适合于炼厂制氢的煤气化技术选择

收稿日期：20130423；收到修改稿日期：20130618。 作者简介：罗志荣，男，1975年出生，2002年毕业于石油大学 计算机与科学专业，现任中国石化茂名分公司煤制氢车间主任。 联 系电话：06682241992；Email：luozrmmshsinopeccom。 随着国内成品油需求量的增长， 国内炼油能 力正快速增长，而随着环保要求的逐年提高，全加 氢型的炼厂也越来越被认可。 氢气使用量的增加 使炼油企业更加关注氢气成本的下降， 而原油价 格的提高和煤化工技术在国内的发展， 使成本相 对较低的煤成为制氢原料的首选。当前，可用的煤 气化技术比较多，也各有优缺点，用于炼厂制氢的 煤气化技术应根据炼厂的特点进行选择。 1一般炼厂氢气的特点 11稳定性 对于炼厂来说，氢气的稳定性是最重要的，尤 其是全加氢型炼厂， 由于其产品和装置的原料均 需要加氢，氢气的中断可能导致全厂停产。 12压能的匹配要求灵活 炼厂的氢气多用于其加氢装置， 根据用氢装 置工艺的需要， 一般是通过氢压机将压力提高到 某个压力，如炼厂加氢裂化装置，氢压机出口压力 一般在17MPa左右。因此，如果是新建炼厂，提高 氢气压力有利于进一步降低炼厂的能耗。 如果是 旧炼厂改造则需要匹配其原有的压力等级， 而且 尽量不要采用降压方式，避免压能的损失。 13对氢气纯度要求较高 炼厂的加氢装置对于氢气纯度的要求较高， 特别是渣油加氢，由于溶解甲烷的能力较差，一般 要求新氢纯度要大于99， 且由于加氢装置催化 剂普遍含有钴、钼、镍等元素，一氧化碳和二氧化 碳会在反应器内发生甲烷化反应， 造成床层温度 的波动，因此，一般加氢装置对于一氧化碳和二氧 化碳的含量有严格的限制。 2炼厂煤气化技术的适应性分析 煤气化是煤制氢的核心部分， 炼厂选择煤作 为氢气的原料一定要结合自身的特点， 选择合适 的煤气化技术。 21可选择的煤气化技术 目前， 国内外主要有代表性的先进煤气化技 术有：湿法水煤浆进料的代表：美国GE 单喷嘴 水煤浆气化技术，国内四喷嘴对置气化、分级气流 床气化、 多元料浆气化等。干法粉煤进料的代 表：壳牌SCGP、西门子GSP气化工艺，国内两段干 煤粉气化、SE东方炉粉煤气化、 航天炉、 科林炉 等。块（碎）煤进料的代表：德国 Lurgi固态排渣 工艺、英国BGC公司的BGL液态排渣气化工艺。3 种煤气化技术对比见表1。 煤气化技术多数已投入工业运行。 根据已经 投产的煤气化装置运行情况， 气流床气化技术的 工业化发展速度最快， 其中以湿法进料气化技术 更为成熟。湿法进料、热壁炉气化技术，经多年工 业化运行考验，国内外技术均已成熟，工程建设和 适合于炼厂制氢的煤气化技术选择 罗志荣 （中国石化茂名分公司，广东茂名525011） 摘要：阐述炼厂煤焦制氢的必要性以及煤气化技术在制氢项目中的重要性，介绍国内外主要煤气化技术， 并从气化压力、原料的适应性、产品的适应性、投资和操作费用等不同方面对粉煤气化技术和水煤浆气化技术进 行了分析。重点分析了不同水煤浆气化技术对炼厂制氢项目的影响，分析认为单喷嘴水煤浆气化技术具有自己 独特的优势，是炼厂制氢项目较为适合的技术。 关键词：炼厂氢气煤气化技术选择适应性 2013年8月 第36卷第4期Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry Aug.2013 Vol.36 No.4 2013年第36卷 操作经验丰富；适应性的原料煤种选择明确，设备 国产化力度大，设计和工程建设周期相对短、总体 投资省；装置进入平稳运行期短，多炉配置运行灵 活；装置投产后，可以较快的获得效益。 干法煤粉进料、水冷壁炉气化技术，是国内外 近些年新开发的洁净煤气化技术， 煤种适应范围 宽，煤、氧等消耗要低于湿法进料。但该技术工业 化应用时间相对短，系统设备结构复杂，运行经验 相对较少。 干法煤粉进料技术设备国产化程度低 于湿法进料气化技术，装置投资相对较高。 对于块（碎）煤气化技术，Lurgi气化技术为第 一代气化技术，BGL气化技术是在Lurgi气化技术 基础上发展起来的第二代气化技术。由于块（碎） 煤气化技术产生合成气组分中甲烷含量相对较 高，需要增加甲烷分离装置，增加了投资及消耗， 不适于生产氢气产品，适于作为IGCC系统的燃料 气和生产SNG（合成天然气），故对块（碎）煤气化 技术不做详细分析。干法煤粉进料、水冷壁炉气化 技术目前应用较多的为壳牌炉， 水煤浆气化工艺 目前应用较广的是GE水煤浆气化和多喷嘴对置 气化，因此主要选择以上3种气化技术进行比较。 22稳定性分析 对炼厂而言， 装置的稳定供氢能力即稳定性 是最重要的， 以下就各种煤气化技术的稳定供氢 能力进行分析。 221生产周期分析 1）粉煤生产周期。 干粉煤气化装置经过近年 的运行经验积累，部分共性问题通过完善设计、改 进设备结构、优化操作等措施，已基本摆脱开停工 频繁的被动局面， 装置累计开工时间和连续运行 周期都有了较大的突破， 连续周期一般在70120 d，最长150d左右。但壳牌粉煤气化由于投资高的 原因一般不设置备炉， 这对炼厂连续稳定供氢是 不利的。 2）水煤浆生产周期。GE水煤浆气化装置均设 置了备用系列， 装置最长连续运行周期都在100d 以上，最长连续运行达360d。目前影响单炉长周期 运行的主要因素是气化炉烧嘴磨损问题， 各家企 业均通过定期倒炉进行烧嘴及系统检查， 以确保 整个装置的长周期运行。GE水煤浆气化装置气化 炉倒炉周期为6090d；四喷嘴水煤浆气化装置倒 炉周期与GE水煤浆气化装置类似， 周期是60d 后按计划倒炉，并对停运炉进行系统检修。 从各装置气化炉的正常运行周期来看， 无论 是3040d倒炉周期还是6090d倒炉周期， 都更 加注重了装置整体的连续稳定性， 围绕烧嘴更换 和系统清理检查周期的需要， 确定适合的操作模 式。 222设备国产化率及保证性能能力 1）粉煤主要设备的国产化程度。 在国内设备 制造行业的大力配合下， 各粉煤气化炉用户积极 开展关键设备国产化工作。 部分关键设备或部件 实现了国产化应用，使用效果比较好，能够达到同 类进口设备水平，可以减少对进口设备的依赖，降 低投资，减少运行成本。如气化炉、粉煤烧嘴、开工 和点火烧嘴、激冷气压缩机、磨煤机、渣放料罐、捞 渣机、粉煤锁斗罐及锁渣阀、通气锥、通气板、水力 漩流器、粉煤排放管、恒力弹簧、水冷壁的耐火涂 层等。 2）水煤浆主要设备的国产化程度。 水煤浆气 化技术在国内发展初期， 大部分关键设备需要进 口，如高压煤浆泵、煤浆搅拌器、烧嘴、耐火砖、气 化炉内件、破渣机、氧气控制阀、煤浆控制阀、氮气 控制阀、锁渣阀、角阀、电磁流量计等。这些关键设 备的运行周期， 随着使用水平和检修水平的提高 而逐渐延长，随着国内制造技术的发展，大部分关 键设备都实现了国产化，且使用情况良好。如气化 炉耐火材料、工艺烧嘴、高压煤浆泵、破渣机、锁渣 阀、黑水角阀、煤浆搅拌器及氧气阀门及管线等。 223运行经验分析 1）粉煤气化问题及解决。 造成粉煤气化装置 故障停车的主要原因基本类似， 主要是烧嘴头损 坏、气化炉堵渣、飞灰过滤器滤芯损坏、循环气管 线腐蚀等因素，以及相关公用工程、空分装置影响 进料分类典型技术流体力学条件技术来源 水煤浆 气化 GE水煤浆气化气流床美国GE 多喷嘴对置气化气流床华东理工+兖矿 分级气流床气化气流床达立科+清华 多元料浆气流床西北化工院 干煤粉 气化 Shell干煤粉气化气流床荷兰壳牌 GSP干煤粉气化气流床西门子 单喷嘴粉煤气化气流床华东理工+SINOPEC 两段干煤粉气化气流床西安热工院 块（碎） 煤气化 Lurgi加压气化固定床德国Lurgi BGL气化固定（移动）床英国BGC+德国 Lurgi 表1国内外具有代表性的先进煤气化技术1 218 第4期 停车。 针对上述影响长周期、高负荷的设备问题，业 内通过积累关键设备部位的维修经验、 对设备结 构和材料进行持续改进、 积累关键设备计划检查 和维修周期经验等工作， 较好解决了粉煤气化引 进时出现的问题，提高了装置长周期运转的水平。 2）水煤浆气化问题及解决。 水煤浆气化装置 故障停车的主要原因基本类似， 外部原因主要是 空分装置故障停车、下游变换系统管线腐蚀、催化 剂床层阻力高等问题； 内部原因主要是高压煤浆 泵故障，烧嘴泄漏、锁渣阀及破渣机故障、激冷环 及激冷水管线堵塞等问题造成气化装置停车。 水煤浆气化装置对上述影响长周期、 高负荷 运行的设备问题， 重点加强了设备的精心维护和 管理， 对关键设备的使用和维护积累了丰富的经 验，对一些关键设备进行了改进或更换。如在烧嘴 的使用上通过材料的改进和检修周期的合理计划 等措施，烧嘴的使用周期60d已经完全能够保证， 好的达到90d。在耐火材料方面已经完全实现了国 产化， 使用周期最短的锥底部位的耐火砖已经超 过4000h， 原料特别好而且操作稳定的也有超过 8000h的记录。在锁渣阀方面，国产阀的质量已经 大大提高，且维修方便，服务较好。对于保障气化 炉的运行提供了强有力的保障。 另外，水煤浆气化技术特别是GE水煤浆气化 技术由于国内的装置较多， 有经验的相关从业人 员较多，对装置的运行保障作用较强。从以上三方 面的分析来看，GE水煤浆技术运行相对稳定，国 内设备的保障程度较高，相关从业人员较多，经验 丰富。 23原料适应性及与炼厂资源互补性 231原料适应性 煤的成分、灰分、灰熔点、活性、粘结性等性质 变化范围极广， 不同的煤质对煤气化的状态和效 率影响很大。 水煤浆气化工艺能使用较多煤种，比如烟煤、 次烟煤、石油焦和煤液化残渣。但是水煤浆气化工 艺的原料是水煤浆， 水煤浆要求具有良好的稳定 性、流动性、易泵送性，故应选用含水低尤其是内 水分低的煤种，以利于制取高浓度水煤浆。同时应 选用灰融点低和灰黏度适宜的煤种， 即灰融点宜 低于1300，以利于控制合理的气化温度（1250 1350），延长耐火砖的使用寿命。该工艺在煤种 适应范围上相对较窄，煤资源的获取上困难较大。 粉煤气化工艺的原料是干煤粉， 用高压氮气 （或二氧化碳）输送进入气化炉。由于煤气化温度 较高（14001700），对煤种的适用范围较宽，可 以使用褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤等煤种以及石 油焦为原料，也可使用两种煤掺合的混煤，并成功 地将高灰分（57245，最高为35）、高水分 （45307） 和高硫分的劣质煤种进行气化。该 工艺在煤种应用上有很大灵活性。 从原料的适应 性和资源的可获得性来说， 粉煤气化工艺占有优 势。 232原料与炼厂资源的互补性 炼厂选择煤制氢时， 要充分考虑自身的地理 位置， 考虑煤炭运输的成本和国内不同季节对于 煤炭保供的困难因素。 石油焦是炼厂普遍有的产 品，近年来，由于环保的压力剧增，导致石油焦的 销路逐年变窄，且价格下滑，如能作为煤制氢的原 料，既可解决关键时刻煤炭的保供问题，又能解决 石油焦的出路问题。另外，炼厂普遍存在尤其是历 史较长的炼厂，厂内的各种储罐较多，在清罐时产 生的油泥目前无法回收， 不仅增加了炼油的加工 损失率，而且，还要增加成本去处理，如果煤制氢 能够处理这部分油泥，还可减少损失，同时，也有 利于环保。 因此， 从炼厂资源的互补性和相关运行经验 上考虑，选用水煤浆气化工艺更为适合。目前，有 处理石油焦的业绩的只有GE水煤浆气化技术，而 油泥还没有任何技术有处理经验。 24压力匹配的适应性 GE水煤浆气化工艺气化压力范围为2087 MPa，而华东理工大学四喷嘴对置气化压力范围为 2065MPa， 不同压力等级的大型工业装置在国 内均有较好的运行业绩。Shell粉煤气化工艺气化 压力范围相对较窄， 目前国内外大型工业装置最 大气化压力仅达到40MPa。 从压力匹配的适应性来说， 水煤浆气化技术 更有优势， 其中GE水煤浆气化技术还有87MPa 的经验， 可以作为中压柴油加氢装置新氢直接进 装置，从而省去新氢机及相关的投资、操作费用。 25产品的匹配性 合成气制氢用以满足炼厂需求， 需要将合成 气中的CO完全变为氢气，变换的深度很大。粉煤 气化工艺合成气中的蒸汽含量偏低， 采用废锅流 罗志荣.适合于炼厂制氢的煤气化技术选择 219 2013年第36卷 SELECTION OF COAL GASIFICATION TECHNOLOGY FOR HYDROGEN PREPARATION IN REFINERY PLANT Luo Zhirong （SINOPEC Maoming Branch，Maoming 525011） Abstract：The necessity of hydrogen preparation with coal and coke and the importance of coal gasifi- cation technology in refinery plant were elaborated The major coal gasification technologies both at home and abroad were introduced The analysis on both coal powder and coal water slurry gasification technology was conducted from gasification pressure，feedstock，product slate，investment and operation cost，focusing close- ly on the influence of different coal water slurry gasification technologies on hydrogen preparation in refinery plant The result shows that the single nozzle coal water slurry technology has its unique advantages，and is preferable for hydrogen preparation Key words：hydrogen preparation in refinery plant；coal gasification technology；selection；suitability 程比激冷流程的蒸汽含量更低， 在变换单元中需 补充大量蒸汽。 壳牌粉煤气化合成气产品水气比 约为02，65 MPa水煤浆气化合成气产品水气比 为1314，更有利于变换反应。 粉煤气化工艺合成气中的CO含量较高，而 H2含量较低，H2CO为0405； 水煤浆气化工艺 合成气中H2含量相应较高，H2CO为0711，变 换负荷较粉煤气化低，更有利于生产H2产品。 3投资及操作成本分析 粉煤气化工艺中， 气化炉采用类似锅炉的水 冷壁技术，熔态排渣，利用熔渣在水冷壁上冷却硬 化形成一层渣层保护炉壁不受高温磨损， 气化壁 利用水管产生蒸汽以调节温度， 是锅炉概念和煤 气化炉概念的结合， 丰富了气化炉高温防护和磨 损防护的体系，优于传统的“耐火砖”防护概念。 根据测算，在同等条件下，粉煤气化与水煤浆 气化都按相同生产规模比较， 在考虑其相应配套 空气分离工序、耐硫变换工序、酸性气体脱除工序 投资的基准上， 其建设投资粉煤气化高于水煤浆 气化，其中煤气化（带有废热锅炉）、变换单元投资 较高，而空分单元投资略低。 粉煤气化技术的气化效率较高，