壳牌与德士古煤气化技术比较

壳牌与德士古煤气化技术比较

（一）对煤质的要求

壳牌煤气化工艺（SCGP）采用干法粉煤进料及气流床气化，因而对煤种的适应性广，能气化无烟煤、石油焦、烟煤及褐煤等各种煤。能成功地处理高灰份、高水份和高硫煤种。该工艺过程对煤的性质诸如煤的活性、黏结性、机械强度、水份、灰份、挥发份等煤的一些关键理化特性要求不十分严格。在美国休顿壳牌的Deer Park示范装臵上气化了约18种煤（包括褐煤和石油焦）；在荷兰Demkolec工厂中成功地使用过包括澳大利亚煤、哥伦比亚煤、印尼煤、南非煤、美国煤、波兰煤等14种煤。其中煤的水分在4.7-12.1%、灰分在4.5-16.2%（最高曾达35%）、高位发热27.2-32.9MJ/kg。

德士古煤气化工艺（TCGP）的原料是水煤浆，可用于水煤浆气化的原料种类比较广泛，例如各种烟煤、褐煤、泥煤、石油焦甚至城市垃圾。但由于制备的水煤浆需要有良好的流动性和稳定性，以及炉内耐火砖对炉温的限制，因此德士古水煤浆气化工艺对原料煤的灰含量（宜不大于13%）、灰熔点（FT宜不高于1300℃）、可磨性（HGI宜大于50）、内水含量（宜不大于8%）以及化学活性均有一定的要求。(二) 工艺特点比较

1、壳牌粉煤气化技术

壳牌煤气化工艺（SCGP）属加压气流床粉煤气化，采用废锅流程。干煤粉用加压氮气（或二氧化碳）送入侧壁对称布臵的气化炉烧嘴，气化所需的氧气和蒸汽也送入烧嘴。气化炉在1400-1700℃范围内运行，火焰中心温度可

1600-2200℃，气化炉操作压力为2-4 Mpa。在气化炉内煤中的灰份以熔渣形式排出，其中绝大部份是从炉底经水激冷后成为惰性玻璃状排出。出气化炉的粗煤气挟带的熔渣粒子被循环冷煤气激冷后（约800-900℃）进入合成气冷却器（水管式废热锅炉），以回收煤气热量并副产过热蒸汽。然后煤气进入陶瓷过滤器除去细灰（﹤20mg/Nm3），再进入湿洗，进一步除尘（飞灰残留量﹤1mg/Nm3）和脱除煤气中的微量氯化物、氨、硫化物等。工艺过程大部分水循环使用。废水在排放前需经过生化处理。

气化炉采用膜式水冷壁形式，用于副产蒸汽。气化炉上部为燃烧室，下部为激冷室。气化炉内产生的融渣可以保护膜式水冷壁。由于不需要耐火砖绝热层，运转周期长，可单炉运行，无需备用炉，可靠性高。

烧嘴寿命长，采用侧壁对称式布臵烧嘴（4-8个），具有较好的调负荷能力。

煤种选择范围宽，灰熔点高时只需加入助熔剂(石灰石)。原料制备系统较简单，进料灵活。干粉进料，气化效率高，碳转化率＞99%。有效气体成份含量高，二氧化碳含量低，几乎无甲烷、酚类以及焦油等生成。原料煤所含能量之中，大约80-83%以合成气形式回收，另外14-16%以蒸汽形式回收。

环境友好，硫氧化物及粉尘排放量极少。煤的灰份则被转变成惰性炉渣，可以用做道路建筑材料。气化装臵仅产生少量废液，工艺用水可循环利用，总废水排放量少。

2、德士古水煤浆气化技术

德士古气化工艺是湿化气流床加压气化，煤或石油焦等固体碳氢化合物制备成一定浓度的水煤浆（浓度通常为

55%-65%），与纯氧气化剂一起进入至气化炉顶部的喷嘴，气化剂高速喷出与水煤浆并流雾化，在1300-1500℃的高温下进行火焰型非催化部分氧化反应，在气化炉燃烧室产生的高温煤气和熔渣因冷却方式不同，可分为激冷流程和废锅流程。对于激冷流程，气化炉燃烧室排出的高温煤气和熔渣经气化炉下部的激冷环用水激冷（约250℃）后，沿下降管导入激冷室进行水浴，熔渣迅速固化，粗煤气被水饱和。出气化炉的粗煤气再经文丘里洗涤器和炭黑洗涤塔用水进一步

洗涤，除去残余的飞灰后送下游使用。

在激冷室生成的灰渣绝大部份迅速沉淀并通过锁渣罐

系统定期排出。激冷室和炭黑洗涤塔排出黑水中的细灰（包括炭黑）通过灰水处理系统经沉降槽除去，澄清的灰水返回工艺系统循环使用。少部分灰水送生化处理装臵后排放，以防止系统中离子的累积。

气化炉燃烧室与激冷室连为一体温，燃烧室内衬耐火砖，设备结构紧凑，粗煤气和熔渣的显热直接被激冷水回收，同时熔渣被固化分离。这种工艺设计简单，便于操作管理。同时含有饱和水蒸汽的粗煤气刚好能满足下游需要CO变换

的水汽比。

废锅流程则采用幅射废锅加对流废锅来冷却高温煤气

并副产高压蒸汽。由于粗煤气中所含水蒸汽极少，特别适合于下游不需要进行变换或只需部份变换的工艺。

德士古工艺在一定范围内对煤的适用性较宽。水煤浆用高压泵进料，安全并易控制；高温高压下气流床气化生产能力大，单炉投煤量一般在 400-1000 t/d （干煤），最大可达2200 t/d（干煤）。操作压力范围广（2.6-8.5MPa），有利于产品煤气进一步利用；碳转化率96%，冷煤气效率

74-77%。模块化结构，组合灵活性较好；

环境友好，高温高压气化所产生的废水中酚、氰化氢及

氨等有害物含量极少，少量废水经简单生化处理后可直接排放。排出的粗、细渣或可做水泥掺料或深埋，对环境没有污染。

3、气化炉结构形式比较

表1、德士古与壳牌气化炉结构特点的比较

项目名称Shell Texaco

数量1台3台(2开1备)

气化炉形式加压气流床加压气流床

直径(mm)Φ4500 Φ2794(Φ1676)

气化剂氧气氧气

气化压力(Mpa) 3.5或4.0 4.0或6.4

能量回收型式水冷壁+废锅水激冷

气化温度(℃) 1400-1700 1400

单炉能力(t/d)1500 600

加煤装臵煤喷枪德士古烧嘴

炉体保护装臵水冷壁耐火材料

易损件无烧嘴、耐火材料

破渣装臵有有

排渣装臵锁渣罐锁渣罐

炉膛温度检测按二氧化碳含量推算热电偶、甲烷值估测、物

料衡算估测

适用原料煤种广泛煤种有一定要求

使用原料粒度粉煤粉煤

4、气体成分以及主要消耗比较

当采用同等煤质时Shell煤气化和Texaco煤气化的合成气组成见下表。

表2、气化炉出口典型合成气组份(vol%)

气体名称Shell Texaco 氢气28.18 34.00

一氧化碳61.12 45.12

二氧化碳 3.8 18.55

硫化氢 1.55 1.55

氮气 5.23 0.45

氩气0.12 0.14

甲烷- 0.01

从表中可以看出，以干基相比，壳牌煤气化技术有效气(CO+H2)为89.30%，德士古煤气化有效气(CO+H2)为79.12%。

表3、德士古与壳牌气化炉技术指标

序号项目名称Texaco Shell

1 气化炉参数

炉膛内径(m)∮1.67-3.408 ∮4.5

气化炉体高度(m)14.27-19.85

原料煤种低灰融点烟煤烟煤

入炉煤粒度(mm)﹤0.076占70% ﹤0.15占90%

入炉煤含水量(%质量) 35-40 ﹤2.0

单炉进煤量(t/d)500-2000 400-2000

2 气化条件

气化压力(Mpa) 3.8-6.5 2.0-4.0

气化温度(℃)1400-1500 1400-1700

入炉蒸汽温度(℃)不加蒸汽250

进煤方式水煤浆干煤粉

3 消耗定额

氧气消耗率(Nm3/kg煤)0.62-0.65 0.56-0.57

蒸汽消耗率(kg/kg煤)0 0.13-0.15

粗煤气产率(m3/kg煤) 1.9-2.1 1.7-1.86

4 干煤气组成(%vol)

H2 35-36 26-28

CO 45-46 61-63

CO2 17-18 1.8-3.8

CH4 0.02-0.03 0.01-0.02

N2+Ar 0.7-0.8 4.3-5.4

O2 0.1-0.2 0.1

CO+H2 80-82 89-92

5 干煤气低热值(MJ/Nm3)9.6-9.72- 10.5-11.0

壳牌煤气化工艺比德士古煤气化工艺有效气体(CO+H2)含量至少高10%，冷煤气效率高6%，氧耗低15%-25%。但由于干煤粉制备远比水煤浆制备耗电多（约5-6倍），加上壳牌煤气化需要大量（约50%）的冷煤气循环激冷，仅该煤气循环压缩机的功率就达2500kW。虽然壳牌工艺氧耗较低，但氮气品种多、压力高和用量大，其配套的空分不仅投资不省，而且空分的能耗提高。如果再考虑到下游变换的蒸汽消耗（壳牌煤气化粗煤气中水蒸汽含量极少，需要补充蒸汽以达

到变换所需的水汽比），应该说两种工艺技术的综合能耗相当，说壳牌工艺较德士古工艺能耗低是不全面的。

（三）有关工程方面的比较

1、投资比较

虽然壳牌煤气化单炉生产能力大，不需要备用炉，氧气消耗低，黑/灰水处理系统不如德士古复杂。但由于壳牌气化炉及废锅（合成气冷却器）结构复杂、框架高、需要的氮气品种多且数量大、控制系统也较德士古复杂。因此包括配套的空分在内，同等规模的煤气化装臵采用壳牌工艺要比德士古工艺的投资约高20%。

表4几个工厂煤气化的投资比较（亿元）

（注）空分为合同价，气化为概算价。*包括液体后备系统

2、建设周期

壳牌气化炉及合成气冷却器内件结构复杂，国内尚不能制造，需要进口，正常情况下，其制造周期要20个月，采取有关措施后，至少也要18个月，加上海运2个月，在国内与国内制造的外壳组装及内地运输2个月，气化炉运抵现场的

时间最快也需22个月。安装至中交需要13个月，再加上联动试车与投料试车，整个气化装臵的建设周期为39个月。

德士古的气化炉结构简单，完全可以国内制造，而且相对壳牌工艺，气化装臵施工难度较小，整个气化装臵的建设周期至少可比壳牌缩短6个月。

3、国产化程度

从1993年4月我国鲁南化肥厂引进的德士古第一台水煤浆气化炉投产至今已二十多年，并随后有上海焦化厂、渭河化肥厂、安徽淮南化肥厂、金陵石化化肥厂等引进了德士古水煤浆气化工艺技术。通过国内二十多年的消化吸收与创新，目前国内对德士古水煤浆气化的设备已基本实现国产化（包括气化炉、耐火砖等）。鲁南化肥厂设备国产化率按台数已超过90%，即使按投资计也达到70%。除了专利和工艺软件包以及极少数关键设备、特殊材料和关键阀门、仪表需进口外，绝大部份技术和设备都可以实现国产化。

壳牌煤气化装臵目前在湖北双环、枝江化肥厂已开车。主要设备都尚需进口，提高其国产化率还需要一些时日。

4、设计及施工难度

壳牌干煤粉气化工艺虽然从1976年小试开始至1993年

建成世界上第一套工业化生产装臵，经过了17年的时间。但由于在世界上至今投入运转的工业装臵很少，积累的经验不多且不具有全面的代表性。因此在技术及设计上尚有很多待改进之处，因此壳牌在最近提供给国内各厂的工艺包也在不断修改中，国内设计单位在壳牌提供的工艺包基础之上开展基础设计时普遍感到其深度不够。

壳牌气化炉（含合成气冷却器）重达1250吨左右，且由于工艺的需要，煤粉制备及气化炉均布臵在大框架上，框架73米*34米，高达83米，局部最高处为93米，气化炉部份36米以下由1.6米*1.6米见方的钢筋混凝土柱15根组成， 36米以上为钢结构框架，其重量达3300吨。气化炉的吊装需要1250吨的吊车，而且由于气化炉与合成气冷却器的高温膨胀补偿，其安装要求高、难度大。

相比之下，德士古在国内外已经有多套装臵投入运行，分别用于不同的下游产品（包括联合循环发电、制氢用于生产合成氨、城市煤气、联产甲醇、制羰基合成气等）。因此无论在技术、工程设计、工程施工上都积累了非常多的经验，并已趋于成熟。同时德国士古气化炉无论在重量及框架大小及高度上都比壳牌的要小得多，施工难度较小。

（四）装置运行情况对比

1、德士古煤气化装置

国内以煤为原料采用德士古水煤浆气化工艺技术的企

业鲁南化肥厂、上海焦化厂、渭河化肥厂、淮南化肥厂分别于1993年4月、1995年5月、1996年2月和2000年8月建成投产。目前均处于正常运行状态。

(1) 鲁南化肥厂

鲁南化肥厂水煤浆工程于1988年实施，1993年4月第一台炉投产，同年8月产出尿素产品。设计生产能力为合成氨8万吨/年、尿素13万吨/年，合成氨采用美国德士古水煤浆加压气化技术，采用激冷流程，气化炉一开一备，单炉投煤量318t/d，（干煤），操作压力2.6MPa，操作温度1300-1400℃，（CO+H2）产量21900Nm3/h。全部工程（含合成氨及尿素）竣工总投资约5.4亿元。

为充分挖掘德士古装臵的潜力，该厂正在对装臵进行改造，新上1台气化炉，使装臵由原来1开1备改为2开1备，合成氨生产能力增加4万吨/年、尿素能力增加7万吨/年，同时利用多余的合成气建设1套10万吨/年的甲醇装臵。甲醇装臵已经投产。

（2）上海焦化厂

上海焦化厂煤气化装臵采用德士古激冷流程、二级闪蒸灰水回收工艺。该装臵于1993年10月开始土建，1995年5月第一台气化炉投产。设计单炉投煤量20.24吨/时（干煤），干气产量43300Nm3/h，气化炉操作压力3.74MPa，操作温度1350-1400℃，气化炉内径1676mm，三开一备。选用神府煤，水煤浆浓度61%。所生产的粗煤气供年产20万吨甲醇装臵、城市煤气管网以及吴泾化工厂的醋酸装臵。

(3) 渭河化肥厂

渭河化肥厂于1992年3月16日正式开工兴建。气化装臵于1996年2月投运。

渭河化肥厂煤气化装臵引进德士古水煤浆气化工艺技术、采用激冷流程和四级闪蒸灰水处理工艺。设计的单炉投煤量为7.46t/h（干），干气产量52500Nm3/h，气化炉正常操作压力6.5MPa，操作温度1300-1400℃。气化炉二开一备。设计采用陕西黄陵煤，煤浆制备选用棒磨机，煤浆浓度65%。

因原料煤种选择不当，灰份过高，试生产期间气化排渣与灰水处理问题突出，导致工艺气带灰、带水，造成变换触媒砷中毒。黑水系统设备管道磨蚀严重，装臵频繁停车等故障。经过多次修改设计，并于1997年7月将原料煤更换成华亭煤后，生产逐渐转入正常，现已通过国家验收。

(4) 淮南化工厂

煤气化装臵采用德士古激冷流程及两级闪蒸灰水处理工艺，三台直径（外径）2.8米的气化炉，二开一备，每台气化炉投煤量约为18.6t/h，干气产量34000Nm3/h，气化炉操作压力4.0Mpa，操作温度1300-1400℃。设计采用河南义马煤，煤浆制备选用棒磨机，煤浆浓度为58-62%。实际生产中采用将灰份少、灰融点低的华亭煤占多数与河南义马煤混用的方法进行操作。

煤气化装臵2000年8月投运， 12月17日完成德士古气化装臵性能考核。至今装臵运行良好并满负荷生产。

（5）国外装置

在国外目前已有多个德士古水煤浆气化装臵在运行，包括激冷流程和废锅流程。

其中最具代表性的是美国伊斯曼化学公司的气化装臵。磨煤机(棒磨机)和气化炉设两系列，气化炉一开一备，激冷流程。气化炉为12.74m3容积的标准炉，设计日处理干煤量820t，操作压力65MPa，气化温度1360-1380℃，干气产量约60000Nm3/h。所生产的粗煤气用于生产醋酸和醋酐，该气化装臵于1983年6月投运，1984年4月装臵达到满负荷生产。然后伊斯曼公司对气化装臵进行了扩能改造，在不增加气化炉

台数并保持送出界区粗煤气温度及压力不变的条件下，通过将气化炉操作压力适当提高（6.8MPa）、改造气化炉喷嘴、增加氧气调节阀旁路等措施，将粗煤气的产量提高了30%，于1991年成功地完成了扩能改造工程。

日本宇部氨厂原以石脑油为原料生产合成氨（供下游生产已内酰胺等），由于石油危机，开始改用煤作原料，采用德士古水煤浆技术，由宇部兴产株式会社承包建设。1882年10月完成基础设计，1984年7月正式投产，建成了当时世界上最大的以水煤浆为原料生产合成氨的工业装臵。煤浆制备采用棒磨/球磨混用，二开一备。煤浆浓度为60%-65%，煤浆输送采用GEHO隔膜泵。气化炉三开一备（炉膛内径1676mm），操作压3.9-4.05Mpa,温度1350-1500℃。单炉干气产量约为38500Nm3/h，干煤气摩尔百分组成：H2 35.7、CO 41.8、CO2 20.6、N2 0.3、H2S 1.6、CH4 0.005。氧耗13000Nm3/h。碳转化率达98%，冷煤气效率为69%。

1983 年4月-8月，宇部氨厂进行了100%石油焦气化试验，并最终获得成功。从1996年9月起开始直接使用石油焦作为气化原料（不再掺原料煤），至今操作运行情况良好。

2、壳牌煤气化装置

Shell煤气化工艺从上世纪70年代开始研究开发，共经

历了概念、小试、中试、工业化示范和工业化应用5个阶段。

1976年Shell在荷兰阿姆斯特丹建成了6t/d煤的小试装臵。

在小试的基础上，Shell在德国汉堡建设了一套日处理150t煤的中试装臵，中试装臵累计运行了6000小时。

1983年Shell开始设计一套命名为SCGP-1的粉煤气化工业示范装臵，于1986年在美国休斯顿投运。气化规模为

250-400t/d煤，气化压力2-4MPa，累计运行15000小时，最长连续运行1500小时，气化了大约18种煤。

1993年采用Shell煤气化工艺的第一套大型工业化生产装臵在荷兰布根伦市（Buggenum）Demkolec建成，用于煤气化燃气—蒸汽联合循环发电，发电能力(扣除自用电后)为250MW。设计为单台气化炉及废热锅炉，气化规模为日处理煤2000吨。1994年4月首次用煤气化发电。运转初期曾发生过一些问题，主要是大容量燃气轮机方面的问题，以后还发生过合成气冷却器（废锅）积灰、泄露、气化炉下部故障等问题。这些问题在洞庭等项目的设计中都进行了改进。

Demkolec工厂使用过包括澳大利亚煤、哥伦比亚煤、印尼煤、南非煤、美国煤、波兰煤等14个煤种进行气化，均能正常生产，从1994年到1999年累计运行23816小时，2000年5

月大修后，连续运行了2086小时。

很显然，德士古水煤浆气化工艺在国内外具有较多的运行经验，而且国内这十多年来对德士古工艺技术进行了大量的消化、吸收和创新工作，积累了大量的经验，因此试车和达标（包括产量质量和能耗）相对比较容易。

（五）小结

1、德士古水煤浆气化的优点：

(1)用于气化的原料范围比较宽，可气化从褐煤到无烟煤的大部分煤种，还可气化石油焦、煤液化残渣、半焦、沥青，城市垃圾等。

(2)水煤浆进料与干粉进料相比，具有安全并易控制的优点。

(3)工艺技术成熟、流程简单、过程控制安全可靠（I/O点仅为壳牌粉煤气化的约60%）。气化炉结构简单，可靠性较高。

(4)操作弹性大，负荷调整范围为50-105%。

(5)粗煤气质量好，用途广。粗煤气中（CO+H2）可达80%左右，不含烃类、酚类和焦油等。产生的粗煤气可用于生产合成氨、甲醇、羰基化学品、醋酸、醋酐、城市煤气及联合循环发电（IGCC）。

(6)可选择的气化压力范围宽。气化压力可以根据下游工艺

需要选择，目前工业装臵的操作压力在2.6-6.5MPa之间，中试装臵的操作压力已达8.5MPa。6.5MPa的高压煤气化为等压合成甲醇、醋酸等提供了条件，可为下游节省投资、简化工序、降低能耗。

(7)单台气化炉投煤量选择范围大。根据气化压力等级及炉径不同，单炉投煤量一般在400-1000t/d（干煤）左右，最大能力可达2200 t/d（干煤）。

(8)气化过程污染少，环境友好。

2、德士古水煤浆气化的缺点：

(1)炉内耐火砖侵蚀严重，选用高铬耐火砖寿命也只为1-2年，更换耐火砖费用大，增加了运行成本。

(2)喷嘴使用周期短，一般只能使用60-90天就需更换或修复，需要备用炉，增加了维修量和投资。特别是当气化炉台数太多时，对有计划地安排轮换检修带来困难。

(3)水煤浆含水量高，使冷煤气效率和有效气（CO+H）成份偏低，氧耗、煤耗均比干法气流床要高。

3、壳牌粉煤气化的优点；

(1)煤种适应性广，可气化任何煤种，对煤的性质诸如煤的活性、黏结性、机械强度、水份、灰份、挥发份等煤的一些

关键理化特性要求不十分严格。

(2)能源利用率高。由于采用干法进料，避免了湿法进料消耗在水汽化方面的能量损失（约占原料煤热量的10%），并采用废锅回收煤气和溶渣的显热。加之炉温高，有利于煤的完全转化。其冷煤气效率和有效气（CO+H）成份高，氧耗、煤耗均比湿法气流床低。

(3)气化温度高，粗煤气不含重烃等，煤气品质好。

(4)单炉生产能力大，目前已投用的3.0MPa压力的气化炉，日处理煤量已达2000t。

(5)气化炉无耐火绝热层，维修量小，运转周期长，无需备用炉。

(6)生产调幅能力强，连续运转周期长。采用多烧嘴，提高了操作的可靠性和负荷调幅能力。烧嘴设计寿命8000小时，为气化长周期运行提供了保证。

(7环境友好。气化炉惰性熔渣对环境无危害，气化污水中含氰化合物少，容易处理。

4、壳牌粉煤气化的缺点；

(1)受加压进料的影响，最高气化压力没有湿法高，不能实现甲醇等下游产品的等压合成,不利于下游的节能与降低投

资。

(2)粉煤制备投资高、能耗高，且制备环境没有水煤浆好。

(3)安全操作性能不如湿法气化。粉煤的加压进料的稳定性不如湿法进料。气化系统控制系统复杂，对操作工技术要求高。

(4)气化炉结构复杂，制造难度大，要求高。气化框架高，吊装难度大。

(5)工业化运行业绩少，缺少操作和维修经验，装臵建成后的试车、稳定运行和达标都将需要摸索与积累经验。