壳牌煤气化与德士古煤气化工艺对比

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壳牌煤气化与德士古煤气化工艺对比

前言

壳牌加压气化法与德士古水煤浆加压气化法均为目前世界上较先进的气化技术，同属气流床加压气化法。其共同特点是工艺对煤的适应范围较宽，可利用粉煤，单台气化炉生产能力较大，气化操作温度高，液态排渣。碳转化率高，煤气质量好，甲烷含量低，不产生焦油、萘、酚等污染物，炉灰渣可以用作水泥的原料和建筑材料，“三废”处理简单，易于达到环境保护的要求，生产控制水平高，易于实现过程自动化及计算机控制。但两种气化技术在许多方面有着各自鲜明的特点，本文从以下几个方面对比壳牌（SHELL）和德士古(TEXACO)的气化技术。
一、壳牌（SHELL）和德士古（TEXACO）工艺比较

Shell 煤气化的基本思路是: (1) 夹带物流;( 2) 纯氧作气化剂; (3) 夹套水冷壁; (4) 液态排渣; (5) 对称切向进料喷嘴; (6) 干粉进料。
流程简述: 原料煤输送至磨煤机, 磨煤机把原料煤粉碎至合适有效的气化尺寸(质量分数为90 % 的颗粒小于100 ?m) , 煤粉碎的同时用惰性气体干燥,把蒸发后的水蒸气带走, 经内部分离器分级后, 合格的煤粉被收集在沉降池里, 气化所需要的氧气由空气装置提供, 空分装置来的氮气经压缩后为输煤系统提供低压氮气和高压氮气。干燥后的合格的煤粉被氮气输送至煤加压及供料系统, 加压后的煤粉、氧气和蒸汽通过成对喷嘴进入气化炉, 气化炉的操作压力为3. 0M Pa～ 4. 0M Pa, 反应温度高达1 400 ℃～ 1 700 ℃, 熔渣自气化炉的下部流出, 与水接触, 形成固体颗粒通过灰锁排出。温度为1 500 ℃的出口气体与冷激气混合后, 降至900 ℃进入废锅, 经废热锅炉回收热量, 合成气温度降至2 50℃, 再经陶瓷过滤器将合成气中的粉尘降至3 m g/m3～ 5 m g/m3, 进入水洗塔, 使合成气中的粉尘含量进一步降至1 m g/m3送后工序。
工艺特点:具有操作弹性大、原料适用性强、环保性能好等,煤种适应范围广,碳转化率> 99. 5 %,气体成分中(CO + H2) 的体积分数> 90 %,冷煤气效率高，达80～83%；氧耗低，与Texco水煤浆气化相比，氧耗至少低15%。
德士古（TEXACO）水煤浆气化工艺是由美国德士古公司于20世纪70年代开发的,其基本思路是: (1)水煤浆进料;(2)加压气化;(3)纯氧作气化剂;(4)熔融排渣;
流程简述:磨制合格的水煤浆由泵加压后和氧气经特制的烧嘴喷入气化炉，水煤浆被高效雾化并蒸干水分后和氧发生复杂的氧化还原反应生成水煤气和熔渣，生成的水煤气和熔渣一起进入气化炉下面的激冷室，熔渣被冷却固化后经锁灰斗收集排出，水煤气激冷后去洗涤除尘系统；
工艺特点：原料适应广，碳转化率在94％一98％，有效气成分为84％，废物排放少，生产能力大。
缺点：氧耗比较高，技术费用高，投资大。
二、原料煤的制备、输送及适应性对比
       壳牌和德士古气化工艺中干煤粉加压输送和水煤浆加压输送是气化炉稳定运行的前提条件，因此稳定性是供煤系统重要的特性之一。
煤气化工艺中原料煤经预破碎后进入煤的干燥系统，并由高温惰性气体干燥使煤的水分小于2％，然后进入磨煤机中被制成煤粉，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。
由于SHELL对煤粉粒度分布的均匀性(90％≤90目)要求较高且高压氮气为连续相,因此气固两相间存在较大的压缩量，因此当输送系统中某部分发生泄漏或波动时,对整个输送系统的影响较小(即操作弹性较好),而不至于影响烧嘴进料的稳定性.
Texaco煤气化工艺采用湿法进料方式，原料煤经粉碎后与水混合，制成浓度通常为60％～68％的水煤浆，同时与氧气从炉顶喷入在炉内进行气化反应。
由于水和粉煤结构性质不同，不同的煤种有不同的亲水性及最佳粒度分布和浓度,较低的水煤浆浓度,将会使进入气化炉的水分增加,为维持炉温,势必增加氧气的消耗,过高的煤浆浓度将会增大煤浆的表观黏度,煤浆的流动性变差,影响煤浆的泵送能力和雾化效果,因此为制备预定浓度及流动性好的水煤浆，还需要加入一定量的分散剂和表面活性剂。
以下是两种输送系统中压降波动对比见图1:








                                               壳牌干煤粉输送系统


德士古水煤浆输送系统



                             图1
从图1中可得出结论:壳牌输送系统的压差曲线前沿十分陡峭,表明供煤系统的启动性能良好,在数秒内就达到额定输送流量,一旦达到额定值,压差曲线立即转变为水平且均值基本稳定,从另一方面反映了本系统供煤的稳定性要比德士古水煤浆输送稳定性优越。
壳牌和德士古气化炉在结构和性能上的不同，对原料煤品种和品质的要求不同，这对合成氨厂家选择气化工艺起着重要的作用，德士古、壳牌煤气化工艺中煤的适应性比较如表1所示。

表1
2种工艺对原料煤的适应性及碳转化率比较
项目壳牌德士古
煤种褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤、石油焦烟煤、无烟煤、油渣
灰分8％～20％≤15％
粒度其中90％≤90目浓度为60％～68％的水煤浆，≤200目
灰熔点≤1500℃≤1350℃
含水量35％≤2％
碳转化率99.5％98％
由上表可看出：由于气化温度高，壳牌粉煤气化工艺可以气化高灰熔点的煤，故对煤种的适应性更为广泛，从较差的褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤、石油焦均可使用，即使是高水分、高灰分、高硫含量和高灰熔点的煤种基本都能进行气化，因此有利于厂家就近选煤，大大降低生产运行成本；
二、气化炉性能、构造对比
气化炉是煤气化工艺的核心部分，它的特性影响整个气化工艺的选择，就目前来看，正在发展中的各种煤气化炉在很大程度上受物理、化学、机械等因素的制约，如：粉煤加入气化炉的方式，粉煤与气化剂的接触方式，排渣方式，炉内壁的防腐蚀方法等，壳牌和德士古煤气化工艺在气化炉的构造上各有特点，两种气化炉比较如下表2所示。

表2
两种炉型比较
项目壳牌气化炉德士古气化炉
加料方式粉煤高压N2加压输送水煤浆通过泵输送
气化炉型气固流化床/冷壁式气液流化床/热壁式
排灰方式底部液态排渣底部液态排渣
压力（表）/MPa2.0～4.04.0～6.5
反应温度/℃1400～17001300～1500
煤气出炉部位顶部底部
炉最大生产能力/t/d1900～2000900～1500
SHELL 气化炉为立式圆筒形气化炉，炉膛周围安装有由沸水冷却管组成的膜式水冷壁，气化时熔融灰渣在水冷壁内壁涂层上形成液膜，沿壁顺流而下进行分离，采用以渣抗渣的防腐蚀办法，基本解决了高温耐火材料损坏严重和检修频繁的难题。
膜式水冷壁换热面组成圆形通道既内件。内件表面采用14～20mm耐热衬里保护。气化炉在首次开车时进行炉壁挂渣保护措施操作，从而保护气化炉外筒不超温并回收部分热量和防煤气冲刷，这是壳牌煤气化的一个显著特点。
水冷壁与简体外壳之间留有环形空间，便于输入集水管和输出集汽管的布置，便于水冷壁的检查和维修；
炉体设有四个对称切向进料煤粉烧嘴，以此可提高反应器内反映物的反应程度同时减少产物的反混;
       德士古气化炉采用水煤浆加料，操作压力高，采用液态排渣方法，但由于热壁式炉型的内衬耐火材料不但要耐高温而且要求能抵抗煤熔渣（含SiO2、AL2O3、MgO等）的侵蚀，所以价格昂贵且使用寿命短；另外，因为进料中含有大量的水，耗氧量较大，与SHELL粉煤气化相比，氧耗至少高15%。
三、煤烧嘴的结构及工作位置对比
1.壳牌煤烧嘴工作原理
       壳牌煤烧嘴简单结构见图2,设计参数见表3。基本工作原理是:经过加压的粉煤从粉煤烧嘴高速喷出后与氧气蒸汽高速雾化后,在炉膛内高温燃烧产生工艺气。




表3 壳牌煤烧嘴设计工艺参数
物料名称整体烧嘴氧气/蒸汽粉煤/ N2循环冷却水
设计压力(MPa)5.26.15.86.9
设计温度(℃)350450130260
设计流量(m3/h)













(1)气化炉内部采用膜式水冷壁，可承受较高的气化温度。对原料煤的灰熔点限制较少。
　　(2)碳转化率高，大于99%。
　　(3)由于是干粉进料，粗合成气中有效气(CO+H2)体积分数高于90%，C02含量低。
　　(4)气化效率高，原料利用率高。
　　(5)单炉能力大、运转周期长、无需备用炉。
　　(6)多组对列式烧嘴配置，可以通过关闭一组或多组烧嘴来调整合成气的产出量，操作弹性大。
　　(7)合成气比较清洁，高温气化的气体中不含焦油、酚等有害物质，便于合成气的净化处理。
　　(8)正常生产时，基本无废气排放；由于绝大部分工艺水可以循环使用，排放废水较少。在高温下产生的熔渣性质稳定，对环境影响较小，还可以作建筑材料。该工艺对环境友好。