四种煤气化技术及其应用

河南化工HENAN CHEMICAL INDUSTRY2008年第25卷四种煤气化技术及其应用李琼玖,钟贻烈,廖宗富,漆长席,周述志,赵月兴(成都益盛环境工程科技公司,四川成都610012)摘要:介绍了4种煤气化工艺技术,包括壳牌工艺、德士古水煤浆气化工艺、思德工艺、灰熔聚流化床气化工艺,对其技术特点、工艺流程、主要设备及应用实例进行了详细阐逑,并对4种工艺进行了对比。关键词:煤气化;壳牌工艺;德士古;恩德工艺;灰熔聚工艺;煤气炉中图分类号:TQ546文献标识码:A文章编号:003-3467(2008)03-0004-04Four Coal Gasification Technologies and Their ApplicationLI Qiong-jiu, ZHONG Yi-lie, LIAO Zong-fuQI Chang-xi, ZHOU Shu-zhi, ZHAO Yue -xingChengdu Yisheng Environment Engineering Techology Co Ltd, Chengdu 610012, China)Abstract: Four coal gasification technologies, including Shell technology, Texaco coal-water slurry gasifi-cation, Enticknap process, ash agglomeration fluidized bed gasification technology are introduced, and thetechnical features, technological process, main equipment and application example of the four technologiesare described in detailKey words: coal gasification Shell technology i Texaco; Enticknap process i ash agglomeration technology gas stove1壳牌粉煤气化制取甲醇合成气比其它气化工艺更宽。对于高灰分、高水分、含硫量高的煤种同样适应②气化温度约1400~1700℃1.1壳牌工艺技术的特点碳转化率高达99%以上,产品气体相对洁净,不含壳牌煤气化过程(SCGP工艺)是在高温加压下重烃甲烷含量极低,煤气中有效气体(CO+H2)高进行的是目前世界上最为先进的第FG代煤气化达90%以上。③氧耗低,与水煤浆气化相比氧气工艺之一。按进料方式壳牌煤气化属气流床气化,消耗低,因而与之配套的空分装置投资可减少。④煤粉氧气及蒸汽在加压条件下并流进入气化炉内,单炉生产能力大,目前已投入运转的单炉气化压力在极为短暂的时间内完成升温、挥发分脱除、裂解、为3MPa,日处理煤量已达200⑤气化炉采用燃烧及转化等一系列物理和化学过程。一般认为,水冷壁结构无耐火砖衬里维护量少气化炉内无由于气化炉内温度很高,在有氧存在的条件下,碳、转动部件,运转周期长,无需备炉。⑥热效率高煤挥发分及部分反应产物(H2、Co等)以发生燃烧反中约83%的热能转化在合成气中约15%的热能被应为主;在氧气消耗殆尽之后发生碳的各种转化反回收为高压或中压蒸汽,总的热效率为98%左右。应过程进入到气化反应阶段,最终形成以CO、H2⑦气化炉高温排出的熔渣经激冷后成玻璃状颗粒,为主要成分的煤气离开气化炉。性质稳定,对环境几乎没有影响。气化污水中含氰壳牌粉煤气化的技术特点:①干煤粉进料,加压化合物少,容易处理,必要时可做到零排放对环境氮气输送,连续性好,气化操作稳定。气化温度高,保护十分有利。⑧壳牌公司专利气化烧嘴可根据需煤种适应性广,从无烟煤、烟煤、褐煤到石油焦均可要选择气化压力2.5-4.OMPa,设计保证寿命为气化对煤的活性几乎没有要求对煤的灰熔点范围8000h,荷兰 Demkolec电厂使用的烧嘴在近4年中国煤化工收稿日期:2007-10-13CNMHG作者简介:李琼玖(1930-),男,教授级高级工程师研究员长期从事化工设计,建设生严工程技术工作,主编(合成氨与碳一化学)《醇醚燃料与化工产品链工程技术》专著发表论文百余篇电话:(028)86782889。第3期李琼玖等:四种煤气化技术及其应用的运行中尚未更换过,累计运行时间超过7500h,中生成气态的硫化物、卤素、分子态氮痕量氰化氢。这是气化装置长周期运行的又一重要保证。⑨气化氰化氢及硫氧化碳(COS)被催化转化为氨及硫化操作采用先进的控制系统,其中包括壳牌公司专有氢,卤素和氨经水洗塔洗涤除去。水洗后的合成气的工艺计算机技术,设有必要的安全联锁及控制系送入后续工序。统,使气化操作于最佳状态下进行。在气化炉内气化产生的高温熔渣,自流入气化1.2工艺流程炉下部的渣池进行激冷,高温熔渣经激冷后形成数目前,壳牌煤气化装置从示范装置到大型工业毫米大小的玻璃体,可作建筑材料或用于路基化装置均采用废锅流程,简略流程图见图1。1.3主要设备循环气去激冷循环压缩机壳牌煤气化装置的核心设备是气化炉和合成气冷却器壳牌煤气化炉主要由内筒和外筒两部分构成回既气化炉内筒上部为燃烧室,下部为激冷室,煤粉及氧高压氮合成气粗合二氧化璜气在燃烧室反应,温度为1600℃左右。为了避免高温、熔渣腐蚀及开停车产生应力对耐火材料的破高压氧气坏而导致气化炉无法长周期运行,壳牌气化炉内筒采用水冷壁结构,仅在向火面有一层薄的耐火材料返回飞灰涂层,正常操作时依靠挂在水冷壁上的熔渣层保护图1壳牌气化装置简略流程金属水冷壁气化炉内筒与外筒之间有空隙气层,内壳牌煤气化工艺(SCGP)是以干煤粉为原料纯筒仅承受微小压差。与其他气化炉不同壳牌气化氧作为气化剂,液态排渣,属加压气流床气化工艺。炉采用侧壁烧嘴,并且可根据气化炉能力由4-8个原煤先行破碎、研磨成煤粉并经干燥处理,再用氮气烧嘴中心对称分布。将送入贮罐内的煤粉与氧气和蒸汽一起送进气化炉壳牌煤气化炉包括膜式水冷壁、环形空间和压的燃烧室。上述过程中所使用的氧气和氮气均由同力外壳等,下部装有破渣机及锁渣罐,膜式水冷壁悬套空气分离装置所产生。喷入气化炉的煤粉、氧挂在压力壳体中。气和蒸汽是在高于气化压力0.5MPa下通过对列式①膜式水冷壁:壳牌在阿姆斯特丹的实验气化烧嘴进入炉膛,在气化炉内1400-1700℃、3.5~炉内都有耐火衬里,但根据实际操作经验,壳牌认为40MPa的条件下发生化学反应。高的气化温度确即使最先进的耐火砖,在高温、高热负荷和熔渣不断保煤中所含的灰分熔渣沿气化炉膜壁自由流下至气侵蚀的环境下,也难以保证高强度和长寿命运行化炉底部,变成一种玻璃状不可沥滤的炉渣而排出。所以,确定在气化炉的高压壳体中安装用沸水冷却这个温度亦防止有毒热解副产物的形成,并可以获的膜式水冷壁(以下简称“膜式壁”),使工艺过程得高的碳转化率(≥99%),还确保了粗合成气基本(即氧化反应)在有膜式壁围成的空腔内进行。气上没有比甲烷重的有机组分。化压力由外部的高压壳体承受,内件只承受压差,属气化炉顶的合成气(~1500℃)用返回的粗合低压设备。膜式壁一方面提高了SCGP的效率,不成气激冷至850~900℃,然后进入合成气冷却器需要外加蒸汽,并可副产中、高压蒸汽;同时也增强即废热锅炉)作进一步冷却,气化炉内膜式水冷壁了工艺操作强度,但膜式壁增加了工程设计的难度及废锅可同时产生高、中压蒸汽。从气化炉出来的和制造的复杂程度。②环形空间:环形空间位于压合成气中所携带的少量灰分颗粒在组合式陶瓷过滤力容器和膜式壁之间。设计环形空间是为了容纳器中分离除去,干灰进入灰锁斗,然后送往储仓,可水/蒸汽的输出/输入管和集管,而且便于检查和维作为水泥的配料。干法除尘后合成气中含尘约为修。环形空间的尺寸为800mm,膜式壁作为悬挂系10×10-6,经水洗后含尘量为1×106。离开气化统放在气化炉内,很好地解决了热补偿问题。③压工序的合成气中含有80%~83%的原煤能量,被称力壳中国煤化工采用标准化设计为冷煤气效率。由气化炉和合成气冷却器产生的蒸可按CNMH造,材料一般用汽含有另外的14%~16%的原煤能量低铬钢。国内设计、国内制造时,可采用国内生产的煤炭中所含的硫、卤素及氮化合物在气化过程1 ArMoR材料。④内件:为了确保材料能承受实际河南化工HENAN CHEMICAL INDUSTRY2008年第25卷的工艺条件,又考虑易于制造和维修、便于安装和焊件比较恶劣。由于温差大,如何消除或减少热应力接,内件材料采用IN625及DN1735,高速激冷器给设备带来的损害也是必须周密考虑的问题。合成及激冷环采用IN825。⑤烧嘴:烧嘴的空气动力学气冷却器的金属外筒为受压容器承受的温度不高设计和所产生的热量效果是SCGP多年研究开发后(设计温度约350℃)。内件由圆筒型水冷壁和若确定的。工程设计不仅要考虑喷嘴的基本机械设计干层盘管型水冷壁组成,盘管型水冷壁各层之间密要求,还要考虑制造上的要求。烧嘴的可靠性和寿封分隔为消除水冷壁上的积灰,废锅可根据需要设命不低于连续一年以上运转。气化炉烧嘴安放在气置若干数量的气动敲击除灰装置,定期或不定期进化炉下部对列式布置数量一般为4~6个。⑥破行振动除灰。渣机:壳牌原设计气化炉底部无破渣机,在生产操作气化炉和合成气冷却器顶部用导气管连接,导过程中曾发生锁斗阀堵塞。现增设破渣机,不会再气管内部也为水冷壁结构。出现大渣堵塞情况。⑦锁渣罐:与德土古煤气化炉1.4壳牌煤制甲醇设计大型工艺流程设备的组合致单元。合成气冷却器用于回收高温煤气的显热,既要60万va(120万va)生产单元方块流程详见承受高温高压,又要承受煤气中粉尘的冲涮操作条图2。国产化或购买国外闲置设备粉煤1套炉(引进)1套(国产)1套7MPa粉煤气化6 MPL等压合成甲醇精馏精甲醇15万ua液氨(30万ta)6MPa甲醇弛放气(120万a)CO+Hx+Nz6 MPa氨合成压缩}甲烷化中亚联尿C变换联尿及氨合成全部国产化或利用已有生产装置,不需配套尿素26万ⅵa(大颗粒)原成都化肥(52万a)生产技术图2煤制甲醇60万va(120万a)生产单元方块流程产品规模精甲醇60万va;合成氨(利用弛放排放或少排放的目的。④含N2的6MPa甲醇弛放气)15万ta;大颗粒尿素26万υa。气回收经CO变换成CO2和H2,送人已有合成氨和原料及动力消耗:烟煤97.5万va;电约3万尿素生产装置或在等压下进行联尿代替专门的COkW·h;原水500m3/h脱除同时生产尿素。由于粉煤气化系用高压N2将煤制甲醇的组合单元技术:①壳牌粉煤加压纯煤粉吹入炉中,于是合成气中含有一部分N2,需在氧气化炭的利用率为99%,1台炉子生产60万Ua甲醇合成中弛放出来,采用联氨联尿技术,在60万甲醇合成气,C0+H2甲醇合成气可满足配氢气生ta煤制甲醇中,甲醇弛放气可生产15万ta合成产120万va甲醇,气化压力7MPa的合成气在等氨经变换后的变换气联尿可生产26万va尿素。压下合成甲醇,免去复杂的合成气压缩机,并节省压通过多联产后,使原料煤炭得到充分利用,如煤中硫缩所需动力。②活化甲基二乙醇胺用于合成气净化物回收成硫黄,弛放气(CO+H2+N2)回收成尿化,同时具有物理和化学吸收作用,增强了吸收效素产品,既免去煤炭直接燃烧利用排放出大量的率,既无冷热症(同低温甲醇洗比),又有利于大型H2S毒物及CO2和粉尘造成对环境的巨大危害,又化,1套可满足60万∽a甲醇生产能力,且有我国自可以变废为宝。主的知识产权。③甲醇合成和精馏设备国产化或购我国最先引进壳牌气化炉的湖北双环油改煤工买国外大型天然气制甲醇闲置设备配套仅用1台程,是国内外第一家采用该技术制取合成氨原料气结构简单的一段压缩的离心式循环机,所组成单系的项目,采用3.5MPa干煤粉气化技术取代原32列流程短、设备少能耗低、投资省的先进成熟可靠MPaA舞造气。已经采用或装置。在电力丰富地区或靠近水力发电用水电解配准备中国煤化工柳州化肥厂、湖南氢,在大炼焦厂用焦炉气高压非催化转化制氢都可洞庭CNMHG公司、湖北枝江化充分利用粉煤气化的合成气中所含有的CO满足双肥厂、安徽安庆化工总厂、大连大化公司合成氨厂、吨甲醇产量翻番达120万va甲醇,可做到CO2零云南云天化集团等15家以上。第3期李琼玖等:四种煤气化技术及其应用7德士古水煤浆气化制取甲醇合成气由淬冷室溢流出的含灰淬冷水,经换热、闪蒸、冷却入沉淀槽,上部清水一部分人湿式球磨机,一部2.1水煤浆加压气化制合成气工艺技术特点分送污水处理厂。而大部分灰水和一部分过滤水,德士古水煤浆气化技术制取合成气,除氧耗较变换冷凝液一起为洗涤水和淬冷水循环使用。沉淀高外,它具有以下优点①原料灵活性。对煤的性状槽下部的浆经板框压滤机将细渣和灰水分离,细渣如粒度、湿度、活化性和烧结等较不敏感,任何能制成滤饼状堆放。成浓度可输送浆料的含炭固体都适用。②气化效率送变换工序的气体,经预热器加热到315℃送高。把煤浆送进气化炉,在高温高压下于瞬间内几人变换炉在耐硫催化剂作用下进行CO变换反应乎都转化为合成气,气化效率高达96%以上。③投出变换气体进人换热器后再入废锅副产中压蒸汽回资少成本低。由于气化效率高给中型工艺装置提收废热后经锅炉给水、脱盐水预热器以回收热量,供了高馈给量和高产气量的可能,从而缩减了装置再水冷却到40℃后人MDEA脱硫脱碳工序。的占地面积和投资。又使用了价格低廉的煤,使合德土古煤气化技术的关键设备是煤气炉,属于成气生产成本也大幅度降低。④简单、可靠。气化气流床湿法加料液态排渣的加压煤气化工艺,是当炉无可动部件。烧嘴清扫迅速容易,不需等气化炉前世界发展较快的第二代煤气化方法我国陕西渭冷却下来就可拆换。煤浆供料系统仿照液体碳氢化河化肥厂引进6MPa加压气化炉,山东鲁南化肥厂合物供料系统证明安全可靠。⑤工艺效率高。经购买生产许可证设计265MPa加压气化炉。水煤由简单的途径就可实现把原料几乎完全转化为产品浆气化技术的主要优点:开停车方便,加减负荷较气。为了做到完全转化,还可把废弃固体中的高含快,煤种适用广泛碳转化率高生产过程无污染。炭量部分回收后,再循环到煤浆制备和气化炉中去。德土古煤浆气化技术不仅能生产合成气,而且能生气流中的显热通过直接急冷或间接气冷予以回收。产出燃料气及高压蒸汽,有如下特点:①煤种适应性⑥生产气容易精制。因不生成焦油、苯酚等有害的强,可用粉煤、次烟煤、石油渣等不受灰熔点高低的副产品,所以容易精制。可以获得适合于甲醇及氨限制;②合成气质量好,有效(CO+H2)≥80%,煤合成和碳一化学,复合循环发电、城市煤气等用的净气甲烷含量低(CH4<0.1%),可作生产氨、甲醇产化原、燃料气。⑦运转适应性强。在负荷变化时容品的原料气,也可用于联合循环发电等;③合成气成易起动或停运。⑧有利于环保。高的反应温度消除本低廉,与天然气、渣油相比煤制合成气综合价格了较甲烷为重的碳氢化合物的形成。煤中含有的硫最低。④在加压和高温(1400-1500℃)下操作,黄以亚硫酸铵和熔融硫黄形式予以回收,作化工原煤灰熔融后呈液态排出气化炉,炭转化率可高达料;煤中10%-20%的灰分经处理后可用作生产水96%~98%以上,气化效率高,高温煤气产生的热可泥的原料。以直接或间接回收;⑤气化压力高、单台能力大,最22水煤浆气化工艺流程及设备(或采用渭河厂6大燃煤量达200台、压力6.7MPa的装置,产品MPa气化炉)为高压气,可节省压缩所需的能耗和费用。自动化烟煤由煤矿制成水煤浆用管道输送气化装置煤程度高,采用DCS计算机控制;⑥工艺操作比较灵浆槽贮存(内设搅拌器)煤浆浓度60%~62%,粒度活,负荷适应性广,可在70%~100%负荷范围内正200目以下加热到70℃后,由煤浆泵加压到5.2常操作。⑦气化炉结构简单,无机械传动装置;⑧三MPa与空分氧压缩机送来的富氧一起经德士古喷嘴废污染少,由于炉温高,煤气中氰化物等有毒物质产进入气化炉。生很少,几乎无废气排放,废水中不含酚和焦油,部气化炉在6MPa、约1400℃下操作,喷入的原分含H2SHCN、NH3的污水采用生化处理达标后排料瞬间反应气化,产物(CO+H2)达78%~80%,其放或返回制浆使用,灰渣可作水泥或建筑材料,三废余为CO2、N2、H2S、COS、CH4等,高温气体经淬冷后处理简单,易于达到环保要求。出气化炉,再由文丘里洗涤器、碳洗涤塔洗掉气体中浆加压气化法分淬冷、废锅流程和半的灰尘。粗合成气体淬冷后用水蒸气饱和使气/水废锅中国煤化工资少粗煤气水汽比为1:1.65,温度为247℃进入变换工序。灰渣成比较CNMHG制氨和甲醇。废熔融状态,随气流沿炉壁下流,经淬冷破渣进入渣锅流程投资高但可利用高位能废热副产高压蒸汽,罐,间断排入渣池,再经分离送往渣堆场。适于联合循环电和含氧化学品生产。(未完待续)