新型煤气化工艺选择探讨.doc

新型煤气化工艺选择探讨郭文龙（山西阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司，山西 运城 044000）阳煤丰喜是一个集化肥、化工、化机制造于一体的国家大型煤化工企业集团，化肥、化工产品实物总量360万吨以上，化工机械设备制造能力5万吨。主导产品尿素荣获“国家免检产品”等称号，“丰喜”商标2006年被评为“中国驰名商标”。公司拥有124项专利，其中水煤浆水冷壁气化炉技术达到国际先进水平，获得国家科技进步一等奖。1 前言当前我国经济增长正在步入高速增长转向适度缓慢增长的下行阶段，各地为了保证年初经济目标的实现，大多选择了通过加快招商引资拉动经济。煤化工项目方面，由于受国家关于抑制部分行业产能过剩和重复建设引导产业健康发展若干意见的通知和关于规范煤化工产业有序发展的通知等文件的制约，在煤气化工艺的选择上，完全摒弃了动辄几十台间歇式固定床造气炉（UGI）的做法，一边倒的选择新型加压气化技术。但国内自上世纪七十年代引进先进煤气化技术至今，经过不断的引进、消化、创新和再引进过程，目前的中国是拥有新型加压气化技术最全的国家，已成为世界煤气化技术的示范应用基地，为煤气化技术发展和产业化做出了重大贡献，我国具有自主知识产权的大型煤气化装置还出口发达国家。由于现代煤化工属于资金密集型产业，气化炉又是投资比例最大的单元，怎样依托自身的原料结构、运输、人员素质、水资源、资金、知识产权和环境容量等因素，准确选定适合自身的煤气化工艺就显得尤为重要。笔者根据经历的几个项目选型的经历，总结出来一些数据和建议，希望对大家选择煤气化工艺提供些许帮助。2 煤气化技术概述中国是拥有煤气化炉最多的国家，但多数为常压固定床煤气发生炉（全国有约4500台），单炉发气量小，对环境污染较严重，且不能适应大型化的要求，因此这种气化技术已在2006年7月7日的国家发展改革委关于加强煤化工项目建设管理促进产业健康发展的通知（发改工业20061350号）中明确要求禁止。取而代之的大型加压煤气化技术，中国已实现工业运行的有10多种，引进国外技术的有6种。通常把气化炉分为三种类型：固定床、流化床和气流床。具体分类如下：固定床：UGI、富氧连续气化、Lurgi、BGL等流化床：恩德、KBR、灰融聚、温克勒气化炉、U-GAS、HRL等气流床：GE、OMB、GSP、Shell、HT-L、TPRI等当前被广泛接受的是气流床气化炉，下面着重介绍GE、OMB、GSP、SHELL、HT-L和TPRI等国内应用较广泛的几种气流床煤气化工艺。3 常用煤气化技术简介3.1 GE（Texaco）德士古水煤浆气化德士古气化法是一种以水煤浆为进料的加压气流床气化工艺，水煤浆通过喷嘴在高速氧气流的作用下，破碎、雾化喷入气化炉。氧气和雾状水煤浆在炉内受到耐火衬里的高温辐衬作用，迅速经历预热、水分蒸发、煤的干馏、挥发物的裂解燃烧以及碳的气化等一系列复杂的物理、化学过程，最后生成以一氧化碳、氢气、二氧化碳和水蒸气为主要成分的湿煤气、熔渣和未反应的碳，一起同流向下离开反应区，进入炉子底部激冷室水浴，熔渣经淬冷、固化后被截留在水中，落入渣罐，经排渣系统定时排放。煤气和饱和蒸气进入煤气冷却净化系统。3.2 OMB（多喷嘴对置式水煤浆气化）OMB由华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂和中国天辰化学工程公司共同开发，属气流床多烧嘴下行制气，气化炉内用耐火砖衬里或水冷壁，以纯氧和水煤浆为原料，在加压非催化条件下进行部分氧化反应，生成一氧化碳和氢气为有效成分的粗煤气，作为甲醇和氨合成的合成气，或制氢（煤液化、燃料）的原料气、IGCC发电的燃料气。3.2.1工艺流程主要包括煤浆制备、输送单元，气化单元，煤气初步净化单元和含渣水处理单元。首先是煤、水和煤浆添加剂进入煤磨机磨制出60%65%（wt%）的合格煤浆，通过煤浆泵加压后输送至气化单元。来自高压煤浆泵的水煤浆和来自空分的高压氧气，通过工艺喷嘴同轴射流进入气化炉，在气化炉内形成撞击反应区，进行部分氧化反应，生成的粗合成气、熔渣一起向下进入气化炉激冷室，大部分熔渣在水浴中激冷固化，落入激冷室底部，通过静态破渣器后进入锁斗收集，定期排放，粗合成气在气化炉激冷室液位下鼓泡后出激冷室。煤气初步净化采用“分级”的概念，即先“粗分”再“精分”。出气化炉的合成气先经过混合器润湿除去夹带的固体颗粒，再经过旋风分离器除去合成气中夹带的大部分细灰，然后进入洗涤塔进一步洗涤，出洗涤塔的合成气送后工序(含尘量小于1mg/Nm3)。洗涤效果良好，克服带水、带灰现象。含渣水处理单元采用直接换热方式：来自气化和净化单元的含渣水首先进入蒸发热水塔蒸发室，蒸发室内含渣水大量汽化，溶解在水中的酸性气体解吸出来，蒸发室产生的蒸汽进入热水室，与循环灰水直接接触，使灰水得到最大程度的升温，蒸发室底部含固量增浓的液相送入真空闪蒸器，经闪蒸后的黑水进入澄清槽，加入絮凝剂强化沉降。浓缩的黑水经澄清槽底物泵送入过滤机，澄清的灰水经闪蒸气加热回收热量后返回系统。另有部分灰水去废水处理工序，无环境污染。同时完成了热质传递，能量回收好，避免了结垢，操作周期长。3.2.2工艺特点技术指标先进。有效气成分达84.9%，碳转化率达98.8%，比氧耗为309Nm3/kNm3(COH2)，比煤耗达535kg/ kNm3(COH2)，产气率达2.3m3干气/kg干煤。多喷嘴对置式水煤浆气化技术采用四喷嘴撞击流，加强混合，强化热质传递。德士古水煤浆气化技术为单喷嘴，流场为受限射流，物料停留时间分布宽，碳转化率低，射流以较大速度冲刷耐火砖。复合床洗涤冷却使液位平稳，有效避免了Texaco炉子激冷室液位波动，带水带灰问题，粗合成气与黑水温差比Texaco小约10，表明其传热、传质效果好。粗合成气分级净化，节能、高效、压降小，分离效果好（含尘量小于1mg/Nm3）。含渣水直接换热，蒸发热水塔出气温度与灰水温差仅4，克服了间接换热设备易结垢堵塞问题，也提高了换热效率（Texaco闪蒸汽、冷凝液两相温差最大60）。投资及运行。装置国产化率高，没有专有设备；专利费为德士古水煤浆气化的1/31/2；运行费用比德士古要低得多。气化装置负荷调节灵活、稳定，四个喷嘴之间负荷相互配合，可实现气化微调操作。可实现气化炉及后系统不停车的情况下解决故障，高压状态下带压投料，提高有效生产时间。兖矿国泰化工有限公司已累计进行了10次带压连投操作，节省费用近700万。目前国内已运行装置有12套29台气化炉，推广应用的共有33个项目，共计92台气化炉。3.3 Shell煤气化技术3.3.1 Shell煤气化工艺以干煤粉为原料、纯氧作为气化剂，液态排渣。在气化炉内3.54.0MPa压力下，14001700的温度范围内发生化学反应。高温气化确保煤中所含灰分熔渣沿气化炉膜壁自由流下至气化炉底部，变成一种玻璃状不可沥滤的炉渣而排出。气化炉顶的合成气温度约1500，用返回的粗合成气激冷至850900，然后进入合成气冷却器（废锅）作进一步冷却，气化炉内膜式水冷壁及废锅可同时生产高、中压蒸汽。从废锅出来的合成气中锁携带的少量灰分颗粒，在组合式陶瓷过滤器中分离除去，干灰进入锁斗，然后送往储仓，可作为水泥的配料。3.3.2 粉煤气化的优越性：粉煤进料，气化热效率高，氧耗、煤耗低；采用膜式水冷壁，寿命长达20年；气化温度高，可气化灰熔点高的煤种，没种适应性广；碳转化率高，有效气成分较水煤浆气化高810个百分点；喷嘴寿命可达8000小时。设有46个喷嘴，生产负荷可在50%100%范围内调整，操作弹性大。3.4 两段式干煤粉加压气化(TPRI)两段式干煤粉加压气化技术是由西安热工研究院研究开发的。3.4.1气化炉结构：外壳为一直立圆筒，炉膛采用水冷壁结构，炉膛分为上炉膛和下炉膛两段，下炉膛是第一反应区，用于输入煤粉、水蒸气和氧气的喷嘴设在下炉膛的侧壁上。渣口设在下炉膛底部高温段，采用液态排渣。上炉膛为第二反应区，其内径较下炉膛的内径小，高度较长，在上炉膛的侧壁上开有两个对称的二次粉煤和水蒸气进口。运行时，有气化炉下段喷入干煤粉、氧气及蒸汽，所喷入的煤粉量占总没量的8085%，在上炉膛进口处喷入过热蒸汽和粉煤，所喷入量占总喷入量的1520%.该装置上段炉的作用主要有二：其一是代替部分循环激冷合成气使温度高达1400的煤气激冷至约1100左右，其二则是利用下段炉煤气显热进行热裂解和部分气化，提高总的冷煤气效率和热效率。3.4.2气化技术的工艺流程为满足发电行业和化工行业对煤气化工艺的不同要求，两段式干煤粉加压气化炉根据下游工艺的不同要求，可以采用有废锅和无废锅两种形式，即适合于发电工艺的废锅流程和适合于煤化工工艺的煤气激冷流程。3.4.3技术特点1）气化反应温度14001600，气化压力可达3.04.0MPa，碳转化率高达99%以上，煤气中有效气高达90%以上。2）高温气化不产生焦油、酚等凝聚物，不污染环境，煤气质量好。3）在气化炉二段送入少量煤、N2和蒸汽、主要进行煤的干馏热解、挥发分的二次裂解及水蒸气的分解反应。能够降低气化炉二段 出口的合成气温度，从而可以减少冷煤气循环激冷系统，使得系统自耗功大幅降低，同时煤气冷却器及净化系统的设备尺寸减少，造价降低。4）气化炉采用水冷壁结构，以渣抗渣，无耐火砖衬里，维护量少，运转周期长，无需备炉。5）与国外同类技术相比冷煤气效率提高23%，比氧耗减少，与之配套的空分投资减少。3.5 HT-L航天加压粉煤气化技术 HT-L煤气化工艺是航天十一所借鉴荷兰Shell、德国GSP和美国TEXACO煤气化工艺中的先进技术，配置自己研发的盘管式水冷壁气化炉而形成的一套结构简单、有效实用的煤气化工艺。现将该工艺在煤化工项目中的应用介绍如下：3.5.1磨煤与干燥系统 磨煤与干燥系统的工艺流程、运行原理、控制参数都与SHELL工艺相同，两套系统一开一备，单套能力35吨/小时，目的是制造出粒度小于90微米的大于80%、水含量小于2%的煤粉。没有单独的石灰石加入系统，只是利用皮带秤通过比值调节将粒状石灰石加到输煤皮带上，一块进入磨煤机研磨。3.5.2加压输送系统 加压输送系统的工艺流程、运行原理、控制参数都与SHELL工艺相同，目的是将制出的合格煤粉利用压差输送至气化炉进行燃烧气化。不同是粉煤给料罐下面是三条腿，三条线输送，到烧嘴处汇合从烧嘴环隙呈螺旋状喷入炉膛。3.5.3气化及净化 烧嘴设计同GSP，采用单烧嘴顶烧式气化，气化炉采用Texaco激冷工艺，气化炉升压到1MPa时，煤粉及氧、蒸汽混合以一定的氧煤比进入气化炉，稳压1小时挂渣，炉膛内设置有8个温度检测点，可以作为气化温度的参考点，也可以判断挂渣的状态。设计气化温度14001600，气化压力4.0MPa。热的粗煤气和熔渣一起在气化炉下部被激冷，也由此分离，激冷过程中，激冷水蒸发，煤气被水蒸汽饱和，出气化炉为199 ，经文丘里洗涤器、洗涤塔洗涤后，194、固体含量小于0.2mg/m3的合成气送去变换。3.5.4渣及灰水处理系统 渣及灰水处理系统的工艺流程、运行原理、控制参数都与Texaco工艺相同。渣经破渣机，高压变低压锁斗，排到捞渣机，进行渣水分离，水回收处理利用；灰水经高压闪蒸、真空闪蒸后到沉降池，清水作为激冷水回收利用 ，浆水经真空抽滤后制成滤饼。3.6 清华水冷壁炉清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）应用于国家重点新能源领域，煤炭的清洁利用和石油、天然气替代项目。其主要技术原理是将煤炭加工成粉状（水煤浆或干粉），加压送入部分氧化气化炉中生产合成气。清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）的特点是：通过氧气分级供给，气化炉主烧嘴和侧壁氧气喷嘴分别向气化炉内加氧，使气化炉主烧嘴的氧气量可脱离炉内部分氧化反应所需的碳与氧的化学当量比约束，改变了主烧嘴局部区域氧化强度过高的状态，使气化炉轴向温度均衡并有所提高，充分发挥气化炉全容积的气化功能。在主烧嘴中心通道采用氧含量从0到100%的不同气体作为主烧嘴预混气体，不仅调整了火焰中心的温度，而且调整了火焰中心距主烧嘴端面的距离，有利于降低主烧嘴端部温度，延长其使用寿命。生产甲醇时，采用CO2作预混气体，不仅可以保护主烧嘴，还可以使气化炉内起控制作用的变换反应向CO方向移动，提高有效气体成份。 清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）工艺过程如图所示。原料（水煤浆、干煤粉或者其它含碳物质）通过给料机构和燃料喷嘴进入气化炉的第一段，采用纯氧作为气化剂，采用其它气体如O2或与O2以任意比例相混合的CO2、N2、水蒸汽等作为预混气体调节控制第一段氧气的加入比例，使第一段的温度保持在灰熔点以下；在第二段再补充部分氧气，使第二段的温度达到煤的灰熔点以上并完成全部的气化过程。把一次给氧的连续气化过程分为二次或多次给氧的两级（或多级）气化过程是在对现有问题分析和机理研究的基础提出来的，具有科学性。连续的气化过程，其实际的气化过程也是分段依次进行的，开始是水分的蒸发和脱挥发分过程，接着才是煤颗粒的着火燃烧和气化过程。本工艺提出将煤颗粒的着火燃烧再进行分级，主要的燃烧过程在第一段完成，在第二段补充部分氧气，完成全部的燃烧过程和气化过程，并且在第一段控制氧气的加入比例，保持温度在煤的灰熔点以下。在第二段加入氧气的作用下使温度提高到煤的灰熔点以上，从而实现煤的非熔渣熔渣分级气化。4、几种气化技术的比较见附表5、根据以上表格分析得到：5.1 OMB、GE和清华炉属于水煤浆气化，对煤质有一定的要求，适用于烟煤、无烟煤、石油焦的等，且国产化率高，在国内已有多家正在运行，特别是清华炉在临猗分公司运行，且运行平稳。在煤种的适合情况下：通常是甲醇、合成氨等项目的首选5.2 航天炉、二段炉及壳牌煤气发生炉属于干粉气化炉，有效气体成分高，气化煤量大，碳转化率高、氧耗和煤耗相对较低，除壳牌外，设备国产化强，投资低。5.3 航天炉和清华炉比较，清华炉采用水煤浆进料，计量精确，炉温波东较小，操作稳定性好；航天炉曹勇干粉进料，干粉进料测量精确度差，炉温波动大。清华炉只有一条进料系统，调节简单稳定；航天炉有三条煤粉进料管线，调节复杂。投资上清华炉的投资略低于航天炉，航天炉用煤需要烘干，原料煤场需要封闭，清华炉则不需要。5.4 GE和二段炉都是采用四喷嘴，二段炉其特点是采用两段气化，以四个对称的烧嘴向气化炉底部喷入干煤粉（占总煤量的80%85%）、过热蒸汽和氧气，进行一段气化，熔融排渣。中部喷入占总煤量1520%的煤粉和过热蒸汽，利用下部上来的煤气显热进行二段气化，同时将下