大型煤化工项目常见煤气化技术性能对比

第3期中氮肥No.32016年5月M-Sized Nitrogenous Fertilizer ProgressMay 2016大型煤化工项目常见煤气化技术性能对比吴同舫，李志祥(神华包头煤化工有限责任公司，内蒙古包头014000)[摘要] 结合气化炉近年来的实际生产运行情况，分别对GE水煤浆气化、GSP粉煤气化、Shell 粉煤气化技术从工艺流程、技术特点、操作参数、关键设备、环保指标等几个方面进行比较与探讨，得出结论，多喷嘴粉煤气化技术性能优越，在煤化工领域发展前景广阔，是未来洁净煤技术发展的方向。[关键词]气化技术; Shell 粉煤气化; CSP粉煤气化; GE水煤浆气化;比较;应用;前景[中图分类号] TQ546 [文献标志码] B [文章编号] 1004 -9932( 2016)03 -0011 -05我国是一个“贫油少气富煤”的国家，这出; 粗合成气出激冷室后经文丘里洗涤器、碳洗种能源结构使得煤炭在一次能源消费结构中的比塔洗涤除尘冷却，温度降至245 C并被水蒸气饱重高达60%，因此，如何保证煤炭资源的高效和后送至变换工段。利用，对于保障我国能源长期安全供应具有重大从气化炉和碳洗塔排出的高温黑水依次进人的现实意义和战略意义。而在煤炭资源的集约利高压闪蒸罐、低压闪蒸罐和两级真空闪蒸罐，一用方面，煤气化技术是煤炭转化利用的主要途部分水被闪蒸为蒸汽回收利用，溶解在黑水中的径，是在转化含碳固体物为高附加值产品过程中大部分合成气被解吸出来送硫回收系统处理，后处于领先地位的清洁技术”，是发展煤制氢、时黑水被浓缩，温度降至45 °C进人沉降槽，沉煤基液体燃料、煤基化学品、多联产系统及先进降的细渣浆经过滤机脱水后运至厂外，沉降槽上ICCC发电等过程工业的基础及关键龙头技术。部澄清的灰水则送往灰水槽，经低压灰水泵加压目前，我国大型煤化工项目采用的煤气化技回送至气化系统循环利用。术多数属于气流床加压气化技术，主要的气化工1.2 GSP 粉煤气化艺有GE ( Texaco)、Destee、 Shell、 Prenflo 、原料煤由给煤机称重后送到磨煤机中磨粉,GSP、CCG等。以下就目前常用的具有代表性的热风炉送来的热惰性气体送入磨煤机中，将合格GE水煤浆气化、GSP 粉煤气化、Shell 粉煤气化粒度的煤粉干燥后吹入煤粉袋式过滤器，分离收3种煤气化技术进行对比研究和探讨。集后排入煤粉贮仓中，经煤粉锁斗送人煤粉给料1工艺流程比较仓，由高压CO2密相输送并精确计量后经3根粉煤管线送入气化炉顶部的烧嘴，并与高压O21.1 GE水煤浆气化及过热蒸汽- -同旋流喷入气化室，在4.1 MPa煤储运系统送来的原料煤送至煤贮斗，经称1 450 C条件下进行气化反应，生成以CO和H2重给料机定量后送人磨机，加入- -定量的水和添为主的粗合成气。GSP气化炉的内壁采用盘管膜加剂，研磨出合格的水煤浆，经煤浆加压泵加压式水冷壁结构，为防止粗合成气进人膜式水冷壁后同高压02 -起通过顶置式单喷嘴喷人气化炉，与气化炉之间的环形 空间出现冷凝而腐蚀设备，5~7 sl21内完成气化过程(气化反应压力6.5环形空间充有压力较高的惰性气体。出气化炉反MPa、温度1300~1400C)，生成以CO和H2应室的高温粗合成气、飞灰和液态熔渣通过设置为主的粗合成气。离开气化炉反应段的高温粗合有冷却水盘管的排渣口进入激冷室下降管水浴激成气和熔渣- -起进 入气化炉激冷室水浴，大部分冷，熔渣迅速固化;出激冷室被水饱和的合成气的熔渣经激冷固化后落人激冷室底部经锁斗排依次经鼓泡塔I 中国煤化部分冷凝器[收稿日期] 2015-11-15和气液分离器容渣通YHCNMH[作者简介]吴同舫(1973- ),男,安徽濉溪人,工程师。过锁斗定期排土但他，心从以仪个汉应的粉煤颗●12●中氮肥第3期粒由渣池泵送至渣水处理系统，经进- -步 处理后点。因为水煤浆在气化之前要先经历水的蒸发过循环使用。气化炉和文丘里洗涤装置排出的高温程，水煤浆浓度越高，水分蒸发所需热量越少，黑水，经两级闪蒸浓缩、澄清去除细渣后送回气比煤耗 和比氧耗也就会越低;同时，煤的内水是化系统循环使用。影响成浆浓度的重要因素，内水主要是由煤中的1.3 Shell 下行水激冷粉煤气化亲水基及毛细孔的吸附引起的，由于煤中的亲水Shell粉煤气化技术的传统工艺为废锅流程，基及毛细孔吸附水的表面张力在煤粒周围形成一产生的合成气经”飞灰过滤器和庞大的合成气冷却层水膜，亲水基越多、毛细孔越是繁茂的原料器进行冷却，投资高，工艺复杂，故障率高，影煤，水膜就越厚，制得的煤浆浓度就越低。另响装置的长周期运行，多用于联合发电装置。为外，GE水煤浆气化炉内衬耐火砖，一般要求煤了满足煤化工生产的需要，Shell 新开发出下行的灰分<12%，若煤中灰分较高,特别是煤中碱水激冷粉煤气化流程，并在中国南京建成投产，性金属氧化物组分过高，则会对耐火砖尤其是高目前运行情况较好，各项指标均达到或优于设铬的向火面砖造成较强的侵蚀，从而缩短耐火砖计值。的寿命。液态的灰渣沿耐火砖流下时对砖体造成Shell粉煤气化煤粉制备和输送过程与GSP冲刷使砖体减薄，据经验认为最佳的灰渣黏度应气化工艺相似。从高压煤粉仓出来的煤粉与输送控制在15~40 Pa●s，这样才能在炉砖表面形成煤粉用的高压CO2经计量后--起进人烧嘴的中一定厚度的灰渣保护层，既延长炉砖寿命又不致心;来自空分的高压O2加热到180 C后，与少堵塞渣口，最佳灰渣流动黏度对应的温度即为气量中压过热蒸汽混合进入烧嘴的外环隙，经4个化炉最佳操作温度。若炉温太低，碳转化率就会或4个以上水平设置的工艺烧嘴喷入气化炉，在过低，粗煤气中甲烷含量就高;但炉温过高，尤气化炉内煤粉与O2充分混合，发生部分氧化反其是超过1 400 C，耐火砖热蚀会加快，当气化应生成合成气，多喷嘴延长线相互交错形成多边温度高于1 400 C时，每提高20 C,炉砖的熔形，从喷嘴喷出的煤粉在02流的带动下在气化蚀速率会提高1倍，因此原则上- -般要求水煤浆炉反应室内形成旋流，液态熔渣被离心力抛至膜气化原料煤灰熔点应低于1300 C。式水冷壁并沿水冷壁通过渣口向下进人激冷室，常见原料煤粘温特性曲线图如图1。图1熔渣迅速固化龟裂成碎玻璃体，经锁斗排出;出中，煤种3气化操作温度窗口过小，不适合于水气化炉反应室的高温粗合成气、飞灰经下降管进煤浆气化;煤种1,灰熔点为1 390 C，也不适入激冷室水浴激冷，合成气被水饱和后经文丘里合于水煤浆气化;煤种2,灰熔点适中，灰分不洗涤器和合成气洗涤塔洗涤处理。其灰水处理系高，粘温特性对应的操作温度窗口在1255~统和GE水煤浆气化工艺类似，灰水经闪蒸后进1 340 C之间，适合于水煤浆气化。人沉降槽沉降，大部分灰水回用。10Shell粉煤气化工艺，气化炉点火用点火烧-●煤种1嘴，用液化气作燃料。气化炉开车升温用开工烧80 t嘴，用油泵送来的柴油作燃料，开车初期不合格+煤种3的煤气经火炬燃烧后放空。开车完成后，粉煤烧60|嘴投用，点火烧嘴和开工烧嘴退出气化炉。敏50|2煤种适应性对比0十of2.1GE水煤浆气化煤质适应性分析0tGE水煤浆气化炉适应的原料煤是固定碳含1150 1250 1350145015501650量和发热量中等、可磨性中等、反应活性好、低温度/C灰分、低灰熔点的年轻烟煤或无烟煤。图1中国煤化工”GE水煤浆气化要求的水煤浆应具有高浓度、2.2粉煤 气化HCNMHG低黏度、稳定性好、流动性好、易于泵送等特粉煤气化通巾女小原的从力小成了8%，最第3期吴同舫等:大型煤化工项目常见煤气化技术性能对比●13.佳灰分在12% ~25%之间，这样既能保证在气水煤浆 气化工艺相比，操作温度高,操作压力较化炉膜式水冷壁上正常挂渣和锁斗正常排渣，又低;在碳转化率及有效气含量方面，GSP与能将装置的运行成本以及设备管道的磨损控制在Shell粉煤气化相近，都远高于GE水煤浆气化;合理范围内。另外，GSP和Shell两种粉煤气化的膜式水冷壁粉煤气化适宜的原料煤灰熔点在1 250 ~均可副产蒸汽，特别是Shell 粉煤气化，可副产1 550 C之间。低灰熔点的煤在粉煤气化炉中气高品质中压蒸汽，有利于提高装置的能效，降低化时会出现碳转化率偏低、无法挂渣等问题，而全厂的能耗。因此，虽然GE水煤浆气化技术在高灰熔点的煤则需要添加助熔剂方可进行气化，我国应用广泛，技术比较成熟，且工艺简单、操否则会造成炉渣结块、气化炉锁斗堵渣，同时会作简便，而GSP和Shell粉煤气化技术起步较影响气化炉内件的使用寿命。晚，工艺相对复杂，粉煤进料控制较难，但应用粉煤气化工艺要求原料煤的灰渣黏度在25后粉煤气化技术的优点仍然迅速地体现了出来,~40 Pa . s之间为最佳，这样气化炉膜式水冷壁并获得了广泛认可。才可以确保“以渣抗渣”、正常挂渣、顺利排表13 种煤气化工艺的操作参数对比渣。页目GE水煤浆气化CSP粉煤气化Shell粉煤气化粉煤气化要求依据原料煤的粘温特性曲线来气化温度/C 1 250-1 400 1450-1650 1 400-1 600 .选择合适的气化温度。气化炉温度过低，碳转化操作压力/MPa6.03.8-4.1 .3.8率过低，灰渣黏度高，渣流动不畅，容易堵塞渣设计压力/MPa6. 254.0.0口;但气化温度过高，又会使气化炉膜式水冷壁投料压力/MPa0>3.50.6~0.8上的挂渣减薄，液态渣流动速度过快，加剧对水氧煤比0.8910. 7870.74冷壁的冲刷磨蚀，缩短膜式水冷壁的使用寿命,单炉设计负荷1 8002 000/t. d-l且气化炉热损失也会增加，比氧耗、比煤耗也会相应增大。在粉煤气化装置初次运行时，膜式水操作弹性/%开车预热准备33 ~314 .50-10550~11070 ~ 120冷壁首次挂渣应选用灰熔点相对较高且结渣性好时间/h(视炉砖情况)22-3的原料煤，这样可以避免气化炉正常运行过程中开工烧嘴燃料投料成功后因气化炉温度波动导致膜式水冷壁上渣层大幅减气消耗/m3.h-1~ 100- 800开工烧嘴熄火薄情况的发生。副产蒸汽压力1.05.31相对于水煤浆气化，粉煤气化对原料煤的适/MPa8.67应性更广B，它几乎可以气化从无烟煤到褐煤蒸汽产量/t.h-'3.(80%负荷)的各种煤，尤其是对劣质煤、高灰分及高灰熔点的煤有更强的适应性。图1中，根据煤种3的粘3.2技术性能指标对比温特性曲线，其对应的操作温度范围在1340~3种煤气化技术性能指标的对比见表2。由1 495 C之间，温度范围较宽，可用于粉煤气表2可以看出:Shell多喷嘴粉煤气化工艺的渣化;煤种1和煤种2也可用于粉煤气化。中残炭最低、碳转化率最高，粗渣呈玻璃体大颗此外，粉煤气化和水煤浆气化相比，在比氧粒状，粗渣残炭很低，细渣残炭也只有2%，粗耗、比煤耗、水耗( 单炉外排废水)、能效综合渣、细渣比例为6 : 1; GE水煤浆气化粗渣、利用、检修费用及检修工作量等方面都占优势,渣中的残炭均较高，粗渣、细渣比例约为7 : 2;而且已实现了长周期、稳定运行。粉煤气化装置而GSP粉煤气化工艺，原料采用CO2输送时有的实际运行情况表明，其经济效益是明显的。效气含量最高95% (N2 输送接近90%)，细渣中的残炭最高，粗渣、细渣比例为7 : 3。同时,3气化性能参数对比还可以看出，Shell 粉煤气化工艺其有效气含量3.1工艺操作参 数对比高的同时有效中国煤化工这主要是3种煤气化工艺的操作参数对比见表1。由因为Shell下环下降管HCNMHG表1可以看出: GSP 和Shell粉煤气化工艺与GE设计合理，在所的日以s八小个水喷头，●14●中氮肥第3期使高温合成气与水发生了部分变换反应;水平多和水夹套极易受气化炉内高温的热蚀而损坏，烧喷嘴结构在气化炉炉膛内形成螺旋流场，有利于嘴寿命仅70d左右;另外，气化炉内衬的耐火水冷壁均匀挂渣，相对于顶置式喷嘴结构，更利砖在液态灰渣的热蚀、冲刷下使用寿命较短，一于煤粉在气化炉中均匀分布，形成较好流场和气般1~2 a必须更换1次，消耗大量的人力、物.化反应环境，使煤粉在炉膛内停留时间最长可达力和财力。8s，气化反应充分，从而提高了气化效率和碳GSP粉煤加压气化技术，采用组合烧嘴，通转化率，有效降低了比氧耗和比煤耗;且多个喷过法兰连接和螺栓紧固在气化炉的正上方，由点嘴分担了气化负荷和粉煤对喷嘴的磨损负担，从火烧嘴和主烧嘴两部分组合而成。点火烧嘴放置而实现了Shell 气化炉烧嘴的长寿命。另外，由在主烧嘴的正中央，点火烧嘴的外部是1个双管于Shell气化炉炉膛内良好的气化状况，粗渣比冷却水夹套，对点火烧嘴进行冷却。点火烧嘴的例高，灰渣残炭很低，使得其灰水系统的负荷也外表面同 主烧嘴的内表面之间的环状缝隙是主烧低，灰水水质优于其他气化工艺装置，沉降槽内嘴的输氧通道;输氧通道与其外面的环状输煤通灰水也较为清澈，有利于环保和节约用水。道之间是1个带有冷却水夹套的管壁;在输煤管表23种煤气化工艺技术性能指标对比道的外面，同样也是1个带有冷却水夹套的管项目GE水煤浆气化CGSP 粉煤气化Shell 粉煤气化壁。主烧嘴带2个冷却水夹套的目的是防止气化粗合成气组成炉燃烧室内的高温对主烧嘴外表面的热蚀。3根C0/% .43. 9458. 9260. 55煤粉输送管线在主烧嘴煤粉通道里的出口，均切H2/%36. 9829.1129. 60线进人环状的煤粉通道，以确保煤粉的均匀分CO2/%19. 465.614. 74布。在主烧嘴的出口，氧气呈旋流状离开，跟外CH4/10-691139.400面的煤粉充分接触进行气化反应。GSP 粉煤气化(C0+H2)含量80.92>90工艺烧嘴的使用寿命可达90d以上，但容易出(干基)/%(N2输送)(CO2输送)现烧嘴附近水冷壁挂渣不好以及烧嘴火焰角度过合成气参数大而使炉壁超温。温度/C2320606Shell粉煤气化工艺的烧嘴为两通道烧嘴，压力/MPa6.3.8.7中心喷管走煤粉，环隙走氧气，外环管为冷却水含尘量/mg.m-3 <<<1夹套，较好地保护了烧嘴，使烧嘴寿命长达1 a工艺指标比氧耗一40(33040左右;水平多喷嘴设置，在炉内部形成螺旋流比煤耗场，相对于顶置式喷嘴，不但有利于煤粉在炉膛.660600(无水无灰基)内的均匀分布，以提高气化效率和碳转化率，且碳转化率/%~9>99有利于水冷壁上半部的挂渣，避免了气化炉拱顶粗渣残炭/% .<200.9~21水冷壁挂渣不好以及烧嘴火焰角度过大引起炉壁细渣残炭/% 23 ~3030超温的情况，发生。Shell激冷环安装在渣口渣屏粗渣细渣比例7:2(湿基) 7:3( 湿基)6:1(湿基)背面，隔离了夹带灰渣的高温合成气，有效避免了激冷环的烧蚀;激冷环下部开有环形缝隙，有4关键设备对比利于激冷水均匀喷出形成水膜，且下降管内设大GE水煤浆进料是由高压煤浆泵泵送，比较小2个水喷头，有效保护了下降管。简便、安全，但也存在高压煤浆泵故障而影响生Shell 粉煤气化的粉煤给料罐给料方式为底产的情况; GE水煤浆气化工艺烧嘴使用寿命较部出料，相对于GSP气化的粉煤给料罐顶部出短，且由于水煤浆烧嘴是三通道烧嘴，中心和外料 和侧出料更加稳定。因为煤粉密相输送系统是环隙通氧气，煤浆走中间环隙，极易磨损内外喷采用压差来控制输煤量的，而GSP气化粉煤给管，造成烧嘴压差降低，继而引起烧嘴给料不料罐顶部出料力中国煤化工个媒粉对竖稳、氧煤比波动、碳转化率降低，烧嘴磨损后还直管的水平拐1HCNMH(某管线振会偏喷烧坏气化炉炉砖和内件;烧嘴冷却水盘管动，造成粉煤结唯与crN的小左似动和输煤第3期吴同舫等:大型煤化工项目常见煤气化技术性能对比●15.量波动加剧，易引起氧煤比过高而跳车，部分Shell气化炉外排废水中氨氮仅为100 mg/L，减GSP气化装置通过在系统中增加流量控制阀门和轻了公用工程污水处理系统的压力;外排灰渣中将顶部出料改为侧出料使流量波动问题得以残炭低，使污水处理更容易;灰水系统水质较缓解。好，无须大量补充新鲜水，有利于环保和节约3种煤气化工艺关键设备特点的对比见表3。用水。表33种煤气化工艺关键设备特点的对比6.结论项目GE水煤浆气化GSP 粉煤气化Shell 粉煤气化干煤粉供料,顶压力壳体及水冷(1)通过以上比较，粉煤气化技术在原料水煤浆供料，部单喷嘴， 承压壁均为Cr-Mo耐煤适用范围、比煤耗、比氧耗、水耗(单炉外顶部单喷嘴，外壳内有水冷热钢;水冷壁上覆气化炉热壁，Al2O3-壁, 喷淋激冷流有SiC/Al203 及排废水)、能效综合利用、检修工作量等方面占特点Cr203 -Zr02程,由水冷壁回SiO2/AI203,并 以.有优势，且粉煤气化炉烧嘴使用周期长，采用以耐火衬里,水收少量蒸汽;除渣抗渣;多喷嘴水浴激冷流程喷嘴外材质全为渣抗渣的水冷壁技术，不用像水煤浆气化炉- -样碳钢平设置需要频繁更换烧嘴和耐火砖，更利于长周期、稳烧嘴1台炉用1个1台炉只用1个1台炉用非顶置定运行。特点工艺烧嘴,烧组合烧嘴,烧嘴 式四喷嘴 工艺烧嘴使用时长使用时长90 d嘴,烧嘴寿命长达(2)对于原料煤的适应性，从已运行工厂及寿命70d左右以上1 a左右的情况来看，粉煤气化工艺对高灰分、高灰熔点激冷水浴激冷喷淋激冷.水浴激冷(下降管.原料煤的适应性要优于水煤浆气化工艺。方式处有粗细喷淋(3)从技术特征比较来看，Shell 气化炉得关键粉煤阀门需进气化炉工艺烧嘴益于其水平多喷嘴的结构，煤粉在炉膛内呈水平设备煤浆泵正在进 口,水冷 壁需进及内件基本已实螺旋运动，相对于顶置式喷嘴结构，更容易在水国产化行国产化口,烧嘴正在进现国产化情况行国产化冷壁上形成良好挂渣，细渣量较少。进料给料罐顶部煤粉给料罐底部出料(4)从技术性能指标比较来看，Shell 气化出料炉的水平多喷嘴结构使得煤粉在炉膛内的停留时耐火砖间较长，燃烧较为充分，实际生产中Shell下行或水冷.1~2a20a25 a壁寿命水激冷气化炉有更高的碳转化率。(5)从环保指标的比较来看，Shell 下行水5环保指标对比激冷气化炉外排废水的各项指标较好。3种煤气化工艺环保指标的对比见表4。(6)Shell粉煤气化技术由废锅流程简化而表4 3种煤气化工艺环保指标的对比来的下行水激冷流程，优化了流程，减少了投资，多烧嘴组合与单烧嘴相比，有利于煤粉在气GE水煤浆GSP粉煤Shell 粉煤项目气化化炉中均匀分布，且多喷嘴能够分担单喷嘴的负单炉外排污水总量44~52.25 ~30荷及粉煤对烧嘴磨损方面的负担，在大型化及长/t.h-1周期运行方面更具优势。300 ~ 500160 ~ 200C0D/mg.L-1100.300 ~ 400200 ~ 300[参考文献]废气量/ m2h-13 500[1] Edward Furimsky. Gasification of oil sand coke: Review [J].125随原料煤变化，废渣量/1.h-194FuelProcessing technology, 1998 (56): 263 - 290.(含碳量低) 粗渣含碳量低2] 贺永德现代煤化工技术手册(第2版) [M].北京:化从表4可以看出:相对于GE水煤浆气化工学工业出版社，2010: 569.艺，粉煤气化I艺的废水排放量较低，废水中的3]郭小杰，李文艳，张国杰现代煤气化制合成气的工艺主要指标一氨氮及 COD含量相对较低，其中中国煤化工MYHCNMH G