科林CCG粉煤气化技术介绍

2015年第36卷第1期氮肥技术科林CCG粉煤气化技术介绍(德国科林工业技术有限责任公司北京10004)摘要简要介绍科林CCC粉煤气化的工艺流程、主要设备气化炉的结构及该气化技术的特点和优势,并介绍该技术工业化的应用业绩以及在贵州开阳化工的应用情况。关键词CCG 粉煤气化技术特点应用The introduction of CHOREN CCG pulverized coal gasification technology( CHOREN Industrietechnik GmbH, Bejjing 100004 )Abstract' The paper briefly introduces technological process, main equipment structure of gasifier, characteristics andadvantage of gasification technology of CHOREN CCG Pulverized coal gasification. It also introduces industrialization applicationresults of technology and application situation in Guizhou Kaiyang Chemical Industry.Keywords CCG pulverized coal gasification; technical characteristics; application1科林CCG气化技术来源及背景理等单元。德国科林工业技术有限责任公司(CHOREN原料煤被碾磨为200μm<100%,65μm<90%Industrietechnik GmbH)在干粉煤气流床气化技术的粒度后,经过干燥,通过浓相气流输送系统送领域拥有40多年的研发、设计、制造、建设及运至烧嘴,在气化炉反应室内与工业氧气(年老煤行经验,拥有科林CCG粉煤气化技术独立完整的种还需添加少量水蒸气)在高温高压的条件下反知识产权及工业解决方案。应,产生以- -氧化碳和氢气为主的合成气。科林公司的创始人是前德国燃料研究所研根据灰组分和灰熔融特性,气化温度操作控发部部长Wolf博士,其核心技术团队来自于前德制在1 400~1 700C之间(高于灰熔点200C左国燃料研究所及黑水泵气化厂(Gaskombinat右)。气化炉反应温度可通过氧气流量进行调节SCHW ARZEPUMPE)，该团队全面参与了3MW中(控制炉内化学反应剧烈程度)。反应室内壁为水试装置(1979年)及黑水泵气化厂200MW(日投煤冷壁,由于形成了固态渣层保护,所以反应产生量720t)工业化装置(1984年)的研发、设计、制的液态灰渣不会直接接触炉内壁。造、建设及运行工作。上世纪 90年代, Wolf博士生成的合成气及液态灰渣离开燃烧室向下与其同事共同创立了科林公司,并在黑水泵气化流动,在激冷室中直接被水冷却,液态灰渣被水厂200MW工业化装置的基础上完成了CCG粉浴固化成颗粒状,冷却后的灰渣经过锁斗排出系煤气化技术的研发工作。统,从排放的水中分离并通过捞渣机运出。合成2科林 CCG气化工艺流程及简介气被蒸汽饱和,以大约210 C温度离开气化炉。德国科林CCG粉煤气化技术是干粉煤加压原料气化和达到气体平衡所需的热量由原进料,以氧气作为氧化剂并通过液态排渣的煤气料碳氧化成CO2和CO的反应所释放。气化温度化技术。该技术工艺(见图1科林CCC粉煤气化的选择主要由煤的灰熔点确定,气化压力的确定技术工艺流程简图)包括:煤粉制备系统、煤粉输主要取决于产品煤气的利用工艺，通常为送系统、气化与激冷,合成气净化系统及黑水处.4.0MPao中国煤化工MYHCNMH G6氮肥技术2015年第36卷工艺蒸汽Y↓V氧气一→合成气常压煤粉仓气化炉<工艺冷凝液煤炭洗涤塔文丘里↓煤粉锁斗灰水利用破碎给料罐黑水处理磨煤机Ww |捞渣机滤饼释放气图1科林 CCG粉煤气化技术工艺流程简图3科林CCG气化炉结构环回送的合成气作为引燃烧嘴的燃料。由于长明气化炉由烧嘴、燃烧室、激冷室、水冷壁、外灯反应放热也是气化反应所需要的,所以并不会壳等部分组成。日投煤量为1 500t的气化炉的尺造成额外的能量损耗。寸大约是16m高,直径3.2m,质量约200t。图2由于烧嘴是一个承载高温的部件,故每个烧是气化炉的示意图。嘴自身都有冷却循环系统。经由泵、泵接收器和3.1 烧嘴热交换器组成--个循环,形成强制冷却,使热量CCG气化炉为多喷嘴顶置的形式，分为引燃间接传导到冷却水系统。烧嘴顶部寿命--般为烧嘴和煤粉烧嘴。在首次开车和停车后再开车的4a，每半年检修- - 次烧嘴的顶部。如有损坏仅需时候，利用液化气混合氮气作为引燃烧嘴的燃更换烧嘴顶部。图3图4、图5为400MW(日投煤气。在气化炉运行过程中,出于安全的考虑,引燃1500t)烧嘴分布图、引燃烧嘴示意图和粉煤烧嘴烧嘴在较小的功率下运行(长明灯)。可以利用循示意图。火焰监视及电子点火器吹打气可燃气体.水冷出口h ld水冷入口000氧气和水燕气水冷出口水冷入口冷却水进出口图3气化炉烧嘴分 布图图2气化炉示意图中国煤化工图.MYHCNMHG第1期科林CCG粉煤气化技术介绍煤种制浆浓度无法达到要求的难题,适用于对多种煤种进行气化。氧气和水蒸气(2)技术指标好:相比水煤浆技术,科林CCG水冷出口1水冷入口粉煤气化技术的比氧耗低15% ~ 20%，比煤耗相应降低。由于科林CCG粉煤气化技术气化操作温煤检入口6煤粉入口度高(1 400~1 7009C),碳转化率可达到99%以上,不含重烃、焦油等,合成气有效成分高达90%水冷出口~ 93%左右，冷煤气效率可达80% ~ 83%左右;(3)整体投资低:根据项目规模可提供日投煤量从750t到3 000t的不同气化炉设计,并且设备制造已经实现国产化;(4)运行维护费用低:工艺流程紧凑,设备使图5粉煤烧嘴示意图用寿命长,采用水冷壁结构,无耐火砖,多烧嘴顶3.2燃烧室 .置，负荷调节范围宽，主体设备寿命可达25a左煤粉、氧气和水蒸气通过烧嘴进入燃烧室，右。开停车操作方便,且时间短(从冷态到满负发生部分氧化反应。燃烧室是由齿形蛇管卷水冷荷仅需1~ 2h);壁围成的圆柱形空间，上部为烧嘴,下部为排渣(5)节能环保效果突出:科林CCG粉煤气化口,原料与氧气、水蒸气的气化反应就在此空腔技术煤耗更低;系统所产废水中不含苯、酚等大内进行。第-次开车后水冷壁被挂上一层渣,在分子物质;炉渣不含可溶性有机物质,可作建材后续运行中利用以渣抗渣的原理保护水冷壁。原料;黑水通过两级闪蒸实现水循环再利用。正常运行时炉体内温度为1 400~1 700 C,经过(6)多种炉型可供选择:德国科林气化技术依渣层以后，温度降低到500°C左右，再经过16.5据客户需要,炉型以日投煤量可分为750t、mm厚的屏壁和SiC填充物,温度降低到270左. 1 200t、1 500t、2 000t、2 500t、3 000t供客户选择。右,水冷壁内的加压冷却水的温度为250C左右。科林公司可提供技术许可、工艺包设计、专有设水冷壁气化炉体的优点是炉体实际承受的温度备供货、人员培训及现场技术服务等整套的工业较低，水冷壁承温<500C，外层壳体内壁的温解决方案。度<250°C ,气化炉外壳的表面温度< 100C,不(7)独特的流场设计:科林气化炉采用三烧容易损坏,故可以气化灰熔点较高的煤种。该水嘴顶置下喷结构,流场分布均匀,三股煤粉在炉冷壁在黑水泵厂使用8a后,没有破坏性的损坏。膛中心通过旋流作用相互碰撞可实现充分燃烧，科林CCC炉还对原有水冷壁结构做了改进,分别气化炉内壁挂渣均匀。由于流场设计合理,气化设立了4处吹扫口，使炉壁间的吹扫更充分,大炉可在3.5MPa以上压力下直接低负荷投料生大延长了水冷壁的寿命。产，合成气放空量很少。3.3激冷室 .5科林 CCG气化技术优势.激冷室位于气化炉的下部，由激冷环、下降5.1煤种适应性广管破泡条以及气化炉简体组成。高温粗煤气和(1 )德国黑水泵厂200MW项目中气化装置，熔渣从气化室下部一个喇叭形的排渣口通过激运行时间从1984年至2007年, 1990年之前所用冷环及下降管进人激冷室液面以下，高温合成气煤种为德国当地褐煤,该装置是世界上最早成功在激冷室内经水浴洗涤,而后经破泡条出气化炉转化褐煤的工业化粉煤气化装置。激冷室进入下游文丘里及碳洗塔继续精洗，冷却(2)内蒙古康乃尔30万t/a 乙二醇项目采用.后的灰渣经过锁斗排出系统。科林CCG粉煤气化装置,使用煤种为当地褐煤。4科林CCG气化技术特点(3)贵州开阳项目煤种为贵州本地三高劣(1)煤种适应性强:干煤粉进料克服了部分质煤(高灰.中国煤化工灰熔点在YHCNMHG8氮肥技术2015年第36卷1 500°C左右，含灰分的质量分数25%~35% ,含硫(3)经过激冷和水洗,粗合成气含尘量低(<的质量分数>3%,含钾、钠氧化物的质量分数平1mg/Nm?),粗合成气夹带的水蒸汽可以满足变换均超过4%，该装置是目前世界上首次成功以三工艺所需90% ~ 100%的蒸汽。高煤种为单- -煤种的大型气流床气化装置。5.4 多烧嘴同向顶置下喷(4)克服了部分煤种难以制浆的问题,避免(1)烧嘴顶置下喷在德国黑水泵厂的气化炉将大量的水带人气化炉。与水煤浆气化技术相有过实际运转经验。比，氧耗降低约15% ~ 20%。粗合成气中有效气(2)将引燃烧嘴和煤粉烧嘴分开使得烧嘴结(CO+H2)的体积分数可高达90% ~ 93% ,冷煤气构较简单，每个烧嘴对应单独的氧气路和煤粉效率可达80% ~ 83% ,碳转化率≥99%。这些效路,可以实现独立控制,降低故障率。率指标均大大高于水煤浆气化技术。(3)烧嘴顶置下喷的方案可以使高温粗合成(5)德国科林公司拥有完整的煤种数据库和气及灰渣流向相同以确保燃烧室排渣顺畅,可以气化用煤的理论体系,能够针对项目的不同煤种克服气渣上下分流工艺排渣困难的问题。提供多种配煤或配灰方案。(4)烧嘴同向布置可以克服对置烧嘴间相互5.2水冷 壁结构磨蚀的问题。(1)寿命长,检修少,在线率高。水冷壁的寿(5)多喷嘴布置保证了粉煤在反应空间分布命可达25a,每半年检修-次。如果是采用耐火砖均匀,流场分布更加合理,在相同的气化温度下,结构则需每年更换,拱顶砖的寿命更短。与单喷嘴相比可以实现更高的碳转化率。(2)采用水冷壁结构,在开车时不存在热壁(6)多喷嘴结构可以更好地实现气化炉内壁炉的烘炉问题，从冷态开车到满负荷仅需要1h,挂渣，尤其在气化炉顶部可以形成较好的渣层。可以快速响应下游对合成气需求。良好的挂渣是保证气化炉较高操作温度的前提,(3)采用水冷壁进行以渣抗渣,气化反应的科林气化炉可以直接气化灰熔点在1 500C以上温度可以较高,不会对炉体有所损害,而对于热的贵州三高煤正是基于这一- 点。壁炉则需要考虑气化温度对耐火材料的影响。故(7)多喷嘴方案的负荷调节余地比单喷嘴方水冷壁气化炉可以气化灰熔点较高的煤种,进一案要大,更有利于气化炉的大型化。步提高了煤种的适应性。而且气化炉操作温度高(8)如某--烧嘴故障,系统还可短时间继续于灰熔点2009C，完全可以应付煤质一定范围内运行,排除故障后带压连续投料。的变化。CCG 气化工艺可以气化质量分数高达5.5投资运行费用低35%灰分的煤种。(1)工艺流程紧凑,操作运行简单。(4)因为气化反应温度高，粗合成气中基本(2)开、停车操作方便,从冷态点火开车到满不会含有碳氢化合物(如甲烷等),因而简化了对负荷运行可控制在2h内，热备开车可在0.5h内气体净化的要求。实现。(5)水冷壁采用间接副产低压蒸汽,通过监(3)在贵州开阳50万t/a合成氨项目中,科控水冷壁的进、出水温差,判断炉壁的挂渣状况,林气化炉可以在3.8MPa压力下实现50%~110%有利用于气化炉稳定操作及设备的寿命延长。的负荷调节，原始开车时直接在3.8MPa压力下5.3激冷流程半负荷投煤生产,产生的合成气直接送往变换装(1)采用激冷工艺流程,设备结构简单,外形置,避免了低压投料时产生的大量合成气放空问尺寸小,装置投资少,除尘效果好。题，可以大大节约开车阶段的消耗成本。(2)由于采用全激冷方式,整个化工流程较(4)根据项目规模可提供日投煤量从750/d废锅流程大大缩短(没有废热锅炉,陶瓷过滤器,到3 000t/d的不同气化炉设计，气化炉等主要设循环气压缩机等)，故整个装置的可靠率增加。备制造已完全实现国产化,整个装置的投资建设而且由于装置投资成本较低，能够负担双炉运成本较低。行,大大提高了气化岛在线率。(5)对于中国煤化工单台炉气MYHCNM HG第1期科林CCG粉煤气化技术介绍9化装置的投煤量越大，所需要的气化炉数量越造成为综合物料处理中心，其粉煤气化装置改为少,气化炉的大型化可以大大降低投资成本。浆体进料,用于处理液态有机废料,产生的合成5.6节 能环保优势气用于IGCC发电并联产甲醇。气化装置固体排放物中70%是粗渣,粗渣中6.2贵州开阳化工 50万t/a合成氨项目的残碳的质量分数可控制在1%左右，灰渣由于科林CCG粉煤气化技术已成功应用于贵州经过高温煅烧,热阻系数大,是优良的建筑隔热开阳化工50万t/a 合成氨装置。该项目自2009材料。细灰占气化装置固体排放物质量分数的年底开工,2012年10月开始试车,2013年1月30%,由于产量相对小，可直接掺混到电厂燃料煤打通全流程产出合格的合成氨产品,现在已经逐步进人稳定运行阶段。在废水排放方面,由于气化温度高,渣水系6.3 内蒙古康乃尔30万t/a乙二醇项目统中不含苯、酚等大分子物质。在贵州开阳，气化2013年7月上旬,内蒙古康乃尔化学工业有废水中的COD平均值< 150 mgO/,NH;-N平均限公司与科林公司就60万t/a (一期30万t/a)乙值<50 mg/l,灰水的平均浊度仅有15 mg/I,一套二醇项目签署了科林CCG粉煤气化技术授权与气化装置的平均连续外排水量约25m/h。技术服务合同。该项目位于内蒙古通辽市扎鲁5.7合成气含尘量低特旗,采用两台科林CCC粉煤气化炉(单台日投(1)由于顶置多喷嘴气化炉的流场分布合煤量1 200t),计划于2015年9月建成。目前,科理,碳转化率高,未反应的残碳较低,带入到后续林公司正在进行工艺包设计。系统的细灰量大大减少,可以有效降低洗涤系统7贵州开阳化工CCG气化炉开车情况的负荷。贵州开阳化工有限公司位于贵州省贵阳市(2)气化炉激冷室洗涤结构改为水浴激冷的开阳县,由兖矿集团与贵州开磷集团共同投资建形式,黑水处理和合成气洗涤单元利用国内成熟设的50万t/a 合成氨项目,2007年7月科林公的工艺技术，保证了合成气出口含尘量低于司、兖矿集团、开阳化工三方签署工艺包许可合1mg/Nm'。同,德国科林公司提供技术许可、工艺包设计、专(3)与空间激冷方式相比，水浴激冷所需要有设备及部件的供货。的设备少,流程短,处理效果好。项目于2010年底动工建设,2012年6月气5.8结合本 土化的优势化装置机械竣工。2012年6月转人联动试车阶(1)目前,贵州开阳化工的科林气化装置将段。期间主要解决了磨机震动、煤粉流量调控、煤作为德国科林CCC气化技术在中国重要的实习粉流动不畅、固体质量流量计标定、逻辑顺控及和培训基地。并可为业主提供专业化的开车和技安全联锁优化等问题,为后期的化工投料顺利开术服务支持。展奠定了良好的基础。2012 年10月气化炉转入(2)科林公司与兖矿集团正在开展深层次合投料试车阶段。10月25日气化炉点火成功;31作，利用兖矿集团在煤化工行业有几十年实践经日气化炉成功投煤。2013年1月21日,A#炉连验的优势,易于嫁接国内成熟技术,利于实现科续运行109h,并打通全流程,顺利产出合成氨。该林CCG气化技术在中国市场的本土化。阶段解决的主要问题包括点火开工烧嘴的点火(3)科林CCG气化技术的工程转化主要由国成功率过低、气化炉压力调控、灰水水质差等问内有工程经验的设计院和工程公司完成,科林公题。2013年3月转人试生产阶段,期间主要完成司仅提供工艺包。了合成气初步净化系统优化和指标调整,对文丘6科林CCG气化工业化业绩里混合器、旋风分离器和洗涤塔等设备进行了优德国黑水泵厂多喷嘴气流床气化炉化改进,强化了合成气的除尘能力,除尘效果明从1983 年运行到1990年，日投煤量720t,显，合成气含尘量可控制在1mg/Nm3以下,试生煤种为褐煤,产品用作城市燃气。1990 年东西德产阶段最长运行记录41d。2013年8月至今,气合并,东德城市燃气改为天然气,原黑水泵厂改化装置进人连中国煤化工10月份,YHCNMHG10氮肥技术2015年第36卷单炉连续运行超过110d, 气化炉可实现118%负表2开阳化工气化装 置性能指标荷下正常运行。项目指标贵州开阳化工气化装置的生产运行情况,充气化温度/C1 550~1 650分体现了科林CCG气化技术的特点及优越性,为.投煤量/1+d+>1 200硫转化率1%≥98贵州当地甚至全国三高劣质煤的综合高效利用冷煤气效率1%≥79开创了先例。合成气有效气成分1%86~91贵州开阳化工气化装置设计用煤分析数据比氧耗/Nm'*[1 000Nm'(CO+H2)H≤<350 .见表1、气化装置性能指标见表2、合成气成分分比煤耗/kg*[1] 000Nm(C0+H)-'≤580析结果见表3、气化灰水分析结果见表4、合成气灰渣比率1%粗渣60-80细渣20-40尘含量检测结果见表5、粗渣/滤饼分析结果见粗渣含碳的质量分数1%60~2表6。细渣含碳的质量分数1%25~35表1开阳化工气化设计煤种分析数据 (质量分数% )表3开阳化工合 成气成分分析结果( 体积分数%)设计煤种取样COH2N2HSCO2工业分析水分 ,Mad2.2060.829.0.01.13.灰分,And26.6731.228.45.61.3:挥发分, Vad6.4261.127.5.94..26.64:固定碳, Facd64.71元素分析C,Cad63.69表4开阳化工灰水水样分析结果H, Had2.52悬浮物浊度NH-NCODpHN,Nad0.90mgI-'mgI+mg:+"mg|S,Sad3.14最大值7.230537.9660.6120O,0ad0.88最小值5.5902.1321.5079C(由工程师在现场估算)0.012平均值6.935614.2242.1114As/x 10*0.注:两台炉气化装置排水量<50th。F/x 1062013年9月~12月对合成气出口含尘量进灰溶性初变温度IDT/PC1 090行了检测,检测结果如表5。实际运行中,合成气软化温度ST/C1350对后续变换催化剂没有任何影响,目前对该指标流动温度FT/C1420灰分分析Si0244.66已经不再检测。(干基)AL0328.35表5开阳化工合 成气尘含量检测结果FeO3 .12.84A炉B炉CaO2.77日期含尘量 /mg'(Nm2)-日期 含 尘量/mg. (Nm2)-+0.929月12日0.379月9日1.329月14日0.589月10日0.56TiO21.589月17日0.869月11日K203.5211月30日0.1612月14日0.65Na2O0.7912月17日0.3212月15日MnO20.03512月18日0.22表6开阳化 工粗渣/滤饼分析结果(质量分数%)取样时间分析时间 取样部位 挥发分 Vad灰分 Aad全水 Mar内水 Mad固定碳 Facd热值kJ.kg'5月16日5月 17日压滤机1.4470.2745.800.4527.844 480.835月17日5月 17日压滤机1.3979.6236.030.3918.603 640.985月16日5月 17日捞渣机13.01可燃物:0.5月17日5月 17日捞渣机10.16可燃物:1.5中国煤化工第12页)THCNMHG_12氮肥技术2015年第36卷煤加压气化,设两台干粉煤加压气化炉。气化炉机械和材料的安全;采用水冷壁结构，无耐火材料衬里，使用寿命(3)本工程充分考虑贵州当地情况，设计上长,维修工作量小,运行周期长。同时气化炉水大胆创新,以求节约建设投资,缩短建设周期;冷壁的冷却水还能产低压蒸汽，供气化装置自(4)设备布置要努力做到一体化、露天或半身和其他装置使用，粗合成气通过旋风分离器露天化。因建设场地为高原山地,不利于大型化和洗涤塔进行洗涤除尘，洗涤后的水煤气无需工项目建设,因此,全厂设计要充分考虑设备及经过降温脱硫过程，直接进变换装置变换炉进管道布置,缩短管线长度,降低工程造价。行变换，最终调整出口变换气中CO的体积分4设计特色数为4.0%(干),后进人废热锅炉副产蒸汽。低本工程生产装置和附属项目的总平面布置温甲醇洗工段的主要任务是脱除变换气中的密切结合本工程的特点及区域、场地的现状,进H2S. COS、CO2等对氨合成催化剂有害的气体，行合理的功能分区及运输组织,避免人流与物流使净化气满足氨合成工段的要求。同时将含HS的交叉,满足风向及建筑朝向的要求。工艺装置的酸性气浓缩到其体积分数达30%以上送克劳的布置,采取集中联合布置,辅助生产装置和厂斯硫回收装置。硫回收装置处理净化装置送来房就近布置,以达到缩短工程管线、降低成本及的富含硫化氢酸性气体及变换含氨冷凝液汽提工程造价、节约用地的目的。总平面布置还考虑气,将硫化氢转化成单质硫加以回收,从而减少装置的发展,定向预留发展用地。污染物排放,且尾气排放达到环保要求。氨合成本工程生产工艺采用了目前我国煤制气最工段是合成氨厂生产中的关键环节，采用先进的洁净生产工艺一干煤 粉加压气流床气15.0MPa低压氨合成工艺，副产4.0MPa的中压化技术,属于无污染的环保工艺。对此，本工程的蒸汽。冷冻站采用氨压缩制冷技术为低温甲醇环评报告及其批复都给出了定论。本设计依据环洗装置和氨合成装置提供冷量。评报告及其批复,采取了具体措施,以保证工程3设计理 念和依据建成后的环境质量。(1)贯彻执行国家有关工程建设的规定,依设计过程中充分与开阳化工公司进行技术据主管部广]对项目可行性研究报告和环境影响路线和细节协商,充分借鉴其他项目工程设计的评价报告及劳动安全卫生预评价的批复。充分利经验和教训,对装置设计进行优化。用我国多年来在合成氨领域积累的经验,力争把目前装置的实际运行情况，装置负荷达到本工程建设成-一个样板工程;并且超过设计能力，单系列合成氨装置日产合(2)工厂设计采用国家认可的安全标准，以成氨达到1 550t左右。提供一个安全的工作环境以及保护人员、设备、(收稿8期:2014-11-07)(上接第10页)8综述生产合成氨、醇、醚、烃类、合成天然气等高附加科林CCG粉煤气化技术是世界领先的环保值化工产品,以及汽、柴油燃料,可有效替代传统节能煤气化技术之一,是现代煤化工产业的核心石油天然气化工产品,为我国的化工生产和能源工艺技术之一。采用该气化工艺，可以把价格低安全提供一种切实可行的替代选择,为客户打造廉、直接燃烧污染较大的煤、石油焦等原料转化下游产业链奠定良好基础。为清洁的、高附加值的有效气,即- -氧化碳与氢气。有效气是生产化工产品的基本原料,可用于(收稿日期:2014-11-11)中国煤化工MHCNMH G