科林粉煤气化工艺.doc

1、前言中国目前是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭的年产量在12亿吨以上，随着我国石油和化学工业产业发展与能源、资源短缺矛盾的上升及西、北部煤炭资源的开发，新型煤化工产业蓬勃发展，但西、北部煤种大部分为褐煤，这就为煤气化工艺的选择增加了许多局限性。由于褐煤制浆性不好，对煤质改性的研究尚未达到工业化生产的需要，具有工业化生产基础的水煤浆气化工艺列在了选择范围之外，适用范围广、能耗低的粉煤气化技术成为被选择的对象。但由于废锅流程的粉煤气化工艺在中国的推广不成功，对粉煤气化工艺的选择成了煤化工产业发展的一个难题。煤气化工艺是煤化工、IGCC、加氢工艺、煤液化等的龙头和基础，气化工艺在很大程度上影响到煤化工产品（电力）的成本和效益，因此选择高效、低耗、无污染的煤气化技术是发展煤化工的前提。现将国内近期引进的激冷流程的科林粉煤加压气化技术进行总结，以供参考。2、科林粉煤气化工艺的技术来源及发展历程科林高压干粉煤气化炉简称为CCG炉(Choren Coal Gasifier),该技术起源于前东德燃料研究所，于上世纪70年代末开始开发，目的是利用当地褐煤提供城市燃气。1979年在弗莱贝格市建立了一套3MW中试装置，完成了一系列的基础研究和工艺验证工作。试验煤种来至于德国、中国、前苏联、南非、西班牙、保加利亚、澳大利亚、捷克等国家。1984年在黑水泵市（SCHWARZ PUMPE）建立了一套130MW（日投煤量为720吨）的水冷壁煤气化炉工业化装置， 气化当地褐煤用作城市燃气，有运行8年的工业化生产经验。燃料研究所和黑水泵厂的技术骨干发起成立了科林的前身公司，继续致力于煤气化技术的研发,并把运行中出的问题进行了设计更改和完善，推出了一套完整优化的气化技术。3、科林CCG技术与西门子GSP技术的联系和区别科林和西门子所提供的煤气化技术均是在燃料研究所早年的过期专利和黑水泵厂130MW气化炉的基础上进行放大和改进后的技术，然后形成了自己的新的专利体系。两种技术均是干煤粉进料，磨煤和干燥的要求相似；均是环状盘管水冷壁结构；对化工项目均采用全激冷流程，西门子为IGCC发电项目也开发了部分激冷流程；均是烧嘴顶置下喷，不同的是西门子采用了联合烧嘴设计，将点火烧嘴和煤粉烧嘴集成到一起，而科林公司沿用了黑水泵气化炉检验过的多喷嘴设计。两种技术在烧嘴上的不同布置， 使得两种技术具有了一定的独立性，各自有自己的专利保护，避免了知识产权冲突。组合烧嘴和多烧嘴虽各有优劣，但都由于都是顶置下喷设计，其实并不构成本质差异。西门子传统上是一家设备制造公司，所以除了收取专利费和设计费以外，西门子要求烧嘴、气化炉甚至给料斗都必须从西门子购买，从德国进口。而科林公司是一家专利商，只要求用户从科林公司购买其生产的烧嘴，可以做到95%设备国产化。兖矿贵州开阳50万吨合成氨项目采用的科林气化炉由大连金州重型机械厂整体制造。 这就构成了气化岛投资的巨大差异：西门子的宁煤项目采用了5台日投煤量为2000吨的气化炉，气化岛造价约为25-28亿， 科林的兖矿开阳项目采用两台日投煤量1500吨的气化炉，气化岛造价仅约为5亿。4、科林粉煤气化工艺流程与其他粉煤气化工艺一样, CCG气化工艺过程也主要是由给料系统、气化炉、粗煤气洗涤系统组成, 即备煤、气化、气体处理三部分组成。原料煤被碾磨为100%100，80%65的粒度后, 经过干燥, 通过浓相气流输入系统送至烧嘴，在反应室内与工业氧气和水蒸气在高温高压的条件下反应，产生合成气。气化温度操作在1400-1700之间，根据煤炭的组份和灰熔特性，可通过氧煤比流量进行调节（控制炉内化学反应剧烈程度）。反应室内壁为水冷壁，水冷壁传热面形成固定渣层，进行炉壁冷却并防止流动渣的冲刷。生成的合成气及液态灰渣离开反应室向下流动，在激冷室中被水冷却，液态灰渣被水浴固化成颗粒状，灰渣经过锁斗系统排出，从排放的水中分离并通过捞渣机运出。合成气被蒸汽饱和，以大约 210 温度离开气化炉。气化炉外壳的表面温度小于100。原料气化和达到气体平衡所需的热量由原料碳氧化成CO2和CO所释放。气化温度的选择是由原料煤的物理化学性质(如灰熔点)决定的,。5、科林粉煤气化的技术特点(1) CCG气化炉为多喷嘴顶置的形式，分为1个引燃烧嘴和3个煤粉烧嘴。在开车和停车时候，利用液化气混合氮气作为引燃烧嘴的燃气。在气化炉运行过程中，出于安全的考虑，引燃烧嘴在较小的功率下运行（长明灯）。可以利用循环回送的合成气作为引燃烧嘴的燃料。由于长明灯反应放热也是气化反应所需要的，所以并不会造成额外的能量损耗。(2) 煤粉、氧气和水蒸气通过烧嘴进入反应室，发生部分氧化反应。反应室是由齿形蛇管卷水冷壁围成的圆柱形空间, 上部为烧嘴, 下部为排渣口, 原料与氧气、水蒸气的气化反应就在此空腔内进行。第一次开车后水冷壁被挂上一层渣， 在后续运行中利用以渣抗渣的原理保护水冷壁。 正常运行时炉体内温度为1 400-1700 , 经过渣层以后, 温度降低到500左右, 再经过16.5 mm 厚的屏壁和SiC填充物, 温度降低到270 左右, 水冷壁内的加压冷却水的温度为250 左右。水冷壁气化炉体的优点是炉体实际承受的温度较低， 水冷壁承温 500 ，外层壳体内壁的温度 250 , 气化炉外壳的表面温度小于100C，不容易损坏，故可以气化灰熔点较高的煤种。(3) 煤粉在干粉煤烧嘴内移动的速度仅约10米每秒， 主要是靠高速的氧气带动煤粉形成旋流参加反应， 磨蚀不严重，寿命可达5年以上，仅需每年检修头部向火面。检修更换烧嘴仅需八个小时。(4)由于气化炉温度高，碳转化率可以高达99。(5)合成气中有效成分(CO+H2)高达9093%。(6)冷煤气效率高达8083。(8)适应的煤种广泛，褐煤、烟煤、次烟煤、无烟煤、石油焦都能适用。(9)有效气(CO+H2)比煤耗550600 kgkm3，比氧耗290360 Nm3km3，(11)氧耗比水煤浆法低1520。因此，配套的空分装置可以小一些，空分装置的投资可以节省。(12)因采用顶置多喷嘴操作，生产负荷调节幅度大50110%，也容易放大装置能力。6、科林粉煤气化的可操作性分析事实证明，各种气化技术在低负荷（6080%）、频繁停车的情况下，碳转化率、冷煤气效率、有效气含量、比煤耗、比氧耗都难以达到设计要求；甚至偏差很多。因此，提高装置的可操作性，达到装置长周期、高负荷运行是增效降耗的唯一途径。(1) 制粉系统能否正常运行是气化负荷的一个重要限制因素。科林制粉工艺改变了其他粉煤低压输送采用落差和螺旋输送机的方式，全部采用低压气力输送，避免了由于动设备故障煤粉供应不足造成气化装置降负荷甚至停车。(2)采用多喷嘴同向顶置下喷设置，避免了烧嘴间的磨蚀，大大提高了烧嘴寿命，不会出现烧嘴罩漏的现象。(3)采用激冷流程，避免了由于废锅换热管积灰，导致换热器出口温度高影响高负荷生产的问题；同时也避免了由于高温高压过滤器滤棒断裂导致停车。高温高压陶瓷过滤器的过滤元件，国内尚不能制造，每年需要更换一次过滤元件，需500万元。(4)废锅流程的气化炉、合成气冷却器(对流式废热锅炉)，输气导管的内件、烧嘴、粉煤阀、渣阀、灰阀、陶瓷过滤器内件，国内尚不能制造，这些会耗费大量外汇。气化炉、合成气冷却器、输气导管、陶瓷过滤器、高压氮气缓冲罐等属大型超重设备，其运输和吊装比较困难。科林气化技术由于采用激冷流程，设备结构简单，外形尺寸小，装置投资少。投煤量相同的气化炉，激冷流程气化框架只有废锅流程气化框架的一半高度，重量只有其20%左右。气化岛投资只有其50-60%。煤种的适应性更宽；煤、水、电耗量少；连续运行的时间长；总的来说科林煤气化技术效率和消耗基本与干煤粉废锅技术相同，而投资大大低于干煤粉废锅技术。(5) 喷嘴顶置下喷的方案可以使高温粗气及灰渣方向流向相同以确保燃烧室排渣顺畅。7、几种主要气化工艺对比和结论序号项 目干粉煤废锅气化水煤浆加压气化科林CCG技术1原料的适应性适应各种煤适应成浆性好，灰熔点低的各种煤适应各种煤、油、气2每1000 Nm3有效气耗煤0.69 t0.72t0.69 t3每1000 Nm3有效气耗氧330 Nm3389 Nm3330 Nm34气化温度1400170013001500140017005气化压力4.0 MPa8.54 MPa4.0 MPa6最大单炉处理煤能力3000 t/d1500t/d1500 t/d7气化炉配置单炉需有备用炉单炉或多炉8单炉烧嘴配置多组对置单个顶置或多个对置多个顶置9气化炉结构水冷壁耐火衬里水冷壁10气化炉直径（mm）45002794（3175）290011热回收废锅、水冷壁废锅或激冷激冷12煤气除尘冷煤气激冷，过滤，洗涤洗涤洗涤13主要易损件高温过滤器，烧嘴耐火衬里，烧嘴烧嘴14输煤方式气体压送水煤浆泵送气体压送15单炉连续运行周期1年34个月1年 16磨煤方法干磨同时干燥湿磨干磨同时干燥17气体与炉渣流向逆流顺流顺流18国产化水平关键设备引进国产化率高国产化率高19工业应用业绩国外已成功用于联合循环发电，国内已用于合成氨和甲醇生产国内外已成功用于联合循环发电、合成氨和甲醇等国外已成功用于联合循环发电和甲醇等20投资比较150-170%90%-110%100% 通过上面水煤浆气化技术、干粉煤废锅气化技术及科林CCG气化工艺比较表可以看出，这三种气流床气化工艺都是很好的煤气化技术。干粉煤废锅气化气化效率较高，煤种适应性强。 但其工艺流程长，设备结构复杂，国产化率低，设备运输和安装难度大，建设周期长；一次投资大；干法过滤器的使用寿命短。进入中国时间较短，在国内开车还不太顺利。水煤浆气化工艺开发和进入中国的时间较早，在国内外的合成气生产中得到了更加广泛的应用，可靠性更高，在技术开发、工程设计、设备制造、工程建设、生产管理和运行操作等方面，积累了丰富的经验，设备的国产率高，国内的技术支持性更好，装置的建设投资较低；但存在耐火砖和烧嘴连续使用寿命短，气化炉难以长周期连续运行，煤种的适应性相对较差。CCG粉煤气化工艺设备结构简单；煤种的适应性更宽；煤、水、电耗量少；连续运行的时间长；总的来说 CCG煤气化技术效率和消耗基本与干煤粉废锅技术相同，更适合于化工生产，而投资大大低于