【文章內(nèi)容簡介】 漿進(jìn)料的煤氣中一般都含有 %左右的水分，那么當(dāng)熱煤氣冷卻到常溫時(shí)，必然損失大量的顯熱和潛熱。水煤漿進(jìn)料氣化工藝對(duì)高溫凈化的需求更迫切。(3)Shell 氣化爐的噴嘴和水冷壁壽命較長，在 Demkolec 電站累計(jì)運(yùn)行 10 000 h 以上未見損壞，氣化爐的可用率已達(dá)到 95%。(4)由于采用干法進(jìn)料，氣化過程的氧耗比水煤漿進(jìn)料少，煤氣中的 CO2 含量也遠(yuǎn)小于水煤漿進(jìn)料的煤氣。對(duì)于相同容量的氣化爐，Shell 氣化所需的空分站可小于15%～ 25%。(5)采用干灰再循環(huán)，提高了碳的轉(zhuǎn)化率(可達(dá)到 99%)。(6)干法進(jìn)料系統(tǒng)與水煤漿相比要復(fù)雜得多，操作和保護(hù)也要嚴(yán)格得多。進(jìn)料系統(tǒng)的防爆和防泄漏問題十分關(guān)鍵。進(jìn)料系統(tǒng)的占地和造價(jià)比水煤漿大。此外，干法進(jìn)料系統(tǒng)的粉塵排放遠(yuǎn)大于水煤漿進(jìn)料系統(tǒng)。(7)由于 Shell 氣化爐采用 4 個(gè)(或更多) 噴嘴運(yùn)行，易于在低負(fù)荷和高負(fù)荷下運(yùn)行，操作的靈活性大，實(shí)現(xiàn)大型化的可能性大。據(jù)介紹，Shell 氣化爐的最低負(fù)荷可達(dá)到 25%，即一個(gè)噴嘴運(yùn)行?！　?8)Shell 氣化爐運(yùn)行過程中最重要的控制參數(shù)如下：氣化爐出口溫度；合成氣冷卻器進(jìn)口溫度；煤氣成分；蒸汽的參數(shù)(流量、溫度、壓力)；爐渣的排出量及外觀狀況?！　?9)氣化爐的變負(fù)荷率每分鐘大于 5%，IGCC 的變負(fù)荷率每分鐘接近 3%[12]。6 本課題研究的主要內(nèi)容 干煤粉加壓氣化（Shell 爐） ，從本質(zhì)上來說 Shell 爐就是加壓操作的 KT 爐，國外研究開發(fā)已有 50 多年的歷史（從 KT 爐算起） 。shell 氣化技術(shù)采用干燥方式，用氮?dú)鈱⒚悍鬯偷綒饣癄t，最后生成合成氣，即一氧化碳和氫的混合物。Shell 煤氣化的目的是為了更加高效、清潔地利用煤資源。如合成氣中含有原煤中約 80%的能量，另外15%的有效能量以蒸汽的形式獲得。整個(gè)氣化過程只有 5%的能量流失。合成氣可以用來制造純氫，生產(chǎn)合成氨、甲醇、含氧化合物，以及尿素及合成氫燃料等衍生物。該合成氣還可用于電廠供熱、蒸汽和發(fā)電的燃料，并可作為城市用氣。本論文研究的主要內(nèi)容是 50 萬噸/年煤氣化工藝設(shè)計(jì)。通過對(duì) shell 煤氣化工藝的選擇，重要設(shè)備的介紹，依據(jù)氣化過程中物料、熱量的衡算并設(shè)計(jì)出氣化爐的尺寸。72 shell 煤氣化 shell煤氣化的原因選擇 shell 煤氣化的原因如下： （1）原料煤種適應(yīng)性廣：煙煤、 褐煤和石油焦均可氣化。對(duì)煤的灰熔融性適應(yīng)范圍寬，即使高灰分、 高水分、 高含硫量的煤種也能適應(yīng)。 （2）單系列能力強(qiáng)：shell 煤氣化已投入運(yùn)行的單臺(tái)爐氣化壓力： 下 ， 日處理煤量達(dá) :2022t/d 。目前更大規(guī)模的裝置正在工業(yè)化。 （3）熱效率高：shell 煤氣化冷煤氣效率約 83%，其余 15%熱能被回收為中壓或高壓蒸汽，總的熱效率約為 98%左右。 （4）氣化效率高：shell 煤氣化溫度約 1600℃， 碳轉(zhuǎn)化率可達(dá) 99%左右， 產(chǎn)品氣體潔凈，不含重?zé)N，甲烷含量低，煤氣中有效氣體成分可達(dá) 90% 。 （5）氧耗量低：shell 煤氣化氧耗量比水煤漿氣化工藝低 15%~25% ，因而配套的空分裝置投資相對(duì)降低。 （6）爐壁冷卻：煤氣化爐爐壁冷卻采用水冷膜式壁結(jié)構(gòu)，并采用掛渣措施保護(hù)氣化爐壁。無耐火磚襯里， 維護(hù)量較少。氣化爐內(nèi)無傳動(dòng)部件， 運(yùn)轉(zhuǎn)周期長， 無需備爐。 （7）燒嘴： 煤氣化爐燒嘴及控制系統(tǒng)安全可靠。燒嘴設(shè)計(jì)壽命為 8000h，已有 1500h 運(yùn)行記錄。荷蘭 Demkolec 電廠使用燒嘴已經(jīng) 4 年。氣化操作采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)，設(shè)有必要的安全聯(lián)鎖，使氣化操作始終處于最佳狀態(tài)運(yùn)行。 （8）排渣： 煤氣化爐高溫排出的熔渣經(jīng)激冷后成玻璃狀顆粒， 性質(zhì)穩(wěn)定， 對(duì)環(huán)境幾乎沒有影響。氣化污水中含氰化物少，易處理。Shell 煤氣化工簡述：原料煤輸送至磨煤機(jī)，磨煤機(jī)把原料煤粉碎至合適有效的氣化尺寸( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 90 %的顆粒小于 100μm)，煤粉碎的同時(shí)用惰性氣體干燥，把蒸發(fā)后的水蒸氣帶走，經(jīng)內(nèi)部分離器分級(jí)后,合格的煤粉被收集在沉降池里，氣化所需要的氧氣由空氣裝置提供，空分裝置來的氮?dú)饨?jīng)壓縮后為輸煤系統(tǒng)提供低壓氮?dú)夂透邏旱獨(dú)?。干燥后的合格的煤粉被氮?dú)廨斔椭撩杭訅杭肮┝舷到y(tǒng)，如需要，加壓后的煤粉、氧氣和蒸汽可以通過成對(duì)噴嘴進(jìn)入氣化爐，氣化爐的操作壓力為 MPa~ MPa，反應(yīng)溫度高達(dá) 1 400℃~1 700℃，熔渣自氣化爐的下部流出，與水接觸，形成固體顆粒通過灰鎖排出。溫度為 1 400℃的出口氣體與冷激氣混合后，降至 900℃。進(jìn)入廢鍋，經(jīng)廢熱鍋爐回收熱量，合成氣溫度降至 250℃，再經(jīng)陶瓷過濾器將合成氣中的粉塵降至 3 mg/m3~5 mg/m3，進(jìn)入水洗塔 ,使合成氣中的粉塵含量進(jìn)一步降至 1 mg/m3 送后工序。8圖 shell 煤氣工藝流程圖 shell氣化工藝的主要設(shè)備（1）煤粉制備和送料系統(tǒng)煤粉制備和送料系統(tǒng)：Shell 煤氣化工藝采用干煤粉進(jìn)料系統(tǒng)。原煤的干燥和磨煤系統(tǒng)與常規(guī)電站基本相同，但送料系統(tǒng)是高壓的 N2 氣濃相輸送。與水煤漿不同，整個(gè)系統(tǒng)必須采取防爆措施。經(jīng)預(yù)破碎后進(jìn)入煤的干燥系統(tǒng)，使煤中的水分小于 2%，然后進(jìn)入磨煤機(jī)中被制成煤粉。對(duì)煙煤，煤粉細(xì)度 R90 一般為 20%～30%，磨煤機(jī)是在常壓下運(yùn)行，制成粉后用 N2 氣送入煤粉倉中。然后進(jìn)入 2 級(jí)加壓鎖斗系統(tǒng)。再用高壓N2 氣，以較高的固氣比將煤粉送至 4 個(gè)氣化爐噴嘴，煤粉在噴嘴里與氧氣 (95%純度)混合并與蒸汽一起進(jìn)入氣化爐反應(yīng) [13]?！　。?）氣化爐由對(duì)稱布置的 4 個(gè)燃燒器噴入的煤粉、氧氣和蒸汽的混合物，在氣化爐內(nèi)迅速發(fā)生氣化反應(yīng)，氣化爐溫度維持在 1 400～1 600 ℃，這個(gè)溫度使煤中的碳所含的灰分熔化并滴到氣化爐底部，經(jīng)淬冷后，變成一種玻璃態(tài)不可浸出的渣排出 [13]。　　粗煤氣隨氣流上升到氣化爐出口，經(jīng)過一個(gè)過渡段，用除塵后的低溫粗煤氣(150 ℃左右 )使高溫?zé)崦簹饧崩涞?900 ℃，然后進(jìn)入對(duì)流式煤氣冷卻器。在有一定傾角的過渡段中，由于熱煤氣被驟冷，所含的大部分熔融態(tài)灰渣凝固后落入氣化爐底部。Shell氣化爐的壓力殼內(nèi)布置垂直管膜式水冷壁，產(chǎn)生 MPa 的中壓蒸汽 [13]。向火側(cè)有一層很薄的耐火涂層，當(dāng)熔融態(tài)渣在上面流動(dòng)時(shí)，起到保護(hù)水冷壁的作用 [13]。（3）煤氣冷卻器粗熱煤氣在煤氣冷卻器中被進(jìn)一步冷卻到 250 ℃左右。低溫冷卻段產(chǎn)生 MPa 的中壓蒸汽，這部分蒸汽與氣化爐產(chǎn)生的中壓蒸汽混合后，再與汽輪機(jī)高壓缸排汽一起再熱成中壓再熱蒸汽。高溫冷卻段產(chǎn)生 13 MPa 的高壓蒸汽，它與余熱鍋爐里的高壓蒸汽一起過熱成主蒸汽 [13]?！?（4）磨煤機(jī)原煤由落煤管進(jìn)入兩個(gè)碾磨部件的表面之間，在壓緊力的作用下，受到擠壓和碾磨而被粉碎成煤粉。由于碾磨部件的旋轉(zhuǎn)，磨成的煤粉被拋至風(fēng)環(huán)處(裝有均流導(dǎo)向葉片的環(huán)形熱風(fēng)通道稱為風(fēng)環(huán))。熱風(fēng)以一定速度通過風(fēng)環(huán)進(jìn)入干燥空間，對(duì)煤粉進(jìn)行干燥，并將其帶入碾磨區(qū)上部的粗粉分離器中，經(jīng)分離，不符合燃燒要求的粗粉返回碾磨區(qū)重磨；合格的煤粉經(jīng)粗粉分離器由于燥劑帶出磨外，引至一次風(fēng)管 [13]。（5）粉煤袋式收集器采用低壓長袋噴吹脈沖方式，通過粉煤袋式收集器使循環(huán)氣中固體顆粒含量低于10mg/m3.（6）熱風(fēng)爐裝置給整個(gè)循環(huán)氣系統(tǒng)提供熱量，通過控制循環(huán)氣的溫度在 105110℃之間，保證碾磨干燥后的粉煤水分含量小于 2%。出氣溫度：258℃燃料氣來源：開工時(shí)點(diǎn)火用 LPG、開工用柴油、正常運(yùn)行為合成馳放氣，同時(shí)有一個(gè)合成精制氣作為備用熱源。（7）環(huán)循風(fēng)機(jī)要保證循環(huán)氣從磨機(jī)中以一定的速度將煤粉送到的袋式收集器內(nèi)，提供熱風(fēng)的內(nèi)循環(huán)動(dòng)力 [13]。（8）煤倉煤通過磨煤機(jī)粉碎以后，再通過輸送系統(tǒng)，進(jìn)入到煤倉，方便煤粉下一步到氣化爐。 shell氣化過程中的化學(xué)反應(yīng)使用不同的氣化劑可以制取不同種類的煤氣，主要反應(yīng)都相同。煤炭氣化過程可分為均相和非均相反應(yīng)兩種類型。即非均相的氣固相反應(yīng)和均相氣氣反應(yīng)。生成煤氣的組成取決于這些反應(yīng)的綜合過程。由于煤結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，其中含有碳、氫、氧和硫等多種元素，在討論基本化學(xué)反應(yīng)時(shí)，一般僅考慮煤中主要元素碳和在氣化反應(yīng)前發(fā)生的煤的干餾或熱解，即煤的氣化過程僅有碳、水蒸氣和氧參加，碳與氣化劑之間發(fā)生一次反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物再與燃料中的碳或其他氣態(tài)產(chǎn)物之間發(fā)生二次反應(yīng)。主要反應(yīng)如下。一次反應(yīng)：C+O2→CO ∕molC+H2O ?CO+H 2+ kJ∕molC+1∕2O2→ kJ∕molC+2H2O→CO 2+2H2+ kJ∕molC+2H2 ?CH kJ∕molH2+1∕2 ?H kJ∕mol10二次反應(yīng)：C+CO2 ?2CO+ kJ∕mol2CO+O2 ?2CO kJ∕molCO+H2O ? H 2+ kJ∕molCO+3H2 ?CH 4+ kJ∕mol3C+2H2O→CH 4+2CO+ kJ∕mol2C+2H2O→CH 4+CO2+ kJ∕mol根據(jù)以上反應(yīng)產(chǎn)物，煤炭氣化過程可用下式表示：煤（高溫、加壓、氣化劑）→C+CH 4+CO+CO2+H2+H2O 氣化反應(yīng)的物料、熱量衡算 地處陜北，這兒以褐煤為主，以大量的煤氣化提供了便利的能源。褐煤是炭化程度較低的煤，其特點(diǎn)是發(fā)熱量低(30000 kJ/kg 一般為 25000 kJ/kg） ，水分大，揮發(fā)分高(40%),含游離腐植酸?？諝庵幸罪L(fēng)化碎裂，燃點(diǎn)低（270℃左右） 。在氣化過程中盡管每個(gè)過程的化學(xué)反應(yīng)不盡相同，但它們都遵循元素平衡的規(guī)律。加壓衡算的步驟和內(nèi)容基本與常壓的相同 [22]。氣化過程進(jìn)入氣化爐內(nèi)的碳，主要是指原料帶入的碳；帶出氣化爐的碳，則包括煤氣、焦油、輕質(zhì)油、酚、煤氣吹出物和灰渣等幾項(xiàng)。氣化過程中氫的來源，包括水蒸氣和原料煤中的氫；帶出氣化爐的氫則包括在煤氣、焦油、輕質(zhì)油、酚、氨和煤氣中未分解的水蒸氣。氣化過程中氧的來源，一是原料中的化合氧（包括所含水分中的氧），二是氣化劑帶入的氧（包括水蒸氣中的氧）；帶出氣化爐的氧，主要是生成煤氣中的氧，以及焦油、輕質(zhì)油中的微量氧 [22]。以 1000kg 褐煤為計(jì)算基準(zhǔn)，已知的原始數(shù)據(jù)如下。褐煤的工業(yè)分析：Mar=%； Aar=%； Var=%；ω ar(S)=%褐煤的元素分析：ωdaf(C)=