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Shell气化网摘国内外常见的干煤粉喷流床气化技术 2009年06月18日喷流床煤气化具有煤种适应性广，操作压力和温度高，碳转化率高，生产强度和规模大等特点，是当今先进的煤气化技术。按照原料煤的不同形态划分为干煤粉气化和水煤浆气化，其中干煤粉气化与水煤浆气化相比，又具有原料消耗低，碳转化率高，热效率高，煤种适应性强等优势，近年来倍受用户青睐。1. 干煤粉喷流床气化炉的特点干煤粉喷流床气化炉中煤粉的直径小于0.1mm，粉煤由气化剂夹带入炉并进行燃烧和气化，受反应区空间的限制，气化反应必须在数秒内完成，因此，必须严格控制入炉煤的粒度，以保证足够的反应面积。煤和气化剂的相对速度很低，为增加反应推动力，必须提高反应温度即反应速度。干煤粉喷流床气化炉火焰中心温度在2000左右，因而液态排渣是其必然结果。上世纪70年代后期以来，荷兰、前东德和前西德相继开发了干粉加压气化炉，其炉型分别为Shell炉、GSP炉和Prenflo炉。这些气化方法的基本原理相同，只在加煤方式、炉结构、排渣等方面略有差异。干煤粉喷流床气化装置在我国也得到较快发展，国内许多高校和科研院所在消化吸收国外技术的同时，不断开发出适合我国国情的具有自主知识产权的产品。2. Shell气化炉Shell公司开发煤气化技术，主要经历了以下三个阶段：1976年试验煤炭30余种；1978年与德国Krupp-Koppers合作，在Harburg建设日处理150t煤装置；两家分手后，1978年在美国Houston的Deer Park建设日处理250t高硫烟煤或日处理400t高灰分、高水分褐煤。经过16年的发展研究，1988年Shell技术运用于荷兰Buggenum IGCC电站，单炉日处理煤2000t。该装置的设计工作为1.6年，1990年10月开工建造，1993年开车，1994年1月进入为时3年的验证期，目前已处于商业运行阶段。2001年6月，湖北双环科技股份有限公司与壳牌公司签订了国内第1套煤气化技术转让协议，并于2006年5月顺利投产。目前，该气化炉连续运行时间已达到124天，实行“油改煤”后，每天为企业节约生产成本109万元。到目前为止，我国共有19个项目与壳牌签订了技术转让协议，共计23台Shell气化炉。Shell煤气化工艺中，原煤的干燥和磨煤系统与常规电站基本相同，但送料系统是高压的N2浓相输送，整个系统必须采取防爆措施。煤经预破碎后进入干燥系统，使煤中水分小于2%，然后进入磨煤机制成煤粉，煤粉用N2送入煤粉仓中，再进入两级加压锁斗系统，用高压N2，以较高的固气比将煤粉送至4个气化炉喷嘴，煤粉在喷嘴里与95%纯度的氧气混合并与蒸汽一起进入气化炉反应；气化炉温度为14001600，灰分熔化并滴到气化炉底部，经淬冷后，变成一种玻璃态渣排出；粗煤气则随气流上升到气化炉出口，经过一个过渡段，用除尘后的低温粗煤气(200左右)使高温热煤气急冷到900，然后进入废热锅炉。Shell炉壳体内布置垂直管膜式水冷壁，产生4.0MPa的中压蒸汽，向火侧有一层很薄的耐火涂层，当熔融态渣在上面流动时，起到保护水冷壁的作用。粗热煤气在废热锅炉中被进一步冷却到250左右，低温冷却段产生4.0MPa的中压蒸汽，这部分蒸汽与气化炉产生的中压蒸汽混合后，再与汽轮机高压缸排汽一起再热成中压再热蒸汽，高温冷却段可产生13MPa的高压蒸汽，它与余热锅炉里的高压蒸汽一起过热成主蒸汽。Shell煤气化技术主要有以下优点：采用干煤粉进料，氧耗比水煤浆低15%；碳转化率高，可达99%，煤耗比水煤浆低8%；调节负荷方便，关闭一对喷嘴，负荷则降低50%；炉衬为水冷壁，据称其寿命为20年，喷嘴寿命为1年。主要缺点：设备投资大，气化炉及废锅炉结构复杂，加工难度大。3. 其它国外的干煤粉喷流床气化炉（1） GSP气化炉GSP煤气化技术的干粉进料方式和Shell炉不同，它是从气化炉上部进料，采用纯氧喷流床气化，粗合成气激冷工艺流程。经压缩的干煤粉由载气（N2或CO2）送到气化炉，加压干煤粉，氧气及少量蒸汽通过联合喷嘴进入气化炉中。气化炉包括一个带水冷壁的气化室和激冷室，气化炉的操作压力2.54.0MPa，气化温度13501600。高温气体与液态渣一起离开气化室向下流动直接进入激冷室，热合成气被喷射的激冷水冷却。液态渣在激冷室底部的水浴中成为颗粒状，定期从渣锁斗中排入渣池，并通过链条输送机装车运出。从激冷室出来的粗合成气经两级文氏管洗涤后，含饱和蒸汽的粗合成气含尘量小于1mg/Nm3。GSP煤气化技术对煤种的适应性强，气化效率高，设备制造和安装周期短，运行成本低，在合成氨、甲醇、IGCC、制氢等领域有很大的发展前景。江苏灵谷化工有限公司就采用了GSP煤气化炉。但是，目前GSP气化炉生产规模不大，煤日处理量相对较小。（2） Prenflo气化炉Prenflo气化炉基本上与Shell炉相仿，但用纯度为85%的氧气作为气化剂。另外，与Shell气化炉不同之处：被急冷的煤气上升进入第一级煤气冷却器时，煤气先从冷却器的中心圆筒上升至气化炉顶部，然后折转向下，进入中心圆筒与炉壁间的环形对流冷却区域，再从第一级冷却器的底部(即气化炉的腰部)离开进入第二级对流冷却器，第1级冷却器的环形冷却区布置有4层螺旋管换热器，热煤气在管外流动，水在管内流动，并产生高压饱和蒸汽。第二级冷却器的结构与Shell气化工艺的对流冷却器相似。西班牙的Puertollano IGCC电站即采用了Prenflo气化炉。4干煤粉喷流床气化装置在我国的发展据了解，引进Shell煤气化技术的专利实施许可费，以及专有设备和现场技术服务耗资巨大，引进带废锅流程的Shell气化技术也存在很多弊端，因此，我们在消化吸收国外技术的同时，结合我国的国情，不断开发出具有自主知识产权的产品。目前，国内一些高校和科研院所对干煤粉喷流床气化技术也进行了深入的研究，现已具有多项自主知识产权的煤气化装置和技术。（1） 两段式干煤粉加压气化技术两段式干煤粉加压气化技术是由西安热工院开发，两段式干煤粉加压气化炉与Shell炉不同，是对四喷嘴对称一段式气化炉的改进，即增加了二段进料，同样采用水冷壁结构。该气化炉内部分成两个反应区，气化炉下段为第一反应区，温度为14001700，在此煤粉、氧气和蒸汽进行高温化学反应，产生湿煤气；第二反应区内布置了两只喷嘴，分别喷入少量煤粉和蒸汽，利用来自第一反应区的高温煤气显热进行热解、气化，产生额外蒸汽，气化炉二段温度为10001200。从第二反应区出来的飞灰经捕集后返回一段煤储斗返烧。气化炉上段的作用主要有：一是，代替循环合成气，使高温煤气降温，以达到凝渣的目的；二是，利用下段煤气显热进行热解和气化，从而提高总的冷煤气效率和热效率。其废热锅炉型气化装置适用于联合循环发电，投煤量2000t/d的废热锅炉型两段式干煤粉加压气化炉示范装置，将用于华能集团“绿色煤电”项目；另一套投煤量1000t/d级的激冷式两段式干煤粉加压气化炉示范装置，将用于内蒙古世林化工有限公司年产300Kt的甲醇项目。（2） 新型(多喷嘴对置式)气流床干煤粉加压气化技术山东省水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心，在国家科技部支持和企业配套资金投入下，经联合攻关，具有自主知识产权的新型(多喷嘴对置式)气流床干煤粉加压气化技术中试装置运行成功。该中试装置建于兖矿鲁南化肥厂，煤日处理量1545吨，操作压力2.02.5MPa，操作温度13001400。其结构和华东理工大学开发的新型(多喷嘴对置式)气流床水煤浆加压气化炉相类似，位于气化炉上部的四个喷嘴呈水平对置式设置，两喷嘴间夹角为90，物料进炉后形成撞击流，这种撞击流在强化热质传递方面有显著优势。气化炉为底部排气排渣的竖直圆筒式结构，内衬耐火砖。该煤气化技术流程为：原煤除杂后送入磨煤机破碎，同时由经过加热的低压氮气将其干燥，制备出合格煤粉存于料仓中，加热用低压氮气大部分可循环使用。料仓中的煤粉先后在低压氮气和高压氮气的输送下，通过气化喷嘴进入气化炉。气化剂(氧气、蒸汽)也通过气化喷嘴进入气化炉，并在高温、高压下与煤粉进行气化反应。出气化炉的高温合成气经激冷、洗涤后送入合成气管线。熔融灰渣在气化炉激冷室中被激冷固化，经锁斗收集，定期排放。洗涤塔出来的黑水经过二级闪蒸，蒸汽及一部分溶解在黑水中的酸性气被迅速闪蒸出来，与生产系统的酸性气一并处理，而闪蒸黑水经换热器冷却后排入地沟，送往污水处理系统。（3） 非熔渣熔渣分级高压纯氧干煤粉气化技术清华大学正在进行非熔渣熔渣分级高压纯氧干煤粉气化技术的相关研究，并在研制干粉泵设备。此炉型在结构上和GSP气化炉有些相似，同样从气化炉上部进料，主要区别在于清华大学的煤气化技术采用了分级给氧。气化炉氧气往往是一次加入，无法在反应过程中人为控制，非熔渣熔渣分级高压纯氧干煤粉气化技术在炉体回流区下缘部分设置有二级氧气喷嘴，能够调节炉内氧气分布，建立炉内不同温度区，优化反应条件，这样，不仅能延长给料烧嘴的寿命，也能提高气化炉容积利用率。目前，该气化技术还处于试验研究阶段，要推广应用还有一段距离。壳牌气化壳牌煤气化技术是世界上最先进的粉煤加压气化技术，壳牌煤气化也是一种最洁净的煤炭利用技术，能够避免煤直接燃烧的污染。另外煤气化方式利用煤的能源效率高。原料煤所含的能量之中，约 80%到83%，96%以上的煤能源都能够被利用。壳牌煤气化技术采用干燥方式，用氮气将煤粉送到气化炉，最后生成合成气即一氧化碳和氢的混合物。合成气中含有原煤中约80%的能量，另外15%的有效能量以蒸汽的形式获得。整个气化过程只有 5%的能量流失。合成气可以用来制造纯氢，生产合成氨，甲醇壳牌煤气化共分为八个单元，既磨煤与干燥系统，粉煤加压与气化系统，气化及水汽系统，除渣系统，干法除灰系统，湿洗系统，初步水处理系统，及公用工程部分。壳牌煤气化的工艺特点是（1） 采用加压氮气或二氧化碳输送煤粉，煤种适应性广，对煤的灰熔点适应范围比德士古高。（2） 碳的转化率高，能耗低，由于水煤浆气化为湿法进料，在气化炉内必须把占原料量的35%-40%的加热蒸发至1300度，原料煤能量的18。5%因此被消耗。而shell粉煤气化工艺为干煤粉进料，避免了湿法进料因水气化而升温带来的能量损失。其次热效率高有效气体高达90%。（3） 运行周期长，单台生产能力大。其模式水泠器内壁涂耐火材料，无耐火砖，维护量少，无需备用炉。（4）运行和维护费用低。由于气化效率高，消耗低，同时采用单系列连续运行，因此检修和维护工作量大大减少，特别是采用水泠壁代替耐火砖，可以节省更换耐火砖的费用和时间，从而确保长期运行。（5）环境效益好 。由于气化反应进行的很彻底，因而造成环境污染的副产物很少 ，可以做到零排放。（6）气化炉烧嘴及控制系统安全可靠。Shell公司气化烧嘴设计寿命为8000小时。（7）炉渣可用作水泥渗合剂或道路建造材料。气化炉高温排出的熔渣经激冷后成玻璃状颗粒，性质稳定，对环境几乎没有影响。气化污水中含氰化物少，容易处理。SHELL与GSP气化炉对比壳牌技术与GSP 技术比较说明 GSP 工艺要求煤粉粒径在250m500m，Shell 工艺要求煤粉粒径9043%（按低位发热量计）。到1998年初，已经累计运行10000h以上，成功地气化了14种煤（其中部分为混烧）。1997年下半年，装置总运转率超过85%。1998年1月1日，已经转交给当地公用事业部门，正式进入商业化运行。3 工艺流程及主要设备3.1 工艺流程Shell煤气化工艺流程如图3-1所示，从中间示范装置到大型工业化装置均采用了废锅流程。图3-1 Shell煤气化工艺流程示意图来自制粉系统的干煤粉由N2或CO2浓相输送至炉前煤粉贮仓及加煤锁斗，再经加压N2或CO2加压将煤粉由加煤锁斗送入在气化炉底部相对布置的气化喷嘴。气化需要的氧气和水蒸气也送入喷嘴。通过控制加煤量，调节氧量和蒸汽量，使气化炉在14001700范围内运行，气化炉操作压力为24MPa。在气化炉内煤中的灰分以熔渣形式排出。绝大部分熔渣从炉底离开气化炉，用水激冷，再经破渣机进入渣锁系统，最终泄压排出系统。熔渣为一种隋性玻璃状物质。出气化炉的粗煤气夹带着飞散的熔渣粒子被循环冷却气激冷，使熔渣固化而不致粘在合成气冷却器壁上，然后再从产品煤气中脱除。合成气冷却器采用水管式废热锅炉，用来产生中压饱和蒸汽或过热蒸汽。部分产品煤气加压循环用于出炉粗煤气的激冷。粗煤气经脱除氯化物、氨、氰化物和硫（H2S、COS）处理，HCN转化为N2或NH3，硫化物转化为单质硫。工艺过程中的水大部分循环使用。废水在排放前需经生化处理达标，剩下的残渣只是无害的盐类。 图3-2 Shell煤气炉结构3.2 主要设备1) 气化炉Shell煤气化装置的核心设备是气化炉，气化炉结构简图如图3-2所示。Shell煤气化炉采用膜式水冷壁形式。它主要由内筒和外筒两部分构成，包括膜式水冷壁、环形空间和高压容器外壳。膜式水冷壁向火侧敷有一层比较薄的耐火材料，一方面为了减少热损失；另一方面更主要的是为了挂渣，充分利用渣层的隔热功能，以渣抗渣，以渣护炉壁，可以使气化炉热损失减少到最低，以提高气化炉的可操作性和气化效率。环形空间位于压力容器外壳和膜式水冷壁之间。设计环形空间的目的是为了容纳水/蒸汽的输出/输入管和集汽管，另外，环形空间还有利于检查和维修。气化炉外壳为压力容器，一般小直径的气化炉用钨合金钢制造，其它用低铬钢制造。 气化炉内筒上部为燃烧室（或气化区），下部为熔渣激冷室。煤粉及氧气在燃烧室反应，温度为1700左右。Shell气化炉由于采用了膜式水冷壁结构，内壁衬里布有水冷却管，副产部分蒸汽，正常操作时壁内形成渣保护层，用以渣抗渣的方式保护气化炉衬里不受侵蚀，避免了因高温、熔渣腐蚀及开停车产生应力对耐火材料的破坏而导致气化炉无法长周期运行。由于不需要耐火砖融热层，运转周期长，可单炉运行，不需备用炉，可靠性高。2) 喷嘴气化炉烧嘴是Shell煤气化工艺的关键设备及核心技术之一。气化炉加料采用侧壁烧嘴，在气化高温区对称布置，并且可根据气化炉能力由48个烧嘴中心对称分布。由于采用多烧嘴结构，气化炉操作负荷具有很强的可调幅能力。单炉生产能力大，在气化压力为3.0MPa的条件不，单炉气化能力可达20003000t/d煤。根据资料介绍目前气化烧嘴连续操作的可靠性和寿命不低于一年。3) 废热锅炉废热锅炉采用水管式结构。是由水管焊上管板组成，管板上有在线清洗装置，以免积灰。这种结构的废热锅炉在美国休斯顿的示范装置上和荷兰Demkolec的工业化装置上成功应用。4) 破渣机Shell煤气化原设计没有破渣机，在生产操作过程中曾发生过大渣堵塞锁斗阀的现象，影响正常生产操作。现设计已经增加了破渣机，防止类似现象的发生。5) 渣罐、捞渣机渣罐是一个空壳压力容器，气化排渣由锁渣系统，通过渣罐做到间断自动排渣。捞渣机主要是接受渣水，并将固体渣粒从渣水中捞出，再由输送带或汽车运至渣场。6) 煤粉加料系统该系统由锁斗和料斗组成。一旦锁斗装满后，充氮气加压，将煤排放至料斗。加压后的粉煤从料斗中排出并由氮气气流输送至气化炉烧嘴。7) 原料煤的储运系统原料煤的接收和储运设施主要包括：卸料斗、振动加料器、运输机、煤仓等，与传统的燃煤锅炉原料煤的储运设施类似。8) 磨煤及干燥系统磨煤及干燥装置的核心设备是磨煤机，它与用于粉煤锅炉的类似。磨煤机将煤磨成合适的有利于煤气化的煤粉（约90%小于0.15mm）。在磨煤过程中，采用热惰性气流同步干燥。惰性气流夹载系统中的水蒸汽通过一台内部分选器将粉煤吹至分离和收集容器。干燥研磨后的煤通过气流输送系统输送到气化炉进料系统。干燥煤所需热能可以直接或间接提供。燃烧油、气或回收气可以直接供热。在间接供热的情况下，循环气中需添加氮气以补充由于排出煤中水汽所带出的那部分循环气。9) 煤气除尘、洗涤系统粗煤气离开废热锅炉后，经过滤器或旋风除尘器来进行脱除部分灰，再经过湿法洗涤装置进一步净化，使飞灰残留量不大于1mg/Nm3。通过洗涤系统也可以脱除煤气中其它微量杂质如可溶碱盐、卤化氢及氨等。从工艺气中干法分离出的飞灰进入到飞灰锁斗。当锁斗装满后，用高压氮气除去残留的夹带的粗气，通过气压作用，将飞灰送往灰仓存储。洗涤系统的排放水送至酸水汽提塔，经澄清后再循环使用，以最大程度减少需（生化）处理或蒸发后的排放量。从酸气脱除系统以及酸水汽提塔来的酸气可送至克劳斯装置。4 工艺特点Shell煤气化工艺属干煤粉气流床加压气化，它是以干煤粉进料，纯氧作气化剂，液态排渣。干煤粉由少量的氮气（或二氧化碳）吹入气化炉，对煤粉的粒度要求也比较灵活，一般不需要过分细磨，但需要经热风干燥，以免粉煤结团，尤其对含水量高的煤种更需要干燥。气化火焰中心温度随煤种不同约在16002200之间，出炉粗煤气温度约为14001700。产生的高温煤气夹带的细灰尚有一定的粘结性，所以出炉后需与一部分冷却后的循环气混合，将其激冷至900左右后再导入废热锅炉，产生高压过热蒸汽。干煤气中的有效成分(COH2)可高达90%以上，而甲烷含量很低。煤中约有83%以上的能量进入有效气体成分中，大约有15%左右的热能以高压蒸汽的形式回收。Shell煤气化工艺是20世纪末实现工业化的新一代煤气化技术，是21世纪煤炭气化的主要发展方向之一。其主要特点如下： 由于采用干煤粉进料和气流床气化，因而煤种适应范围宽，原则上可使任何煤种完全转化。它能成功地处理高灰分、高水分和高硫分等劣质煤，能气化无烟煤、石油焦、烟煤及褐煤等各种煤。对煤的性质诸如活性、结焦性、水、硫、氧及灰分含量等适应性较强。 能源利用效率高。由于采用高温、高压气化及干煤粉进料，因此，热效率很高。在典型的操作条件下，Shell气化工艺的碳转化率可高达99%，气化效率可高达80%83%。此外，尚有15%左右的原料煤中能量可以通过废锅转化至过热蒸汽中去。这主要由于在高温下（14002200），燃料各组分活性高，有利于完全气化。另外，高压下（如3.0MPa以上时）反应物浓度增加，气化反应速度加快。因而，气化装置单位容积的原料煤处理量大。 单台气化炉产气能力高。由于是高压操作，所以单台设备产气能力提高。或在同样生产能力下，设备尺寸可以较小，结构紧凑，占地面积小。 环境友好。因为气化在高温下进行，且原料煤粒度很小，气化反应进行得极其充分，影响环境的副产品很少。Shell煤气化工艺产生的熔渣和飞灰是非活性的，不会对环境造成危害。工艺废水易于净化处理和循环使用，通过简单处理可实现达标排放。生产的洁净产品煤气能容易地满足合成气、工业燃料和燃气透平的工艺要求及环保要求。5对煤质的要求Shell煤气化工艺对原料煤种有广泛的适应性，它几乎可以气化从无烟煤到褐煤的各种煤。由于采用了干煤粉进料和高温、加压气化，对煤的活性、粘结性、机械强度、水分、灰分、挥发分等一些关键煤质特性的要求不太严格。虽然Shell煤气化工艺对煤种的适应性很广，但它不是万能气化炉，从技术经济角度考虑，该工艺对煤种还是有一定的要求。煤种特性对气化炉和相关设备的设计及操作有密切的关系。一般情况下，选用中低灰熔融性的原料煤对Shell气化炉的操作是有利的。Shell煤气化炉对入炉原料煤的质量要求如表5-1所示。表5-1 Shell煤气化炉对入炉煤的质量要求项 目要 求说 明水分(Mar)，%褐煤610水分应保证煤粉不结团。在制粉过程中可采用热风干燥，一般控制热风露点为80左右为宜。其它煤种16灰分(Ad)，%20总硫(St,d)，%2灰熔融性(FT)，1400时需加助熔剂煤粉粒度90GSP气化工艺综述1 GSP煤气化工艺及设备概况：1.1粉煤的制备高水分含量的原煤首先在备煤装置中破碎成粒度小于6mm的碎煤，接着送入烟气干燥器进行干燥。干燥烟气在带有辐射加热面的燃烧室中生成，用一小部分破碎成粒度小于1mm的煤粉作原料。在燃烧室的加热面设有水冷壁，同时可产生压力约8MPa，温度为460的蒸汽，将烟气冷却至700800。烟气进入干燥器，将粉煤干燥至水份小于10%。烟气和干燥时产生的水蒸汽离开干燥器的温度为120，经过滤后放空。当燃烧高硫煤时，烟气排至大气前要进行脱硫。当有足够量的低压蒸汽时，也可以采用管式干燥器进行干燥。经过干燥的碎煤送入球磨机中，磨碎成小于0.2mm粒级含量达80%以上的煤粉。1.2粉煤加料GSP煤气化工艺加料系统采用了风力输送和调节系统，能经济有效地向气化器投加粉末燃料。粉末燃料由载气通过输送管送入储仓，输送物料的气体经过滤后排出系统。两个带球阀的加压锁斗交替装入粉煤燃料，并使压力增至4MPa。料位由检测装置控制，储仓内的粉末燃料经输送管送入称重加料器和星形加压计量器。压力锁斗交替工作，使称重加料器能连续加料，在称重加料器底部有一气体分配盘，使粉末燃料呈流化状态，借助于风力输送，粉末燃料以很高的密度进入输送管，并压入气化反应室的燃烧室。一台称重加料器可同时给几个燃烧室加料。以高密度（或浓相）输送粉末燃料时，操作参数如下：气流速度： 28m/s输送气中粉末燃料量： 500kg/m3输送能力： 1200kg/(cm2.h)1.3气化炉及煤气激冷系统GSP工艺的特点是粉煤的气化在以氧气和蒸汽为气化剂的火焰反应中进行。气化炉工作压力为3MPa，物料平均在炉内停留时间约10s，气化火焰温度约在18002200。气化炉由一圆柱形反应室组成，其上部有轴向开孔，用于安装燃烧器（或喷嘴）。气化炉底部是液态渣排放口。物料经喷嘴入炉，喷嘴处装有点火及测温装置。粗煤气出口温度比灰渣流动温度（FT）高100150。煤气和液渣并流向下进入煤气激冷系统。反应器的四周装有水冷壁管，压力为4MPa，高于反应室压力，水受热沸腾变成蒸汽，降低炉壁温度。在冷却管靠近炉中心侧有密集的抓钉，用来固定碳化硅耐火层。耐火层厚度约20mm。因有盘管冷却，耐火层表面温度低于液态的凝固温度，因而会在耐火层表面结一层凝固渣层，最后形成流动渣膜，对耐火层起到保护作用。1.4粉煤燃烧喷嘴GSP粉煤气化喷嘴有两种形式。A型：粉煤沿中心管进料，氧气/蒸汽由侧旁环隙进入。B型：氧气/蒸汽沿中心进入，粉煤由绕中心管的螺旋管进料。两种喷嘴都能使粉煤、氧/蒸汽充分混合、运动和反应，使火焰形状、位置及稳定性达到最佳。1.5监控系统监控和测量的核心仪器是气化炉的观测镜，它可传出高负荷反应室的光信号，实现对气化炉内部反应情况的连续观察。它还装置有传感器和测温探头，亦可通过附加接口，经视频连接线将反应室的情况反映在荧光屏上。火焰传感器的信号传给电子监控系统，并与气化炉的安全系统相连接。光学火焰监控是一综合体，一方面可以监测点火喷嘴的火焰的紫外光，另一方面可评判可见光范围的典型火焰脉冲。气化炉观测器上的光学探头，在一定光谱范围，借助于光学过滤器处理辐射信号，放大后的输出信号送到计算机进行处理。为确保安全可靠，计算单元为双通道型结构，并设有稳定的通道监探系统，测量原理是采用比较高温测量法。1.6粗煤气变换被冷却到近200的粗煤气，被蒸汽饱和后离开气化炉下部的激冷器进入变换系统，有效地利用湿煤气的热能，进行低温变换。通常采用镍-钼或钴-钼催化剂进行变换过程。变换过程分两阶段进行。1.7粗煤气处理粗煤气经适当的净化和处理过程，成为合格的合成气。这些过程为：脱除硫化氢和有机物；全部或部分脱除二氧化碳；通过精脱去除对催化剂有毒的成分。GSP煤气化试验所采用的原料特性如表1所示。表1 GSP煤气化试验典型的原料特性数据煤 种易北河东褐煤A易北河东褐煤B易北河西褐煤工业分析，% MarAd元素分析，% CdHdSt,dNd+Od发热量，kJ/kg 高位低位灰熔融性， DT(氧化/还原)ST(氧化/还原)FT(氧化/还原)粒度分布，% 500m200500m125200m987173852 GSP煤气化工艺特点1) 对气化原料有较宽的适应性。2)气化温度约14001700，碳转化率高达99%以上，产品气体洁净，不含重烃，甲烷含量极低，煤气中有效气体(CO+H2)达到90%以上，从而降低了煤的耗量。3)由于是干法进料，与水煤浆气化工艺相比，氧耗降低15%25%，因而配套之空分装置规模可减少，投资降低。4) 单炉生产能力大，目前已投入运转的气化炉气化压力为3.0 MPa，单台炉日处理煤量720t，已设计完成日处理量为2000t级的更大规模装置。5) 热效率高，冷煤气效率78%83%。GSP有两种工艺流程，化工合成领域一般采用激冷流程，即用水将煤气直接冷却至200以下。 6) 气化炉采用环管水冷壁结构，无耐火砖衬里，设备维护量较少。气化炉内也无转动部件，运转周期长，生产装置无需配置备用炉，水冷壁寿命在10年以上。7) 气化炉烧嘴及控制系统安全可靠，启动时间短只需约1h，设计寿命为10年，其中需要对喷嘴出口处进行维护，气化操作采用先进的控制系统，设有必要的安全联锁，使气化操作处于最佳状态下运行。8) 气化炉高温排出的熔渣经激冷后成玻璃状颗粒，性质稳定，对环境几乎没有影响，炉渣可用作水泥渗合剂或道路的建筑材料。气化污水量少，有害组份较低，容易处理，可达标排放。 煤炭气化工艺的特性煤炭气化是煤炭洁净转化的龙头和关键技术。所谓煤炭气化是指在一定温度、压力下，用气化剂与煤在气化炉内进行化学反应，将煤中有机质转变为煤气的过程。其涵义就是以煤、半焦或焦炭为原料，以空气、富氧（纯氧）、水蒸汽、二氧化碳或氢气等为气化介质使煤经过氧化和还原反应以及热解反应，将其中所含C、H等元素转化为CO、H2、CH4等可燃组分为主的气体产物的多相反应过程。对此气体产品的进一步加工，可制得其它气体、液体燃料或化工产品。一、 概 述经过100多年的研究和开发，煤炭气化的技术呈现出多样性。现代煤气化技术发展很快，技术的先进性和成熟性都是史无前例的。自上世纪70年代初以来，煤炭气化技术得到了快速发展。针对煤气的不同用途和形势需要（如生产替代天然气、用作合成气、发电等）发展了几十种气化技术。许多技术得到了工业应用。按照气化炉中气固接触方式和反应形式的不同，可将气化技术归纳为四种类型：以鲁奇炉为代表的固定床加压气化工艺，以高温温克勒炉、灰熔聚为代表的流化床气化工艺，以GSP、Shell、GE(原Texaco)、多喷嘴对置水煤浆技术为代表的气流床气化工艺，另外还有不再发展的熔融床气化工艺。二、 不同气化工艺及其特性 不同的气化工艺及其特性主要表现在对煤质的适应性、对入炉煤形态及大小要求不同，气化工艺参数等也有所差异，因此一般根据煤质的特点和煤气的产量及用途等选择合适的气化工艺技术。（1）固定床气化工艺特性煤的固定床气化也叫移动床气化，它是以块煤为原料，煤由气化炉炉顶加入，气化剂由炉底送入，气化剂与煤逆流接触，煤自上而下以2.66.2cm/min的速率向下移动，依次经过预热、干燥、热解、气化和燃烧5个区域，最后灰分从炉底排出炉外。气化产生的煤气由顶部排出。气化过程进行的较完全，灰渣残碳少。在气化过程中，煤气显热中相当部分供给煤气化前的干馏段和干燥段，因而煤气出口温度低。灰渣的显热又预热了入炉的气化剂，因而固定床气化热效率较高。固定床气化包括常压和加压气化两类。属于这种炉型的典型气化炉有常压的UGI炉、加压的鲁奇（Lurgi）炉和液态排渣鲁奇（BGL）炉。其中UGI炉在我国应用最多，国外基本不用。因此鲁奇碎煤加压气化工艺是技术最成熟可靠，目前世界上建厂应用数量最多的加压煤气化工艺。鲁奇固定床气化工艺成熟可靠，它以粒度5mm50mm块煤如褐煤、年轻烟煤、贫煤和无烟煤为原料。这种工艺，包括焦油在内的气化效率、碳转化率、气化热效率都较高，碳转化率中等；氧耗是各类工艺中最低的；原料制备、排渣处理简单；煤气热值是各类工艺中最高的。它最适合生产城市煤气，或用于多联产。鲁奇气化工艺的不足之处是：若选择制合成气有以下问题：（1）煤气成分复杂，合成气中含不需要的CH4约615，如果用于合成甲醇和氨，需将这些CH4转化成H2、CO，势必造成投资大，成本高；（2）大量冷凝污水的处理。污水中含大量焦油、酚、氨、脂肪酸、氰化物等，因此要建焦油回收装置，酚、氨回收和生化处理装置，增加了投资和原材料消耗。（3）Lrugi气化技术原料为5mm50mm块煤。块煤价格高，若购原煤则占总量5055的粉煤需要平衡处理，用这些粉煤发电工厂自身用不完，上电网价低，影响工厂经济效益。鲁奇炉对煤种和煤质要求较高。要求原料煤反应活性好、热稳定性高、无粘结性或弱粘结性、机械强度高、灰熔融性温度高等。因此适用于反应活性高的褐煤、次烟煤。煤化程度高的贫煤、无烟煤也可使用，但由于其反应性差，因此气化强度和气化效率偏低。一般要求灰熔融性温度ST1200,最好高于1400；也可以气化水分较高（20%30%）和灰分较高（30%40%）的煤；对于粘结性强、热稳定性差、灰熔点低的煤及粉煤则难以利用。（2）流化床气化工艺特性流化床（也称沸腾床）煤气化过程是粉煤在反应器内呈流态化状态，在一定温度、压力条件下与气化剂反应生成煤气。其主要优点是床层温度均匀，传热传质效率高，使用粉煤，原料价格便宜，且煤种适应范围宽，产品煤气中基本不含焦油和酚类物资。其主要缺点是气体中带出细粉过多而影响了碳转化率，但通过采用细粉循环技术此缺点可以得到一定程度克服。典型的流化床气化工艺主要有Winkler工艺、HTW工艺、Ugas工艺、KRW工艺、恩德工艺和中国中科院山西煤化所ICC工艺。流化床气化工艺比较适合高挥发分、高活性年轻煤及高灰、高灰熔点煤。但气化压力较低，3.0Mpa下气化的流化床工艺正在开发中。该工艺气化温度较低，在1000左右，气化强度低，煤制备、气化炉结构简单、投资省。流化床制合成气（或制H2）有以下问题：压力在2.0Mpa以上煤气中甲烷含量也较高。；碳转化率、气化效率相对较低；飞灰较多增加了后处理难度；目前无加压工业化装置在运行。煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院加压流化床气化技术20世纪60年代，北京煤化工研究分院建立200mm流化床气化炉，进行了流化床灰熔聚气化工艺研究，完成了4个煤种的试验。“七五”期间，开发了100mm加压粉煤流化床小型气化试验装置，气化炉设计压力3.0MPa，最高运行压力2.0MPa，高4m，可灵活地进行空气气化、富氧气化和纯氧气化等多条件连续操作试验。先后对泰国褐煤、榆林煤等18个煤样进行了气化特性评价，其中包括神华煤制油公司选送的宝日希勒三个褐煤和霍林河褐煤。“八五”期间，为开展我国的第二代PFBC和IGCC技术的研究工作，北京煤化工研究分院与上海发电设备成套研究所联合承担了“联合循环发电关键技术研究”的国家攻关项目。1993年在上海建成能力5t/d的加压流化床粉煤气化中试试验装置。气化炉密相段内径300mm，扩大段直径450mm，炉高6m，设计压力2.5MPa，试验操作压力1.0MPa，产气量500800m3/h。300mm加压流化床中试装置气化了上海焦化厂冶金焦、化工焦、神木煤、大同煤等五种原料的气化试验，累计运行时间大约500小时。为适合不同工艺对煤炭气化程度的要求，分别进行了部分气化和完全气化两种操作模式试验，在进行完全气化操作时，实现了灰熔聚排灰，气化炉排出的灰渣中含碳量小于10。在优化飞灰循环控制、提高气化过程碳转化率等研究方面取得了积极的成果，验证了试验装置操作的可靠性、稳定性以及运行的安全性。300mm加压流化床煤气化系统主要由八大部分组成，即煤制备单元、锅炉、空气压缩机、加料出灰系统、流化床气化炉、煤气处理单元，过程控制、数据采集和分析单元。设计了独特的气流加料系统、飞灰循环系统、选择性排灰系统，仪表、测控和分析系统配备完整等。气化炉体分别设置了加煤口、脱硫剂入口、细粉循环料入口、气化剂入口和溢流灰出口、煤气出口、安全放散口等。气化剂分两路由气化炉底部进入，第一路气流（以空气为主）由中心管以较高速度进入，主要起控制灰排出的作用，气化床层中的灰料则与气流逆向向下排出；第二路气流（蒸汽和空气混合气）从环侧进入气化炉，维持炉内的正常流态化和气化反应。通过与气化炉底部相连接的800mm节分别将两路气体导入气化炉和将灰渣导出气化炉，由该节上的高压窥镜可直接观察到气化炉操作时的排灰状况。煤气处理单元位于气化炉下游，在此单元中高温含尘煤气被冷却和净化。携带细粉飞灰700900的煤气从气化炉的顶部出来，先后进入一级旋风除尘器、二级旋风除尘器，在此90以上的固体被分离出来，其中一级除尘器收集的飞灰循环料腿被送回气化炉以进一步参加反应，二级除尘器的飞灰则直接经减压排出；煤气从二级除尘器出口出来进入煤气间接冷却器，该冷却器为风冷式，煤气走排管的管程降温至250左右，经过一个分离器后，通过一级煤气减压阀部分地降压后分两路，一路送后续补燃、磨蚀试验系统，另一路气体则经再次减压后送入火炬燃放系统。送补燃、磨蚀试验系统的一路气流途中还经过布袋除尘器，使残留的粉尘得到进一步去除。这两套气化装置对煤质的要求是：入炉煤水分含量12、最好没有黏结性。目前，300mm加压流化床中试装置已经停止使用。2004年，对100mm加压粉煤流化床小型气化试验装置进行了大规模的改造，采用了现代自动控制技术，主要用来进行煤种评价。（3）气流床气化工艺特性气流床气化工艺是煤炭气化的一种重要形式，原料煤以干粉或水煤浆形态入炉，煤粉（煤浆）和气化剂经喷嘴一起并流进入气化炉，并在气化炉内进行充分的混合、燃烧和气化反应。由于在气化炉内气体及其夹带的固体几乎是以相同的速度同向运动，因此称为气流床气化或夹带床气化。高温、高压、大容量的气流床气化技术显示了良好的经济性和社会效益，代表着气化技术的发展趋势，是目前最清洁的煤利用技术之一。气流床煤气化的优点并不仅仅在于减少污染排放物，它也可以得到多种具有一定市场价值的副产品，如高纯度的硫、CO2和可再利用的灰渣。同时，随着环境排放标准的日趋严格，气流床气化工艺低污染排放物的优势越来越突出。特别是近十多年来，大容量IGCC电站示范与商业化运行证明，与固定床、流化床相比，气流床具有较大的煤种适应性和更优良的技术性能，是大容量、高效洁净、运行可靠的燃气与合成气制备装置工艺的首选技术。气流床其煤种适应性广，原则上可以气化所有的煤种，而且气化效率、碳转化率高，气化能力大，气体净化系统简单，有一定工业运行经验。其不足主要是一次性投资高，对煤质如灰分含量、流动温度及灰渣粘温特性等均有一定要求；而水煤浆气化工艺对煤的成浆性也有要求。气流床运行费用都很高。气流床气化工艺比较适合于大型煤化工项目。目前，世界上已工业化的先进气流床气化技术包括干煤粉进料的Shell（SCGP）、Prenfl