劉鑫 郭明波

(河南煤業(yè)化工集團(tuán)中原大化集團(tuán)公司,河南濮陽 457004)

殼牌(SHELL)氣化爐在環(huán)保中的應(yīng)用及存在的問題

(河南煤業(yè)化工集團(tuán)中原大化集團(tuán)公司,河南濮陽 457004)

殼牌(Shell)干煤粉氣化工藝是殼牌(Shell)公司開發(fā)的煤粉氣化工藝,具有鮮明的技術(shù)特色,也是當(dāng)前先進(jìn)的第二代煤氣化工藝,工藝相對(duì)成熟,已廣泛運(yùn)用于發(fā)電、合成氨等行業(yè)。殼牌(SHELL)氣化爐的問世,無疑對(duì)改善我國環(huán)境條件將起到十分重要的作用。但由于在干粉氣化工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行方面經(jīng)驗(yàn)不足,現(xiàn)有殼牌(SHELL)氣化爐均不同程序地存在一些問題。

殼牌(SHELL)氣化爐;干粉氣化工藝;環(huán)保

1 殼牌(SHELL)氣化爐燃燒原理

殼牌煤氣化工藝Shell Coal Gasification Process (SCGP)屬于當(dāng)前先進(jìn)的第二代煤氣化工藝,具有碳轉(zhuǎn)化率高,對(duì)原煤要求低適用與絕大部分煤種。具體燃燒原理如下:

來自粉煤給料倉的粉煤,用高壓氮?dú)饣蚨趸妓椭撩簹饣療?。同時(shí),來自空分的加壓氧氣經(jīng)預(yù)熱后也進(jìn)入氣化燒嘴。

SCGP工藝采用了有多個(gè)燃燒器的水冷卻膜壁的氣化,可以用下列總反應(yīng)說明SCGP中的簡(jiǎn)化后的煤(和焦炭)氣化反應(yīng):

其中,CH是煤的簡(jiǎn)化分子式。

這個(gè)簡(jiǎn)化方程式可以認(rèn)為是通過二步法實(shí)現(xiàn)的,其中第一步的放熱反應(yīng)釋放的能量用于推動(dòng)第二步的吸熱反應(yīng):

(1)燃料+O2?CO?2+H?2O+能量

(2)燃料+CO2+H2O+能量?CO+H2

然而為了真正的理解氣化過程,應(yīng)當(dāng)知道更為基本的氣化方程。為簡(jiǎn)便起見,在這些方程中把煤表示為純碳,習(xí)慣上負(fù)的反應(yīng)熱將表示生成熱量。對(duì)煤而言可以區(qū)分出下列幾個(gè)氣化反應(yīng):

這些反應(yīng)說明,含碳燃料事實(shí)上以三種方式進(jìn)行氣化,即:(1)部分氧化反應(yīng),(2)和水蒸汽的吸熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)和(3)加氫氣化反應(yīng)。

實(shí)際上部分氧化反應(yīng)必須分為二步:

這分開的二步表明氣化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)需要的能量是內(nèi)部產(chǎn)生的。而且它表明,第二步反應(yīng)應(yīng)當(dāng)是平衡反應(yīng)。

氣化爐為立式壓力容器,爐內(nèi)為水冷壁組成的氣化室,煤氣化燒嘴位于氣化室中下部,燒嘴二個(gè)一組對(duì)稱布置。由煤氣化燒嘴噴入的煤粉、氧及蒸汽的混合物在1 500℃高溫下,瞬間完成煤的氣化反應(yīng),生成(CO+H2)含量很高且夾帶飛灰的粗煤氣,由下向上從氣化爐頂排出。為防止飛灰粘結(jié)在后續(xù)設(shè)備,在氣化爐反應(yīng)段出口處均勻噴入循環(huán)返回的200℃低溫激冷氣,將其激冷至900℃,使飛灰固化,再進(jìn)入合成氣冷卻器回收熱量,合成氣溫度降至350℃左右進(jìn)入后續(xù)設(shè)備。

2 殼牌(SHELL)氣化爐的特點(diǎn)

殼牌(Shell)干煤粉氣化工藝是殼牌(Shell)公司開發(fā)的煤粉氣化工藝,具有鮮明的技術(shù)特色,也是當(dāng)前先進(jìn)的第二代煤氣化工藝,工藝相對(duì)成熟,已廣泛運(yùn)用于發(fā)電、合成氨等行業(yè)。殼牌粉煤氣化工藝具有如下特點(diǎn):

2.1 采用干煤粉作氣化原料,煤粉用惰氣輸送,操作十分安全

對(duì)煤種的適應(yīng)性比較廣泛,從較差的褐煤、次煙煤、煙煤到石油焦均可使用;對(duì)煤的灰熔點(diǎn)適應(yīng)范圍比其它氣化工藝更寬,即使是高灰分、高水分、高硫的煤種也能使用。

2.2 氣化溫度高

氣化溫度一般穩(wěn)定的維持在1 400～1 600℃,碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%,合成氣質(zhì)量好。煤氣中甲烷含量極少,不含重?zé)N,CO+H2達(dá)到90%。由于氣體中有效組分高,煤氣總量有所減少,因而氣化消耗煤量也可降低。

2.3 氧耗低

采用干煤粉進(jìn)料與水煤漿氣化相比不需在爐內(nèi)蒸發(fā)水分,氧氣用量因而可減少15%～25%,從而降低了成本。配套空分裝置規(guī)模相對(duì)減小,投資也可相應(yīng)降低。

2.4 膜式水冷壁結(jié)構(gòu)

氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu),無耐火磚襯里。水冷壁設(shè)計(jì)壽命按25a考慮。正常生產(chǎn)維護(hù)量很小,運(yùn)行周期長,也無需設(shè)置備用爐。商業(yè)化運(yùn)行單臺(tái)爐日處理煤量已達(dá)2 000t,目前,正在設(shè)計(jì)更大規(guī)模的裝置。

2.5 合理的燒嘴設(shè)置可有效的延緩燒嘴壽命

每臺(tái)氣化爐設(shè)有4個(gè)燒嘴,故對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)節(jié)比Texaco單個(gè)燒嘴更為靈活,范圍也更寬。Shell燒嘴保證壽命為8 000h,目前運(yùn)行已超過16 000h。燒嘴的使用壽命長,也是氣化裝置能長期運(yùn)行的一個(gè)重要保證。

2.6 熱效率高

Shell煤氣化的冷煤氣效率達(dá)到78%～83%,其余～15%副產(chǎn)高壓或中壓蒸汽,總的原料煤的熱效率達(dá)98%,處于很高水平。

2.7 對(duì)環(huán)境影響小

氣化過程無廢氣排放。系統(tǒng)排出的融渣和飛灰含碳低,可作為水泥等建筑材料,堆放時(shí)也無污染物滲出。氣化污水不含焦油、酚等,容易處理,需要時(shí)可作到零排放。

3 殼牌(SHELL)氣化爐在環(huán)保中的應(yīng)用

世界經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展,也給人類賴以生存的大氣環(huán)境帶來了破壞作用。當(dāng)人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)所排放的污染物超過了環(huán)境本身的自然降解能力時(shí),災(zāi)難性的大氣污染、酸雨、溫室效應(yīng)和臭氧層的破壞等問題,就變的越來越嚴(yán)重。這些環(huán)境問題主要是燃燒礦物燃料造成的。礦物燃料所產(chǎn)生的污染物,主要有三大類:一是氣體污染;而是粉塵及礦物質(zhì)雜志污染;三是廢水污染。而我國是產(chǎn)煤大國,一次能源消費(fèi)中76%以上是煤炭;而在煤炭的利用中,約84%是直接用于燃燒獲取熱能,其中燃煤大戶是火力發(fā)電廠。從火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程來講,污染物的排放主要是粉塵污染物和氣體污染物;其中最主要的是危害最大的SO2CO2和NOx。

排放到大氣中的SO2和NOx將導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題,除了其本身的強(qiáng)刺激性外,他們與空氣中的水蒸氣相遇時(shí),還會(huì)變成硫酸和硝酸,硫酸和硝酸隨著雨水降落就形成了酸雨。酸雨會(huì)以不同方式危害自然界的陸生生態(tài)系統(tǒng)及水生生態(tài)系統(tǒng)。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國,由于國內(nèi)僅有極少數(shù)燃煤電廠與工業(yè)鍋爐用戶對(duì)燃用煤進(jìn)行了脫硫處理,導(dǎo)致SO2等污染物的排放量逐年增長,并使我國成為了世界頭號(hào)SO2排放大國。目前,我國降雨pH值小于5.6的酸雨區(qū)面積已達(dá)40%,每年酸雨造成的損失與超過百億元。

CO2作為主要的溫室氣體是地球臭氧層被破壞以及全球變暖的頭號(hào)殺手,其不能燃燒以及不穩(wěn)定的水溶性等特性導(dǎo)致其很難被處理,但是由于我國工業(yè)的日益發(fā)展以及煤炭燃燒在獲取能量方式中占據(jù)著近80%的重大份額,導(dǎo)致CO2的排放量日益增加。

在嚴(yán)峻的形式面前,對(duì)SO2、CO2和NOx等有害氣體的的處理已刻不容緩。

而殼牌(SHELL)氣化爐作為一種新型燃燒技術(shù),其在燃燒過程中能有效的控制SO2、CO2和NOx的生成和排放,是一種相對(duì)清潔的燃燒方式。

3.1 在減少NOx污染方面

NOx是氣化爐燃燒生成的氮氧化物NO和NO2的統(tǒng)稱。在爐內(nèi)燃燒的過程中,生成氮氧化物的機(jī)理可分為熱力型NOx和燃料型NOx兩類。熱力型NOx是指送入爐內(nèi)燃燒用空氣中的熱力型N2,在高溫條件下氧化生成的氮氧化物,如下所示:

2N+O2→2NO

熱力型NOx的生成與爐膛溫度關(guān)系極大,當(dāng)爐膛溫度大于1 100℃時(shí),熱力型NOx才有較快的反應(yīng)速度。殼牌(SHELL)氣化爐(爐膛燃燒溫度1 400℃～1 600℃)雖然具有較高的爐膛溫度,但是由于有激冷氣循環(huán)系統(tǒng)的存在,使得200℃的低溫氣返回至爐膛,從而使?fàn)t膛內(nèi)的平均燃燒溫度通?？刂圃?00℃～900℃的范圍內(nèi),低的燃燒溫度使燃燒過程中由于高溫氧化所產(chǎn)生的熱力型NOx大幅度降低。

3.2 在減少SO2污染方面

煤中的S在氣化反應(yīng)中都轉(zhuǎn)化為SO2、H2S等形式加入到合成氣中。如下所示:

以上反應(yīng)在1 400℃～1 600℃的爐膛中基本完全反應(yīng),反映產(chǎn)生的SO2、H2S隨合成氣進(jìn)入合成氣冷卻器冷卻到300℃左右后,進(jìn)入濕洗工段,含S的合成氣在濕洗塔中經(jīng)3層填料床被水與20%左右的NaOH的混合液反洗。在此間含SO2、H2S的酸性溶液與NaOH發(fā)生中和反應(yīng),最終以鹽的形式脫除了合成氣中的S,同時(shí)氣化反應(yīng)產(chǎn)生的其他酸性氣體如HCN、NH3和甲酸,以及煤中存在的大多數(shù)Cl、F和Se所轉(zhuǎn)化成的酸都在濕洗工段中以同樣的方式被脫除。

3.3 在減少CO2污染方面

粉煤在爐膛中發(fā)生了部分完全反應(yīng)

使CO2和CO共存于合成氣中。而且煤粉的輸送用CO2作為載氣,使得合成氣中CO2有一定的含量,而為了環(huán)保并使更多的有害氣CO2變?yōu)橛行釩O,在工藝允許的前提下盡量提升爐膛溫度使反應(yīng)C +CO2?2CO盡量向正向移動(dòng)。同時(shí)合成氣中未能加以轉(zhuǎn)化的CO2在后續(xù)低溫甲醇洗工段加以吸收并經(jīng)壓縮機(jī)輸送回前系統(tǒng)作為粉煤的載氣繼續(xù)使用,大幅度降低了CO2的直接排放量。

3.4 在減少燃燒產(chǎn)物污染方面

粉煤在燃燒后所剩余的煤渣,飛灰和工藝中的污水作為燃燒產(chǎn)物也經(jīng)過一系列處理,在經(jīng)過鎖斗減壓和氣提等處理后,達(dá)標(biāo)的產(chǎn)物將重新加以利用。

系統(tǒng)排出的融渣和飛灰含碳低,可作為水泥等建筑材料,堆放時(shí)也無污染物滲出。氣化污水不含焦油、酚等,容易處理,需要時(shí)可做到零排放。

綜上所述殼牌(SHELL)氣化工藝從很大程度上降低了有害物質(zhì)的排放,在環(huán)保方面有著突出的表現(xiàn)。因此,殼牌(SHELL)粉煤氣化技術(shù)是目前工業(yè)應(yīng)用中最經(jīng)濟(jì)有效的低污染氣化技術(shù),這也是它在世界范圍內(nèi)得到重視、得到快速發(fā)展的重要原因。

殼牌(SHELL)氣化工藝技術(shù)作為一種清潔、高效的氣化技術(shù),必將在我國的能源發(fā)電,資源綜合利用,環(huán)保產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域取得重大發(fā)展,創(chuàng)造優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 殼牌(SHELL)氣化爐運(yùn)行中存在的問題

殼牌(SHELL)氣化爐雖然有著較好的環(huán)保特性,但在運(yùn)行中暴露出不少問題,有些問題相當(dāng)嚴(yán)重,直接影響了這一技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和商業(yè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。并且發(fā)生的問題帶有很大的普遍性。具體地說,有以下幾個(gè)問題:

4.1 煤種變化問題

由于殼牌(SHELL)氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率比較高,能夠適用與絕大部分煤種。但如若這樣一旦煤種(包括灰份含碳量灰熔點(diǎn)揮發(fā)份)發(fā)生變化,會(huì)導(dǎo)致整個(gè)氣化系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的波動(dòng)之中,直接影響爐膛反應(yīng)溫度合成氣有效組分含量等重要數(shù)據(jù)。

4.2 爐膛溫度難以控制

由于殼牌(SHELL)氣化爐的反應(yīng)溫度高達(dá)1 400～1 600℃這使在裝置運(yùn)行過程中直接用電藕對(duì)爐溫進(jìn)行測(cè)量并加以控制增加了難度,而如間接的通過中壓氣包的蒸汽產(chǎn)量或者合成氣中的CO2的含量加以判斷又存在著干擾因素,這個(gè)無形中為維持穩(wěn)定的爐膛溫度增加了難度。

4.3 受熱不均勻

由于殼牌(SHELL)氣化爐采用的是膜式水冷壁對(duì)爐膛換熱,所以這對(duì)水冷壁中751路水管中的循環(huán)水的清潔程度有很高的要求,如一根管發(fā)生堵管現(xiàn)象則將導(dǎo)致該管負(fù)責(zé)換熱的區(qū)域換熱不良,使該區(qū)域受熱不均勻?qū)е鲁瑴?容易燒毀反應(yīng)室爐膛壁。

4.4 燒結(jié)金屬容易損壞金屬管線沖刷嚴(yán)重

由于殼牌(SHELL)氣化爐采用干粉加壓給料系統(tǒng),煤粉的供給包括燃燒副產(chǎn)品渣和灰的充泄壓處理需要借助鎖斗頻繁的充泄壓。這使得設(shè)備中的燒結(jié)金屬遭到強(qiáng)烈的沖刷。包括其運(yùn)輸管線在輸送過程中也受到來自內(nèi)部介質(zhì)的沖刷摩擦。容易造成介質(zhì)泄漏從而引發(fā)事故。

5 殼牌(SHELL)氣化爐的發(fā)展前景

殼牌(SHELL)氣化爐的燃燒方式是一種高效、清潔的燃燒方式,對(duì)有害污染物質(zhì)的處理比較得當(dāng)排放達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),且操作簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)性好,所以,隨著全社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視,殼牌(SHELL)氣化爐必然會(huì)得到很大的發(fā)展。

同時(shí),也也應(yīng)該看到,在現(xiàn)階段,殼牌(SHELL)氣化爐存在的問題還有很多,有些問題甚至很棘手。對(duì)此,我們必須有一個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)。

在對(duì)待殼牌(SHELL)氣化爐的發(fā)展問題上我們不能盲目樂觀,認(rèn)為前景一片光明,也不能因?yàn)榘l(fā)生了比較多的問題而一概否定。對(duì)發(fā)生的問題應(yīng)仔細(xì)分析,找出原因,并進(jìn)行認(rèn)真研究,逐個(gè)加以解決。只有這樣,殼牌(SHELL)氣化爐技術(shù)才能健康發(fā)展,相信經(jīng)過不懈的努力,我們能夠研制出適合我國煤資源特點(diǎn)的新一代高效低污染大容量殼牌(SHELL)氣化爐。

殼牌(SHELL)氣化爐能將節(jié)約能源與環(huán)境保護(hù)二者有機(jī)的結(jié)合在一起,從而提高燃煤的有效利用率。但殼牌(SHELL)氣化爐還存在許多問題有待進(jìn)一步完善,使之不斷改進(jìn)和提高,相信殼牌(SHELL)氣化爐在我國將會(huì)有更廣闊的發(fā)展前景。

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TQ113.25+4

A

1003-6490(2010)02-0001-04

2010-03-08

劉鑫(1983-),男,2006年畢業(yè)于鄭州大學(xué),助理工程師,現(xiàn)在河南煤化集團(tuán)中原大化公司氣化廠控制室工作。聯(lián)系電話: 13949703926 E-mail:upgtitan@163.com。