壳牌(SHELL)气化炉在环保中的应用及存在的问题

刘鑫 郭明波

(河南煤业化工集团中原大化集团公司,河南濮阳 457004)

壳牌(SHELL)气化炉在环保中的应用及存在的问题

(河南煤业化工集团中原大化集团公司,河南濮阳 457004)

壳牌(Shell)干煤粉气化工艺是壳牌(Shell)公司开发的煤粉气化工艺,具有鲜明的技术特色,也是当前先进的第二代煤气化工艺,工艺相对成熟,已广泛运用于发电、合成氨等行业。壳牌(SHELL)气化炉的问世,无疑对改善我国环境条件将起到十分重要的作用。但由于在干粉气化工艺设计和运行方面经验不足,现有壳牌(SHELL)气化炉均不同程序地存在一些问题。

壳牌(SHELL)气化炉;干粉气化工艺;环保

1 壳牌(SHELL)气化炉燃烧原理

壳牌煤气化工艺Shell Coal Gasification Process (SCGP)属于当前先进的第二代煤气化工艺,具有碳转化率高,对原煤要求低适用与绝大部分煤种。具体燃烧原理如下:

来自粉煤给料仓的粉煤,用高压氮气或二氧化碳送至煤气化烧嘴。同时,来自空分的加压氧气经预热后也进入气化烧嘴。

SCGP工艺采用了有多个燃烧器的水冷却膜壁的气化,可以用下列总反应说明SCGP中的简化后的煤(和焦炭)气化反应:

其中,CH是煤的简化分子式。

这个简化方程式可以认为是通过二步法实现的,其中第一步的放热反应释放的能量用于推动第二步的吸热反应:

(1)燃料+O2⇒CO⇓2+H⇓2O+能量

(2)燃料+CO2+H2O+能量⇒CO+H2

然而为了真正的理解气化过程,应当知道更为基本的气化方程。为简便起见,在这些方程中把煤表示为纯碳,习惯上负的反应热将表示生成热量。对煤而言可以区分出下列几个气化反应:

这些反应说明,含碳燃料事实上以三种方式进行气化,即:(1)部分氧化反应,(2)和水蒸汽的吸热转化反应和(3)加氢气化反应。

实际上部分氧化反应必须分为二步:

这分开的二步表明气化反应进行时需要的能量是内部产生的。而且它表明,第二步反应应当是平衡反应。

气化炉为立式压力容器,炉内为水冷壁组成的气化室,煤气化烧嘴位于气化室中下部,烧嘴二个一组对称布置。由煤气化烧嘴喷入的煤粉、氧及蒸汽的混合物在1 500℃高温下,瞬间完成煤的气化反应,生成(CO+H2)含量很高且夹带飞灰的粗煤气,由下向上从气化炉顶排出。为防止飞灰粘结在后续设备,在气化炉反应段出口处均匀喷入循环返回的200℃低温激冷气,将其激冷至900℃,使飞灰固化,再进入合成气冷却器回收热量,合成气温度降至350℃左右进入后续设备。

2 壳牌(SHELL)气化炉的特点

壳牌(Shell)干煤粉气化工艺是壳牌(Shell)公司开发的煤粉气化工艺,具有鲜明的技术特色,也是当前先进的第二代煤气化工艺,工艺相对成熟,已广泛运用于发电、合成氨等行业。壳牌粉煤气化工艺具有如下特点:

2.1 采用干煤粉作气化原料,煤粉用惰气输送,操作十分安全

对煤种的适应性比较广泛,从较差的褐煤、次烟煤、烟煤到石油焦均可使用;对煤的灰熔点适应范围比其它气化工艺更宽,即使是高灰分、高水分、高硫的煤种也能使用。

2.2 气化温度高

气化温度一般稳定的维持在1 400～1 600℃,碳转化率高达99%,合成气质量好。煤气中甲烷含量极少,不含重烃,CO+H2达到90%。由于气体中有效组分高,煤气总量有所减少,因而气化消耗煤量也可降低。

2.3 氧耗低

采用干煤粉进料与水煤浆气化相比不需在炉内蒸发水分,氧气用量因而可减少15%～25%,从而降低了成本。配套空分装置规模相对减小,投资也可相应降低。

2.4 膜式水冷壁结构

气化炉采用水冷壁结构,无耐火砖衬里。水冷壁设计寿命按25a考虑。正常生产维护量很小,运行周期长,也无需设置备用炉。商业化运行单台炉日处理煤量已达2 000t,目前,正在设计更大规模的装置。

2.5 合理的烧嘴设置可有效的延缓烧嘴寿命

每台气化炉设有4个烧嘴,故对生产负荷调节比Texaco单个烧嘴更为灵活,范围也更宽。Shell烧嘴保证寿命为8 000h,目前运行已超过16 000h。烧嘴的使用寿命长,也是气化装置能长期运行的一个重要保证。

2.6 热效率高

Shell煤气化的冷煤气效率达到78%～83%,其余～15%副产高压或中压蒸汽,总的原料煤的热效率达98%,处于很高水平。

2.7 对环境影响小

气化过程无废气排放。系统排出的融渣和飞灰含碳低,可作为水泥等建筑材料,堆放时也无污染物渗出。气化污水不含焦油、酚等,容易处理,需要时可作到零排放。

3 壳牌(SHELL)气化炉在环保中的应用

世界经济和工业生产的高速发展,也给人类赖以生存的大气环境带来了破坏作用。当人类生活和生产活动所排放的污染物超过了环境本身的自然降解能力时,灾难性的大气污染、酸雨、温室效应和臭氧层的破坏等问题,就变的越来越严重。这些环境问题主要是燃烧矿物燃料造成的。矿物燃料所产生的污染物,主要有三大类:一是气体污染;而是粉尘及矿物质杂志污染;三是废水污染。而我国是产煤大国,一次能源消费中76%以上是煤炭;而在煤炭的利用中,约84%是直接用于燃烧获取热能,其中燃煤大户是火力发电厂。从火力发电厂的生产过程来讲,污染物的排放主要是粉尘污染物和气体污染物;其中最主要的是危害最大的SO2CO2和NOx。

排放到大气中的SO2和NOx将导致严重的环境问题,除了其本身的强刺激性外,他们与空气中的水蒸气相遇时,还会变成硫酸和硝酸,硫酸和硝酸随着雨水降落就形成了酸雨。酸雨会以不同方式危害自然界的陆生生态系统及水生生态系统。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,由于国内仅有极少数燃煤电厂与工业锅炉用户对燃用煤进行了脱硫处理,导致SO2等污染物的排放量逐年增长,并使我国成为了世界头号SO2排放大国。目前,我国降雨pH值小于5.6的酸雨区面积已达40%,每年酸雨造成的损失与超过百亿元。

CO2作为主要的温室气体是地球臭氧层被破坏以及全球变暖的头号杀手,其不能燃烧以及不稳定的水溶性等特性导致其很难被处理,但是由于我国工业的日益发展以及煤炭燃烧在获取能量方式中占据着近80%的重大份额,导致CO2的排放量日益增加。

在严峻的形式面前,对SO2、CO2和NOx等有害气体的的处理已刻不容缓。

而壳牌(SHELL)气化炉作为一种新型燃烧技术,其在燃烧过程中能有效的控制SO2、CO2和NOx的生成和排放,是一种相对清洁的燃烧方式。

3.1 在减少NOx污染方面

NOx是气化炉燃烧生成的氮氧化物NO和NO2的统称。在炉内燃烧的过程中,生成氮氧化物的机理可分为热力型NOx和燃料型NOx两类。热力型NOx是指送入炉内燃烧用空气中的热力型N2,在高温条件下氧化生成的氮氧化物,如下所示:

2N+O2→2NO

热力型NOx的生成与炉膛温度关系极大,当炉膛温度大于1 100℃时,热力型NOx才有较快的反应速度。壳牌(SHELL)气化炉(炉膛燃烧温度1 400℃～1 600℃)虽然具有较高的炉膛温度,但是由于有激冷气循环系统的存在,使得200℃的低温气返回至炉膛,从而使炉膛内的平均燃烧温度通常控制在800℃～900℃的范围内,低的燃烧温度使燃烧过程中由于高温氧化所产生的热力型NOx大幅度降低。

3.2 在减少SO2污染方面

煤中的S在气化反应中都转化为SO2、H2S等形式加入到合成气中。如下所示:

以上反应在1 400℃～1 600℃的炉膛中基本完全反应,反映产生的SO2、H2S随合成气进入合成气冷却器冷却到300℃左右后,进入湿洗工段,含S的合成气在湿洗塔中经3层填料床被水与20%左右的NaOH的混合液反洗。在此间含SO2、H2S的酸性溶液与NaOH发生中和反应,最终以盐的形式脱除了合成气中的S,同时气化反应产生的其他酸性气体如HCN、NH3和甲酸,以及煤中存在的大多数Cl、F和Se所转化成的酸都在湿洗工段中以同样的方式被脱除。

3.3 在减少CO2污染方面

粉煤在炉膛中发生了部分完全反应

使CO2和CO共存于合成气中。而且煤粉的输送用CO2作为载气,使得合成气中CO2有一定的含量,而为了环保并使更多的有害气CO2变为有效气CO,在工艺允许的前提下尽量提升炉膛温度使反应C +CO2⇔2CO尽量向正向移动。同时合成气中未能加以转化的CO2在后续低温甲醇洗工段加以吸收并经压缩机输送回前系统作为粉煤的载气继续使用,大幅度降低了CO2的直接排放量。

3.4 在减少燃烧产物污染方面

粉煤在燃烧后所剩余的煤渣,飞灰和工艺中的污水作为燃烧产物也经过一系列处理,在经过锁斗减压和气提等处理后,达标的产物将重新加以利用。

系统排出的融渣和飞灰含碳低,可作为水泥等建筑材料,堆放时也无污染物渗出。气化污水不含焦油、酚等,容易处理,需要时可做到零排放。

综上所述壳牌(SHELL)气化工艺从很大程度上降低了有害物质的排放,在环保方面有着突出的表现。因此,壳牌(SHELL)粉煤气化技术是目前工业应用中最经济有效的低污染气化技术,这也是它在世界范围内得到重视、得到快速发展的重要原因。

壳牌(SHELL)气化工艺技术作为一种清洁、高效的气化技术,必将在我国的能源发电,资源综合利用,环保产业等领域取得重大发展,创造优良的经济效益和社会效益。

4 壳牌(SHELL)气化炉运行中存在的问题

壳牌(SHELL)气化炉虽然有着较好的环保特性,但在运行中暴露出不少问题,有些问题相当严重,直接影响了这一技术的进一步发展和商业市场的竞争能力。并且发生的问题带有很大的普遍性。具体地说,有以下几个问题:

4.1 煤种变化问题

由于壳牌(SHELL)气化炉的碳转化率比较高,能够适用与绝大部分煤种。但如若这样一旦煤种(包括灰份含碳量灰熔点挥发份)发生变化,会导致整个气化系统处于不稳定的波动之中,直接影响炉膛反应温度合成气有效组分含量等重要数据。

4.2 炉膛温度难以控制

由于壳牌(SHELL)气化炉的反应温度高达1 400～1 600℃这使在装置运行过程中直接用电藕对炉温进行测量并加以控制增加了难度,而如间接的通过中压气包的蒸汽产量或者合成气中的CO2的含量加以判断又存在着干扰因素,这个无形中为维持稳定的炉膛温度增加了难度。

4.3 受热不均匀

由于壳牌(SHELL)气化炉采用的是膜式水冷壁对炉膛换热,所以这对水冷壁中751路水管中的循环水的清洁程度有很高的要求,如一根管发生堵管现象则将导致该管负责换热的区域换热不良,使该区域受热不均匀导致超温,容易烧毁反应室炉膛壁。

4.4 烧结金属容易损坏金属管线冲刷严重

由于壳牌(SHELL)气化炉采用干粉加压给料系统,煤粉的供给包括燃烧副产品渣和灰的充泄压处理需要借助锁斗频繁的充泄压。这使得设备中的烧结金属遭到强烈的冲刷。包括其运输管线在输送过程中也受到来自内部介质的冲刷摩擦。容易造成介质泄漏从而引发事故。

5 壳牌(SHELL)气化炉的发展前景

壳牌(SHELL)气化炉的燃烧方式是一种高效、清洁的燃烧方式,对有害污染物质的处理比较得当排放达到环保标准,且操作简单,经济性好,所以,随着全社会对环境保护的日益重视,壳牌(SHELL)气化炉必然会得到很大的发展。

同时,也也应该看到,在现阶段,壳牌(SHELL)气化炉存在的问题还有很多,有些问题甚至很棘手。对此,我们必须有一个清醒的认识。

在对待壳牌(SHELL)气化炉的发展问题上我们不能盲目乐观,认为前景一片光明,也不能因为发生了比较多的问题而一概否定。对发生的问题应仔细分析,找出原因,并进行认真研究,逐个加以解决。只有这样,壳牌(SHELL)气化炉技术才能健康发展,相信经过不懈的努力,我们能够研制出适合我国煤资源特点的新一代高效低污染大容量壳牌(SHELL)气化炉。

壳牌(SHELL)气化炉能将节约能源与环境保护二者有机的结合在一起,从而提高燃煤的有效利用率。但壳牌(SHELL)气化炉还存在许多问题有待进一步完善,使之不断改进和提高,相信壳牌(SHELL)气化炉在我国将会有更广阔的发展前景。

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TQ113.25+4

A

1003-6490(2010)02-0001-04

2010-03-08

刘鑫(1983-),男,2006年毕业于郑州大学,助理工程师,现在河南煤化集团中原大化公司气化厂控制室工作。联系电话: 13949703926 E-mail:upgtitan@163.com。