣經(jīng)激冷后成性質穩(wěn)定的玻璃驗;由國內(nèi)制造的氣化爐外殼、廢熱鍋爐外殼等與狀顆粒,可作為商品出售;氣化污水中含氰化物內(nèi)件的現(xiàn)場組裝技術精度要求高、難度大,制造成少,易于處理;利用高效飛灰過濾器除塵回收飛本也較高?；?并可返回氣化爐循環(huán)使用。(3)煤質要求從理論上來說，SCGP的煤種適應性廣泛,但3存在的問題研究表明,并不是所有的煤種都適用于SCGP。為雖然SCGP是目前世界上最先進的煤氣化技了確保煤氣化裝置的長周期穩(wěn)定運行，要選用灰術之一,但由于其生產(chǎn)鏈長、工程量大,在裝置設熔點低、活性好、灰分含量低的煤種,對于灰熔點第33卷化肥工業(yè)第6期較高的煤種需加人助燃劑以改變?nèi)墼男阅?通備數(shù)量較多,特別是氣化爐和廢熱鍋爐的投資很常煤的灰分質量分數(shù)在8% ~ 15%為最佳。在實大,制造工藝復雜。目前國內(nèi)引進的10余套際運行中,必須根據(jù)用戶提供的煤種經(jīng)過試燒,才SCCP裝置無- -例外地選用了氣化爐+廢熱鍋爐能準確地進行工業(yè)化生產(chǎn)裝置的設計。的流程,由此每套裝置的投資費用至少增加1億(4)操作控制元以上。是否一定要采用這種流程配套,還值得Shell煤氣化裝置的組態(tài)技術復雜、自動化控商榷。對于同樣規(guī)模的煤氣化裝置，SCGP的投制程度高,其中包括Shell專有的工藝計算機控制資比Texaco和GSP都要高。技術,采用串級、前饋分程、比值的順序控制和邏(7)建設周期輯控制,通過DCS、ESD、PLC實現(xiàn)生產(chǎn)過程的集國內(nèi)第- -套引進SCGP的是湖北雙環(huán)公司，中控制和管理,使氣化裝置在最佳的操作狀態(tài)下于2001年6月簽訂技術轉讓協(xié)議,開始工藝包設運行。全套裝置共有20多個開停車聯(lián)鎖, -旦操計和基礎工程設計,2002年7月進行詳細工程設作中出現(xiàn)問題就會立即聯(lián)鎖停車以保護裝置的安計,2005年初項目建成,2006年5月投料試車成全,因此對配套工程、設備維護的要求就相當嚴功，前后歷時近5年。用于合成氨生產(chǎn)的柳化公格。司和中石化湖北分公司原計劃開車的時間一再推(5)除塵能力遲,可望在近期投產(chǎn),但也都是2001年開始實施按SCCP裝置的設計，經(jīng)高溫多室式陶瓷除項目的，至今也有5年多的時間了。其它項目均塵器后的氣體中的微粒不大于2.0 μm,這對于發(fā)是在2003 -2004年間簽訂技術轉讓協(xié)議的,投產(chǎn)電裝置來說并不存在較為嚴重的影響。但生產(chǎn)合日期至少還得1 ~2年。因此,引進項目的建設周成氨和甲醇的合成氣中若帶有這種微粒，就可能期長,相應投資回收期也長。進入變換催化劑中,或者經(jīng)過變換催化劑后進入低溫甲醇洗系統(tǒng)中。目前的設計是在陶瓷除塵器4應用概況后增設濕法洗滌塔,具體應用效果需在長期生產(chǎn)SCCP生產(chǎn)的合成氣用途廣泛,既可用作生運行過程中才能得到檢驗。產(chǎn)化工產(chǎn)品的原料,又可以用于制取運輸燃油、城(6)投資費用市煤氣、合成天然氣及發(fā)電。目前國內(nèi)已經(jīng)簽約日投煤量為2 000 t的Shell煤氣化裝置總投引進的15套SCGP裝置建設及投產(chǎn)情況如表2資為10 ~20億元,且選材很苛刻,要求進口的設所示。表2國內(nèi)引進的 SCCP裝建設及投產(chǎn)情況企業(yè)名稱日投煤量/產(chǎn)品名稱簽約日期計劃開車時間湖北雙環(huán)化工集團有限公司900合成氨2001 -062006-05中石化岳陽亮牌煤氣化有限公司2 0002001 -112006廣西柳州化工股份有限公司I 30020012006-09中石化湖北化肥分公司2000中石化安慶分公司2003云天化集團天安有限公司2 8002007云南沾化有限責任公司2 900合成氨.200大化集團有限責任公司1 100甲醇2004 -02永城煤電(集團)有限責任公司河南中原大化有限公司河南開祥化工有限公司2004-02河南新鄉(xiāng)中新化工集團有限公司1000中國神華內(nèi)蒙古煤制油有限公司2x2 000制氫2004 -04天津渤?；ぜ瘓F天津堿廠合成氨、甲醇、丁辛醇2006 -032009中國神華寧夏煤業(yè)集團4x2 0002006 -0720123第33卷化肥工業(yè)第6期4.1合成氨19日簽訂Shell煤氣化工藝技術轉讓合同, 2003(1)湖北雙環(huán)年10月28日動工興建。因投產(chǎn)日期數(shù)次推遲,國內(nèi)引進SCGP用于合成氨生產(chǎn)的裝置有7目前上述2個項目仍未能建成投產(chǎn)。套,其中最先簽約的是湖北雙環(huán)。2001年6月經(jīng)其它引進SCCP用于合成氨生產(chǎn)的中石化安原國家經(jīng)貿(mào)委批準立項,該裝置的煤氣化部分由慶分公司云天化集團天安公司云南沾化公司均Shell公司提供基礎設計包，五環(huán)公司進行詳細工是在2003年簽訂技術轉讓協(xié)議的,其中云南的2程設計,配套公用工程由雙環(huán)公司設計院設計。個項目已于2003年11月動工興建,估計最早也經(jīng)過5年多的基礎設計、設備制造、配套安裝,要在2007年才能建成投產(chǎn)。2006年5月17日投料試車成功,當天生產(chǎn)出合4.2甲醇格的合成氨原料氣,成為國內(nèi)采用SCGP生產(chǎn)合用于制取甲醇的SCGP簽約都是在2004年。成氨的第-套裝置,也是世界上首套用于生產(chǎn)合河南永城煤電公司于2004年2月與Shell就500成氨的SCGP裝置。kt/a甲醇工程煤氣化技術轉讓正式達成協(xié)議。永該項目是湖北雙環(huán)實施的“油改煤”工程,先煤集團作為國內(nèi)新興的優(yōu)質無煙煤生產(chǎn)基地,采后累計投資7.19億元。該公司原200 kVa合成用SCGP生產(chǎn)500kVa甲醇項目將成為國內(nèi)單系氨裝置采用的原料是價格昂貴的重油,在該裝置列最大的甲醇生產(chǎn)裝置,也是世界上第-套用于建成后,取代重油的是價格便宜的河南粉煤。以生產(chǎn)甲醇的SCGP裝置。前每生產(chǎn)1t合成氨需0.84t重油,油價為3200中原大化煤化工項目總投資50億元,采用元/t,現(xiàn)在噸氨耗1. 45 t粉煤,煤價基本穩(wěn)定在SCGP生產(chǎn)甲醇,已于2005年1月18日開工建470元/t左右,僅此- -項每天可降低生產(chǎn)成本109設,2010年建成后將達到500 kt/a甲醇、100 kt/a萬元。據(jù)初步測算,裝置正常運行后，每年可節(jié)約二甲醚.50 kV/a聚甲醛的生產(chǎn)能力。整個工程分生產(chǎn)成本2億元。目前該裝置的生產(chǎn)負荷已逐步三期建設,其中一期工程計劃投資16.4億元,預提高至110% ,各項工藝指標運行正常,合成氣和計在2007年建成投產(chǎn)。有效氣產(chǎn)量均達到設計值,原有的重油氣化裝置4.3制氫已全部停車。直接液化的煤制油工藝是煤炭在高溫、高壓(2)廣西柳化條件下,催化加氫直接液化成液態(tài)烴類化合物,煤廣西柳州化工股份有限公司于2001年10月氣化的制氫裝置是用于提供煤制油所需的氫氣。與Shell公司正式簽訂技術轉讓協(xié)議,2004年42004年4月12日,Shell公司正式向中國最大的月工程開始全面啟動。目前該項目已基本建成，煤炭企業(yè)神華集團轉讓SCGP技術,在內(nèi)蒙古建即將進入投料開車的關鍵階段。設一家日投煤量為4 000 t煤氣化廠,年生產(chǎn)油品該項目建成投產(chǎn)及配套的變換和冷凍項目完1 000 kt,預計在2007年建成投產(chǎn)，將成為國內(nèi)第成后,柳化的合成氨生產(chǎn)能力將達到300 kVa,噸-套采用SCGP煤炭直接液化制油的生產(chǎn)裝置。氨煤耗從1.68t下降至1.33 t,由此合成氨成本2006年7月11日,Shell公司與神華寧夏煤下降幅度約38% ,尿素成本下降34% ,硝酸成本業(yè)集團公司簽訂了聯(lián)合研究協(xié)議，除采用Shell煤下降26%。同時由于采用蒸汽透平代替電力驅炭間接液化核心技術外,雙方還決定在寧夏寧東動壓縮機,使噸氨電耗從1 300kW .h降至150煤炭基地投資60億美元共同開發(fā)煤炭間接液化kw. h。按合成氨產(chǎn)量粗略計算，噸氨成本為項目,將共建1座日產(chǎn)汽油、柴油等油品及化工原900元左右,每年可降低生產(chǎn)成本約3億元。料7萬桶的煤炭間接液化工廠, 年處理煤炭3200(3)其它裝置kt,預計在2012年投入運行。中石化岳陽公司于2001年11月正式簽訂Shell煤氣化合資項目協(xié)議,2002年10月8日開5結語始工程建設。中石化湖北化肥分公司于2001年(1) SCGP對于國內(nèi)化工企業(yè),特別是化肥6月與Shell公司簽訂技術轉讓協(xié)議,2003年8月企業(yè)優(yōu)化原料路線實現(xiàn)制氨原料的多元化、降低第33卷化肥工業(yè)第6期生產(chǎn)成本提高原料利用率建設資源節(jié)約型和環(huán)對引進技術的不斷探索、認識、掌握和提高的過境友好型企業(yè),提供了一種先進適用的現(xiàn)代潔凈程。煤氣化技術。(3)近年來SCGP在國內(nèi)的引進并投產(chǎn)成(2)國內(nèi)已投產(chǎn)的或在建的制合成氨、制甲功,使我國煤制氣技術有了較大的發(fā)展,已顯示出醇、制氫的SCGP裝置都是投人工業(yè)化運行的世極大的推廣應用價值和良好的產(chǎn)業(yè)化前景,有利界第-套裝置,由于沒有國外成功的經(jīng)驗可供借于推動我國煤制氣產(chǎn)業(yè)的全面技術進步。鑒,因此裝置的設計、建設、開車和運行就是一個(收稿日期2006 -08 -21)能量轉換器在合成氨裝置中的應用多種類型:按其結構內(nèi)采用的轉子軸承不同，可分弛放氣中氨的回收工藝簡介為氣軸承透平膨脹機和油軸承透平膨脹機等;按目前國內(nèi)氮肥企業(yè)對合成氨馳放氣中氨的回其采用的工作介質種類不同,可分為液(如水等收- -般仍采用水洗法。該工藝雖然能回收弛放氣多種液體)透平膨脹機、氣(氫氣、氮氣、煙氣、化中的氨,但卻存在諸多無法克服的不足之處:(1)工混合尾氣、空氣)透平膨脹機等;按其采用的工需耗費大量洗氨用軟水;(2)浪費了大量的蒸汽;作介質壓力不同，可分為中壓和低壓透平膨脹機(3)生產(chǎn)過程中有大量稀氨水無法處理,不符合等。環(huán)保要求;(4)回收的氨的附加值低。合成氨系統(tǒng)弛放氣的壓力為1.2-1.6 MPa近年來國內(nèi)已研發(fā)成功深冷法來回收弛放氣(有的企業(yè)為2.0 ~2.2 MPa) ,通過能量轉換器，中的氨。深冷法是利用弛放氣內(nèi)各組分的氣液相弛放氣在通流部分膨脹獲得動能并通過風機、軸變點溫度不同,采用深冷技術，使合成氨弛放氣溫輸出外功,從而消耗了本身的內(nèi)能,獲得了最大絕度快速下降至-70~ -60 C ,從而使其中的氣態(tài)熱焓降,得到了所需要的低溫,使氨分子液化,從氨相變成液態(tài),并分離回收。該工藝可一次性使而達到組分分離的目的。弛放氣中的氨下降至2%左右,提氨后的弛放氣在深冷法氨回收裝置中,除了快速能量轉換經(jīng)換熱器逐段回收冷量后送至造氣吹風氣鍋爐內(nèi)器具有高速轉動部件外,其余設備都屬于無轉動燃燒,其核心設備為能量轉換器。部件的靜止設備,只要工藝流程布局合理、設計符由于深冷法在不消耗任何外來能量(故又稱合要求,都可以獲得比較理想的運行效果。為無動力氨回收新裝置)的情況下回收弛放氣中由于無動力能量轉換器精度要求高,其設計、的氨并返回系統(tǒng)內(nèi)生產(chǎn)尿素,不僅降低了企業(yè)的制造安裝、調(diào)試等質量對整個裝置的安全性、可能耗,而且提高了回收氨的附加值,因此一般情況靠性、運行周期及企業(yè)效益有著直接影響,一旦出下3~6個月就能回收全部投資。故障,整個裝置將無法運行。特別是化肥企業(yè)的2能量轉換器簡介生產(chǎn)介質易燃易爆,因此在材料、密封上都必須要快速能量轉換器又稱為透平膨脹機,它是深安全可靠、無泄漏。- -般要求能量轉換器的連續(xù)冷法氨回收工藝中唯- -制造冷 源的高精度設備。運轉時間不低于裝置的連續(xù)運轉時間，這就要求該快速能量轉換器無須外供能源就能將具有一定設計合理、材料剛性好、軸承止推力強，只有這樣壓力的工作介質快速膨脹降壓，使工作介質的壓才能保證轉子和軸承在高速旋轉下的工作穩(wěn)定力能轉換成動能,再通過自身的耗能部件吸收工性。作介質的內(nèi)能,從而使工作介質快速深度降溫,混3結語合氣中的不同組分就可在不同溫度段內(nèi)被液化分采用快速能量轉換器來回收合成氨弛放氣中離。氨的深冷法和相應的無動力裝置具有其獨特的優(yōu)能量轉換器主要由制冷部件(或稱通流部點,已在不少化肥企業(yè)得到應用,經(jīng)過一-段時期的件)、自身耗能部件(或稱負載通流部件)和主體運行,證明應用是成功的,取得了滿意的效果。部件組成。按其自身結構、所采用的介質種類、工(蘇州申華低溫成套設備有限公司作介質壓力透平通流部分處理量的不同可分成215101沈銘鈞)