采用Shell加压粉煤气化技术改造我国大、中型氨厂的评价 中国石化集团兰州设计院 卢正滔
一、Shell煤气化与Texaco煤气化工艺比较 （一）两种煤气化技术工艺流程简述 1、Shell煤气化工艺流程
Shell煤气化工艺（SCGP）以干煤粉为原料、纯氧作为气化剂，液态排渣，属加压气流床气化（见附图1）。原煤先行破碎研磨成煤粉并经干燥处理，再用氮气送入贮罐内的煤粉与氧气和蒸汽一起，送进气化炉的燃烧室。上述过程所用的氧气和氮气，均由一套空气分离装置产生。喷入的煤粉、氧气和蒸汽的混合体在高于气化压力0.5MPa下通过对列式烧嘴进入炉膛，在气化炉内3.5-4.0MPa压力下，1400-1700℃的温度范围内发生化学反应。高的气化温度确保煤中所含的灰份熔渣沿气化炉膜壁自由流下至气化炉底部，变成一种玻璃状不可沥滤的炉渣而排出。这个温度亦防止形成不合需要的有毒热解副产物，例如苯酚和多环芳香烃。高温可以获得高的碳转化率（≥99％），还确保了粗合成气基本上没有比甲烷重的有机组分。
气化炉顶的合成气温度~1500℃，用返回的粗合成气激冷至850℃~900℃，然后进入合成气冷却器（即废热锅炉）作进一步冷却，气化炉内膜式冷壁及废锅可同时产生高、中压蒸汽。
从气化炉出来的合成气中所携带的少量灰份颗粒，在组合式陶瓷过滤器中分离除去，干灰进入灰锁斗，然后送往储仓，可作为水泥的配料，干法除尘后合成气中含尘~10PPm，经水洗后含尘为1PPm。
离开气化工序的合成气中含有80-83％的原煤能量，被称为冷煤气效率。由气化炉和合成冷却器产生的蒸汽，含有另外的14-16％能量。
煤炭中所含的硫、卤素及氮化合物，在气化过程中生成气态的硫化物、卤素、分子态氮、痕量氨及氰化氢。氰化氢及硫化羰（COS）被催化转化为氨及硫化氢。卤素和氨经水洗塔洗涤除去。水洗过的合成气送入后工序变换位置。
Shell气化炉为水冷壁型式，内壁布有水冷却管，副产蒸汽。操作时壁内形成一层渣，用“以渣抗渣”方式保护衬里不受侵蚀。由于不需要耐火砖绝热层，运转周期长，单炉运行可靠性高。Shell煤气化装置能力大，气化压力为3.5-4.0MPa，单炉处理煤量为2000-2600吨/日，炉子规格为Ф4400mm；另外，还有适用我国中型氮肥厂改造的炉型，气化压力2.5MPa，单炉处理煤量为1000-1200吨/日，炉子规格为Ф3600mm。
2、Texaco气化技术属于加压气流床并流气工艺（见图2）。气化炉为一圆柱形受压容器，内衬耐火材料，它由两部分组成，上部为燃烧室，下部为激冷室。日处理煤2000吨，气化压力4.0MPa，采用3台气化炉，二开一备，气化炉直径为10′5″（Ф3200mm）；日处理1000吨，气化压力2.5MPa，也采用3台炉，二开一备，炉直径为9′（Ф2794mm）。
原料煤、石灰石（助熔剂）、添加剂和NaOH经称量后同时加入到磨煤机中，磨制成浓度大约为60-65％的水煤浆，通过滚筒筛滤去较大颗粒后，进入磨机出口槽，再经过磨机出口槽泵和振动筛送进煤浆槽中。煤浆槽中的煤浆经由煤浆给料泵送入气化炉顶部Texaco烧嘴的内环隙。来自空分的O2进入烧嘴的中心管和外环隙。在温度~1400℃，一般在压力4.0MPa或6.4Mpa的条件下，煤浆与氧气
在气化炉燃烧室内发生部分氧化反应，生成粗煤气。由燃烧室出来的煤气，通过下降管进入下部的激冷室中。下降管上端有激冷环，下部浸入水中，煤气经激冷环和下部水层被激冷至露点，且为水蒸汽饱和。同时，大部分煤灰及未反应碳以灰渣的形式从煤气中被水洗涤除去。根据粒度大小，渣以两种方式排放，粗渣在激冷室中沉降，经破渣机破碎后，通过锁渣罐定期排放；细渣以黑水的形式人激冷室连续排出，送往灰水处理工序进行处理，灰水循环使用，细渣回收或废弃。离开气化炉激冷室粗煤气经文丘里洗涤器进入洗涤塔，在洗涤塔下部用来自灰水处理工序的灰水洗涤，洗涤塔上部用工艺冷凝液最终洗涤，出洗涤塔顶部的工艺气送到CO变换工序。洗涤塔底排出的黑水与气化炉激冷室排出的黑水一同送往灰水处理工序。
Texaco烧嘴安放在气化炉顶部，烧嘴头部有冷却水夹套，身部有冷却盘管，烧嘴冷却水经过冷却盘管和夹套温度升高到49℃回到冷却水贮槽，然后用冷却水泵加压到1.38MPa，经冷却器冷却到43℃送入烧嘴冷却系统进行循环。
图
（二）主要设备比较 1、Shell煤气化炉
通过大量的设备开发工作，壳牌确定了气化炉的形状，炉内膜式水冷壁室的形状。气化炉包括：膜式水冷壁室、环形空间和压力外壳，下部装有碎渣机及锁渣罐。膜式水冷壁是悬挂在压力壳体中。
(1)膜式水冷壁
Shell在阿姆斯特丹的实验气化炉内都有耐火衬里，但根据实际操作经验，Shell认为即使对最先进的耐火砖，在高温、高热负荷和熔渣不断侵蚀的环境下，也难以保证高强度和长寿命运行。所以，确定在气化炉的高压壳体中，安装用沸水冷却的膜式水冷壁（以下简称“膜式壁”）。使工艺过程（即氧化反应）实际上有膜式壁围成的空腔里发生。气化压力由外部的高压壳体承受，内件只承受压差，属低压设备。中试和示范装置中都装有膜式壁。在工业化的熔渣锅炉中，膜式壁有广泛的使用经验。
膜式壁一方面提高了SCGP的效率，不需要外加蒸汽，并可副产中、高压蒸汽，同时也增强了工艺操作强度（因为膜式壁设计时，考虑了超过设计条件的工况和操作干扰）。另一方面，膜式壁增加了工程设计的难度和制造的复杂程度。
(2)环形空间
环形空间位于压力容器和膜式壁之间，设计环形空间是为了容纳水/蒸汽的输出/输入管和集管，另外，有环形空间可便于检查和维修。环形空间的尺寸为800，膜式壁作为悬挂系统放置在气化炉内，很好的解决了热补偿问题。
(3)压力壳体
Shell气化炉的压力壳体是标准化设计，可按一般压力容器标准进行设计制造。材料一般用低铬钢。国内设计、国内制造，可采用国内生产的15CrMoR材料。
(4)内件
为了确保材料能承受实际的工艺条件，又使材料要易于制造和维修，便于安装和焊接，内件材料包括水冷壁采用IN625及DIN1.7335，高速激冷器及冷激环采用IN825。
(5)烧嘴
烧嘴的空气动力学设计和所产生的热量效果是SCGP多年研究开发后确定的。工程设计不仅要考虑喷嘴的基本机械设计要求（如满足空气动力学设计和所得的热流量数据的要求）还要考虑制造上的要求。烧嘴的可靠性和寿命不低于连续一年以上运转。气化炉烧嘴（又称煤粉喷枪）安放在气化炉下部，对列式布置，数量一般为4-6个，如Ф3600气化炉有4个烧嘴，对Ф4400气化炉有6个烧嘴。
(6)破渣机
Shell原设计气化炉底部出渣无破渣机，在生产操作过程中曾发生过换煤种时出现大渣，锁斗阀堵塞。现设计已加有破渣机，不会再出现大渣堵塞情况。
(7)锁渣罐
气化炉排渣，通过锁渣罐做到间断自动排渣，然后由捞渣机及输送带运至中间渣场，这部分设计Shell炉与Texaco炉是一样的。
2、Texaco气化炉顶部装有烧嘴，其下部安装破渣机及锁渣罐，由以下主要部件组成。
(1)炉体结构
气化炉上部为燃料室，下部为激冷室，中间有激冷环，连着下降管。燃烧室内衬4层耐火材料：第一层为高温层（向火面），主要防止煤及渣的冲刷及熔渣的侵蚀；第二层为隔热层，为绝热创造条件；第三层为保温层，保证壳体温度在设计范围内；第四层可压缩层，为陶纤毡，防止壳体热膨胀不均匀。燃烧室内装4只测温热电偶，用于监测燃烧室内的反应温度。燃烧室内的外壁装有表面热电偶，以检测其外表面温度。激冷室的中间有一根下降管，连接在燃烧室下部出口处，外套一要导流筒。在导流筒上部到气体出口间设有一裙状档板，以分离出口气体中的液滴。耐火砖寿命一般为8000小时-10000小时，需更换，更换一炉耐火材料费用大约600万元，从停炉到投运约需要40天，故需设备用炉。
(2)壳体
壳体为受压容器，材料选用1.25Cr0.5Mo。 (3)烧嘴
Texaco烧嘴为三流式结构，由3根同心沿轴渐缩的喷管组成，氧气走中心管和外环隙；煤浆走内环隙，同时进入气化炉进行部分氧化反应。在外喷嘴上设有冷却水夹套和冷却盘管以保护烧嘴。Texaco烧嘴有开工烧嘴及生产烧嘴，开车时需更换烧嘴，生产烧嘴一般45天需停炉吊出检查或修理。
(4)破渣机
液动马达驱运的破渣装置，位于激冷室下部，将渣破碎以利于排放。它可以正转也可以反转，有较高的效率。
(5)锁渣罐；是渣收集容器，每30分钟排一次渣，整个过程由程序控制自动完成，配备有锁渣罐循环泵及冲洗罐等设备。
Shell与Texaco气化炉的比较（按日处理煤2000吨，相当于日产氨1600吨即52吨氨/年，为两湖厂规模；或日处理煤1000吨，相当于日产氨800吨，即26万吨/年，为柳化厂规模。同等规模相比）见下表。
表1： Shell与Texaco气化炉的比较 项目 数量 气化炉形式 Shell气化炉 Texxaco气化炉 日处理煤2000吨 日处理煤1000吨 日处理煤2000吨 日处理煤1000吨 1台 加压气流床 3台（2开1备） 加压气流床 直径/mm 气化剂 气化压力/MPa(G) 能量回收形式 气化温度/℃ 单炉生产能力 吨氨/天 加煤装置 炉体保护装置 易损件 破渣装置 排渣装置 炉膛温度 检测装置 Ф4400 氧气 4.0 Ф3600 2.5 Ф3200 氧气 4.0 水激冷 1400 Ф2794 2.5 水冷壁+废锅 1400—1700 1600 800 1600 800 煤喷枪6个/台炉 煤喷枪4个/台炉 水冷壁 无 有 锁渣罐 Texaco烧嘴1个/台炉 耐火材料 烧嘴、耐火材料 有 锁渣罐 1、热电偶 按CO2含量推算 煤种适用范围宽 干煤粉 2、CH4值估测 专家系统 3、物料衡算估测 对煤种有一定要求 水煤浆 适用原料 使用原料粒度 （三）对煤质的要求及用煤的处理
煤炭是一种储量最丰富、分布最广、价格低廉且能稳定供应的能源，我国有丰富的煤炭资源，发展以煤为原料的化肥工业，尤其以当地煤为原料更符合我国的国情。我国的中氮肥企业分布 在全国各省，绝大部分以无烟块煤为原料，常压固定床间歇式造气，技术落后，能耗高，原料煤基本上都来自晋城及焦作白煤，运距远，价格高，而分布在全国各的氨厂却不能用本地煤的原料。因此，寻找一种对原料煤适用广，且技术先进的煤气化工艺，将更具有着广阔的发展前景。
1、Shell的煤气化用煤
Shell煤气化工艺的原料是干煤粉，用高压氮气输送入气化炉，对煤种的适用范围宽，能够以当地煤种为原料，而且碳转化率超过99％。该工艺过程对煤的特性，例如煤的粒度、粘结性、含水量、含硫量、含氧量及灰分含量均不敏感，但对于灰熔占较高的煤如灰熔点>1400℃须加入助熔剂（石灰石），改变溶渣性能。在荷兰Demkolec工厂工业化装置上已使用过包括澳大利亚煤、哥伦比亚煤、印尼煤、南非煤、美国煤、波兰煤等14个煤种进行气化，均能正常生产，见下表。只要有煤质分析数据，不需进行试烧、认定，即可根据用户提供煤种进行装置设计。
另外，壳牌气化是干法除尘，无灰水处理系统。干灰容易处理，对环境有利。 表2： 壳牌煤气化烧过的煤种的特性 煤种分析项目 总水（AR；％） 灰分（％；MF） 含氧（％；MF） 总硫（％；MF） 总氯（％；MF） Na2O（%；on ash） 壳牌气化炉烧过的煤种数据范围 4.5-30.7 5.7-24.5 5.3-16.3 0.3-5.2 0.01-0.41 0.1-3.1 K2O（%；on ash） CaO（%；on ash） Fa2O3（%；on ash） SiO2（%；on ash） Al2O3（%；on ash） 高热值（MJ/kg；MF） 0.1-3.3 1.2-23.7 5.9-27.8 24.9-58.9 9.5-32.6 22.8-33.1 *曾烧过煤中含灰分达35％（wt）
巴陵分公司洞氮厂、湖北分公司、安庆分公司化肥厂等的煤代油改造工程所用原料煤都是本地煤或就近供应，煤质分析列于后。
表3： 三个厂改造用煤情况 煤种 煤 质 工业 分析 （wt%） 元素 分析 （wt%） 水分 灰分 挥发分 C H O N S Cl 热值 (MJ/kg) 灰熔点 （℃） 高 低 T1 T2 T3 T4 灰份 组成 （wt%） Na Mg Al Si K Ca Ti Cr Fe Mn P 巴陵分公司洞氮厂改造 湖南煤炭坝煤 （设计煤种） 3.8 17.49 8.00 69.40 4.14 3.52 1.13 4.32 <0.003 28.36 26.76 1285 1370 1390 1480 0.38 0.88 29.04 48.67 0.78 5.50 4.36 0.12 8.41 0.09 1.49 湖北分公司改造 河南平顶山煤 （设计煤种） 7.2 19.73 66.49 4.35 7.18 1.08 1.17 <0.06 25.07 24.09 1450 >1480 >1500 >1500 0.22 0.79 29.78 59.51 1.35 1.82 1.12 - 2.36 - - 安庆分公司改造 安徽刘二矿煤 （设计煤种） 6.5 16.50 8.54 76 3.42 2.51 1.09 0.48 30.86 28.95 1350 1380 1430 0.43 1.18 32.33 44.88 0.16 7.98 1.42 - 4.55 - - 从上述三个厂的煤代油工程所用原料来看，都是来源于本地煤或就近供应，煤的成份中灰含量都较高（>16.00％），挥发性低，且灰熔点高（T4>1400℃），然而从Shell粉煤气化用过的煤质来看（见表2）三个厂的原料煤煤质均在它的用煤范围内。
广西柳化集团公司改造工程设计用Shell粉煤加压气化替代现有的无烟块煤