殼牌氣化爐二氧化碳輸煤減排問題研究

崔 劍

(山西潞安煤基清潔能源有限責任公司，山西 長治 046031)

1 概述

二氧化碳是一種工業排放的廢氣，隨著科學技術的進步二氧化碳也逐漸變為一種寶貴資源，一種無形資產，如何變廢為寶，對其進行資源化綜合利用已成為全世界共同關注的焦點。煤化工企業是碳排放的大戶，如何資源化利用是目前急需解決的重點問題之一。

殼牌煤氣化裝置采用煤為原料、純氧為氣化劑生產粗煤氣。惰性氣體在殼牌煤氣化裝置生產中起著非常重要的作用，固相物料干燥、輸送、系統加壓、吹掃、系統置換都要用到惰性氣。殼牌煤氣化裝置開車時，磨煤裝置及氣化裝置需要用惰性氣體進行系統惰性化置換，開車初期全部采用氮氣，煤氣化裝置運行正常后，煤氣凈化裝置分離出合格的二氧化碳后，可將煤氣化裝置使用的氮氣切換為二氧化碳，完成煤氣化裝置惰性氣體的切換。采用該二氧化碳氣體代替氮氣進行惰性化及固相輸送，有效減少了二氧化碳排放，同時也能緩解全廠氮氣供應的緊張局面，采用二氧化碳代替氮氣實現了節能降耗，提質高效。

煤粉輸送采用二氧化碳氣體，并盡可能采用二氧化碳代替氮氣作為吹掃用氣，顯著降低了合成氣中氮氣含量，有利于下游裝置提高合成氣利用率，降低尾氣排放量。

2 原理研究

氣化是將碳氫原料轉化為主要含有一氧化碳和氫氣等氣體的過程。其他成分如甲烷、二氧化碳、硫化氫、苯酚、灰以及痕量的氨、氯化氫、氰化氫和甲酸鹽的產生取決于碳氫原料組份和具體工藝過程的條件。產品氣作為化工原料。所應用的氣化工藝的選擇，包括氣化劑(氧氣或空氣)都由氣化進料的類型組分和產品組分要求決定。

殼牌煤氣化運用裝有多燒嘴的水冷膜壁氣化爐和特殊設計的水管式合成氣冷卻器(廢熱鍋爐)的結構，使氣化爐能夠在更高溫度下工作，同時合成氣冷卻器中可接收的固體負荷能更大。

主要反應方程式：

殼牌煤氣化工藝(SCGP)，可簡單地用氣化總反應方程式[式(1)]描述。

(1)

式中CH是煤的簡化分子式。

殼牌煤氣化工藝采用粉煤加壓、氣流床反應、液態排渣、水冷壁結構的反應室，余熱充分回收的氣化反應，是一個復雜的物理化學反應過程，不僅與氣化溫度、壓力、反應時間有關，而且還受進料組分的濃度、溫度及其理化特性影響(例如,煤的粒度、活性、灰熔點及黏性等因素)，因此氣化反應受眾多因素制約、共同作用的結果。實際氣化過程中，同時存在更多的的氣化反應。為簡單起見，此反應中，用純碳代表煤，反應熱為負值說明該反應為放熱反應。式(2)～式(4)為不同的氣化反應式。

(2)

(3)

(4)

上述反應式實際上是將碳氫燃料氣化的3個步驟，如通過部分氧化[式(2)]，與蒸汽的吸熱反應[式(3)]和加氫氣化[式(4)]。

實際上，部分氧化反應分成以下兩步[見式(5)～式(6)]：

(5)

(6)

分解式表明氣化反應發生所需能量是內部產生的。同時表明第二個反應是平衡反應。

在殼牌工藝中，還有兩個反應在發揮作用，第一個為必不可少，第二個則幾乎不相關，二者均為平衡反應。

CO轉化反應[式(7)]：

(7)

蒸汽甲烷轉化反應[式(8)]：

(8)

為保證氣化爐的溫度以及煤達到熔融狀態，根據煤種灰熔點需要溫度控制在1 450 ℃～1 500 ℃范圍內，這時水蒸氣氣化和CO2氣化反應吉布斯自由能接近，且反應的平衡常數為3左右；從反應式可以看出，過量的CO2將消耗更多的C，產生更多的CO，同時減少H2生成量，造成能量循環浪費。所以，從反應機理上分析，CO2進入氣化爐的量要嚴格控制在一定范圍。

為防止熱煤氣中夾帶的飛灰在飛出氣化爐后在廢熱回收通道中黏附，因此在氣化爐頂錐激冷口處設置冷煤氣激冷降溫使熱煤氣中攜帶的飛灰形成固態，避免了在余熱回收系統的黏附，降低了氣化系統通道的阻力。

3 殼牌氣化爐特點

殼牌氣化技術的主要特點如下：干煤粉作原料，液態排渣、采用廢鍋流程，技術先進，熱效率高(可達96%)，碳轉化率高(可達99%)。

殼牌氣化技術干煤粉氣化，把煤炭在磨煤裝置制成粉煤通過惰性氣體循環烘干，用氮氣或二氧化碳為粉煤輸送介質，將煤粉加壓后送入氣化爐，以純氧和水蒸氣為氣化劑，使粉煤在1 400 ℃～1 700 ℃，4 MPa高溫、高壓下瞬間發生氣化反應，得到主要成分為一氧化碳和氫氣的粗煤氣。

氣化裝置采用廢熱鍋爐流程回收熱量，氣化爐內生成的粗煤氣由下至上進入氣化爐的出口激冷段，被激冷氣壓縮機送來的210 ℃冷卻，溫度由1 500 ℃降至900 ℃，粗煤氣中夾帶的熔融飛灰也因溫度降低而固化。而后粗煤氣通過輸氣管、氣體返回室及合成氣冷卻器進行余熱回收，最后從合成氣冷卻器底部出口排出，溫度被降為300 ℃左右。

4 結論

氣化爐CO2、N2載氣工況下粗合成氣組分變化，根據殼牌工藝包計算數據結果分析，殼牌工藝包數據如表1。

表1 殼牌工藝包計算數據

氣化爐CO2載氣工況有效氣組分為(H2+CO)74.62%,CO2為6.24%,單臺氣化爐CO2正常流量為15 123 m3/h,CO2載氣進入氣化爐的氣量為16 828 m3/h，其中，有1 705 m3/hCO2載氣在氣化爐中進行反應生成一氧化碳。

變換反應影響氣化爐不論是用N2或者CO2輸煤，為了滿足費托合成的要求，需將粗煤氣經過變換都將H2/CO(體積比)調整為1.63。氣化爐CO2載氣工況下粗煤氣H2/CO(體積比)為0.29，氣化爐N2載氣工況下粗煤氣H2/CO(體積比)為0.39,經過變化反應后的變換氣H2/CO(體積比)為1.63，CO2/N2(體積比)載氣工況下產生的CO2總量相等的，CO2載氣工況經凈化裝置處理后凈煤氣的惰性組分大大降低，提高了費托合成的效率和費托反應釋放氣排放量。