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“Shell”、“GSP”粉煤气化制甲醇变换反应深度的控制、催化剂选型及动力学模拟计算纵秋云孙永奎（青岛科技大学山东青岛 266042）（兖矿国泰煤化工有限公司山东滕州 277527）0 前言甲醇是重要的基本有机化工原料，在化工、医药、染料方面都有着广泛的用途，特别是近年来受世界性石油紧张和短缺的影响，煤气化制甲醇作为汽油的替代品，倍受人们的青睐和关注，其市场潜力巨大。
我国贫油少气，但煤碳资源相当丰富，是世界上唯一以煤为主要能源的大国。
因此，以煤为原料制甲醇在我国的煤化工工业中占有十分重要的地位。
进入21世纪后，随着我国煤气化制甲醇项目的全面启动，煤气化制甲醇也由早期的单一的“德士古”气化工艺发展带目前的“Shell”、“GSP”和“常压固定床”气化等工艺。
与“德士古”水煤浆加压气化技术相比，尽管Shell和GSP粉煤气化工艺具有对煤质要求低，合成气中有效组分含量高（CO+H2>89%），原煤和氧气消耗低，环境污染小和运行费用低等特点，但由于制得的原料气中CO高达60%以上，如何控制一段炉反应深度和抑制甲烷化副反应的影响等问题，就成为这两种新气化工艺能否成功的用于甲醇生产的关键。
前期，曾以合成氨厂的工艺条件为计算基准，对选用Shell粉煤气化制氨工艺流程中，耐硫变换工序中第一段反应器反应深度的控制和甲烷化副反应的影响等问题进行了研究，结果发现：当水/气低，床层热点温度又高时，则容易发生甲烷化副反应，提高当水/气高，虽然可以抑制甲烷化副的反应，但由于CO浓度高，反应的推动力大，因此一段催化剂的装量只要少量的变化，就会对出口CO含量和床层热点温度造成很大的影响，因此催化剂的用量必须计算准确，否则也会造成床层“飞温”的不良结果。
由于甲醇合成变换的工艺条件与合成氨一段反应条件相类似，因此在“Shell”和“GSP”煤气化制甲醇的生产中，变换工段反应深度的控制与合成氨生产中一段反应条件的控制一样同等重要。
煤气化技术中shell与GSP气化炉对比煤气化技术中shell与GSP气化炉对比壳牌（Shell）干煤粉加压气化技术，属于气流床加压气化技术。
可气化褐煤、烟煤、无烟煤、石油焦及高灰熔点的煤。
入炉原料煤为经过干燥、磨细后的干煤粉。
干煤粉由气化炉下部进入，属多烧嘴上行制气。
目前国外最大的气化炉日处理2000t煤，气化压力为3.0MPa，国外只有一套用于商业化联合循环发电的业绩，尚无更高气化压力的业绩。
这种气化炉是采用水冷壁，无耐火砖衬里。
采用废热锅炉冷却回收煤气的显热，副产蒸汽，气化温度可以达到1400-1600℃，气化压力可达3.0-4.0MPa，可以气化高灰熔点的煤，但仍需在原料煤中添加石灰石作助熔剂。
该种炉型原设计是用于联合循环发电的，国内在本世纪初至今已签订技术引进合同的有19台气化炉装置，其最终产品有合成氨、甲醇，气化压力3.0-4.0MPa。
其特点是干煤粉进料，用高压氮气气动输送入炉，对输煤粉系统的防爆要求严格；气化炉烧嘴为多喷嘴，有4个对称式布置，调节负荷比较灵活；为了防止高温气体排出时夹带的熔融态和粘结性飞灰在气化炉后的输气导管换热器、废热锅炉管壁粘结，采用将高温除灰后的部分300-350℃气体与部分水洗后的160-165℃气体混合，混合后的气体温度约200℃，用返回气循环压缩机加压送到气化炉顶部，将气化炉排出的合成气激冷至900℃后，再进入废热锅炉热量回收系统。
返回气量很大，相当于气化装置产气量的80-85%，对返回气循环压缩机的操作条件十分苛刻，不但投资高，多耗动力，而且出故障的环节也多；出废热锅炉后的合成气，采用高温中压陶瓷过滤器，在高温下除去夹带的飞灰，陶瓷过滤器不但投资高，而且维修工作量大，维修费用高。
废热锅炉维修工作量也大，故障也多，维修费用也高。
据介绍碳转化率可达98-99%；可气化褐煤、烟煤、无烟煤、石油焦；冷煤气效率高达80-83%；合成气有效气（CO+H2）成分高达90%左右，有效气（CO+H2）比煤耗550-600Kg/Km3，比氧耗330-360M3/Km3（用河南新密煤时，比煤耗为709Kg/Km3。
Shell炉煤气化工艺介绍目录1.概述1.1.发展历史1.2. Shell炉煤气化工艺主要特点2.工艺流程2.1. Shell炉气化工艺流程简图2.2.Shell炉气化工艺流程简述3.气化原理3.1粉煤的干燥及裂解与挥发物的燃烧气化3.2.固体颗粒与气化剂(氧气、水蒸气)间的反应3.3.生成的气体与固体颗粒间的反应3.4.反应生成气体彼此间进行的反应4.操作条件下对粉煤气化性能的影响4.1气化压力对粉煤气化性能的影响4.2氧煤比对粉煤气化性能的影响4.3蒸汽煤比对粉煤气化性能的影响4.4.影响加压粉煤气化操作的主要因素4.5煤组分变化的影响4.6 除煤以外进料“质量”变化的影响5.工艺指标6.Shell炉气化工艺消耗定额及投资估算7. 环境评价1.概述1.1.发展历史Shell煤气化工艺(Shell Coal Gasfication Process)简称SCGP，是由荷兰Shell国际石油公司(Shell International Oil Products B. V.)开发的一种加压气流床粉煤气化技术。
Shell煤气化工艺的发展主要经历了如下几个阶段。
(l)概念阶段20世纪70年代初期的石油危机引发了Shell公司对煤气化的兴趣，1972年Shell公司决定开发煤气化工艺时，对所开发的工艺制定了如下标准:①对煤种有广泛的适应性，基本可气化世界上任何煤种;②环保问题少，有利于环境保护;③高温气化，防止焦油和酚等有机副产品的生成，并促进碳的转化;④气化装置工艺及设备具有高度的安全性和可靠性;⑤气化效率高，单炉生产能力大。
根据上述原则，通过固定床、流化床和气流床三种不同连续气化工艺的对比，对今后煤气化工艺的开发形成了如下基本概念:①采用加压气化，设备结构紧凑，气化强度大;②选用气流床气化工艺，生产能力大，气化炉结构简单;③采用纯氧气化，气化温度高，气化效率高，合成气中有效气CO十H2含量高; ④熔渣气化、冷壁式气化炉，熔渣可以保护炉壁，并确保产生的废渣无害，⑤对原料煤的粒度无特殊要求，干煤粉进料，有利于碳的转化。
华 东 理 工 大 学 学 报 Journal of East C hina U nivers ity of S cience and Tech nology Vol.29No.22003-04基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G 1999022103);高等学校骨干教师资助项目收稿日期:2002-05-14作者简介:王辅臣(1966-),男,甘肃岷县人,教授,博士,主要从事洁净煤技术研究.研究简报 文章编号:1006-3080(2003)02-0202-04Shell 粉煤气化炉的分析与模拟王辅臣*, 龚 欣, 代正华, 周志杰, 于遵宏(华东理工大学洁净煤技术研究所,上海200237) 摘要:以受限容器内多喷嘴对置射流下的流体流动特征为基础,分析了Shell 粉煤气化炉内的流场特征,发现炉内存在5个特征各异的流动区域,即射流区、撞击区、撞击扩展流区、回流区和管流区。
从气化炉内主要的化学反应着手,结合流动、混合与化学反应的相互影响,分析了炉内各流动区域的化学反应过程,建立了气化炉的数学模型,对气化过程进行数学模拟,预测了工艺条件对气化结果的影响。
结果表明,有效气(CO +H 2)产率随氧煤比的变化有一最佳值,随蒸汽煤比不同,对应的氧煤比在0.54Nm 3/kg ～0.56Nm 3/kg 之间。
有效气产率随蒸汽煤比的升高而增加。
关键词:粉煤;气化炉;数学模型;模拟中图分类号:T Q 546.1文献标识码:AProcess Analysis and Simulation of Shell Pulverized Coal GasifierW A N G F u -chen *, GON G X in DA I Zheng -hua , ZH OU Zhi -j ie , YU Zun -hong(I nstitute of Clean Coal T echnology ECUS T ,Shanghai 200237,China )Abstract :In this paper,the fluid flo w characteristics o f Shell pulverized coal gasifer w as analy sed ba-sed o n flow pattern of multi -o pposed -burner jet in confined v essel .T he r esults show that there are fiveflow regions possessed different characteristics in the gasifier ,w hich are jet flow region ,im pinging jet region,im pinging jet developing stream region,re-circulation stream region and tube str eam region.T he chemical reactions g overning the process w ere analysed com bined w ith fluid flow patterns.A M athematic model has been presented for Shell g asifer .T he industrial g asifier sim ulation have been made and the effects of oper ation conditions o n gasification have been predicted using the mo del.The results show that there is a o ptimum yields of effectiv e g ases (CO+H 2)along w ith the ratio of o xy gen to coal.T he o ptimumratio of ox yg en to coal is 0.54Nm 3/kg ～0.56Nm 3/kg in different ratios of steam to coal .The yields of effectiv e gases (CO+H 2)increases alo ng w ith the incr easing of ratio of steam to co al.Key words :pulverized coal ;gasifier ;m athematic model ;sim ulation 煤的气化是洁净煤技术领域的主要研究方向之一,备受各国学术界和工程界的重视。
·270·2016年7月 第8卷技术论坛工程技术浅析SHELL煤气化技术赵 野神华鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209摘 要：随着国内近年掀起的煤化工热潮，Shell煤气化工艺以其高效、安全和环保的特点，成为很多企业的首选工艺之一。
本文介绍了Shell煤气化的工艺原理、特点，煤种的选择，气化炉炉温偏高和偏低的参数变化和影响，气化炉温度监测，煤烧嘴与烧嘴罩损坏泄漏的一般原因及影响，以及对Shell煤气化未来的展望。
关键词：壳牌煤气化；气化炉的特点；煤种；炉温；烧嘴罩中图分类号：TQ546 文献标识码：A 文章编号：1671-5586（2016）64-0270-021 引言能源和环境是人类赖以生存与发展的基础，然而当今世界正面临着能源短缺、环境污染和温室效应等诸多问题，如何实现人类社会、经济与环境的协调可持续发展，已经引起国际社会的普遍关注。
人类必须在化石能源濒临枯竭和生存环境濒临崩溃之前，完成替代能源和相关技术的开发。
我国是能源消耗大国，而且煤多油少气贫，那么煤转气转油将是未来发展的趋势，它将带动经济的发展，也是国家能源战略储备的一部分。
壳牌煤气化技术的出现为洁净能源的开发指明方向，产品具有节能降耗，应用广泛的特点。
以下是结合自己在工作中的实践和对壳牌煤气化的所知进行分析探讨。
2 SHELL煤气化的原理和特点2.1 SHELL煤气化的工艺原理Shell煤气化技术是目前世界上较为先进的第二代粉煤气化技术之一，气化过程也是在高温加压下进行的。
其进料方式是将碎煤磨成0.1mm以下、水分2%以下的细粉，高压氮气通过特殊的喷嘴将粉煤送进炉膛，与被蒸汽稀释的氧气在气化炉内高温高压下气化形成合成气（CO+H2＞90%）、飞灰和熔渣[1]。
该技术工艺流程较简单，原煤经碎煤后送至磨煤机，磨成的细粉被热惰性气体干燥，由高压氮气将干煤粉送入气化炉，另外高压氧气和中压过热蒸汽混合后也由喷嘴喷入炉内。
关于shell单元不同偏移面与实体建模的对比作者：王建明来源：《旅游纵览·行业版》 2013年第7期王建明根据压力容器非标设计过程中的实际工程，采用对比的方式分析其单元的通过对比其横向、纵向得到其单元的应力峰值、位移峰值以及Vonmises应力。
在压力容器非标设计过程中，往往要用到软件对设备进行有限元分析得到，计算出其应力场和位移场，以便更好指导和促进非标设计的进行。
在非标设计过程中shell单元和solid单元都是常用的单元，对于采用不同的单元就会有不同的建模方式，下面采用一种简单的构件进行模拟，采用单变量法进行计算对比，最后得出一系列的结论。
其具体尺寸如上图所示：球形封头厚度为10mm，半径为150mm，筒体部分的长度为150mm，厚度为18mm.内部受3Mpa的均布压力.对该构件进行三种方案的模拟，最后分析结果，得出结论。
一、实体有限元模型及参数（1）有限元模型对比四、结论经过以上比较易得出以下结论：在遇到计算模型处理时，若是能采用实体建模则尽可能地采用实体建模，因为实体建模能更真实地接近真实问题。
当然如果遇到复杂结构时则可采用shell，beam，link等简化单元来模拟计算。
通过横向对比得知，采用top建模时是很接近实际情况的，但是其应力峰值、位移峰值却都是最大的，对此的猜想，作者认为是由于非等厚连续区出现应力集中地厉害程度很大而导致的峰值应力过高。
通过纵向对比，易得知应力强度云图的应力值大于mises应力云图的应力值，其主要原因是应力强度依据的是第三强度理论，而Vonmises应力是依据第四强度理论，对比其等效应力公式：第四强度理论更接近于真实值，但是反言之，当采用第三强度理论进行校核时，显得更偏于安全。
(作者单位：河南油田新闻中心)作者简介：王建明（1959.12—），男，山东人，（汉）族，大专学历，河南南阳油田新闻中心机械助理工程师，研究方向：机械电子。
Shell气流床粉煤气化过程建模与优化分析Shell气流床煤气化技术因煤种适应性广、煤炭转化率高等优点在国内广受关注,但其运行中也存在一些问题,如煤线不稳引起煤粉进料量波动、气化炉内局部过热致使喷嘴烧坏、合成气中夹带飞灰造成换热器磨损或输气管路堵塞等,这些因素都可能导致非计划停车等。
掌握气化炉内关键变量的分布规律对上述问题的合理解决方案及改善Shell粉煤气化炉的气化性能具有重要意义。
为此本文针对气化炉内关键变量分布规律的探索主要开展了以下工作:首先建立了某工业级Shell气流床粉煤气化过程的系统模型,气化核心区域采用三维CFD模型描述、粗合成气后处理工段使用数学模型表达,并将模型求解结果和工业测量值进行对比,比对结果表明所建立的系统模型能很好地描述工业级的Shell气流床粉煤气化过程,且该模型具有较高精度。
然后在上述工作的基础上,系统地分析并总结了气化核心区域CFD数值模拟结果,发现经喷嘴射入的物料在气化炉下部中心区域互相碰撞卷吸形成了强烈的旋涡,此旋涡强化了反应器内的气固混合和传热,且旋涡位置对气化炉的持续稳定运行有较大影响。
进而探讨进料量波动导致反应器内流场温度场的变化规律,假设进料量波动的极限即气化炉某个喷嘴因故障停止进料的情况,分析了三种非常规操作工况(Case 1:三个喷嘴的煤量不变且总进料量为原来的3/4;Case2:三个喷嘴中的两个对置喷嘴均分故障喷嘴的煤量;Case3:三个喷嘴均分故障喷嘴的煤量)时流场分布规律,得出Case 1相对稳定。
为改善流场结构、提升Shell气流床煤气化性能,对喷嘴偏置角和载气及氧气进料量进行了优化,得出5.0°偏置角、氧煤比0.9、载气煤比0.35为最佳选择。
最后初步探索了气化炉出口飞灰量的影响因素,对工业级Shell气化炉上端缩口夹角进行调整,得出缩口夹角为115.5°有利于降低合成气夹带飞灰量。
