浅谈Shell煤气化技术

刘 兵，巴淑丽

（1.郑州大学化工与能源学院，郑州，450001；2.重庆能源职业学院能源工程系，重庆，400040）

浅谈Shell煤气化技术

刘 兵1，巴淑丽2

（1.郑州大学化工与能源学院，郑州，450001；2.重庆能源职业学院能源工程系，重庆，400040）

随着经济不断发展，能源在社会中的战略地位日益重要。煤气化技术受到各国高度重视。在介绍能源结构基础上，分析了常见煤气化技术，着重阐述了Shell气化炉的工艺原理，技术特点，开发现状等，通过对Shell煤气化技术的分析，论述了Shell气化技术在我国的应用前景。

煤气化；Shell；技术特点

我国是一个多煤少油的国家，煤炭资源丰富，原煤产量居世界第一位［1～2］。 在我国，煤炭是发电、化肥、甲醇等能源转化工业的主要原料和燃料，煤炭的生产和消费占一次能源构成的75%［3～4］。然而人类对能源的需求快速增长，以化石燃料为代表的传统能源日趋枯竭，使得能源供应日益紧张［5］。同时，能源利用过程中排放的污染物，如粉尘、二氧化硫、氮氧化合物、碳氢化合物、有毒金属化合物、温室气体等，正在急剧破坏地球的生态平衡和人类自身的生存环境。化石燃料中煤的储量大、价格低廉、供应稳定，但直接燃煤带来的严重环境污染是一个不容忽视的问题。因此，各国政府在考虑利用储量丰富的煤炭资源时，特别重视洁净煤技术的研究与开发工作［6］。

长期以来，我国煤炭综合利用技术落后，煤炭利用率低下，主要以直接燃烧为主。据统计在排放的大气污染物中，90%的SO2、85%的 CO2、70%的烟尘来自煤燃烧［7～8］。 因此，为提高煤炭综合利用率，缓解因煤炭利用所引起的环境污染问题，必须加强洁净煤技术研究。煤气化技术是煤炭洁净技术转化的核心技术之一，是发展煤化学品（氨，甲醇，二甲醚等）、先进IGCC发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的基础。

1 常见煤气化技术比较

煤气化就是以煤炭为原料，采用空气、氧气、CO2和水蒸汽为气化剂，在一定温度和压力下，通过不完全的燃烧过程，将煤中的固定碳转化成可燃性气体 （有效气体成分CO、H2、CH4及副产物CO2、H2O 等）的过程［9］。

目前新一代煤气化工艺对煤种适应性广，气化压力高，生产能力大，气化效率高，污染少。具有代表性的有Texaco（德士古）水煤浆气化工艺、GSP 气化技术、Shell（壳牌）气化技术［10］。

Texaco水煤浆加压气化炉是两相并流型气化炉，氧气和煤浆通过特制的工艺喷嘴混合后喷入气化炉，在炉内水煤浆和氧气发生不完全氧化还原反应产生水煤气，其反应释放的能量可维持气化炉在煤灰熔点温度以上反应以满足液态排渣的需要。

GSP连续气化炉是在高温加压条件下进行的，属气流床反应器，几根煤粉输送管均布进入最外环隙，并在通道内盘旋，使煤粉旋转喷出。给煤管线末端与喷嘴顶端相切，在喷嘴外形成一个相当均匀的煤粉层，与气化介质混合后在气化室中进行气化，反应完后最终形成以CO、H2为主的煤气进入激冷室。

Shell煤气化在高温加压条件下进行，属气流床反应器，煤粉、氧气及水蒸汽并流进入气化炉，在极为短暂的时间内完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化学过程。由于气化炉内温度很高，在有氧存在的条件下，以燃烧反应为主；在氧气反应完后进入到气化反应阶段，最终形成以CO、H2为主的煤气离开气化炉。

上述3种气化方式均为不完全氧化还原反应生成粗合成气，基本原理相同。不同之处在于Texaco采用水煤浆气化，而GSP和Shell采用干煤粉气化。

2 Shell气化技术发展现状

1972年，Shell公司在阿姆斯特丹建立了Koninklijke研究实验室。1976年，一个日投煤量6t的小型开发装置在阿姆斯特丹运转。在1978～1983年间，约有21种煤在该装置进行了气化试验。1983年，Shell公司在美国休斯顿建设了一套日投煤量 220～360 t的大型示范装置［11～13］。 1988年，荷兰采用Shell公司壳牌气化炉，气化装置设计能力单炉日处理2000 t煤。1989年，荷兰发电局采用Shell气化技术建设250MW整体煤气化燃气-蒸汽联合循环（ICGCC）发电装置［14］。迄今为止，壳牌共在中国签订了10多份煤气化技术转让协议。其中第一份转让协议用于在湖南省乐阳市兴建的煤气化厂，该厂是由壳牌和中石化共同投资兴建的合资企业，日投煤量为2000 t，为化肥厂提供合成气用生产原料［15］。壳牌国际研究有限公司向中国最大的煤炭企业神华集团公司转让煤气化技术，该技术用于在内蒙古建立的第一座煤液化厂［16］；中国神华煤制油有限公司采用壳牌煤气化技术为其煤液化厂制取氢气。内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗兴建的液化厂是中国第一家直接用煤生产油品的工厂［17］。河南永煤集团采用Shell气化炉用于生产甲醇。湖北双环化工集团利用我国丰富的煤炭资源，采用先进的Shell煤气化技术，对合成氨原料线路进行改造。

作为典型的洁净煤技术，Shell煤气化得到90%以上的（CO＋H2）粗煤气，粗煤气是合成氨，甲醇，氢气的原料。Shell煤气化合成氨、甲醇简易工艺流程图见图1、2。

图2 Shell煤气化生产甲醇工艺图［18］

3 Shell气化技术及其工艺流程

3.1 Shell气化工艺流程

原料煤被破碎并输送到粉碎机，正常情况下是传统的磨煤机，磨煤机将煤研磨到适于高效气化的尺寸（90%小于100 μm）。研磨煤的同时，使用加热的惰性气体流从系统内带走水蒸汽来进行干燥，气流卷走的粉煤通过内部筛分器在袋室内收集。适当的干燥对无故障的煤排放和输送非常重要，并且可以提高装置效率。经过研磨和干燥的煤从磨煤和干燥系统排放到煤加压和输送系统（锁斗），然后加压的煤通过相对的烧嘴输送到气化炉气化室，利用氧气在气化室内进行气化反应，如果需要缓冲蒸汽，通过相同的烧嘴喷入。送入炉内的煤粉、氧气及蒸汽在高温加压条件下发生部分氧化反应，气化炉顶部约1500℃的高温煤气与经冷却后的煤气激冷至900℃左右进入废热锅炉，经回收热量后的煤气温度降至350℃进入除尘和湿式洗涤系统，处理后含尘量小于1 mg·m-3，温度为 150℃的煤气送后工序。

气化炉由内部带气化室的压力容器组成，并在2～4.5 MPa的压力下运行。气化炉内壁温度由循环水通过膜式壁进行控制，以产生饱和蒸汽。膜式壁包围气化区域，气化区域有两个出口。气化区域底部的孔口用于除渣。顶部的出口允许夹带飞灰的合成气进入激冷区域，在该区域内热合成气利用“冷”（180～300℃）无灰再循环气体激冷，以避免粗合成气夹带的融化或粘性飞灰颗粒的结垢问题。

从洗涤塔排出的黑水在闪蒸槽进行减压闪蒸，闪蒸液再进汽提塔汽提，经初级处理后的灰水送至界区外的污水处理装置进一步处理。闪蒸气及汽提气送锅炉作燃料气。在气化炉燃烧段产生的高温熔渣，流入气化炉下部激冷室进行激冷形成玻璃体流入锁斗后定期排放，排出的炉渣经捞渣机运走，捞渣池的灰水送至闪蒸槽及汽提塔一并处理。锁斗内的灰水经锁斗循环泵升压并冷却后返回气化炉底部激冷室。

Shell煤气化典型流程图见图3。

图3 Shell煤气化法的典型流程［6］

3.2 Shell气化特点

Shell公司开发的Shell气化工艺，是目前最先进的气化工艺之一，实际生产操作表明，煤气化工艺指标达到预期目标，装置运行比较稳定，其主要特点如下：

（1）采用干煤粉作为气化原料，煤粉用氮气输送，操作安全；煤种适应性广泛；

（2）气化温度高，一般在 1400～1600℃，碳转化率高；氧耗低，节省运行费用；

（3）气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖衬里；每台气化炉设有4～6个烧嘴，对生产负荷调节灵活；

（4）热效率高，总的原料煤热效率高达98%；对环境影响小。气化过程无废气排放，系统排出的熔渣和飞灰含碳低，可作为建筑材料，气化污水不含焦油、酚等污染物，易处理，需要时可以零排放。

4 结语

我国的能源分布情况是：石油天然气相对缺乏，而煤炭资源丰富，并且在全国分布比较广泛。在相当一段时期，我国化肥工业，由于生产工艺老化，合成氨生产用的原料煤，多是无烟块煤，而无烟块煤主要分布在山西等少数省区，这对于全国各地的大多数化肥厂来说，成本增高，同时由于机械化程度提高，粉煤率增加，块煤减少，无烟煤利用率低。同时随着生产不断进步，要求扩大对煤种和颗粒的适应范围，增加单炉生产能力，提高煤气化的操作压力，达到环保要求。作为目前最为先进的煤气化技术之一，Shell气化技术具有显著的优点：碳转化率高，氧耗低，气化温度高，单台生产能力高。因此，Shell气化技术可以在很大程度上摆脱以上缺点，充分利用各地煤炭资源，另外采用Shell技术可以大大改善环境。故Shell煤气化技术将被广泛应用于大型煤化工企业，具有广大的发展空间，并且随着Shell煤气化装置投入运行，可以推进Shell煤气化技术在我国的推广应用，带动我国煤气化技术研究的进一步发展。

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Research for Shell Coal Gasification Technology

LIU Bing1，BA Shu－li2
（1.School of Chemical and Energy Engineering，Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China；2.Department of Energy Engineering，Technology Institute of Chongqing Energy，Chongqing 400040， China）

With the development of economic， energy was very important in society for strategic position.Coal gasification technology was very important for the entire world.In introducing the energy structurte，the common coal gasification technologies were analyzed.The process principle， technical feature， status for Shell coal gasification stove， was mainly introduced.Through analyzed the shell coal gasification technology， the application prospects of shell coal gasification technology in China was discussed.

coal gasification；Shell；technical features

TQ 54

A

1671-9905（2011）03-0022-04

2009年郑州大学研究生科学研究基金（编号A1101）

刘兵（1984-），男，郑州大学化工学院博士研究生，主要从事煤的洁净技术研究；巴淑丽（1982-），女，重庆能源职业学院，讲师，主要从事煤的洁净技术，设备节能与优化等方面的研究

2010-12-08