第36卷第2期化工設(shè)計(jì)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(yīng)用及存在的問題劉芃鑫郭明 波(河南煤業(yè)化工集團(tuán)中原大化集團(tuán)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(dāng)前先進(jìn)的第二代煤氣化工藝,工藝相對(duì)成熟,已廣泛運(yùn)用于發(fā)電、合成氨等行業(yè)。殼牌(SHELL)氣化爐的問世,無疑對(duì)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(jì)和運(yùn)行方面經(jīng)驗(yàn)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(hào):TQ113.25*4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003-6490(2010)02 - 0000 -04其中第一步的放熱反應(yīng)釋放的能量用于推動(dòng)第二步1殼牌(SHELL)氣化爐燃燒原理的吸熱反應(yīng):(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(dāng)前先進(jìn)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(yīng)當(dāng)知道更為基轉(zhuǎn)化率高,對(duì)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(xí)慣上負(fù)的反應(yīng)熱將表示生成熱量。對(duì)煤而來自粉煤給料倉的粉煤,用高壓氮?dú)饣蚨趸佳钥梢詤^(qū)分出下列幾個(gè)氣化反應(yīng):送至煤氣化燒嘴。同時(shí),來自空分的加壓氧氣經(jīng)預(yù)熱C+ 1/202=C0(1) - 110MJ/kmole C后也進(jìn)入氣化燒嘴。C+ H20∈C0+ H2(2) + 131MJ/kmole CSCCP工藝采用了有多個(gè)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(yīng)說明SCGP中的簡化后的這些反應(yīng)說明,含碳燃料事實(shí)上以三種方式進(jìn)行煤(和焦炭)氣化反應(yīng):氣化,即:(1)部分氧化反應(yīng), (2)和水蒸汽的吸熱轉(zhuǎn)化CH+ 1/202=C0+ 1/2H2反應(yīng)和(3)加氫氣化反應(yīng)。其中,CH是煤的簡化分子式。實(shí)際上部分氧化反應(yīng)必須分為二步:這個(gè)簡化方程式可以認(rèn)為是通過二步法實(shí)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(xué),助理工程師,現(xiàn)在河南煤化集團(tuán)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(jì)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(yīng)進(jìn)行時(shí)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(yīng)應(yīng)當(dāng)是平衡設(shè)計(jì)壽命按25a考慮。正常生產(chǎn)維護(hù)量很小，運(yùn)行周反應(yīng)。.期長，也無需設(shè)置備用爐。商業(yè)化運(yùn)行單臺(tái)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(dá)2 000t,目前,正在設(shè)計(jì)更大規(guī)模的裝置?；?煤氣化燒嘴位于氣化室中下部燒嘴二個(gè)一組2.5合理的燒嘴設(shè)置 可有效的延緩燒嘴壽命對(duì)稱布置。由煤氣化燒嘴噴人的煤粉、氧及蒸汽的混每臺(tái)氣化爐設(shè)有4個(gè)燒嘴，故對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)節(jié)比合物在1 500C高溫下,瞬間完成煤的氣化反應(yīng),生成Texaco單個(gè)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(yùn)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(yùn)行的一個(gè)重要化爐反應(yīng)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(jìn)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(jìn)入Shell煤氣化的冷煤氣效率達(dá)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(dá)98% ,處于很高水平。.2殼牌(SHELL)氣化爐的特點(diǎn)2.7對(duì)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(shí)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(dāng)滲出。氣化污水不含焦油、酚等,容易處理,需要時(shí)前先進(jìn)的第二代煤氣化工藝,工藝相對(duì)成熟,已廣泛可作到零排放。.運(yùn)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(diǎn):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(yīng)用十分安全對(duì)煤種的適應(yīng)性比較廣泛,從較差的褐煤、次煙世界經(jīng)濟(jì)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(duì)煤的灰熔點(diǎn)適應(yīng)范圍生存的大氣環(huán)境帶來了 破壞作用。當(dāng)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(dòng)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(shí),災(zāi)難性的大氣污染、酸雨、溫室效應(yīng)和臭氧層2.2氣化溫度高的破壞等問題,就變的越來越嚴(yán)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(dá)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?zé)N,CO+ H2達(dá)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(fèi)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(jìn)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(duì)減小,投資也可相排放到大氣中的SO2和NO,將導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境應(yīng)降低。問題,除了其本身的強(qiáng)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(yīng)用及存在的問題蒸氣相遇時(shí),還會(huì)變成硫酸和硝酸,硫酸和硝酸隨著以上反應(yīng)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(huì)以不同方式危害自全反應(yīng),反映產(chǎn)生的SO2、H2S隨合成氣進(jìn)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(jìn)入濕洗工段,含S的上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)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(duì)燃用煤進(jìn)行了脫硫處理,Na0H的混合液反洗。在此間含SO2、H2S的酸性溶導(dǎo)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(yīng),最終以鹽的形式脫除了合了世界頭號(hào)SO2排放大國。目前，我國降雨pH值小成氣中的s,同時(shí)氣化反應(yīng)產(chǎn)生的其他酸性氣體如于5.6的酸雨區(qū)面積已達(dá)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(hào)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)致CO2的排放量日益增加。2C + 02=2C0在嚴(yán)峻的形式面前,對(duì)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(yīng)C成和排放,是-種相對(duì)清潔的燃燒方式。+ CO2-2C0盡量向正向移動(dòng)。同時(shí)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(jī)理經(jīng)壓縮機(jī)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(dāng)爐和氣提等處理后,達(dá)標(biāo)的產(chǎn)物將重新加以利用。膛溫度大于1 100C時(shí),熱力型NO,才有較快的反應(yīng)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(shí)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(shí)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?fàn)t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(yīng)高溫氧化所產(chǎn)生的熱力型NO,大幅度降低。用中最經(jīng)濟(jì)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(yīng)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(jì)效益S+ H2→H2S和社會(huì)效益。4化工設(shè)計(jì)通訊第36卷質(zhì)泄漏從而引發(fā)事故。4殼牌(SHELL)氣化爐運(yùn)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(yùn)行中暴露出不少問題,有些問題相當(dāng)嚴(yán)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(jìn)--步發(fā)展和商業(yè)市場的競爭潔的燃燒方式,對(duì)有害污染物質(zhì)的處理比較得當(dāng)排放能力。并且發(fā)生的問題帶有很大的普遍性。具體地達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，且操作簡單,經(jīng)濟(jì)性好,所以,隨著全說,有以下幾個(gè)問題:社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視,殼牌(SHELL)氣化爐必4.1煤種變化問題然會(huì)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(shí),也也應(yīng)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(duì)灰份含碳量灰熔點(diǎn)揮發(fā)份)發(fā)生變化,會(huì)導(dǎo)致整個(gè)此,我們必須有- -個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)。氣化系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的波動(dòng)之中,直接影響爐膛反應(yīng)在對(duì)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(rèn)為前景一片光明,也不能因?yàn)榘l(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(duì)發(fā)生的問題應(yīng)仔細(xì)由于殼牌(SHELL)氣化爐的反應(yīng)溫度高達(dá)1 400分析,找出原因,并進(jìn)行認(rèn)真研究,逐個(gè)加以解決。只~1 600C這使在裝置運(yùn)行過程中直接用電藕對(duì)爐溫有這樣,殼牌(SHELL)氣化爐技術(shù)才能健康發(fā)展,相進(jìn)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(diǎn)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(gè)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(hù)4.3 受熱不均勻二者有機(jī)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(jìn)對(duì)爐膛換熱,所以這對(duì)水冷壁中751路水管中的循環(huán)- -步完善 ,使之不斷改進(jìn)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(huì)有更廣闊的發(fā)展前景。則將導(dǎo)致該管負(fù)責(zé)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(yīng)室爐膛壁。[參考文獻(xiàn)]4.4 燒結(jié)金屬容易損壞金屬管線沖刷嚴(yán)重[1] 唐旭華.電氣識(shí)圈與控制[M].北京:化學(xué)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(dòng)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(qiáng)烈的沖刷。包括其運(yùn)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(jì)通訊》編輯部