泽玛克BGL气化炉最佳运行模式探讨

 泽玛克BGL气化炉，为碎煤加压气化液态排渣具有热解功能的移动床（固定床）气化炉，它是在原碎煤加压气化固态排渣移动床鲁奇气化炉基础上发展而来；它结合了熔渣气化技术高气化率、高气化强度的优点和移动床加压气化技术氧耗低和炉体结构廉价的优点，克服了气流床熔渣气化技术能耗高、建设成本高的缺点；并克服了鲁奇气化炉气化强度低、蒸汽消耗大利用率低、大量的气化污水造成计划成本高、气化温度低、固定碳利用率不高等诸多弊病。具有气化原料适应性广、副产品附加值高、建设投资少、周期短、生产率高、运行成本低、维护成本低的综合优势。它是目前以煤气化为核心的传统煤化工、现代煤化工主要先进气化技术之一。

 

BGL气化炉工作原理

 

气化剂为纯氧和水蒸汽，随着炉内压力、温度增加，气化、干馏强度与装置能力加大，产油率（尤其是轻质油）和油品质量提升，煤气热值也随压力增加而增加。煤种适应性：可气化化工焦、石油焦、无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤甚至是城市垃圾，以及这些煤种及其型煤的混合投料；对高灰熔点煤种，仅需添加石灰石助熔剂；对于粘结性煤种，仅需添加搅拌器；对于其需使用具有一定粒度（5-50mm）的碎煤而言，其经过反复试烧验证的块粉一体炉可以弥补这个缺点。同时，该炉也非常适合于高挥发分煤，如低阶煤当中的烟煤（长烟煤、不粘煤、弱粘煤）、褐煤等。

 

该炉，从上到下分为干燥层、干馏层、还原层、氧化熔渣层，然后以熔渣间歇形式排出，被激冷成无毒无害非渗滤性的玻璃质渣，最后以水力冲渣的形式排出界外，克服了鲁奇炉干法排灰的恶劣工况。

 

1、氧化熔渣层。也叫燃烧层，或放热层。在此半焦与氧充分接触燃烧，包括从炉底下部送入的粉煤或水煤浆，并形成高温区，促使灰熔融，同时也为上面各层反应提供所需的所有热量。中心燃烧温度>2000℃（耐火砖壁面处温度仅有500-700℃），主要化学反应。

2C+O2→2CO+Q

2CO+O2→2CO2+Q

 

2、还原层。也叫气化层，它是水煤气主要产生层。还原层温度>800℃，温度越高越有利于还原反应，主要化学反应及副反应如下。

主反应：

C+H2O→CO+H2-Q

C+CO2→2CO-Q

副反应：

C+2H2→CH4+Q 

CO+3H2→CH2+H2O+Q

 

3、干馏层。也叫热解层，属于吸热层，它是热解焦油、热解煤气产生层，也是生产液体燃料关键层。同时部分重油在该层热分解，生成轻质油。干馏层温度250℃-900℃，主要化学反应。

煤+Q→半焦+焦油+热解煤气+热解水-Q

重油+H2→轻质油1+轻质油2-Q

 

4、干燥层。水分蒸发、预热层，属于吸热层，煤吸附的水、气体在此析出，并得到预热。该层耗能比较多，因水的汽化潜热大。干燥预热层温度<250℃，主要化学反应。

煤+Q→干煤+吸附气+游离水-Q

 

BGL气化炉主要特点

 

与目前主流气化技术-气流床（粉煤和水煤浆）及流化床相比，BGL炉可实现在同炉内一并完成煤炭的分级分质阶梯利用。炉内既有气化，也有热解，所产生的煤气为气化煤气（水煤气）和热解煤气的混合煤气。也就是说，煤经历了先热解，后半焦气化、燃烧过程，并在炉内分阶段完成。热解煤气当中含有较多的焦油和甲烷等轻烃物质，所以非常适合煤制油、煤制气。如从混合煤气（荒煤气）当中回收油、甲烷等轻烃物质，解析煤气用来制氢对煤焦油加氢，富余煤气主要成分H2+CO，可作为合成气（如合成油、甲烷、甲醇、烯烃、芳烃、乙二醇、氨等）输出。便可形成煤制油、煤制气一体化，或油、气、化一体化（煤化工发展方向）的传统、现代煤化工产业链。荒煤气（气化煤气+挥发分）实现分级回收利用，回收油和甲烷等轻烃物质及H2+CO合成气，品种多元化（油、LNG、LPG、合成气，再以合成气为原料进行后续合成），也增强了市场抗风险能力。而流化床、气流床气化，则是把煤中所有的有机质（油+轻烃物质=挥发分及固定碳）全部转变成H2+CO合成气，再以此为基础进行后续合成，加工工艺路线及产品相对比较单一，产品易受市场因素影响，用于煤制油或煤制气，似乎走了弯路（煤热解本身就产生油和气，所谓的挥发分）。

 

BGL炉为移动床（或称固定床），炉体呈直筒状，内衬耐火砖，煤靠自身重力由上向下自行移动（无需动力），与上升的高温煤气进行充分直接换热，从而发生煤的预热、干燥及干馏。因此，气化炉出口煤气温度低，带出显热少；同时是热壁炉，热损小；耐火砖外侧炉壁设置为水夹套，仅副产少量蒸汽（余热回收）。实际运行中粗煤气出口温度为350-550℃，热损小于2%，夹套仅副产约1t/h的中压蒸汽。所以，BGL炉是目前热利用率最高、动力消耗最低的加压气化炉。

 

BGL炉对煤粒度虽然有一定要求，但备煤系统（破碎、筛分、输送）要比气流床简单得多，有利于投资和运营成本的降低；且对入炉煤水分要求不高，也就是说，水分高点、低点对炉子正常运行无不良影响，因该炉有干燥、预热功能（当然入炉煤水分越低是越有利于提高气化炉负荷的）。

 

BGL炉，压力提高空间较大，有过成功地试烧验证，具备设计能力，并且压力提高要比其它气化炉容易，压力与装置效率成正比。

 

BGL炉与鲁奇炉的比较优势

 

BGL熔渣气化是一种固定床加压气化工艺，是将熔渣气化高效率的优点与鲁奇炉气化成熟可靠的优点相结合而开发出的先进的煤气化技术。泽玛克熔渣气化工艺的操作压力可以从25 barg到70 barg，已经经过多套大型商业化运营装置的验证， 其与鲁奇炉的设计运行数据如下表:

 

类别	BGL气化装置	鲁奇炉气化装置
2、气化炉内径，mm	ID3600	ID3848
3、操作压力	4.0MPa	设计3.0MPa/折算4.0MPa 下面产能数据折算到4.0MPa
4、  单炉入炉煤，t/h 热值，kcal/kg	42.1 6187	28.9/33.2 4743
5、蒸汽，t/h台	13.3	40.9/47.0
6、氧气，Nm3/h台	14005	5988.5/6886.8
7、蒸氧比,kg/Nm3	0.95	6.83
8、折标煤耗，t/KNm3有效氢               t/h,对40亿方SNG	0.453 906	0.524 1048
9、氧耗，Nm3/KNm3有效氢           Nm3/h,对40亿方SNG	171 342000	160 320000
10、蒸汽耗，t/KNm3有效氢               t/h,对40亿方SNG	0.162 324	1.09 2180
11、粗煤气产量，Nm3/h台	70790	38511/44288
12、出酚氨回收煤气水，t/台                 t/KNm3有效氢 t/h,对40亿方SNG	7.8 0.095 190	37.3/42.9 0.9985 1997
13、生产强度，t煤/m2h               Nm3粗煤气/m2h               Nm3有效氢/m2h	4.14 6958 8071	2.49/2.86 3313/3810 3214/3696
14、粗煤气组成，CO                 H2                 CH4                 CO2                 N2                 H2S                 CnHm                 NH3	57.52 26.02 8.14 4.77 2.40 0.27 0.85 0.01	16.79 39.45 10.23 31.85 0.45 0.5 0.73 0
15、有效氢产量，Nm3/h台 (H2+CO+4*CH4)	82116	37356/42959
16、理论产SNG量，Nm3/h台 (H2+CO+4*CH4)/4	20529	9339/10740
17、每1000Nm3  SNG消耗粗煤气量，Nm3/KNm3 SNG	3448	4124
18、有效氢含量，Nm3/100Nm3粗煤气 (H2+CO+4*CH4)	116	97
19、气化效率，%	87.8	70.5
20、残炭量，wt	<0.5%	<6%

 

注：

1、以上比较不包括鲁奇炉废水增加产生的煤气水分离、酚氨回收、废水生化处理投资和运行费用增加；也不包括鲁奇炉煤锅炉投资费用增加。

 

2、以上价格都是假设值，初步考虑了项目建设地燃料煤便宜的实际情况。应该不影响比较结论。

 

3、年运行时间按8000小时。

 

从上表可以看出，BGL炉与鲁奇炉相比具有如下的比较优势：

 

1） BGL技术煤制气的转化热效率更高，达到90%左右，而鲁奇炉只能达到70%左右。

2） BGL技术入炉煤中粉煤含量可以更高，达到40%左右，因此可以更好的利用粉煤

3）BGL技术单炉负荷更高，因此可以减少气化炉台数一半以上，即气化炉台式是鲁奇炉的一半

4）BGL技术大幅降低工艺蒸汽用量，是鲁奇炉的6~8分子一，因此减小锅炉规模，降低锅炉能耗

5）BGL技术大幅降低废水量，降低废水处理投资，更容易实现废水回用或“零”排放

6）BGL技术粗煤气中CO2含量少，减少碳排放

7）BGL技术碳转化率高于99.5%，渣中残炭量低于0.5%，为非渗滤性的玻璃渣，无毒无害。而鲁奇炉灰中残炭量设计值为6%左右。

 

总体而言，相对于鲁奇炉，BGL气化炉具有蒸汽使用量少、气化废水量少、气化效率高、碳转化率高、能源利用率高等显著优势。

 

强化热解功能的BGL气化炉

 

目前低阶煤开发没有充分发挥煤挥发分高的特点，一般直接燃烧或气化，煤中挥发分中的富氢物质焦油、煤气没有得到充分利用。所以，除常规BGL炉外，BGL也延伸出了高产油的干馏、气化一体炉，在原BGL炉的基础上强化设计了热解段，使其提供利于增加油产率的反应条件，充分强化了气化炉的热解功能，提高油品的产量和质量。

 

强化热解功能的BGL气化炉与单独热解技术相比其特点

 

（1）充分利用了气化煤气显热，并实现了加压、富氢环境下热解，有利于油品产率和质量提高

 

煤加氢加压热解成了介于气化和液化之间的第三条具有吸引力的煤转化途径。一般的加氢加压热解需要纯氢作为热解反应气，昂贵的氢气原料以及制氢所必需的气体分离、净化与循环等复杂的工艺过程，增加了加氢加压热解工艺的成本与投资费用。所以，寻找廉价的富氢气氛代替纯氢进行煤加氢加压热解以降低其成本已成为加氢加压热解工艺发展方向。本技术就是利用气化产生的高压、富氢水煤气作为热解气源，同时又利用了煤气显热，一举多得。

 

加压富氢环境下热解机理：煤在热解过程中，形成大量自由基，在加压富氢环境下很容易得到饱和，便析出。否则，自由基与自由基之间结合，形成大分子（重油、沥青质、半焦）。自由基与半焦之间聚合，形成半焦组分。自由基为了自身稳定，形成双键物质等。也就是说，通过外加氢来饱和煤热解产生的自由基，避免自由基间相互聚合反应，使自由基与氢结合生成油，并且又能提高油品的饱和度。同时，对油品当中的氧、氮、硫、金属等有良好的脱除效果，使其分别形成水、氨、硫化氢、金属氢化物等得以脱除。加压富氢环境下热解，油产率远大于铝甑低温干馏试验的焦油产率，油品当中的O、N、S、金属离子等杂质也比通常热解少40%-60%，随压力、氢浓度增加，效果越明显。加压富氢热解最大特点，气态和液态产物总量比常压高得多（即加压富氢环境热解挥发分产率要比工业分析中的挥发分多），其热解产物当中高附加值BTX（苯、甲苯、二甲苯）和PCX（苯酚、甲酚、二甲酚）也比较多，若得以提取，有利于项目经济性提高。此外，氢分子小，传热、热导系数高，是非常好的热载体，这也是热解技术所期望的热载体效果。

 

该热解方式另一特点：油品含尘少，轻质油产率高。该热解为渐温热解过程，不会像等温热解那样（如固体热载体热解），煤中的水分、挥发分瞬间析出造成热崩碎。再说，压力下热解气体流速也比较慢，所以油品含尘量低；热解产生的油气逐渐上升，遇冷的煤重质焦油凝析，随煤的下行又进入高温区，届时重质焦油在富氢环境下二次热解，产生轻质油。高压下油气在富氢环境下停留时间相对较长，也有利于轻质油产生。油品产率、质量和煤气热值，随压力、氢浓度增加而提高。

 

（2）固定碳化学潜热得以充分利用，热效率高，无半焦产品

 

高温高压下，碳与氧、水蒸汽会得到充分接触和反应，所以固定碳利用率高。该炉是一种自热式反应炉，通过燃烧层的C+O2→CO2这个主要放热反应，产生大量热量。提供给气化、干馏、干燥及各种损失等所需的热。这种自热式过程热利用效果好、效率高、热量损失小，无需外部供热，热量来自半焦中的固定碳化学潜热（包括炉下部吹入的粉煤或水煤浆），无需考虑半焦利用问题。

 

（3）煤气热值高，便于后续加工利用

 

煤气（气化煤气+热解煤气）没被其它惰性气体稀释，并随着压力增加，煤气当中的甲烷等轻烃物质含量增加。所以，煤气热值高，便于后续加工利用。如从煤气当中回收SNG（或LNG）、LPG后，通过CO转换、变压吸附等获得氢气源，用于油品的加氢。富余煤气可作为合成气输出，如用于合成氨、甲醇、制气、制油、烯烃、芳烃、乙二醇等，形成煤化产品多元化，提高产品市场抗风险能力。

 

（4）煤渣含碳少，无毒无害，非渗滤性玻璃质渣，可以直接用来铺路和做建筑材料，或直接填埋

 

该炉，不同于一般干馏炉，没有半焦产品。煤是在高压、高温下干馏、气化，所产生的半焦又在纯氧高温下燃烧、熔融，并经渣池富氧燃烧和短暂储存后间歇排出，经激冷形成玻璃质的渣，无毒无害，非渗滤性，对其直接用来铺路和做建筑材料，或加工成建材制品，或直接填埋，十分有利。

 

（5）技术成熟，风险小

 

是在BGL炉基础发展而来，在保持原来优良气化性能基础上，强化热解功能而研发的干燥、干馏、气化、燃烧一体化炉。充分利用其煤气显热及富氢高压特点，作为干馏热源，用以干馏高挥发分煤，获得液体燃料、高热值热解煤气、合成气。

 

（6）资源利用率高

 

该干馏气化一体炉，非常适合高挥发份低阶煤，如褐煤、长烟煤、不粘煤、弱粘煤等，对原料的灰分、水分要求不高（当然还是越低越好）。由于气化、干馏压力较高，气流速度低，可以气化、干馏较小粒度的煤（5-50mm）。比其它气体热载体干馏炉（<20mm粒度无法利用），资源利用率要高。同时，<5mm煤制粉或制浆，从炉子底部进入作为燃料，资源可以做到100%利用。

 

总之，强化热解功能的BGL炉，从热解角度可称之为，固定床（移动床）自热式加压气化富氢环境气体热载体干馏炉。目前国内外气体热载体干馏炉，很难做到富氢环境下热解，即便做到也是常压，并且氢浓度低。还得建有循环煤气加热系统，如连续管式加热炉。其循环煤气必须解决带油技术瓶颈，否则加热炉积碳结焦，无法保证连续正常生产。即便上述问题都能解决，其供热效果、热效率远不及自热式加压气化富氢环境干馏炉，并且干馏炉结构也相对比较复杂，还得考虑半焦出路问题。所以，从煤分级分质阶梯利用热解转化角度讲，“自热式加压气化富氢环境干馏炉”为最先进干馏技术。

 

泽玛克BGL气化炉最佳运行模式

 

泽玛克BGL气化炉，尤其是在此基础上发展的“自热式加压气化富氢环境干馏炉”优点非常明显，既能产合成气又能产油又能产甲烷等轻烃物质，但也存在不足，可在工艺设计、装置结构、技术集成、优化操作等过程当中加以完善和解决。

 

1、气化废水问题

 

BGL炉产生的工艺废水，要比鲁奇炉少得多，但有机物含量高（COD高），处理难度大，虽然能达标回用、排放，如中煤图克实现废水零排。

 

气化废水的主要来源为煤本身所带的水、化合水（热解水及氢、氧反应生成水）以及未分解的水蒸汽。其中化合水比较少，一般情况为煤的4%-8%，主要取决于煤中矿物质结晶水的多少；水蒸汽未分解的水也比较少，因BGL喷入蒸汽量少，并且液态排渣气化温度高，水蒸汽分解率高，可达95%以上。所以，BGL炉气化废水绝大部分来自于入炉煤本身。如何降低入炉煤水分便是从源头解决废水量的关键。入炉前煤干燥脱水，最好采用非蒸发形式（安全、节能、减排、环保、提质、回收水资源）如美国的K-燃料，煤脱水的同时还能增加煤的强度和热稳定性（BGL炉，对煤的强度、热解稳定性要求严）。同时，还可回收水资源，缓解煤化工水资源容量大的问题。入炉煤水分降低，不但可以减少工艺废水量，还大大减少了热解、干燥的供热量，有利于炉子效率提高（主要是热解段），也相对降低了煤气水分离工段的负荷，同时提高了废水酚氨浓度，有利于酚氨回收经济性的提高。

 

总之，入炉煤干燥脱水，可大大提高BGL炉运行经济性，也是降低运行成本和提高装置运行效率最有效途径。煤化工属于高耗能、高耗水、高污染产业，节能、节水、减排是经济可行性关键所在。尤其是采用非蒸发干燥脱水，在安全、节能、减排、环保、增效前提下，还可以回收水资源，同时由于煤的强度、热稳定性增加更有利于炉子平稳运行，也扩大原料煤来源（强度、热稳定性不太好的煤，经非蒸发干燥后会得到很大改善）。

 

2、< 5mm粒度煤的再利用

 

目前BGL炉也发展出了经过试烧验证的块粉一体炉，BGL炉底部设置有多个喷嘴，且处于高温燃烧层，因此可将原仅喷蒸汽氧气气化剂的单通道喷嘴改成双通道喷嘴，同时喷入物料进BGL炉燃烧层，进行燃烧气化反应，物料可选择粉煤进料或水煤浆进料或油品进料，采用水煤浆进料更可解决自产的一部分废水，进一步降低废水量，减少酚氨回收和后续水处理的规模和压力，节约运行成本，进一步提高经济性。

 

可采用水煤浆气化与BGL炉相结合优势互补方式。将系统产生的有机废水（如酚氨回收后的废水）或高浓盐废水制成煤浆，一来降低废水处理难度，使其简单化，解决煤化工废水、废渣处理难技术屏障；二来降低了废水处理工段的投资和运行成本，有效解决煤化工废水、废渣处理投资大和费用高问题；三来废水、废渣当中的有机质，又得以回收利用；四来水煤浆气化也解决了<5mm粒度煤无法利用的问题，使其资源利用率100%。

 

也可采用型煤的办法。型煤（确保型煤强度，可采用非粘结剂或有粘结剂、高压、冲压成型方式）虽然会增加投资和运行成本，但在成型过程和应用当中可以得到弥补，甚至会带来一定的经济效益。型煤经非蒸发干燥，在温度、高压双重作用下（对型煤来讲，相当于又来一次热压成型），机械强度、热稳定性会得到进一步加强。型煤粒度均匀，有利于气体分布和传热，也有助于强化热解、气化过程。在成型过程中还可添加各种物质，如废弃的生物质、有机垃圾、废旧橡胶、塑料等，来增加油气产量，弥补型煤所增加的成本。废弃物资源化利用，有利于环境改善，也是国家大力提倡的。

 

3、实现催化加氢热解

 

针对该炉的热解工艺特点，还可添加适当催化剂（如廉价无需再生的含铁系催化剂），实现催化加氢加压热解，在高压富氢环境下进一步提高油产率和油品质量。

 

自热式加压气化富氢环境干馏炉有助于应用领域拓展

 

油页岩行业。油页岩加工利用是以低温热解获得页岩油（页岩油质量要好于一般原油，它可以直接进入目前石油炼化装置）为目的，只要针对油页岩特点（与煤相比：水少、灰多、挥发分高、固定碳少、热值低、强度好等），在工艺设计、装置结构、运行操作上加以优化、强化完全可应用到油页岩领域。届时彻底解决油页岩行业固定碳不好利用、无法利用和产油率低、热解煤气（油页岩行业称之为瓦斯气）热值低不好利用等技术瓶颈，同时又提升了油品质量。对油页岩行业整体经济性提升而言，会起到一个“革命”性作用。我国油页岩储量仅次于煤炭，作为石油、天然气补充的重要非常规油气资源，缓解我国对外原油、天然气依存度，提高市场话语权，其意义重大深远！所以，自热式加压气化富氢环境干馏炉会在油页岩行业有着非常广阔应用前景。

 

评价与结论

 

泽玛克BGL气化炉，为碎煤加压气化液态排渣具有热解功能的移动床（固定床）气化炉，它是在原碎煤加压气化固态排渣移动床鲁奇气化炉基础上发展而来；它结合了熔渣气化技术高气化率、高气化强度的优点和移动床加压气化技术氧耗低和炉体结构廉价的优点，克服了气流床熔渣气化技术能耗高、建设成本高的缺点；并克服了鲁奇气化炉气化强度低、蒸汽消耗大利用率低、大量的气化污水造成计划成本高、气化温度低、固定碳利用率不高等诸多弊病。具有气化原料适应性广、副产品附加值高、建设投资少、周期短、生产率高、运行成本低、维护成本低的综合优势。

 

BGL炉在进一步优化、强化热解功能基础上（自热式加压气化富氢环境干馏炉），再与煤非蒸发干燥、水煤浆气化或燃烧相组合，优势互补，形成“黄金搭档”，不但有效解决当前煤化工水容量大，废水、废渣难处理等技术屏障，而且由于装置效率提高，投资及运行成本降低，可有效缓解低油价对煤化工的冲击。强化热解功能的BGL炉实现了煤化产品分级回收利用、产品多元化，增强了市场抗风险能力，完全符合我国能源清洁利用“十三五”规划当中煤炭分级分质阶梯利用要求，煤的燃烧、气化、热解、干燥一体化，并在一个炉子内完成，资源利用率100%。对热解来讲，又做到了加压富氢环境下热解，无需提供热解热源，充分利用气化煤气显热，热效率高，无需考虑半焦利用问题，煤气热值高、粉煤灰活性好便于后续加工利用。

 

笔者情况介绍（新型煤化工国家专家俱乐部（煤化工千人俱乐部）成员）

刘长胜，1987年毕业于山东矿业学院济南分院，煤化工专业，现更名为山东科技大学化工学院。大学毕业至今一直从事煤化工生产技术研究和管理工作（主要从事褐煤、油页岩开发综合利用）。技术职称-煤化工高级工程师。社会职务-褐煤蜡专家、攀枝花学院客座教授（煤化工方面）、中国矿业大学研究生校外指导教师（褐煤蜡方面）、清华大学研究生校外指导教师（热解、气化方面）、中国管理科学研究院特约研究员。目前有多篇技术论文发表，已获得国家专利60多项。

 

可根据低阶煤、油页岩资源情况，对其进行资源综合评价，结合业主、区域资源实际情况和产品市场前景，确定开发工艺路线，使之形成多联产、能源化工一体化循环经济产业链。提供整体项目及相关子项目建议和商业计划书及工艺方案设计。做到资源整体开发，分质分级梯级利用，技术领先，节能减排，环境友好，效益最大，真正体现“资源有限，创意无限”的发展理念。