大型煤气化技术发展现状

煤炭加工与综合利用58COAL PROCESSINC & COMPREHENSIVE UTILZATIONNo.4, 2013大型煤气化技术发展现状王玉倩(石油和化学工业规划院，北京100013)摘要:介绍了目前国内外常见的鲁奇碎煤加压气化、水煤浆气化、壳牌煤气化、西门子GSP煤气化及HT-L航天粉煤加压气化等先进的煤气化技术的工艺特点、适应煤种、产品性能、应用效果等指标，为同类型煤气化技术的选择提供了参考。关键词:煤炭;气化;技术特点;发展;对比中图分类号: TQ542文献标识码: A文章编号: 1005-8397(2013 )04-0058-07的新型对置式多喷嘴水煤浆加压气化、HT-L航1气化技术类型天粉煤气化和对置式多喷嘴粉煤气化技术等。目前，根据煤与气化剂在气化炉内的运动状常压固定床煤气化工艺具有单炉生产能力态不同，国内外常见的煤气化技术- - 般分为三种低、气化效率低、三废产生量大、碳转化率低、类型:固定床、流化床和气流床工艺。操作和管理繁琐等缺点，不是未来气化工艺的发固定床气化技术是指煤炭在固定床气化炉中展方向。恩德炉、灰熔聚等流化床煤气化工艺与进行气化，包括常压固定床气化和加压固定床气当代先进的煤气化技术相比也存在较大差距，如化两类，如常压固定床煤气化、鲁奇碎煤加压气气化压力低(小于1.0 MPa),单炉生产能力小，化、BGL煤气化技术等。气化效率低，煤气中尘含量高，灰渣中残碳高，流化床气化技术是指在以气化剂与煤形成的碳转化率低等，因此不适合大型化装置。气流床流化床内发生气化反应。流化床气化炉采用粉煤气化技术中，科林CCG粉煤气化和多喷嘴对置作原料，用氧化剂(氧气或空气)使床体流化，流式粉煤气化技术的工业化应用业绩较少。为此，化床内温度保持在1 000 C以下，以预防灰熔化笔者选取国内外工艺较为先进、成熟，应用较为后与炉床里的物质发生结聚。流化床气化技术主广泛的气化技术进行分析比较。要有温克勒( Winkler)、高温温克勒( HTW)、2煤气化技术分析U- Gas、恩德炉粉煤气化、灰熔聚气化等。气流床气化技术是最清洁，也是效率最高的2.1鲁奇碎煤加压 气化技术煤气化技术。粉煤或水煤浆在1200~1 700 C时碎煤加压气化工艺是以碎煤(5 ~50 mm)为被部分氧化，高温保证了煤的完全气化，煤中的原料的固定床气化工艺技术。该技术采用水蒸汽矿物质成为熔渣后离开气化炉。气流床所用煤种和氧气作气化剂，在较低温度下进行气化反应,比固定床和流化床所用煤种的范围更广泛，同时生成煤气中的CH,及有机物含量较高，因此热值使用纯氧作氧化剂可以使气化效率更高。目前具高。碎煤加压气化工艺主要技术特点如下。有典型代表性的气流床气化工艺有: GE水煤浆(1)以块煤为原料,适用于不粘结或弱粘结加压气化、壳牌干粉煤加压气化、GSP 干粉煤加性和灰熔点较高的褐煤以及活性好的次烟煤、贫压气化、科林干粉煤加压气化以及国内自主研发煤等。当煤中水分含量较高时，仍可实现比较高的热效率。收稿日期: 2013-07-112)粗中国煤化工% ~ 10%。对作者简介:王玉倩(1981-),女，山东泰安人，2005 年毕合成天然气CN M H可有效提高系业于中国矿业大学(北京)化学工程与工艺专业，工学硕士,石MYH油和化学工业规划院工程师。统的转化效率。.2013年第4期王玉倩:大型煤气化技术发展现状59(3)气化炉生产能力大，单元装置投资低,(5)气化过程有较多的副产品生成，如焦油、并且氧耗量低于其他采用纯氧为气化剂的煤气化中油、石脑油，粗酚等，当装置规模很大时，副技术。产品可以产生很好的经济效益。(4)气化及后序处理单元产生的废水量大，由碎煤加压气化技术各发展阶段的主要技术特于废水成分复杂，因此处理困难，运行成本较高。性如表1所示。表1碎煤加压气化技术各 发展阶段的特点发展阶段第一代第二代第三代第四代适用煤种非粘结性褐煤弱粘结性煤除强粘结性煤的除强粘结性煤的所有煤种气化炉内径/mφ2.62.6/3. 7φ3.8φ5.0单炉产气量/m2 .h-'(干基)s 008000[4 000-17 00/32000~45000 35 000 ~5500075 000气化强度/m’.(h.m2 .台)"(干基粗煤气)I 5001 400~-1 700/3 100~3 9003500 ~45004 000我国从20世纪50年代开始研究碎煤加压气对煤气水的处理和回用，有效控制煤气水对环境化炉气化技术，第三代碎煤加压气化炉已投人运的污染，煤气水处理系统成为整个生产工艺中必行，其内径增大到3800 mm,采用双层夹套外不可少的组成部分。壳，炉内装有煤分布器和搅拌器，转动炉箅采用通过改变操作条件，对气化结果有- -定的影宝塔型结构，多层布气，单炉产气量提高到响，如提高压力，有利于甲烷的生成，可提高煤35 000~55 000 m'/h(干基)。气化炉中的煤在气的热值;提高气化反应温度，有利于H2和CO3.1 MPa压力下，与气化剂逆流接触气化，产生的生成，提高有效气含量，但操作温度的高低取粗煤气。其流程是:气化炉- -洗涤冷却器- ~废热决于煤的灰熔点(软化温度T2)。锅炉。气化炉装置由煤斗、供煤溜槽、煤锁、带煤种对煤气组分和产率的影响:挥发分越内件的气化炉、灰锁、灰斗六大部分组成。高，干馏组分在煤气中所占比例越大，由于干馏在实际加压气化过程中，原料煤从气化炉的气中的甲烷比气化段生成的甲烷量大，越年轻的上部加入，在炉内从上至下依次经过干燥、干煤种，气化后煤气中的甲烷含量越高，年轻煤种馏、半焦气化、残焦燃烧、灰渣排出等物理化学的半焦活性高，气化层的温度较低，这样有利于过程。离开气化炉的粗煤气温度为650 ~700 C ,有机物的生成。煤种越年轻，产品气中甲烷和经洗涤冷却后，立即被煤气水激冷至200 C以CO,含量越高，而CO含量越低，甲烷含量高对下。粗煤气由集水槽的上部给人废热锅炉，通过煤制天然气有利。煤中挥发分越高，转变为焦油- -束垂直列管被冷却至180~190 C，回收煤气等有机物就越多，转人到焦油中的碳越多，进入中的大量显热。真正气化区生成煤气的碳量就相对较少，煤气产对于干法排渣的气化炉来说，气化炉最高温率相对较低。度区(氧化区)低于煤的软化温度Tz;煤在炉内碎煤加压气化技术在国内应用多年，在运行从上至下依次经过干燥、干馏、半焦气化、残焦和管理方面积累了丰富的经验。设备国产化率达燃烧时，温度逐步升高，在干馏层,煤中的挥发到100%，与引进技术相比投资大幅降低。目前，分基本全部干馏出来进入气相，干馏过程与炼焦国内在建的气化炉约有80余台，运行的有30余相当，千馏气的组分与焦炉煤气相似，因而煤气台，连续稳定运行时间达180 d左右。在建的大中有机物含量高;与气流床熔渣炉相比，煤在炉唐克什克腾旗及大唐阜新煤制天然气项目均采用内经历的整个过程温度都比较低，气化过程水蒸碎煤加压气化技术。气分解率低,煤中有机物质分解不彻底，因而煤2.2水煤中国煤化工气成分复杂，随之而来的问题是煤气净化流程水煤浆CNMH三流床气化技长，煤气水量大，且成分复杂。因此，为了增强术,水煤浆和氧气顺入气化炉石瞬间经历煤浆升50煤炭加工与综合利用2013年第4期温及水分蒸发、煤热解、残碳气化和气体间的化表性的第二代煤气化技术。1984 年,我国山东鲁学反应等过程，最终生成以CO、H2 为主要组分南化肥厂从美国Texaco公司引进技术，建设了中的粗煤气,灰渣采用液态排渣。目前国内外应用国第一套 Texaco水煤浆气化装置，1993 年建成较多的水煤浆加压气化工艺中，主要有引进的投产。此后上海焦化厂、陕西渭河煤化工公司、GE水煤浆气化、华东理工大学的多喷嘴对置式安徽淮南化工总厂、浩良河化肥厂和中石化金陵水煤浆气化和西北化工研究院的多元料浆气化工石化公司又相继引进了Texaco 水煤浆气化技术。艺，这些气化技术性能相当，各项指标相近。水.水煤浆气化技术在中国已有多年的应用业绩，技煤浆气化技术有如下特点:术成熟，投资较低。(1)气化的原料范围比较宽。几乎从褐煤到由华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天无烟煤大部分煤种都可采用该项技术进行气化，辰化学工程公司共同开发的新型对置式多喷嘴水还可气化石油焦、煤液化残渣、半焦、沥青等原煤浆气化炉以及西北化工研究院开发的多元料浆料，以及可燃垃圾、可燃废料(如废轮胎)等。气化技术，与GE水煤浆气化技术类似，取得了(2)要求煤种有良好的成浆性，水煤浆浓度较为广泛的工业化应用。其中，多喷嘴对置式水最好大于65%，灰熔点(T;)最好小于1 300 C。煤浆气化工艺的示范装置之- - 位于兖矿国泰化工(3)气化炉内结构简单，没有机械传动装置,有限公司，项目建设两套日投煤1 150 t的气化安全可靠。炉，操作压力4.0 MPa,气化炉直径3 400 mm,(4)气化过程碳转化率较高，一般可达生产24万Va甲醇，联产71.8 MW发电。另一95% ~99%。操作弹性大，负荷调整范围为70%个项目位于华鲁恒升化工股份有限公司，建设有~ 105%。一套多喷嘴对置式水煤浆 气化装置，日投煤750(5)粗煤气质量好。粗煤气中有效成分t,操作压力6.5 MPa, 气化炉直径为2 800 mm。(CO+H2)可达80%左右，除含少量甲烷外，不近两年又有兖矿鲁化、江苏灵谷、江苏索普等项含其他烃类、酚类、焦油等物质，制合成气时粗目采用多喷嘴对置式水煤浆气化技术，目前已实煤气中含有饱和蒸汽，进变换工段不用补蒸汽,现投产。采用多元料浆气化技术的示范装置位于可采用传统气体净化技术。华鲁恒升化工股份有限公司，项目为我国大化肥(6)可供选择的气化压力范围宽。有2.7、国产化示范工程，建设有两台多元料浆气化炉,4.0、6.5、8.5 MPa四种压力等级，目前工业装置于2004年投产。另外，浙江巨化、丰登公化装置的操作压力等级在2.7 ~8. 5 MPa之间。司也采用该气化工艺进行原料路线改造。(7)单台气化炉的投煤量选择范围大。单炉2.3 壳牌煤气化技术投煤量一般在400 ~2000 Vd(干煤)之间。壳牌( Shell)粉煤加压气化工艺由壳牌公司在(8)炉内耐火砖冲刷侵蚀严重，选用的高铬渣油气化的基础上于1972年开始开发，1978年耐火砖寿命为1 ~2 a。更换耐火砖费用大。在德国汉堡建成中试装置, 1987年在美国休斯敦(9)喷嘴使用周期短，一般使用40~60d就建成工业示范装置，日投煤量为250 t高硫煤或需要更换或修复，需要有备用炉。400 t高水分、高灰分的褐煤，1993 年使用Shell(10)因水煤浆含水量高，使冷煤气效率偏粉煤加压气化工艺的IGCC发电装置在荷兰投产，低，氧耗、煤耗均比于法气流床要高-一些。气化炉为单系列操作，日投煤量2 000t,气化压(11 )气化过程污染少。气化过程产生的废水力为2.8 MPa。国内自2003年引进第一套Shell中有害物极少，经生化处理后可直接排放，炉渣粉煤加压气化装置后，已经陆续建设了十几套装可做水泥掺料或建筑材料的原料。置, Shell 粉煤加压气化工艺具有以下特点:GE水煤浆加压气化工艺是美国Texaco石油(1)对气化原料有较寬的适应性，可对褐煤、公司在重油气化基础上发展起来的。1945 年烟煤、无中国煤化工，Texaco公司建成第一套中试装置, 并提出了水煤(2)气THCNMHGC, 碳转化率浆的概念，80 年代投入工业化生产，成为具有代高达99%以上，粗煤气不含重烃，甲烷含量极..2013年第4期王玉倩:大型煤气化技术发展现状61低，煤气中有效气体(CO + H)达到90%以上。他各家也都接近了300 d的运行目标，其中最高(3)采用干法进料，与水煤浆气化工艺相比,纪录是338 d。中石化安庆实现了连续运行185 d氧耗降低15% ~25%。的成绩，云天化在2012年创造了高负荷连续运(4)热效率高，冷煤气效率80% ~ 85%。行157 d的纪录。(5)气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖衬里,2.4 西门子GSP煤气化技术设备维护量较少。气化炉内也无传动部件，运转西门子GSP气化技术由德国未来能源公司开周期长，生产装置无需配套备用炉。发。目前，GSP气化技术在Freiberg 试验装置已(6)炉渣性质稳定，对环境无影响。气化污对80多种原料进行了气化，其中包括30多种煤水量少，有害组分低，易处理，可达标排放。(几乎涵盖从褐煤到无烟煤的所有煤种),25种Shell粉煤加压气化工艺设备国产化率较低,市政或工业废渣、石油焦、油类、浆料以及20投资较高。目前，国内引进的Shell 气化装置运，种液体废料,气化试验在反应器压力4.0 MPa条行情况与设计预期尚存在一定差距。件下进行，使用纯氧作为气化剂。壳牌煤气化技术是我国应用的第-一个干粉加GSP粉煤加压气化技术采用干煤粉进料、合压气流床煤气化技术。自2001年湖北双环签订成气全激冷流程。如图1所示，气化工艺主要由了第-一个技术转让合同开始，至今共签订了19粉煤密相输送系统、气化反应系统、排渣系统、个技术转让合同，包括23台气化炉，其中包括粗合成气处理系统和黑水处理系统五部分组成。壳牌和中石化成立的岳阳合资公司。到2012年8GSP气化炉操作压力为2.5~4.0 MPa,分为上下月底，已有16个项目20台气化炉投人生产。经两部分，上部为反应室，下部为激冷室，反应室过多年摸索和实践，多家采用壳牌煤气化工艺的由承压钢壳和水冷壁两部分组成。气化炉采用组企业取得了较好的运行业绩。2011 年，已有6家合式气化喷嘴，该喷嘴由配有火焰检测器的点火壳牌用户取得了累计运行300 d以上的业绩,其喷嘴和生产喷嘴组成，称为组合式气化喷嘴。粉煤密相输送系统气化反应系统蒸汽口，氧气粗合成气干煤粉粗合成气处理系统常压煤仓低压蒸汽文丘里洗涤器反应室K/O罐CO2/N21锁斗部分冷凝器激冷室黑水处理系统加料斗) 缓冲罐激冷水破渣机区排渣系统黑水处理渣锁斗少量废水细灰滤饼废气■专利设备范围↓粉状渣图1西门子 GSP气化技术工艺流程示意西门子GSP气化技术具有如下技术特点。可以气化高中国煤化 节适应性更为(1)煤种适应性强。该技术采用干煤粉作气广泛，从较IHCNMH G化原料，不受成浆性的影响;由于气化温度高，石油焦均可什原行，也叫以网T休惨混使用。对2013年第4期王玉倩:大型煤气化技术发展现状表2主要煤气化技术特点比较气化技术鲁奇(MK+)水煤浆ShellCSPHT-L排渣特征千灰液态排渣气化煤种除强黏结性外的全褐煤- +无烟煤全部褐煤- +无烟煤全部褐煤- →无烟煤全部褐煤- + 无烟煤全部部煤种煤种原灰熔点要求/C ≥1200<1400<1 500料|灰分/%6-40<158-201-25要进料方式块煤干粉煤求成浆性好，煤浆粒径粒径5~50mm90% <100目94% <250 μm94% <250 μm .40% -45% <200目水分/%<50煤浆浓度60%以上2~82-82~8气化温度/C950~1 300<1 400I 300~1 7001 350~1 7501 400~-1 600气化压力/MPa.G-' 5.12.7~8. 5.24.气化剂氧气+蒸汽氧气氧气+蒸汽.碳转化率/%>9996 ~9797 -99.单炉尺寸/mm外φp5 050内φ3 200/3 800内14600内φ3 300φ3 200/$3 800单炉投煤量/1.d+1 1 750400~2 0002 0028002 0001500顶部单烧嘴下喷，下部多喷嘴水平对 顶部组合 式单烧嘴顶部单烧嘴顶烧组烧嘴配置开工侥嘴和工艺烧置， 开工烧嘴和工下喷， 开工烧嘴和合燃烧器嘴分开艺烧嘴分开工艺烧嘴-体原料接触方式原料和气化剂逆流原料和气化剂并流原料和气化剂并流化L接触气化炉由承压外壳、艺|气化炉.水夹套、加煤系统、热壁，内衬耐火砖内衬水冷壁内衬水冷壁，燃烧密闭式盘管水冷壁排灰系统、转动的室外壳有水冷夹套辐射室结构点|布料器和炉篦组成气化后工艺激冷流程废锅流程气化炉设备材质气化炉主体材质碳除喷嘴和内件外全 材质 碳钢、合金、除喷嘴和内件全为 除喷嘴和内件全为钢为碳钢不锈钢碳钢炭钢炉篦、布料器、灰锁易损件维护项阀、灰锁底阀、齿喷嘴， 耐火砖件喷嘴、煤气过滤部喷嘴轮、刮刀、煤锁阀主体寿命8a，前端10a, 每6个月维修喷嘴寿命2-3个月维修- -次1-1.5a半年检查维护一次头部气化炉衬里使用寿命/a1-220>10去变换温度/C180~ 185约240约162约21016-2843~5555-5665 ~7565~75粗煤H236 ~4032 ~3835 ~3620~2820 -28气27-3313-237-7.54~56~8成分/% Imol)CH.+CO 7-120.1.050.050.5~1.1N20.5~20.2-0.60.8~1.10.8-1.11 000 m'(CO+H2 +CH4)氧耗/m3160 -240380 ~ 450360 -370.360 -370340 - 380国产化水平国产化率较高关键设备引进，国关键设备引进专利设备引进，国产化率较高Mark +未实现工业工业应用业绩化，但鲁奇技术被广泛应用广泛应用国内有运行基置用内有运行装置广泛应用。中国煤化工fYHCNMHG.煤炭加工与综合利用64COAL PROCESSING & COMPREHENSIVE UTIUIZATIONNo.4, 2013水煤浆新型改性添加剂的实验研究石磊，贾传凯，郝峡(浙江煤科清洁能源有限公司,浙江嘉兴314511)摘要:实验对比分析了新型萘系改性添加剂与三元复配添加剂(减水剂、碱木素、纯碱)所制水煤浆的性能特点;改性萘系减水剂制备水煤浆的分散性、稳定性更好一些，可制得假塑性流体煤浆，而且降低了吨浆消耗量，节约了成本，提高了经济效益。关键词:水煤浆;萘系改性添加剂;分散性;触变性;稳定性中图分类号: TQ536文献标识码: A文章编号: 1005-8397(2013 )04 0064-03水煤浆是20世纪70年代末石油危机中发展油一样泵送、雾化、贮存与稳定着火燃烧。水煤起来的一种新型低污染煤基流体燃料，又被称为浆经长距离管道输送到终端后可以直接燃用，储液态煤炭产品，国际上称为CWM(CoalWater运过程全封闭，既减少损失又不污染环境,是解Mixture)或CWF(Coal Water Fuel)。水煤浆是由决我国煤炭运力不足的-项重要运输方式。65%~75%不同粒度分布的煤、25%~35%的水水煤浆是- -种颗粒悬浮体，煤炭颗粒属于疏和约1%的添加剂，经过一定加工工艺制成的混水性物质，因此要使制备的水煤浆在静态时有较合物。水煤浆不仅可以代替燃料油，还可以代替大粘度，防止沉淀;动态时，有较低粘度，便于燃煤用于工业锅炉、电站锅炉、工业加热炉和窑泵送，雾化燃烧，从实际情况来看,即使是易成炉。燃用水煤浆与直接烧煤相比，具有燃烧效率浆煤种，若不加入化学添加剂，也不可能制成理高、负荷易调控、节能和环境效益好等显著优想的水煤浆。添加剂是制备水煤浆的关键技术之势,是重要的洁净煤技术之一。水煤浆可以像石一，直接影响水煤浆的性能和生产成本，因此研究开发性价比较高的水煤浆添加剂是改善和提高收稿日期: 2013-07-08作者简介:石磊(1987-)， 男，河北保定人，2012 年毕水煤浆技术的重中之重。业于北京化工大学(北京)应用化学专业，理学学士，浙江煤科浙江煤科清洁能源公司目前使用的水煤浆添清洁能源有限公司助理工程师。加剂有三元复配添加剂和新型改性萘系添加剂。(3)下游装置对合成气的要求。如对于生产程和激冷流程。废锅流程系统副产蒸汽,能效SNG的装置，粗煤气中含有较多的CH，则对生高,但系统复杂，投资高,对煤质要求高,对操产有利。此外，合成气中惰性气体过高也会影响作人员要求也高，运行条件较为苛刻。激冷流程到后序装置的操作性能。系统相对简单，投资低，运行操作较宽松,运行(4)气化装置运行的可靠性和业绩。气化装可靠，但系统不副产蒸汽，相对能效较低，后续置占全厂的总投资比例较高，因此应选择性能可的变换系统耗蒸汽少。靠、具有良好业绩的气化装置。从工程成熟性、运行可靠性和操作稳定性上来(5)环境影响。选择清洁、三废排放少的气看，鲁奇碎煤加压气化、水煤浆气化、Shell 气化炉化工艺。目前较为成熟，运行可靠性较高;而GSP粉煤气化从煤种适应性上看，鲁奇碎煤加压气化适用.和HT-L粉煤气化的工业化业绩相对较少。于块煤气化，其他气化技术可使用末煤;水煤浆从环保中国煤化工、Shell气化加压气化技术要求煤的灰熔点要低于1 400 C。炉、GSP粉HCNMHG更为环保;从流程上看,这些煤气化技术可分为废锅流而鲁奇碎煤加压化废小处理班度我大。.