煤炭氣化技術是潔凈、高效利用煤炭的重要技術之一，巴陵石化尿素裝置“煤代油”技改工程作為中國石化與殼牌在煤氣化領域的首個合作項目備受關注。本文簡要介紹了岳陽中石化殼牌煤氣化有限公司煤氣化工藝，及西門子在線分析儀和預處理系統在Shell煤氣化工藝的應用。
項目簡介
岳陽中石化殼牌煤氣化有限公司于2001年11月由中國石油化工股份公司與殼牌公司合資建立，中外雙方各占50%的股份。該公司董事會于2003 年6月20日通過了最終的投資決定，項目投資總額為11.33億元人民幣。該項目利用殼牌公司煤氣化技術將煤轉換為合成氣，替代中國石化股份公司巴陵分公司化肥裝置目前的生產原料——石腦油，日處理煤炭能力為2000t，該項目的煤氣化裝置如圖1所示。
圖1 岳陽中石化殼牌煤氣化裝置圖
該項目使用西門子OXYMAT 6F測量樣氣中氧的含量，使用西門子ULTRAMAT 6F紅外分析儀測量合成氣中CO的含量，使用MAXUM Ⅱ測量爐氣組成。
控制系統構成
圖2 在線分析系統組成圖
在線分析系統包括采樣系統、預處理系統、標定系統、在線分析儀、分析小屋或分機柜及其公用工程，如圖2所示。
為了保證現場工藝要求，同時滿足分析儀表對樣品氣體的要求，采樣系統要求所取樣品是有代表性的樣品；樣品預處理系統要除去樣品中對分析儀有害的成分，并提供穩定流量和壓力的樣品，確保分析儀長期穩定運行、分析準確；分析小屋有別于土建分析室，小屋提供有儀器工作所需的載氣、樣品氣、標準氣、儀表空氣、供電、信號電纜和預處理系統等公用工程，并采用防震、防靜電、防塵、屏蔽、抗干擾等措施，還可根據需要安裝聯鎖報警系統，為儀表提供了良好的操作運行環境，增強了系統的可靠性，確保儀表的安全正常運行。
系統完成的功能
Shell煤氣化工藝簡介
圖3 Shell 煤氣化工藝流程
目前，Shell 煤氣化裝置從示范裝置到大型工業化裝置均采用廢鍋流程，簡略流程如圖3所示。原煤先行破碎研磨成煤粉及干燥處理，再用氮氣送入貯罐，貯罐內的煤粉與氧氣和蒸汽一起送進氣化爐的燃燒器。上述過程所用的氧氣和氮氣，均由一套低漏空氣分離裝置產生。噴入煤粉、氧氣和蒸汽的混合體，使氣化爐維持在1 400～1 600℃的溫度范圍內運作。這個運行溫度使煤炭所含的灰份熔化并漏到氣化爐底部，變成一種玻璃狀不可漏濾的爐渣而排出，這個溫度亦防止形成不合需要的有毒熱解副產物，例如苯酚和多環芳香烴。
煤炭與氧氣發生反應，按下列一般化學方程式合成氣：2CH+O2→2CO+H2，產生的合成氣，用循環氣體驟冷作局部冷卻，然后進入一個合成氣冷卻器作進一步冷卻，同時產生高壓蒸汽。從氣化爐出來的合成氣流中所攜帶的少量灰份顆粒，在一個旋風分離器或陶瓷過濾器中分離除去，并再循環返回氣化爐，以確保碳轉化率達到99%以上。離開氣化工藝的合成氣含有80%～83%的原煤能量它被成為冷煤氣效率，由氣化爐和合成氣冷卻器產生的蒸汽，含有另外的14%～16%的能量。相比之下，以水煤漿為原料的氣化工藝的煤氣效率大約為74%～77%。煤炭中所含的硫、鹵素及氮化合物，再氣化過程中生成氣態的硫化物、鹵素、分子態氮，以及氨及氰化氨、氰化氫及硫化羰（COS）被催化轉化為氮及硫化氫、鹵素和氨經水洗去除。水洗過的合成氣中所含的剩余硫化物，在一個克勞斯（Claus）裝置中，由酸鹽溶劑吸收并轉化為元素硫。該克勞斯裝置能夠回收95%的硫，然后再經過殼牌克勞斯尾氣處理裝置作進一步處理的克勞斯尾氣，實際上能達到完全回收硫的效果（超過99%） 。
Shell煤氣化工藝在線分析系統
結合Shell煤氣化工藝的特點和測量要求，在線分析儀測量點主要集中在三個工段：磨煤和干燥，除灰，濕洗。
1．磨煤和干燥
在Shell磨煤和干燥階段，由于煤粉有爆炸的危險，所以整個過程用氮氣密封和輸送。同時要求用氧分析儀監測氮氣中的氧氣含量，用紅外分析儀監測氮氣中的CO含量。該測量點的樣品氣壓力較低，溫度較高，并含有大量的粉塵和水分，對在線分析系統的要求較高。西門子公司針對樣氣的特點，采用水洗方案處理樣品氣，此方案既可以提供動力源，可以降溫并除去樣品氣中的氣態水和粉塵，大大節省預處理系統投資。西門子OXYMAT 6氧分析儀在此處具有非常好的應用，OXYMAT 6采用磁壓式原理，這種分析儀最大優點是樣氣和檢測器沒有接觸，即使樣品預處理系統發生故障，分析儀檢測器也不會被損壞。而傳統的氧分析儀采用磁力機械式原理，樣氣直接與檢測器接觸，檢測器長期受到樣氣的腐蝕和污染，從而造成檢測器損壞，儀表無法正常使用。此外，西門子公司ULTRAMAT 6紅外分析儀采用非分光紅外原理，樣氣室和檢測器分開，檢測器沒有麥克風效應，大大提高了分析儀的精度，更好的滿足現場測量的要求。
2．除灰
除灰裝置采樣點的樣氣具有溫度高，壓力低的特點。結合該特點，西門子公司在樣品預處理系統采用水冷器降溫，利用采樣泵提供動力。由于采樣點需要分析樣品氣中的微量CO，對紅外分析儀的精度要求很高。在該采樣點選用西門子ULTRAMAT 6紅外分析儀可以得到理想的測量結果，這是因為ULTRAMAT 6型紅外分析儀檢測器是雙層結構，并配有光學耦合器，可以最大程度的提高分析儀的精度。
3．濕洗
濕洗裝置采樣點樣品氣溫度高，壓力高，含水量大。本項目中，若采用傳統工業在線色譜，其只有一個檢測器，所有的組分都通過一個檢測器，這樣應用分析周期會很長，并且當被測樣品較為復雜時，傳統的色譜可能無法完成檢測任務。西門子預處理方案在該處設置了前處理減壓裝置，大大減少了樣品氣的滯后時間，從前處理裝置出來的樣品氣經過蒸汽伴熱送入預處理系統，降溫除水后進入分析儀表。濕洗裝置采樣點，需要用色譜分析爐氣的組分，西門子MAXUM II型色譜采用多通道TCD檢測器，利用柱切和反吹技術，大大縮短了樣品的分析周期，可以完成較為復雜的檢測任務。
總結
目前，岳陽中石化殼牌的煤氣化裝置已開車運行約一年，樣品預處理系統能夠提供穩定流量和壓力的樣品氣體，西門子氧分析儀、紅外分析儀和色譜運行正常，氧和紅外分析儀測量值穩定性非常好，色譜分析的重復性非常高，達到±0.5%，受到極大的好評。同時，岳陽中石化殼牌公司的儀表維護人員也反映西門子分析儀表操作簡單，儀表的穩定性好，系統的維護工作量小。
西門子公司針對Shell煤氣化工藝，充分考慮了煤氣化裝置樣品氣的特點（溫度高、含有大量水分和粉塵），采用水洗方案，保證穩定流量、壓力干凈的氣體進入分析儀表。成功的解決了煤氣化裝置在線分析系統設計的難題。
