【《煤制甲醇的气化工段的设计案例》4000字】

煤制甲醇的气化工段的设计案例气化工段的主要任务，是将原料煤和水与高压氧气共同作用，在气化炉内发生反应，生成合成气[6]。整个过程生成的合成气主要包括CO、H2、CO2和水，同时还带有少量的CH4、H2S等气体，成分较为复杂。其基本方程式为：公式（1.1）公式（1.2）在气化炉内，煤炭经历了干燥、干馏、气化和燃烧等几个过程，整个反应速度很快，几乎在瞬间完成。离开气化炉后经过冷却、洗涤、除尘等环境后进入到变换工段进行继续处理[1]。气化工段的技术根据气化反应器的不同，可分为固定床、流化床、气流床三种[11]。1.1固定床气化技术简介固定床气化技术，也称移动床气化或块煤气化，是基于现代工业生产模式与需求开发而来的技术。是最早的煤炭气化方法，由德国开发，并在国内得到广泛应用，但随着煤气化工艺技术的发展会被逐步淘汰[12]。该技术采用5mm~80mm粒径的碎煤为原料进行气化，代表性技术包括BGL熔渣气化、UGI气化、鲁奇（Lurgi）褐煤加压气化和碎煤移动床气化等[13]。移动床气化又分常压和加压两种。前者是在常压条件下，采用自供热和干法排灰的方式进行。在气化炉内，固体原料和气化剂逆流接触，炉中自上而下分为预热干燥层、干馏层、气化层、燃烧层以及灰渣层[14]。后者在高于大气压力1.0~1.0MPa或更高的压力条件下进行，气化介质为氧气或水蒸气。其优点有：对煤种的适应性比较强——来源丰富的褐煤，以及长焰煤或者不粘煤均可作为其材料；氧气消耗量低；生产强度较大，投资费用小，是中小型化工厂最喜欢的工艺。目前，加压移动床最成熟的炉型是采用固态排灰和液态排渣的鲁奇（Lurgi）炉，其运行费用比较经济，但也有很多不足：产品气体成分复杂，净化处理费用较高，有发生二次污染的隐患；对原料块煤的需求与目前采煤技术符合度不高。1.2流化床气化技术简介流化床气化生产技术是以小颗粒碎煤为生产原材料，借助于褐煤等劣质煤来完成气化生产的技术。该技术能够实现气化反应生产控制，可以有效提升生产的效率，具有广泛的生产应用前景[12]。流化床气化代表性技术包括U-gas灰融聚、温克勒气化（恩德炉）、中科合肥循环流化床气化、KEDA流化床、黄台炉等。目前，该技术的以循环流化床为代表，使用0~10mm的粉煤，原料成本低；生产过程中无焦油、酚类物质生成。常压空气气化时可燃气体成分接近一半，加压富氧条件下可达80%以上，目前以常压技术为主[13]。流化床气化技术优点不少：对原料煤的灰分要求不严格，对煤种适应性强；原料粒径小（大多为0~10mm），与当前采煤技术和洗煤技术相符；原料成本低、可以处理部分垃圾与污染物；反应速度快，生产能力大。但在生产过程中，也存在部分缺点：出口CO2含量较高；煤气出口温度高，灰渣和飞灰含碳量高，需有完备的除尘装置。现阶段，U-gas气化炉和ICC煤气化炉是目前正在使用的适应流化床技术的最为广泛的气化炉[14]。1.3气流床气化技术简介气流化床气化技术是通过气化剂夹杂煤粉来实现生产的技术，该技术能够产生丰富的H2与CO的合成气体。温度高、强度高，在国内应用最广泛[12]。在国内，气流床气化技术从一开始的使用国外的Shell、GSP等技术，到开发具有自主知识产权的气流床气化技术，并大规模推广应用，做了不少努力。目前，气流床气化技术正朝着大型化、高参数、宽燃料适应性等方向发展。受干粉供料技术限制，干粉气化技术现阶段操作压力暂时保持在6.5MPa；相对成熟的水煤浆气化技术可达到8.7MPa。可见，高的操作压力也是气流床气化炉开发的方向之一[13]。气流床气化技术有着以下特点：反应温度高（可达1700℃），一般在高压下运行，大分子物质可被完全裂解和转化；原料适应性广（褐煤、烟煤、无烟煤、石焦油、兰炭、焦炭等均可适用）；对于水煤浆锅炉，还可采用有机废液、废油、危废、垃圾飞灰等含碳原料；产气中不含酚类、芳烃类物质，气化过程清洁高效，无二次污染；系统碳转化率最高可达99%以上。合成气中有效气成分高（干煤粉气化技术可达90%左右，水煤浆气化技术可达80%以上）。通过比对三种煤气化模式可发现，固定床气化设备投资成本低、能耗小，但气化为其影响严重，无法适应大规模生产要求；流化床气化对原料煤种适应性强，原料成本低，生产能力大，但出口CO2含量较高，灰渣和飞灰含碳量高，对后续甲醇的合成有着一定的影响；相对来说，气流床气化技术操作温度高，压力提升明显，碳转化率高，综合考虑其技术、能耗和环保等方面，气流床气化技术可以很好的适应大型煤制甲醇气化工段的生产。现阶段，干粉气化技术和水煤浆气化技术是较为成熟的两种气流床气化技术。（1）干粉气化技术干粉气化技术的主要设备是干粉气流床——是一种应用规模较大的气流床设备。在其中的进行煤气化反应的原料煤的转化率高，产出的煤气中CO含量高，H2含量较低，热值高，能够很好的满足设计所需要的有效气体成分的比例需求。该设备代表技术有干煤粉炉（Shell炉）、GSP炉、HT-L航天炉、WHG五环炉、神宁炉、华能两段炉、科林炉和SE-东方炉等[13]。其中最具有代表性的是Shell以及德国的GSP等技术。（2）水煤浆气化技术水煤浆气化技术的主要设备是水煤浆气流床——是大型生产企业应用较多的生产设备，其代表技术有AP水煤浆气化（原德士古、GEGP气化）、晋华炉、MCSG多远料浆气化、多喷嘴气化炉等[13]。由于生产过程中融入了熔渣槽的相关信息，国内大多数都可以实现激冷控制。相对前者而言，该技术生成的二氧化碳含量大，碳的转化率低，一氧化碳和氢气的成分较低，且对原料煤有一定的要求[12]。对于大型煤制甲醇气化工段的设计而言，干粉煤气化技术应得到优先考虑。对于该次年产1万吨的煤制甲醇的工艺设计，属于中小型煤制甲醇工艺。为此，造气工段将选用具有Shell和Texaco技术优点的GSP冷激气化工艺。以下将展开介绍GSP工艺技术。1.4GSP工艺技术简介上世纪70年代末，为用高灰分褐煤生产民用煤气前民主德国的德意志燃料研究所开发了GSP工艺技术（又称为加压气流床气化技术）。1979年在弗来堡分别建立了一套3MW冷壁炉和5MW冷墙炉中试装置；1984年，又在黑水泵市的劳柏格电厂建立了一套130MW冷壁炉的商业化装置。GSP工艺技术原料适应广，对于城市废料在内的碳氢化合物均可用于处理，对于发电和城市煤气的生产起到了重要的技术支持[15]。GSP气化反应原理作为气流床反应器的一种，GSP连续气化炉在高温加压条件下，经历磨煤、气化、粗合成气洗涤、排渣、黑水处理等工序，最终形成CO、H2为主的煤气。在炉内，几根煤粉输送管均匀分布，将经过碾磨的原料煤粉（≤0.5mm）进入最外环隙，使其在通道内盘旋，旋转喷出。相切于喷嘴顶端的给煤管线末端，于喷嘴外构成一均匀煤粉层，同气化介质混合后于气化室中气化，形成以CO、H2为主的煤气，后续进入激冷室[16]。GSP气化技术特点①气化炉开工率高，基本每年一次；配件（烧嘴、水冷壁）使用寿命长，多台并联时，因其开停车灵活，维修时可实现部分停车可达到稳定生产。②气化炉的气化温度高；原料适应范围广，原料煤的灰熔点的适用范围宽（对于高水份、高灰分、高硫含量和高灰熔点的原料煤均可得到使用），降低成本；可用氮气或一氧化碳输送原料煤粉，操作较为安全。③气化炉的气化效率高，原料煤的碳转化率可高达99%以上。④气化炉操作弹性达，负荷调节灵活⑤气化过程无废气排放，对环境影响小[15]。作为当前世界上先进的气流床煤气化工艺技术，GSP煤气化工艺生产能力大，消耗低，环保，经济被誉为洁净煤气化技术，市场前景广[17]。GSP气化炉结构简介GSP气化炉的结构：GSP气化炉是由烧嘴、冷壁气化室和激冷室组成的加压气流床，结构见图1.1。图1.1GSP工艺气化炉结构示意图①冷壁气化室GSP加压气化床气化炉水冷壁结构见图1.2。图1.2GSP加压气化床气化炉水冷壁结构示意图冷壁气化室的冷壁是一个多层结构，由液体熔渣、固体熔渣、屏壁、填充物、齿形蛇管卷、加压冷却水管组成，置于外部压力容器内，为气密膜墙结构，且内衬有起保护作用的耐火材料。气化过程中，反应温度比较高，产生的熔渣被烧嘴以小渣滴的形式甩至水冷壁，然后在水冷壁上形成固化熔渣层。该固化熔渣层的厚度取决于反应室内的火焰温度和熔渣的粘温特性。水冷壁可以通过固化熔渣层厚度的变化自动调节气化炉的运行工况。当固化熔渣层加厚时，则传给水冷壁的热流量减小，从而使得排出反应室的熔渣量增多。如果因系统故障使反应室内热负荷突然增加，则传给水冷壁的热流量会随之增大而使水冷壁上的部分固体熔渣熔化。随着通过水冷壁从气化反应室移走热量的增多，水冷壁.上的固化熔渣层又会逐渐加厚。这就是气化过程自动调节的原理，从而保证气化过程的稳定进行。反应室是由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。炉体内温度为1400℃以上，经过5.5mm厚的液体熔渣和固体熔渣以后，温度降到500℃左右，再经过13mm厚的屏壁和填充物，温度降低到270℃左右，加压冷却水的温度为250℃左右。冷壁气化炉体的优点是外层壳体内壁的温度比较低（＜250℃），不易损坏。齿形蛇管卷在使用10a以后，没有破坏性的损坏。②烧嘴GSP的烧嘴是一种内冷式多通道的多用途烧嘴，共有6层通道，结构见图1.3。图1.3GSP工艺气化炉烧嘴的结构示意图进料气体和原料物料共分内中外三层。烧嘴外层是主燃料（3个进口)），例如煤粉；中层是氧气和高压蒸汽；内层进料为燃料气，作为持续点火用。该烧嘴还配有闭路循环水冷却系统，为安全起见，该冷却系统的循环水压高于气化炉的操作压力。冷却水也有三层，分别在物料的内中、中外层之间和外层之外，这种冷却方式传热比较均匀，可以使烧嘴的温度保持在较低的水平，特别是烧嘴头部的温度不至于太高，以免将烧嘴的头部烧坏。烧嘴头部的材料较好，其使用寿命预计可以在10a以上，但是，烧嘴头部金属材料的要求比较高，且每年都要维修。③激冷室激冷室是一个上