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摘要：

本文通过对壳牌粉煤化气化的工艺流程说明，对煤质的要求与用煤处理，工艺和主要设备上的特点以及煤气化成份和主要原料消耗等多方面的叙述，可知Shell的煤气化工艺在原料煤的适用上、气化效率与冷煤气效率上、氧耗以及生产环境上皆较高的优越性，可以广泛用于我国化肥装置的气化改造。

一、Shell煤气化工艺叙述

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。

原煤先行破碎研磨成煤粉并经干燥处理，再用氮气送进入贮罐，贮罐内的煤粉与氧气和蒸汽一起，送进气化炉的燃烧器。

上述过程所用的氧气和氮气，均由一套低温空气分离装置产生。

喷入的煤粉、氧气和蒸汽的混合体在3.5～4.0MPa压力下，1400-1700℃的温度范围内发生化学反应。

此操作温度使煤所含的灰份熔化并滴到气化炉底部，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。

出气化炉的合成气温度1400-1500℃，用循环气体激冷冷却至900℃，然后进入一个合成气冷却器作进一步冷却，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，在一个旋风分离器和陶瓷过滤器中分离除去，再部分循环返回气化炉，以确保碳转化率达到99%以上。

离开气化工序的合成气中含有80-83%的原煤能量，它被称为冷煤气效率。

由气化炉和合成冷却器产生的蒸汽,含有另外的14-16%能量。

相比之下，以水煤浆为原料的气化工艺的冷煤气效率大约为74-77%。

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。

卤素和氨经水洗去除。

水洗过的合成气送入后工序变换装置（见图1）。

Shell气化炉为水冷壁型式，内壁布有水冷却管，副产部分蒸汽。

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，不需要备用炉，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。

二、Shell的煤气化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，因此具有广阔的前景。

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，但对于灰熔点较高的煤如灰熔点＞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1

壳牌煤气化烧过的煤种的特性

煤种分析项目

壳牌气化炉烧过的煤种数据范围

总水（AR;%）

4.5-30.7

灰分（%;MF）

5.7-24.5＊

含氧（%;MF）

5.3-16.3

总硫（%;MF）

0.3-5.2

总氯（%;MF）

0.01-0.41

Na2O（%;onash）

0.1-3.1

K2O（%;onash）

0.1-3.3

CaO（%;onash）

1.2-23.7

Fe2O3（%;onash）

5.9-27.8

SiO2（%;onash）

24.9-58.9

Al2O3（%;onash）

9.5-32.6

高热值（MJ/kg;MF）

22.8-33.1

*曾烧过煤中含灰分达35％（wt）

三、Shell煤气化技术特点

1、气化炉结构较简单，内部为膜式水冷壁，无任何耐火砖，烧嘴寿命长，导致气化炉坚固耐用，故气化炉操作可靠。

2、任何煤都可气化，灰熔点高时只需加入助熔剂（石灰石），干粉进料，气化效率高，氧气消耗低Texaco气化15-25%，原料制备系统较简单，进料灵活。

3、高效率，原料煤所含能量之中，大约80-83%以合成气形式回收，另外14-16%以蒸汽形式回收。

蒸汽可以用于驱动空气分离装置的空气压缩机，以及用来发电或作其它用途。

4、对称式多烧嘴，混合效果好，转化率高。

5、熔渣气化，熔渣可以保护渣膜水冷壁，并确保产生无毒的废渣及灰。

6、高温气化，碳转化＞99%，有效气体成份含量高，CO2含量低，几乎无CH4及酚类、焦油等生成。

7、有利于环保，SCGP工艺的硫氧化物及粉尘排放量实际上为零。

煤的灰份则被转变成一种惰性炉渣，可以用作道路建筑材料。

SCGP装置产生相当少废液排放，这种废液不含有机污染物，工艺用水可循环利用，做到废水的零排放。

四、Texaco煤气化技术特点

气化炉操作可靠，在一定范围内对煤的适用性较宽，水煤浆用高压泵进料，加料系统易控制；灰渣以液态形式排出后成玻璃状，无污染和公害，并可用作建筑材料；高温高压下气流床气化生产能力大；操作压力范围广，有利用产生煤气在高压下进一步利用；煤气净化可在压力下进行，且可与现有的煤气净化技术兼容；气化阶段用水循环和回收，产生的污水量较少，而且其外排废水中酚、氰化氢及氨的含量少，环境特性较好；碳转化就绪96%，冷煤气效率74-77%；模块化结构，组合灵活性较好；但氧耗量高，气化炉的耐火材料容易侵蚀损坏，在高温下气化炉和煤气冷却系统的维修费用较高。

五、两种煤工艺流程示意图（见图一、图二）

六、Shell煤气化炉特点

通过大量的设备开发工作，壳牌确定了气化炉的形状，实际上是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容器,如图所示。

工程设计方面的主要问题是设计膜式水冷室和它在压力壳体中的悬挂问题。

·膜式水冷壁

Shell在阿姆斯特的实验气化炉内都有耐火衬里，但根据操作经验，Shell认为既使对最先进的耐火砖在高热负荷和熔渣不断侵蚀的环境下难以保证高和长寿命运行。

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”）。

使工艺过程实际上在膜式壁围成的空腔里发生。

气化压力是由外部的高压壳体随。

中试和示范装置中都装有膜式壁。

在工业化的溶渣锅炉中，膜式壁有广泛的使用经验。

膜式壁一方面提高了SCGP的效率，不需额外加入蒸汽，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情况和操作干扰），另一方面，膜式壁增加了工程设计的难度、工业化的复杂程度和投资。

工程设计还涉及高温和还原性合成气气氛等因素，所以在设计过程中，膜式壁必须适应这些条件。

同时，还要满足高负荷水/蒸汽系统的要求。

·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，环形空间便于检查和维修。

为了上述的要求，在休斯敦的示范装置中，Shell采用装置模型有效地确定了环形空间的尺寸大小。

最终，完成了一个简单、有效且易于制造的膜壁悬挂系统。

在Buggenum的工业化装置中，设计并完成了此膜壁悬挂系统。

·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制造。

材料一般用低铬钢。

·材料

SCGP的工程开发工作中，Shell在有限的范围内对材料做了试验。

为了确保材料能承受实际的工艺条件，中试和示范装置开发研究中重点对不同的材料做了试验，其中部分是在实际设备上完成的，部分在试验装置付线上做的，测试基本指标是材料必须满足煤气化的工艺条件，如材料要易于制造和维修，便于安装和焊接，适于在当地维修和保养，且价格比较低廉。

测试的结果是：

SCGP的材料主要是低合金钢材料。

·烧嘴

烧嘴的空气动力学设计和所产生的热流量效果是SCGP多年研究开发后确定的。

工程设计不仅要考虑喷嘴虑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）还要考虑制造方面的要求。

烧嘴的可行性和寿命连续一年以上运转。

Shell休斯敦的示装置证实，烧嘴寿命可在9500小时以上。

将此示范装置的经验用于Buggenum的工业化装置中发现，烧嘴未发生操作故障，到1998年2月11日，这些烧嘴的使用时间分别达到为7607个小时（两个）和4467小时（另两个）。

烧嘴有时因操作原因也需更换，如停车和安装前的除氧过程，一般可用备用烧嘴来代替。

与Texaco煤气化炉比较见下表

表2

Shell与Texaco气化炉的比较

项

目

Shell

Texaco气化炉

数量

1台

3开（2开1备）

气化炉形式

加压气流床

加压气流床

直径/mm

φ4400

φ3200即10.5′

气化剂

氧气

氧气

气化压力/MPa（G）

4.0

4.0

能量回收型式

水冷壁+废锅

水激冷

气化温度/℃

1400-1700

1400

单炉生产能力

吨氨/天

1500

750

加煤装置

煤喷枪6个/台炉

Texaco烧嘴1个/台炉

炉体保护装置

水冷壁

耐火材料

易损件

无

烧嘴、耐火材料

破渣装置

有

有

排渣装置

锁渣罐

锁渣罐

炉膛温度

检测设施

按CO2含量推算

1.热电偶

2．CH4值估测

专家

3．物料衡算估测

系统

适用原料

煤种适用范围宽

对煤种有一定要求

使用原料粒度

干煤粉

水煤浆

七、Texaco气化用煤

Texaco煤气化工艺的原料是水煤浆，煤浆需有良好的稳定性、流动性，较低的灰熔点及泵易输送等特点，这就要求在向磨煤机中加入煤、水的同时定量加入添加剂和助溶剂（石灰石），制成高质量的水煤浆。

所制备的煤浆中煤的粒度分布有一定的要求。

水煤浆制备系统要求较高，因此，德士古水煤浆气化对原料煤的灰含量、煤的灰熔点、煤的水含量、煤的可磨性、煤的成浆性以及煤的化学活性均有一定的要求。

此外，由于德士古是湿法除尘，还需设置灰水处理工序，灰水中含残炭量高，湿灰较难处理，且对环境不利。

经过国内几个生产厂家的实践经验证明，Texaco水煤浆气化工艺对烟煤品质有一定范围的选择性。

如渭河化肥厂王建萍工程师发表在“化肥设计”上文章“煤质对水煤浆气化装置的影响”中所述，该厂原设计采用陕西黄陵煤（Texaco公司试烧过）自1996年投产后，由于煤来自多矿井，煤的关键指标（灰份及灰熔点等）难以控制在要求的范围之内，不适应水煤浆气化装置平稳操作运行。

煤质变化对制浆、气化、排渣、灰水处理产生了极大影响，装置频繁停车，约两年多时间，气化装置连续运行周期不足半月，不得已改用甘肃华亭矿烟煤，气化装置连续运行周期由半月提高到108天。

其结论认为主要影响因素是煤质。

黄陵煤虽有较高的固定碳和热值，内水低，成浆性能好，煤浆浓度可保持在65～68％（wt），但由于煤来自多矿井后，煤质经常变化，矿物杂质（即灰）含量高，灰熔点高，气化炉处于耐火砖耐温高限值上操作，耐火砖损坏率高，灰水管道堵塞，磨损增加，造成气化系统停车频繁。

华亭煤具有低灰分、低硫分、低灰熔点，虽成浆性比黄陵煤差（浓度为61％），但气化炉温较前降低了100℃～150℃，故是水煤浆气化理想的原料煤。

从而也说明了煤质对水煤浆气化工艺的影响。

上海三联供水煤浆气化装置在原料煤上也遇到过相同情况。

下面列出国内四个厂家水煤浆气化装置的用煤煤质情况

山东鲁南化肥厂采用充州煤矿的北宿、落陵烟煤，上海吴泾三联供采用山东北宿烟煤、陕西神府烟煤，渭河化肥厂采用甘肃华亭烟煤，淮南化肥厂采用河南义马烟煤。

表3

水煤浆气化工艺用煤煤质情况（含黄陵煤）

煤种

煤质

甘

肃

华亭煤

河

南

义马煤

山

东

北宿煤

陕

西

神府煤

陕

西

黄陵煤

煤质

（wt%）

固定碳

50.62

48.00

46.64

51.80

52.90

挥发份

33.56

38.42

36.06

36.00

27.25

水份

6.66

12.00

0.87

7.6

1.64

灰份

9.16

15.00

16.13

7.20

18.21

全硫

0.41

0.5

3.5

0.89

0.67

灰熔

点（℃）

T1

1160

1080

1080

1147

1260

T2

1220

1105

1125

1192

1287

T3

1230

1140

1160

1202

1385

T4

1255

1225

1249

从表中可看出水煤浆气化工艺对煤质的要求是较严格的。

原料煤的选用有如下原则：

1、原料煤的供应要求稳定可靠

如煤的来源是多矿井供应，煤质变化大或不稳定，关键指标难以控制时，就不能适应水煤浆气化装置平稳操作运行，不能选做原料煤。

2、煤的灰熔点要低

一般要求灰熔点要小于1250℃，因为气化炉温度要高于灰熔点100～150℃，才能保持正常工艺指标，如黄陵煤灰熔点到了1385℃虽加很多助熔剂（CaO已占灰的30％），实际灰分已在20％（wt）以上，反应温度仍须超过1400℃，连续生产无法维持。

3、煤中灰分含量要低

一般情况下，灰分含量低于15％（包括加入助熔剂CaO后），最好灰低于12％。

灰含量高，堵塞灰水管道；另外，灰每增加1％氧耗增加0.7～0.8%，煤耗增加1.3～1.5%。

4、煤的化学活性要好

活性好是一个综合指标，一般挥发份高的煤活性好，才能获得较高的碳转化率，节省氧耗。

一般要求煤中挥发份大于25％（wt），从上表中也可看出用做水煤浆气化的煤中挥发份都在30％（wt）以上。

综上所述，为了满足水煤浆气化用煤，要对原料煤进行选择。

包括煤质调查、实验室评价及试烧三步。

煤质调查包括产地、产量、供应能力、煤质常规分析等；实验室评价包括工业分析、元素分析、热值、灰熔点、灰粘温特性、可磨指数、反应活性、制浆试验、添加剂及加入量、球磨粒度、煤浆浓度、粘度、PH值、重度、流动性、稳定性，以此结果由计算机预评估出气化温度、气体组成、碳转化率、产气率、冷煤气效率、氧耗比、煤耗比等。

在此基础上试烧，以修正试验评价结果，其制浆试验及试烧数据，为气化装置设计提供依据。

因此，原料煤的选定，就很难做到采用本地煤气化了。

八、Shell煤气化与Texaco煤气

1、粗合成气中有效气体的比较

采用同等煤质时Shell气化和Texaco气化产生的合成气组成见表7，以干基相比，Shell煤气化有效成份（H2＋CO）为90.3％，Texaco煤气化有效气成份（H2＋CO）为80.03％，前者比后者高出10％。

由于Shell气化反应温度高，CO2及CH4的含量都很低。

表4

二种煤气化典型合成气成份对比

VOL％（干）

项目

成份

Shell

粉煤气化技术

Texaco

水煤浆气化技术

H2

28.18

34.82

CO

62.12

45.21

CO2

3.81

17.71

H2S

1.27

1.51

N2

4.50

0.45

Ar

0.12

0.14

CH4

85ppm

0.16

（H2+CO）

90.30

80.03

2、碳的转化率比较

由于Shell煤气化温度比Texaco煤气化温度可高出150℃～200℃，前者属高温煤气化，后者受耐火砖限制，气化温度一般控制在1400℃以下。

前者碳转化率≥99％，冷煤气效率为80～83％；后者碳转化率为95％，冷煤气效率74～77％。

Shell气化渣中含碳量为0.5％（wt），干灰中含碳量＜5％（wt）；Texaco气化渣中含碳量为5％（wt％），灰中含碳量为25～30％（wt）。

3、煤耗比较

同等煤质，如设计煤种都按湖南煤炭坝煤，有效气体（H2＋CO）产量为142000Nm3/时，气化压力4.0Mpa。

Shell煤气化耗煤为83.5吨/时，即日耗为2004吨；Texaco煤气化耗煤则需91.30吨/时，即日耗煤2191.20吨。

前者比后者耗煤低约10％。

4、氧耗比较

Shell煤气化每1000Nm3（H2＋CO）耗氧量为330Nm3，Texaco煤气化每1000Nm3（H2＋CO）耗氧为410Nm3。

按生产（H2＋CO）142000Nm3/时计算，前者需氧量46860Nm3/时，后者则需氧量为58220Nm3/时，后者比前者多耗氧近25％。

5、气化炉结构比较

Shell气化炉内部为膜式水冷壁，无任何耐火砖，烧嘴寿命长（可到12000小时），导致气化炉坚固耐用，故气化炉操作可靠，不需备用。

Texaco气化炉内部为耐火砖,寿命为8000～10000小时即需要更换，喷嘴也需45天从炉中吊出检查或修理，故需要备用炉。

6、环境条件比较

Shell气化为干煤粉气化，又是干法除尘，无灰水处理装置，干灰含碳低，好利用；Texaco气化制备水煤浆需多种添加剂包括（化学品），激冷流程，有庞大的灰水处理系统，且细灰中含碳量高达25～30％不易处理。

污水处理量后者比前者多30％。

因此，Shell煤气化的环境条件要更好些。

结论：

由上可知，通过对Shell及Texaco煤气化的比较可以看到，两种煤气化工艺都是可靠的，可供采用的。

但Shell的煤气化工艺对原料煤的选用无限制；气化效率高、冷煤气效率可达80-83%而Texaco为74-77%；有效气体成份（C0+H2）Shell比Texaco高10%，即同样一吨煤可多10%的有效气；氧耗Shell比Texaco下降20%～25%；Shell工艺生产环境优于Texaco（Shell是干法除尘无灰水处理）；Shell工艺操作维护较简单，炉子无耐火砖，炉子及烧嘴寿命较长。

所以，Shell煤气化有更高的优越性。

目前中石化巴陵公司化肥厂采用Shell煤气化技术作为化肥装置改造的示范厂，柳化集团公司采用Shell煤气化技术依中化肥装置改造的示范厂。

二

SHELL煤气化主要组成部分（含设备简介）

  1、煤粉制备和送料系统。

  Shell煤气化工艺采用干煤粉进料系统。

原煤的干燥和磨煤系统与常规电站基本相同，但送料系统是高压的N2气浓相输送。

与水煤浆不同，整个系统必须采取防爆措施。

经预破碎后进入煤的干燥系统，使煤中的水分小于2%，然后进入磨煤机中被制成煤粉。

对烟煤，煤粉细度R90一般为20%～30%，磨煤机是在常压下运行，制成粉后用N2气送入煤粉仓中。

然后进入2级加压锁斗系统。

再用高压N2气，以较高的固气比将煤粉送至4个气化炉喷嘴，煤粉在喷嘴里与氧气（95%纯度）混合并与蒸汽一起进入气化炉反应。

　　2、气化炉。

  由对称布置的4个燃烧器喷入的煤粉、氧气和蒸汽的混合物，在气化炉内迅速发生气化反应，气化炉温度维持在1400～1600℃，这个温度使煤中的碳所含的灰分熔化并滴到气化炉底部，经淬冷后，变成一种玻璃态不可浸出的渣排出。

　　粗煤气随气流上升到气化炉出口，经过一个过渡段，用除尘后的低温粗煤气（150℃左右）使高温热煤气急冷到900℃，然后进入对流式煤气冷却器。

在有一定倾角的过渡段中，由于热煤气被骤冷，所含的大部分熔融态灰渣凝固后落入气化炉底部。

　　Shell气化炉的压力壳内布置垂直管膜式水冷壁，产生4.0MPa的中压蒸汽。

向火侧有一层很薄的耐火涂层，当熔融态渣在上面流动时，起到保护水冷壁的作用。

  3、煤气冷却器。

  粗热煤气在煤气冷却器中被进一步冷却到250℃左右。

低温冷却段产生4.0MPa的中压蒸汽，这部分蒸汽与气化炉产生的中压蒸汽混合后，再与汽轮机高压缸排汽一起再热成中压再热蒸汽。

高温冷却段产生1高压蒸汽，它与余热锅炉里的高压蒸汽一起过热成主蒸汽。

　　由于Shell气化炉组成的[wiki]IGCC[/wiki]系统采用的是干法除尘，所以，它的黑水和灰水处理系统相对比较简单，但其主要的流程与Texaco相似，

Texaco气化炉有激冷式的和装有煤气冷却器的两种，主体结构都差不多，包括磨煤机、水煤浆储槽、水煤浆泵和气化炉、排渣斗、炉渣储槽、质点洗涤器和沉降洗涤器等，两种的区别在于一个是激冷式的一个是装有废热回收的锅炉。

补充：

  德士古加压水煤浆气化技术主要设备

  水煤浆气化工艺过程包括水煤浆制备、水煤浆加压气化、和灰水处理三部分。

水煤浆制备一般采用湿法棒磨或球磨，化工行业气化流程一般选择激冷式流程，灰水处理一般采用高压闪蒸、真空闪蒸、灰水沉淀配细灰压滤的流程。

德士古加压水煤浆气化工艺主要设备有煤称量给料机、磨煤机、煤浆[wiki]振动筛[/wiki]、低压（高压）煤浆泵、工艺喷嘴、气化炉、破渣机、锁渣罐、文丘里喷嘴洗涤塔、洗涤塔、高压（低压）闪蒸塔，配套空分制氧装置。

  德士古气化炉燃烧室有：

12.74m3、16.98m3、25.47m3等几种不同容积的炉型。

  12.74m3和25.47m3的炉子为标准设计，均有工业化生产经验。

12.74m3的炉子外径2794mm，内径均为1676mm；25.47m3的炉子外径为3175mm，内径均为2134mm；16.98m3的炉子属非标准炉，尚无工业化经验，其外径和内径与12.74m3的炉子相同，但燃烧室高度比同尺寸标准炉高2m，由于L/D增大了近40%，气体在燃烧室内循环有所变差，对气化反应不利。

  这几种炉型的下部激冷长度因煤种及能力的不同而不同，其长度约为6-10m。

12.74m3标准气化炉炉径2800mm，高14600mm，壳体为1/4Cr1/2Mo耐热合金钢，内衬高铬耐火砖，下部为激冷室，激冷环材质为Incoloy800，气化炉膛体积约450ft3（12.7m3），气体在炉内停留时间5.5s。

在3.0MPa压力下，投煤量为450t/d；在4.0MPa压力下，投煤量为600t/d；在6.5MPa压力下，投煤量为900t/d。

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