GSP气化炉技术工业化应用

第10卷第5期神華科技2012年9月VOL.10 N0.5Sep.2012GSP气化炉技术工业化应用臧庆安张洪涛(神华集团公司煤制油化工部,北京，1001)1)摘要:介绍了德国GSP气化炉技术的发展历程及现状,主要介绍气化技术、关键设备和工业化应用运行中出现的问题并提出了解决思路。关键词:气化炉工业化应用问题解决思路中图分类号:TQ5文献标识码:B文章编号:1674- -8492( 2012 )05 -070- -04煤的气化是指煤和氧化剂(空气、水、氧气)进行1.2国内商 业化应用情况不完全氧化反应，将固体燃料转变为CO和H2为主2010年10月，在神华煤业集团已建成并投用了5要气体成分的工艺。气化产出的气体既可作为发电台500MWth(单台日投煤量约2000t)GSP气化炉。用的燃料，又可作为化工原料用于生产合成氨或甲山西兰花煤化工公司合成氨项目，将建成2台醇等。煤的气流床气化技术主要分为两种,一种是水500MWth( 单台日投煤量约2000 t)GSP气化炉。煤浆进料气化技术，主要代表是美国GE德士古技1.3 近期投资 建设项目规划术.康菲E-Gas技术、华东理工四喷嘴技术、清华非中电投新疆煤制气项目将投资建8台500MWth。熔渣-熔渣气化技术等;另外- -种是干煤粉进料气神宁煤业集团煤制油项目将建24台500MWth.化技术，主要代表是荷兰SHELL技术、德国西门子GSP气化炉。GSP技术、德国Prenflo技术、日本MHI技术、我国的2 GSP气化技术简介航天炉技术和热工院技术等。GSP气化技术是采用干煤粉进料、纯氧气化液1GSP气化炉技术开发历史及进展态排渣、粗合成气激冷工艺流程的气流床气化技术。GSP(德文Gaskombiant Schwarze pumpe)气化技工艺流程见图1,包括备煤、煤粉加压计量输送、气化术是20世纪70年代前民主德国燃料研究所开发的与激冷、排渣、气体除尘冷却、黑水处理等工序,流程单喷嘴下喷式干煤粉加压气流床气化技术，根据煤简单介绍如下:气用途不同可用直接水激冷，也可用废锅回收煤气CSpM 煤气化工艺流程于煤粉」|纯氧显热，产生中低压蒸汽。该技术分别于1979年和原料燃，磨煤干爆千煤粉低压蒸汽1996年在德国Freiberg建有3MWth气化装置(投煤量为7.2v/d)和5MWth(投煤量12v/d, 内径0.6m )的中一储仓师一曲氮气试气化装置。滑压1.1 国外商业化应用情况压斗4 200→合成气去下游CO+H21984年在德国黑水泵建成了130MWth气化装灰水处理置(投褐煤量720 ~ 750t/d,设计压力为3.0MPa, 工作加料斗D炉渣压力2.5MPa，产气量为5x 10Nm/h)，生产用于e输送气、或CoL排渣系统IGCC和甲醇的原料气。USTECDSP ons TECINL oevcaul.2001年在英国米德尔斯堡建成了30MWth 气化日1 GSP气化工艺流程简图装置,处理液态废物(尼龙合成过程中产生的液体废备煤装置的煤粉(200目0.075mm)输送至气化物),生产燃料气。煤粉储仓,储仓中的煤粉进人4个锁斗,通过锁斗顺2005年在捷克共和国建成140MWth气化装置，控将煤粉从常压升至进料容器生产所要求的操作压处理煤焦油为IGCC的原料气。力(约4.35MPa(g)),交替向加料斗供应煤粉,加料斗第5期臧庆安等:GSP气化炉技术工业化应用:.71通过角阀控制,经3根煤粉管线向气化炉供应煤粉,环水泵送至气化装置循环使用，部分经废水泵送至输送气体介质为N2/CO2。汽提单元。中压蒸汽和高压氧气在主烧嘴氧气管线上混合3GSP气化工艺的关键设备结构及反应原后,送至主烧嘴的出口,与给料容器来的3根煤粉输理简介送管线的煤粉，在组合烧嘴出口进行充分的混合与雾化,在气化炉上部的气化1燃烧室进行部分氧化反3.1 气化炉应，气化温度约1400C ~ 1600,气化压力4.1MPaG,气化炉作用是提供一-定压力的高温空间，以干产生富含H2和co及少量CO2、HS的高温粗合成气，煤 粉为原料，生产粗合成气(CO+H2)。气化炉由烧同时产生液态渣。气化室内设有水冷壁,水冷壁主要嘴、气化室、水冷壁和激冷室等部分组成,结构示意作用是抵抗1400C~1700C高温及熔渣的侵蚀，水见图2。冷壁系由水冷盘管及固定在盘管上的抓钉与SiC耐干煤粉蒸汽/氧气火材料共同组成的一个圆 简形膜式壁。膜壁与承压喷嘴一外壳间约有50mm间隙,间隙间充满一股流 动的常温出口合成气。水冷壁气化室水冷壁水冷管内的水采用强制密闭循环，通过加压水。在汽包内换热间接产生0.5MPa低压蒸汽，将水中部激冷水一分热量移走,以保持水冷壁内水温恒定。激冷室为一水夹套承压空壳，粗合成气和液态渣经燃烧室下部的排渣激冷室合成气出 .口和导管进人气化炉的激冷室。在激冷室的导管出溢流口口处,被激冷水共12个喷头出来的雾状激冷水冷却.至约220C。合成气由激冷室中部引出,进入下游的两级文丘里洗涤器，分别进行酸性洗涤和碱性洗涤,并且在两级文丘里分离罐进行气液分离。溶有灰尘图2 CSP气化炉结构图和杂质的洗涤水从两级文丘里罐底排出，送往黑水气化炉分为两室，上部为气化室,压力壳体内有闪蒸单元。合成气进入部分冷凝器,通过降温冷凝作水冷壁，外有水夹套。水冷壁内壁涂敷耐火材料用，使形成的液滴进一步捕捉粗合成气夹带的微量SiC。随着气化反应的进行,通过烧嘴的粉煤与纯氧灰尘，粗合成气进人原料气分离罐再次进行气液分及水蒸汽进行部分氧化反应。同时形成一-部分灰渣，离。气液分离后,粗合成气从分离罐顶部的出口管线熔融态的灰渣遇到水冷壁后冷却凝固,附着在水冷送往下游变换单元，分离出来的冷凝液,跟变换装置壁上的SiC涂层上，在水冷壁内侧SiC衬里表面挂渣送过来的工艺冷凝液混合，作为文丘里洗涤系统的层。生产后采取以渣抗渣的原理进行保护水冷壁,挂洗涤水。渣是一个动态过程,即低温渣层加厚，温度升高渣层激冷室下部为锥形,内充满水,熔渣遇冷固化成减薄。颗粒落人水浴,通过渣锁斗排放到捞渣机,固体渣经水冷壁内通入较高流量的低压冷却水,外侧有SiC捞渣机送至渣车外运，液体经黑水泵送至黑水单元及挂渣的耐火隔热保护,使得水冷壁金属表面温度保持沉降处理。在较低的水平,因此水冷壁管材为低温合金钢。气化炉激冷室和文丘里洗涤系统的排放水,经在水冷壁与承压壳体环隙间，通入冷却了的合两级闪蒸罐闪蒸后，将黑水中细灰进- - 步浓缩后送成气,承压壳体外有水夹套冷却，该结构有效降低了人下游黑水处理单元沉降过滤处理，灰水经加压、加承压壳体的温度。温后返回激冷水系统回用。下部为激冷室,内有激冷喷头和内衬筒。内衬筒黑水闪蒸单元和排渣单元的黑水，在沉降槽中与承压外壳环隙间激冷水自下而上经环隙顶端溢自然沉降后，将沉降槽中固含量较高的泥浆送至真出,在衬筒内壁形成水膜,有效降低承压壳体金属温空过滤机进行过滤处理,澄清液送至循环水罐,经循度,且保证承压壳体不会局部过热。●72●神華科技第5期反应室和激冷室通过气化器的特殊的排出口连线的方式通过环绕在氧气区域的环形区域。这样能接:激冷水在排出口处供给,合成气在激冷室的下部够确保粉煤喷出形成的烟雾统-分布。引出。在激冷室的下部为锥型集渣室,激冷水从渣室| 臣电点火装置上部溢流出气化炉。吹扫起一+H ; 4→火焰测量装置粉煤气化炉的燃烧室温度- -般为1400C ~ 1500C,白一点火用燃料气冷却水出口←号采用部分氧化的方式释放出能量，维持反应在大于灰.扫+ -冷却水进口熔融性温度时进行,保证煤中的无机物灰分组分形成氧气/蒸汽→号子→冷却水出口熔融状态的渣。反应非常迅速,随压力的不同而不同，- -粉状燃料冷却水进口→亏一般在4~ 20s之内完成反应,基本反应式为:CnHm+ n/202→nC0+m/2H2冷却水进口号国户→冷却水出口粉煤气化反应大致可分为3个区域:(1)裂解区和挥发分燃烧区。当煤粒喷人炉内高温区域,煤颗粒将被迅速加热,释放出挥发物。挥发物的数量与反应物的性质、环境温度颗粒大小及升温速度有关，裂解产生的挥发物迅速与氧气发生反应，图3GSP加压气流床气化炉烧嘴结构因为这一区域的氧浓度高,所以挥发物的燃烧是完全的，同时产生大量的热量。联合烧嘴由生产烧嘴和配有火焰检测器的点火(2)燃烧-气化区。在这一-区域内,脱去挥发物烧嘴 所组成(见图3),故称为联合式气化烧嘴。其结的煤焦或其他碳颗粒,-方面与残余的氧反应(产物构由7个同心圆筒组成，由中心向外的环隙依次为是CO和CO2的混合物);另一方面与水蒸气和CO2点火燃料气、点火用氧气、冷却水 、氧气/蒸汽冷却反应生成CO和H2,CO和H2又可在气相中与残余的水、煤粉通道和冷却水。3根煤粉输送管均布于最外氧反应，产生更多的热量。环隙，并在通道内盘旋,使煤粉旋转喷出。给煤管线(3)气化区。燃烧物进入气化区后，发生下列反末端与烧嘴顶端相切，在烧嘴外形成一- 个均匀的煤应:C和CO2的反应,C和H2的反应,CH4转化反应粉层，与氧气/蒸汽混合后在气化室内高温下发生部和煤气转化反应。由于在高温( 1400C左右)下反应，分氧化反应,生成主要成分为CO和H2的合成气。碳转化率相当高,CH4含量很低，不产生焦油、酚及高受到高热负荷的烧嘴部件由循环冷却水强制冷级烃等复杂的副产物。所以所排放废水少,对环境基却,烧嘴端部焊有多圈散热块,烧嘴主体材质为奥氏本不产生污染,且处理起来亦相当简单。体不锈钢，喷头部位为镍合金材料。3.2GSP烧嘴的原理及结构GSP烧嘴作用是将干煤粉均匀喷出，与氧气/蒸4 GSP 气化炉的优缺点汽混合后在- -定温度压力下燃烧,生成合成气。烧嘴4.1 优点包括点火烧嘴和主烧嘴，主烧嘴由两个水冷夹套和4.1.1能够处理低热值、 灰分高和高熔点的煤种煤粉通道、氧气通道组成。点火烧嘴由燃料气通道、GSP炉用煤的煤种适应性较广,褐煤、烟煤、无氧气通道和水冷夹套组成，每个通道都是环形区域。烟煤均可使用,对煤的灰分、硫分和氧含量,对煤的点火烧嘴与点火系统和火焰监视--起安放在主烧嘴粒度、粘结性、结焦性及活性等均不敏感。干粉煤的中间。点火烧嘴由氧气和燃料气进行燃烧。点火烧进料,不受成浆性影响,可使用相对高灰分和高灰熔嘴的用途是启动系统，加热反应器,给系统升压并点点煤。燃主烧嘴。一旦主烧嘴有故障,点火烧嘴可以继续运4.1.2高技术指标行并保持气化炉压力,可以迅速重启主烧嘴。主烧嘴GSP气化炉与SHELL气化炉、GE气化炉、华东在烧嘴口有-个适当的涡状组件。氧气在这里旋转，理工大学四喷嘴气化炉运行、经济情况对比,GSP气使媒介与旁边流出的煤颗粒一起转化成焰色反应的化炉技术具有处理能力大、气化效率和炭转化率高、形式。煤粉通过3个煤粉管道提供,管道的尾端以切反应器热损失低的优点，详见下表:第5期臧庆安等:GSP气化炉技术工业化应用技术指标对比表(2)GSP气化炉激冷室采用喷嘴进行激冷降温除项目单位GSP SHELL 德士古 四喷嘴灰渣，在实际运行过程中,因为细灰含量大,气化炉运行值运行值 运行值 运行值激冷室的除渣效果不好。激冷室出口合成气带灰渣1400 ~1400~1300~1200-温度量较大，造成文丘里洗涤系统洗涤分离后洗涤水中17001400压力MPa(a3.85-3.9 3.5-4.0一6.24.固含量高,导致排液管线堵塞、阀门磨损。同时未经启动时间h2224过水浴洗涤的合成气，含灰量高导致变换系统粗合器壁内衬15~2015~20 1~2 1~2成气加热器、变换保护床频繁堵塞、系统停车等- - 系寿命列问题。反应器热损失%低中(3)GSP气化技术没有成熟的黑水处理技术支热交换持,循环水、蒸汽消耗大,水耗远远高于设计值。淬火!气冷完全淬火.和气冷完全淬火完全淬火比煤耗kgkNm'6375886006085工业化设计存在的问题及解决建议比氧耗Nm/kNm? 326.9333942(1)合成气带灰严重造成系统堵塞。根据工艺设比蒸汽耗k/kNm'7.9目前单炉最大Nm/h 13.05x10* 14.2x10* 10.6x 10* 9.375x 10*计,合成气含尘量小于1mg/m'。现由于气化反应过程有效宁量中产生的细灰含量大,合成气带灰严重>10mg/m',导碳转化率~9~9995~9898致变换系统粗合成气加热器、变换保护床频繁堵塞，有效气含量%≥9080 78-82系统停车。炉渣残炭%0.880.5~ 10≤3.5(2)文丘里洗涤水带灰渣严重造成系统磨损。GSP4.1.3低维护 费用气化炉激冷室采用喷嘴进行激冷降温除灰渣，在实(1)工艺流程简单、紧凑。际运行过程中,因为细灰含量大,气化炉激冷室的除(2)设备寿命长,采用水冷壁的气化炉,无耐火砖，渣效果不好,激冷室出口合成气带灰渣量较大,造成预计使用寿命大于25年;使用组合式烧嘴(点火烧嘴与文丘里洗涤系统洗涤分离后洗涤水中固含量高,导生产烧嘴合二为一),主体寿命预计10年以上。致排液管线堵塞、阀门磨损。(3)开、停车操作方便,从冷备到具备投煤条件仅(3)黑水闪蒸系统设计不合理,循环水、蒸汽消需2h,主烧嘴停车后30min内可实现连投,德士古气耗大,黑水闪蒸系统不匹配。化炉由冷备到具备投煤条件至少需要24h,主烧嘴停解决问题建议:车后连投最短需2h。目前，立足于多年的运行实践经验和国内其他(4)自动化程度高,全部开停车过程在中控室操气化 工艺的应用实际，主要解决建议为:作，德士古和四喷嘴气化炉开停车现场操作工作量(1)若从根本上解决GSP气化炉稳定长周期运行较大，单炉通常需要7人。问题，就需要改变现在激冷室采用喷嘴进行激冷降4.1.4低碳环保,环境友好温除灰渣的方式。采用成熟的水浴洗涤合成气的方(1)采用低温甲醇洗单元，闪蒸出的CO2返回至式,并将气化炉合成气的出口位置提高,增加激冷室加压料斗人口对煤粉进行输送,满足煤粉载气需求,高度,以便合成气充分洗涤,以降低合成气含灰量。达到循环利用。这样文丘里系统的堵塞磨损问题将不会发生，变换(2)做为合成气中CO的原料,减少CO2对大气系统粗合成气加热器、变换保护床也不会频繁堵塞，的污染。引起系统停车。(3)碳转化率很高,CH4含量很低,不产生焦油、(2)目前只能在气化炉合成气出口增加鼓泡塔，酚及高级烃等复杂的副产物。所以排放废水少,对环实现对合成气粗洗目的，对合成气中粗颗和灰分进境基本不产生污染。行洗涤分离,但后续洗涤水中将大量带灰严重,将影4.2 缺点响到装置稳定运行，需要在新增洗涤塔底部再实施(1)煤粉加压输送过程复杂,逻辑控制太多,输防堵塞和磨损措施。送过程易发生堵塞,造成气化炉跳车。(3)重新设计黑水和灰水处理系(下转第 86页)●86尹成斐等:朔黄重载铁路路基加固效果分析与评价第5期57-58.[13]侯德杰强化路基工作改善路基状态[]铁道建筑, 1996(12):4- 5.[101王定举.斜向旋喷桩在朔黄铁路路基病害整治工程中的应[14]王炳龙,周顺华，宫全美,方卫民不同高度土工格室整治基床下用[J].铁道建筑技术, 2006(增):35-39沉病害的试验研究[]岩土工程学报,2003 (2):163-166.[11]王定举用斜向单管高压旋喷桩整治朔黄铁路路基病害[J].铁道建筑, 2006(9):35-39.作者简介:尹成斐( 1974-),工程师，1996年毕业于北京交通[12]狄宏规,冷伍明,赵春彦,余志武既有铁路路基K。和Ea检测辅大学,现供职于朔黄铁路发展有限责任公司,主要研究铁道工务。助装置及方法[J].铁道科学与工程学报,2011(<5):67-71. .Reinforcing -effect Analysis and Evaluation of Oblique Jet GroutingPile in the Embankment of Shuo-huang Heavy Haul RailwayYIN Chengfei XU Fang2(I.Shuohuang Railwvay Developing LLC,Hebei Suning,062350,China;2.Ciuil Engineering School of Central South University ,Changsha City ,Hunan Province ,410083, China)Abstract: According to the reinforcing-method of oblique jet grouting pile in the embankment of shuo-huang heavy haulrailway, sand replacement, second modulus of deformation ( E2), dynamic modulus of deformation ( Evd ), light dynamicpenetration (Nn) ,coefficient of subgrade reaction (Kx) and other field tests have been done in a typical work site.Pile-soil composite test indicators have been used to evaluate the reinforeing- effect of the oblique jet grouting pile. Testanalysis indicate that the basic bearing capacity of foundation ( σ o) , cofficient of subgrade reaction ( Kx0)，secondmoduulus of deformation ( E2) ,and dynamic modulus of deformation ( E )have been significantly enhanced, while theimprovement of the compaction factor (K) of the soil between piles is not high. It is integrated to show that the obliquejet grouting pile has a good effect in reinforcing the embankment. The evaluation method and achievement can bereferenced and utilized in other similar projects. And, it has a significant value to popularize this method.Key words: Heavy haul railway roadbed; Oblique jet grouting pile ; Roadbed detection ; Reinforcing- effeet(收稿日期:2012-08-03责任编辑:马小军)(_上接第73页)统,降低水耗和能耗。参考文献[1]于遵宏，王辅臣煤炭气化技术[M].化学工业出版社，2010.6结语[2]赵瑞同,李磊张峰,胡宇峰未来能源公司的GSP气化技术[]煤化L,2005(12).当前在GSP气化技术工业化过程中遇到的问[3]陈家仁加压气流床气化I艺的发展现状及存在问题[]煤化工，题，需要根据实际情况进行改造。改造之后的结果需2006( 12).要在今后的运行过程中进一步检验。 尽管GSP气化[4]李大尚.CSP技术是煤质合成气(或H)工艺的最佳选择[J].煤化技术在工业化应用过程中发现以上问题，但以上问工,2005<6).题都是可以通过技术改造和技术攻关克服的。在解决设计中存在的问题后, GSP气化炉技术将为企业创作者简介:臧庆安( 1973-),1997年毕业于大连理工大学化工学院,现供职于神华集团公司煤制油化工部,主要从事煤制油化工的造可观的经济价值。生产与装备管理工作。The Industrialized Application of GSP Gasification Furnace TechnologyZANG Qingan ZHANG Hongtao( Coal Liquefaction Chemical Industry Department of Shenhua Group Co., Beijing, 100011 ,China)Abstract: This paper introduces the developing process and current situation of German GSP gasification furnace technology, and it mainlypresents gasification technology, key equipment and the appearing problems in the industrialized application process with solving advice.Keywords: Gasification furmace ; Industrialized application; Problems ;Solving advice(收稿日期:2012-09-04责任编辑:杨静)