Shell煤气化技术综述

一、概述

Shell煤气化技术是在原K-T气流床煤气化技术的基础上改进而来。将粒度为100目、水分<10%的煤粉, 纯度为>99%的氧气和水蒸气在喷嘴处混合进入煤气化炉进行气化反应, 炉内的气化压力为2.0~4.0MPa, 温度为1400~1600℃, 气化生成的有效煤气成分含量为90%~94%, 碳的转化率约为99% (飞灰再循环的条件下) 。

二、Shell煤气化反应原理

Shell煤气化反应原理与K-T常压粉煤气化相同, 是以干煤粉作为原料, 氧气和水蒸气作为气化剂在气流床内进行的气-固两相流态化反应。

干煤粉由氮气或二氧化碳吹入气化炉, 气化炉内的气化反应温度很高, 在有氧存在的条件下, 以燃烧反应为主, 在氧气反应完成后进入气化反应阶段, 物料在炉内的停留时间一般为3~10s, 气化反应很快就达到平衡。气化产生的粗煤气经粗煤气冷却器冷却后, 最终形成以CO、H2为主的煤气。反应中产生的煤灰熔化后以液态的形式排出气化反应炉。

带粗煤气冷却器 (废热锅炉) 流程的特点如下:

1. 结构复杂, 昂贵。1台废锅, 如2000t/d要多1个亿的投资。

2.若用于化工, 则后续的调比过程需要大量蒸汽, 废锅产生的蒸汽约60-70%用于调比, 真正能量回收的好处不大, 用高投资的废锅而取得的效益不大。

三、原料要求

Shell煤气化工艺对煤种有广泛的适应性, 由于采用粉煤进料和高温、加压气化, 故对煤的粘结性、机械强度、水分、灰分、挥发分等要求不是十分严格, 但从技术角度考虑仍有一定要求。水分 (收到基水分) :褐煤6%~10%, 其它1%~6%, 灰分干基<24%, 灰熔点FT<1350℃, 粒度<0.15mm的>90%。

1.煤的灰熔点是加压干粉气化选择原料的主要条件, 一般选择灰熔融流动温度FT在1400℃以下的烟煤, FT超过1500℃的煤不宜采用。

2. 煤的活性要好, 一般以烟煤和褐煤为主。

3. 灰渣的粘温特性碱性组分含量高, 一般碱/酸应大于0.3。

4. 灰分一般不超过30%, 小于20%为宜。

四、Shell煤气化工艺的关键设备

Shell煤气化工艺的关键设备是煤气化炉、煤气冷却器和煤气过滤器。

Shell煤气化炉主要由膜式水冷壁、环隙空间和高压容器外壳构成。

气化炉反应室内上部空间为燃烧反应区, 下部为熔渣激冷区。干煤粉、氧气和水蒸气的混合气通过喷嘴进入气化炉后在燃烧室反应。气化炉内筒采用水 (由于反应温度过高, 可考虑采用脱盐水或软化水) 循环冷却, 在向火侧涂一层耐火涂层, 运行时在气化炉内壁形成一层煤熔渣层保护或减缓水冷壁在高温、高压气-固混合气的冲刷下的磨损, 延长气化炉的运行时间。气化炉环隙空间的目的是为了容纳水/蒸汽的输入/输出集汽管。Shell气化炉一般将喷嘴安装在内筒侧壁的下部位置, 安装有4~8个喷嘴呈中心对称分布, 根据负荷进行喷嘴增减。气化炉喷嘴的使用寿命不低于7500小时, 满足装置一年的运行时间要求。炉底关键部件还有锁斗上下的卸渣阀。

煤气冷却器 (废热锅炉) 用于回收高温粗煤气的显热, 产生高压过热蒸汽。煤气冷却器一般采用水管式结构, 由水管焊上管板组成, 管板上设置有在线清洗装置, 冲洗管壁上的积灰, 以免影响换热效果。

过滤器用于除去粗煤气中的煤粉尘, 一般采用陶瓷过滤器或旋风分离器, 由于进料煤气的温度、压力均较高, 要求除尘设备能够安全、稳定、长周期运行。粗煤气经过滤后, 煤气中的含尘量应<20mg/Nm3。

五、Shell煤气化工艺概况

Shell煤气化工艺属加压气流床粉煤气化, 是以干煤粉为原料、氧气为气化剂, 熔渣采用液态排渣形式。具体工艺流程见图1 SCGP气化工艺流程 (干法气化的技术关键在于干粉煤的加压进料) 。

原煤在风动磨内先破碎研磨成符合气化要求的煤粉 (粒度90%通过170目的筛孔;或粒度小于0.1mm) 并经干燥处理 (含水量<2%;烟煤含水量1%、褐煤含水量10%) 后, 借助惰性气体, 粉煤经过常压粉煤仓、粉煤锁斗及粉煤给料仓, 由高压氮 (氮气浓相400g/m3) 或CO2将粉煤送至气化炉喷嘴。氧气和蒸汽一起, 进气化炉喷嘴。

气-固反应物料在气化炉内压力为2.0~4.0MPa, 温度为1400~1600℃ (通过控制加煤量, 调节氧量和蒸汽量, 来调节气化温度。) 的条件下发生化学反应。气化火焰中心温度随煤种不同约在1600~2200℃之间, 出炉的煤气温度约为1400~1700℃。产生的高温煤气夹带的煤粉细灰在高温下具有一定的粘结性, 为了防止煤粉细灰在设备和管道上粘结, 影响设备的正常运行, 将出气化炉的煤气与一部分经冷却后的循环煤气进行混合, 将高温煤气冷却至900℃左右后, 再将其送入废热锅炉 (水管式废热锅炉, 包括辐射室和对流室) 内, 与软化水进行换热, 将其气化产生高压的过热蒸汽。而煤气经进一步冷却后, 温度降至约300℃。

从废热锅炉出来的煤气中仅含有的少量灰份颗粒, 在陶瓷过滤器或旋风分离器中进行分离, 粉煤灰进入灰锁斗, 再送至粉煤储罐。粗煤气经干法除尘后煤气中的含尘量约为10mg/Nm3, 经过水洗涤后煤气的含尘为1mg/Nm3。

在整个煤气化过程中, 煤中约有83%以上的热能转化为有效煤气, 约有15%左右的热能以高压蒸汽的形式回收利用。