鲁奇气化技术在煤化工中的应用

鲁奇气化技术在煤化工中的应用

近年来，随着我国煤炭行业的快速发展，煤炭气化技术作为煤矿转化和利用的主要技术和关键技术，发挥了越来越大的作用。煤气化单元在煤化工生产装置投资中占有重要比例,不同煤气化技术投资差异巨大,因而煤气化技术的选择对项目固定投资有重要影响。同时,不同气化技术的工艺特点、技术指标、设备结构等也存在较大差异,不同的煤种、产品方案和规模应选择适宜的气化技术,从而做到技术和经济均可行。鲁奇气化技术是最早应用于工业化的气化技术之一,也是在加压气化工艺中应用最多的气化技术。介绍了鲁奇气化技术的发展、工艺特点、应用现状及在中国煤化工行业的应用前景。1从增加用煤到气化固定床加压气化炉最早为德国鲁奇(Lurgi)公司开发,鲁奇气化技术由此得名。鲁奇气化技术的发展是以鲁奇气化炉的改进为核心,鲁奇炉的发展主要经历了3个阶段。第1阶段(1930～1954年),第一代气化炉直径2.6m,主要用于生产城市煤气,气化炉的结构特点是有内衬和边置灰斗,不设膨胀冷凝器,气化剂通过炉篦的主动轴送入,该炉型只能气化非粘结性煤,且气化强度较低,产气量5000～8000Nm3/h·台。第2阶段(1954～1969年),第二代鲁奇炉扩大了用煤范围,可气化弱粘结性烟煤,取消了内衬,改进了布气方式和增加了破粘装置,边置灰斗调为中置灰斗,气化炉直径扩大到2.8m、3.7m2种,单炉生产能力得到提高,产气量分别达14000～17000m3/h·台、32000～45000m3/h·台。第3阶段(1969年～至今),为了进一步扩大用煤范围,使之达到气化一般粘结性煤的目的,推出了Mark-Ⅳ型气化炉,改进了布煤器和破粘装置,可气化除焦煤外的所有煤种,气化强度进一步得到提高,气化炉直径3.8m,产气量35000～65000m3/h·台。此后,南非萨索尔(Sasol)在1980年开发了Mark-Ⅴ型气化炉,气化炉内径4.7m,产气量达10万m3/h·台。2鲁奇气化工艺特点鲁奇气化典型工艺流程如图1所示。5～50mm块煤经煤溜槽、煤锁进入气化炉。水蒸气和氧气混合后从气化炉底部经炉篦进入气化炉,在3.0MPa、1000℃的条件下,与煤发生气化反应。从气化炉出来的粗煤气,温度高达220～600℃,经喷冷器后温度降至200～210℃左右,进入废热锅炉回收余热,温度降至180℃左右,粗煤气经气液分离后进入下游工序。废热锅炉可产生0.5MPa～0.6MPa的低压蒸汽。从喷冷器洗涤下来的含焦油和尘的煤气水随煤气一起进入废热锅炉的底部的分离器,初步分离油水。一部分含尘煤气水由循环泵返回到洗涤冷却器,其余送煤气水分离单元。气化炉气化产生的灰渣周期性通过灰锁斗排出。鲁奇气化工艺主要有以下特点:(1)一般采用5～50mm的块煤进料,且下限率不能过高。一般要求煤的反应性好、无粘结性和弱粘结性、机械强度较高、灰熔融性温度较高。因此适宜的煤种为褐煤、次烟煤、贫煤和无烟煤,对一些水分较高(20%～30%)和灰分较高(如30%)的劣质煤也适用。与气流床工艺相比,鲁奇炉采用碎煤为原料,入炉煤的处理费用低。(2)气化为干法排灰,使用纯氧气化,为防止结渣,采用较高汽氧比,因此氧耗较低,约为气流床氧耗的70%,可在空分制氧设备上节省大量投资。(3)气化产生的煤气中CH4含量较高,达10%左右,适合于生产城市煤气和代用天然气(SNG),将CH4转化为CO和H2后也可以用于生产化工产品,比如甲醇和氨。(4)粗煤气中H2/CO为2.0,不经变换或少量变换即可用于F-T合成、甲醇合成、天然气合成等产品生产,对比气流床气化减少了CO变换工序。(5)该工艺最重要的工艺操作参数为汽氧比,与气流床强调的氧煤比有一定区别,但目的相同,就是控制一定的气化炉温度。汽氧比的确定通常根据煤样的ST温度、反应活性、产生的灰渣状态和煤气组成质量。(6)固定床气化气、固两相逆流接触,通过逆流操作实现高的“冷煤气”热效率,逆流操作使粗煤气和灰渣均以较低的温度离开气化炉,与气流床相比,在高温煤气和高温液态渣的热回收方面有优势。(7)气化工艺成熟,设备国产化率高、造价较低,在投资上较气流床占有较大优势。(8)气化和煤气冷却过程会产生一定数量的含有重焦油、轻焦油和酚的煤气水,煤气水处理流程复杂,处理费用高。但其中含有高附加值的焦油、酚、氨等有用的化工产品,当装置规模较大时,将有一定优势。南非SASOL公司约20%的产品直接来源于气化过程中副产品的回收和加工。3卢奇天然气技术的应用3.1煤炭基苯磺酸盐煤基利用加压Lurgi固定床气化炉在国外主要用于南非萨索尔煤炭间接液化、美国大平原生产代用天然气、欧洲生产城市煤气、合成甲醇,也曾用于联合循环发电。在中国则主要用于生产城市煤气并联产甲醇、合成氨、二甲醚、甲醇、煤间接液化及生产天然气。使用的煤种以褐煤和次烟煤为主,天脊使用贫瘦煤。国内鲁奇气化技术使用情况见表1。3.2合成氨装置的运行80年代初,山西天脊化肥厂从西德鲁奇公司引进了4台MARK-IV型气化炉,1983年7月正式开工建设,1987年7月化工投料试车,生产初期运行并不顺利,从1987年到1998年10年间,经历了打通流程、低负荷徘徊(合成氨平均日产642.54t/d)、精料促连运促高产(从使用小窑煤改用王庄洗精煤)和完善达标4个阶段后,终于使合成氨生产水平达到平均950t/d以上,2000年初结束试生产历史,顺利通过交工验收。山西天脊鲁奇气化炉设计运行采用三开一备(后于1998年增加了1台国产气化炉,运行模式变为4开1备),单台气化炉生产能力为36000Nm3/h·台。特别值得一提的是原料问题,山西化肥厂设计原料为王庄矿贫瘦煤,在运转初期,受王庄块煤供应量影响,掺烧了部分小窑煤,结果煤质波动大,气化炉操作难以稳定,频繁跳车,三炉并运率不足80%,单炉平均负荷也只有81%,严重制约着后续生产,最终采用王庄洗精煤才解决了这一问题。3.3义马三城市煤气管网义马气化厂于1997年开工建设,一期2001年建成投产,二期于2006年9月建成投产。工程由义马气化厂、义马至郑州输气管道及郑州、洛阳、义马三城市煤气管网三部分组成。设计生产规模为日产净煤气264万标准立方米,外供城市煤气180万标准立方米/d,联产甲醇24万t/a;二甲醚20万t。同时副产煤焦油、粗酚、中油、液氧等8万t/a。义马煤气厂现有5台Mark-IV型气化炉,运行压力2.85～3.0MPa,使用当地义马长焰煤,入炉煤粒度在5～50mm(占80%以上),灰分在15%～30%,水分在10%左右。单台气化炉可产粗煤气3.8万～5万m3/h。3.4萨尔iii型气化炉萨索尔(Sasol)是目前世界上应用鲁奇炉最多的公司。萨索尔煤气化全部采用鲁奇固定床气化炉,萨索尔I最初安装了10台直径3.66m的Mark-III型气化炉,1966年又增加了相同的3台。1978年增加了3台Mark-IV型,能力55000Nm3/h,1980年增加了1台Mark-V型,能力90000Nm3/h,后来II和III厂建立时各装备40台(36开4备)Mark-IV型气化炉,能力达65000Nm3/h。目前萨索尔共拥有97台鲁奇气化炉。3个工厂每年需要的煤炭达到4670万t,其中SasolII和SasolIII耗煤4050万t,SasolI耗煤620万t。萨索尔I厂所用的煤来自Sigma煤矿,属低品质煤,灰分达35%以上,入炉煤粒度6～38mm。正常操作时单台炉日产气量88万m3,气化炉需要提高负荷时可增加到116万m3/d。气化炉从冷态投煤到产出煤气需要12h。萨索尔II和III厂原料煤来自Bosjesspruit煤矿,煤质较Sigma煤矿要好。萨索尔II和III厂40台气化炉分成2列,每列又分成两组,每组10台。气化炉操作压力2.7MPa,日耗煤2.5万～3万t,蒸汽3万～3.6万t,氧气0.8万～0.9万t,产生灰渣0.5万t。3.5工程运营及回收利用技术世界上第一座由煤气化经甲烷化合成高热值煤气的大型商业化工厂。第一期工程的设计能力为日产代用天然气389万m3,于1980年7月破土动工,1984年4月完工并投入运转。从1984年到2005年,该厂已累计运行7725d,运转率高达98.7%。气化厂拥有14台MarkIV碎煤加压气化炉(12开2备)。单台气化能力在50000m3/h,处理煤量1166t/d,年处理煤量为466.2万t/a,至今已运行24a。SNG热值972Btu/scf(36.2MJ/m3)。大平原煤气厂的成功运营得益于技术的可靠性、前期工作的论证以及副产品的综合利用。在1974年北达科他褐煤在南非萨索尔进行了工业性试烧,得到了北达科他褐煤不经干燥直接气化可行的结论以及气化炉的生产能力、入炉煤粒度、蒸汽/氧气耗量等关键设计数据。从2000年开始,气化厂成功的将低温甲醇洗出来的60%的CO2卖给了加拿大一家油田生产企业,不仅增加了石油产量,而且真正实现了CO2捕集。3.6典型运行技术指标表2为上述工厂的典型工业运行指标。4鲁奇炉和气流床气化的比较煤的气化是现代煤化工技术的核心,煤气化可得到合成气CO和H2,再由合成气可合成生产氨、甲醇、含氧化学品、油、天然气等多种碳一化工产品和能源产品。近30年来,国内外煤气化技术快速发展,以气流床气化技术为代表现代煤气化技术为煤化工的建设提供了强大的支持。应用于大型煤化工项目的可选气化技术的典型煤气组成见表3。图2为几种气化技术的气化炉示意图。其中Shell气化炉为下部进料、顶部出煤气,GSP、GE、OMB气化炉为顶部进料、下部出煤气,Lurgi和BGL气化炉为顶部进料、下部进气化剂,煤气由气化炉上部排出。在气化炉内壁结构上,GE、OMB和BGL为衬里式热壁炉,Shell和GSP为水管式冷壁炉,Lurgi为高压水夹套。煤化工的发展要受煤种条件的限制,尤其在中国蒙东、黑龙江、云南等部分地区,煤种为高水分的褐煤,对于气流床气化存在干燥的技术和经济问题,而鲁奇炉不用干燥直接气化褐煤已有成熟的应用经验。在气化装置的投资上,气流床气化装置投资巨大,包括干粉和水煤浆在内,单台气化炉投资均在亿元以上,而单台鲁奇炉投资仅在3000万～5000万元之间,若将空分制氧装置计算在内,则投资相差更大。在规模适应性上,气流床气化炉适合于大型化,比如甲醇规模要在50万t/a以上,而鲁奇炉产气能力适中,可灵活地适用于不同规模。在三废排放上,主要指气化废水,气流床气化要略优于固定床气化。但据报道,在大平原和萨索尔厂,气化废水经酚氨回收后进入生化处理,处理后的水可作为循环水补充水,