崔 劍

(山西潞安煤基清潔能源有限責(zé)任公司，山西 長治 046031)

1 概述

二氧化碳是一種工業(yè)排放的廢氣，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步二氧化碳也逐漸變?yōu)橐环N寶貴資源，一種無形資產(chǎn)，如何變廢為寶，對(duì)其進(jìn)行資源化綜合利用已成為全世界共同關(guān)注的焦點(diǎn)。煤化工企業(yè)是碳排放的大戶，如何資源化利用是目前急需解決的重點(diǎn)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(chǎn)粗煤氣。惰性氣體在殼牌煤氣化裝置生產(chǎn)中起著非常重要的作用，固相物料干燥、輸送、系統(tǒng)加壓、吹掃、系統(tǒng)置換都要用到惰性氣。殼牌煤氣化裝置開車時(shí)，磨煤裝置及氣化裝置需要用惰性氣體進(jìn)行系統(tǒng)惰性化置換，開車初期全部采用氮?dú)猓簹饣b置運(yùn)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?dú)馇袚Q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?xì)怏w代替氮?dú)膺M(jìn)行惰性化及固相輸送，有效減少了二氧化碳排放，同時(shí)也能緩解全廠氮?dú)夤?yīng)的緊張局面，采用二氧化碳代替氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，提質(zhì)高效。

煤粉輸送采用二氧化碳?xì)怏w，并盡可能采用二氧化碳代替氮?dú)庾鳛榇祾哂脷猓@著降低了合成氣中氮?dú)夂?，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?xì)湓限D(zhuǎn)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(chǎn)生取決于碳?xì)湓辖M份和具體工藝過程的條件。產(chǎn)品氣作為化工原料。所應(yīng)用的氣化工藝的選擇，包括氣化劑(氧氣或空氣)都由氣化進(jìn)料的類型組分和產(chǎn)品組分要求決定。

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

主要反應(yīng)方程式：

殼牌煤氣化工藝(SCGP)，可簡單地用氣化總反應(yīng)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(yīng)、液態(tài)排渣、水冷壁結(jié)構(gòu)的反應(yīng)室，余熱充分回收的氣化反應(yīng)，是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，不僅與氣化溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間有關(guān)，而且還受進(jìn)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(diǎn)及黏性等因素)，因此氣化反應(yīng)受眾多因素制約、共同作用的結(jié)果。實(shí)際氣化過程中，同時(shí)存在更多的的氣化反應(yīng)。為簡單起見，此反應(yīng)中，用純碳代表煤，反應(yīng)熱為負(fù)值說明該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。式(2)～式(4)為不同的氣化反應(yīng)式。

(2)

(3)

(4)

上述反應(yīng)式實(shí)際上是將碳?xì)淙剂蠚饣?個(gè)步驟，如通過部分氧化[式(2)]，與蒸汽的吸熱反應(yīng)[式(3)]和加氫氣化[式(4)]。

實(shí)際上，部分氧化反應(yīng)分成以下兩步[見式(5)～式(6)]：

(5)

(6)

分解式表明氣化反應(yīng)發(fā)生所需能量是內(nèi)部產(chǎn)生的。同時(shí)表明第二個(gè)反應(yīng)是平衡反應(yīng)。

在殼牌工藝中，還有兩個(gè)反應(yīng)在發(fā)揮作用，第一個(gè)為必不可少，第二個(gè)則幾乎不相關(guān)，二者均為平衡反應(yīng)。

CO轉(zhuǎn)化反應(yīng)[式(7)]：

(7)

蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)[式(8)]：

(8)

為保證氣化爐的溫度以及煤達(dá)到熔融狀態(tài)，根據(jù)煤種灰熔點(diǎn)需要溫度控制在1 450 ℃～1 500 ℃范圍內(nèi)，這時(shí)水蒸氣氣化和CO2氣化反應(yīng)吉布斯自由能接近，且反應(yīng)的平衡常數(shù)為3左右；從反應(yīng)式可以看出，過量的CO2將消耗更多的C，產(chǎn)生更多的CO，同時(shí)減少H2生成量，造成能量循環(huán)浪費(fèi)。所以，從反應(yīng)機(jī)理上分析，CO2進(jìn)入氣化爐的量要嚴(yán)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(shè)置冷煤氣激冷降溫使熱煤氣中攜帶的飛灰形成固態(tài)，避免了在余熱回收系統(tǒng)的黏附，降低了氣化系統(tǒng)通道的阻力。

3 殼牌氣化爐特點(diǎn)

殼牌氣化技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：干煤粉作原料，液態(tài)排渣、采用廢鍋流程，技術(shù)先進(jìn)，熱效率高(可達(dá)96%)，碳轉(zhuǎn)化率高(可達(dá)99%)。

殼牌氣化技術(shù)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(huán)烘干，用氮?dú)饣蚨趸紴榉勖狠斔徒橘|(zhì)，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(fā)生氣化反應(yīng)，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(nèi)生成的粗煤氣由下至上進(jìn)入氣化爐的出口激冷段，被激冷氣壓縮機(jī)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(jìn)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(jié)論

氣化爐CO2、N2載氣工況下粗合成氣組分變化，根據(jù)殼牌工藝包計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果分析，殼牌工藝包數(shù)據(jù)如表1。

表1 殼牌工藝包計(jì)算數(shù)據(jù)

氣化爐CO2載氣工況有效氣組分為(H2+CO)74.62%,CO2為6.24%,單臺(tái)氣化爐CO2正常流量為15 123 m3/h,CO2載氣進(jìn)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(jìn)行反應(yīng)生成一氧化碳。

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