煤气化技术发展动向

第39卷第5期化工设计通讯2013年10月Chemical engineering design communications专论与综述煤气化技术发展动向唐宏青(北京中科合成油工程有限公司,北京101407)摘要:介绍煤气化技术概况。论述近期煤气化技术发展的六大特点,即从装备国产化走向工艺技术国产化,单元技术进步引导全生产线“安稳长满”运行,单炉规模大型化,气化炉内操作压力提高,原料向褐煤发展,气化后两种流程可以组合。提岀选用煤气化技术的七项原则:以煤定炉,优先考虑气流床,气化炉规模适中,力求技术成熟、投资低、环保,超大型煤化工裝置需要备炉。煤气化技术的选择决定了全装置运行状况的好坏。关键词:煤气化;技术动向;选择依据中图分类号:TQ546文献标志码:B文章编号:1003-6490(2013)5-0001-05Development of Coal gasification TechnologyTANG Hong-qingSynfuels China Engineering Co, Ltd. Beijing 101407, China)Abstract Generally describe status of coal gasification technology. And discuss six characteristicsrecent coal gasification technology development, w hich including developing process technologylocalization from equipment localization, unit technological progress guiding whole production lineoperation in the condition of safety stability, long period and full load single gasifier being developedtowards large scale one, gasifier operating pressure being increased, lignite tending to be used as theraw coal, both processes would be combined after gasification process. Propose seven principles oselecting gasification technology as follows: selecting gasifier type according to coal ty pe; firstconsidering selection of the entrained-flow coal gasifier the size of gasifier should be moderatesecuring gasification technology to be mature; reducing investment: environmental protection; largecoal chemical plant needs standby gasifier Gasification technology is key factor in determining w holeplant operation in good conditionKey words :coal gasification; technology development trend technology selection principle煤气化技术现状段炉技术、清华炉技术、多元料浆技术等煤气化技术,并且在工业中应用众所周知,煤气化是煤化工的关键技术,是煤气化就是把煤变成容易进一步加工的合成决定煤化工产品是否能够工业化的基础。因此,气,煤气化工艺可以分为三个工序:备煤、气煤气化技术受到化工行业的广泛关注。一百多年化、粗煤气和炭黑水处理。最终出口应该是含有来,国内外开发的煤气化技术有上百种,目前在中国煤化工心图工业上能够立脚的大约有十几种CNMH,学术界和工业界有近年来我国在煤气化技术的开发上有所建所不同,工业界从进料形态出发,基本上分为水树,开发了多喷嘴水煤浆技术、航夭炉技术、两煤浆气化、粉煤气化和碎煤气化三类。而学术界收稿日期:2013-09-09作者简介:唐宏青(1941-),男,上海人,教授级高工,中科合成油工程有限公司顾问化工设计通讯第39卷则根据物料流动机理分为气流床、固定床和流化根据进料的位置,每一种方法可以分为向上床三类。喷射(上行)和向下喷射(下行)两种形式这些方法归结起来,可以用图2来表示,图备煤卩媒粉合成气碎煤气气化洗涤的走向为自左至右,图的左边是各类方法的集水煤浆黑水合,右边则是后续的气化工艺,有废热锅炉和水激冷两大类,图中列举的技术包括了目前绝大部图1煤气化原则流程图分新技术Shell废热锅炉段炉(热工院)、一[废热锅炉五环炉(四院)航天炉(航天部)GSP, CHORENShell-惠生东方炉(华理)粉煤灰融聚(煤化所)流SES床喷废热锅炉恩德炉合成气处理工艺KBRGE-Texaco四喷嘴(华理)激冷水煤浆气流床一喷非熔渣熔渣(清华多元料浆(西北院喷E-GAS废热锅炉固废热锅炉煤BGL. YM图2各种方法气化煤气化流程图2近期煤气化技术发展的特点艺技术采用国外的,设备由国内自己制造。经过二十年的努力,许多复杂的化工非标设备可以在尽管开发煤气化工艺是很困难的,但由于国国肉库别昱反应嬰,包括现场组装技术内外研究机构在国家和企业的支持下,经过长期例中国煤化工8001的费托合成反应坚韧不拔的努力,开发了不少煤气化工艺,其中器CNMH〈反应器等。有一些工艺已经比较成熟,有的方法很有成效由于国内煤气化技术的发展,国内开发的煤(1)从装备国产化走向工艺技术国产化气化技术,如航天炉干煤粉气化、多啧嘴水煤浆上世纪80年代国家提出的“化工装备国产气化、两段炉干煤粉气化、清华炉水煤浆气化化”已经基本实现。当时提出这个目标时认为工(热壁和冷壁)等等,均在煤化工企业成功应用第5期唐宏青:煤气化技术发展动向现代煤化工工艺中的煤气化技术可以采用国内技对于气化后合成气加工压力较高的工艺,气化压术,从而实现“工艺技术国产化”。这是一个很力高自然能够节能。以甲醇为例,压力提高到大的飞跃,是化工技术的巨大进步,带动了国内8.7MPa后,有可能实现等压合成。但是气化炉经济的发展压力高后,在有的情况下会产生不利的影响,例¨工艺技术国产化”的最大优点在于节省了如原料煤输送难度加大、甲烷含量高、污水增昂贵的专利费,培育了国内自己的煤气化人才。加、气化炉结构复杂等。对于气化后加工不需要(2)单元技术进步引导全生产线“安稳长很高压力的情况,气化压力以适宜为止满”运行因此,对于不同工艺,气化压力应该有一个在衡量煤气化技术的进步时,目前通用的办适宜值。法是外商提出的一台炉连续运行多少天,通常认目前正在运行和设计的气化装置,气化压力为连续运行100d就标志着这个气化技术已经过是,水煤浆实现4.0、6.5、8.7MPa运行;干关。这个说法有一定道理,连续开一百天确实不煤粉实现4.0MPa,设计6.0MPa;固定床碎煤易,但与我们传统的设计理念有些不同。我们传气化实现4.0MPa,设计6.0MPa;流化床实现统的设计理念是年操作8000h,一年停车通常也0.6MPa,在建设计4.0MPa只是一二次。在许多情况下,化工装置的停车不(5)原料向褐煤发展是由煤气化停车造成的,因此必须使配有煤气化褐煤的化学反应性强,在空气中容易风化,工艺的整个生产裝置实现“安稳长满”运行,这含有可溶于碱液的腐殖酸,不易储存和运输,挥样才能保证煤气化技术的可靠性,而不仅仅追求发成分大于40%,水分大,含碳量60%~77%煤气化炉连续开多少天密度为1.1~1.2,热值在10.5~16.7MJ之间2012年,以水煤浆气化为龙头的伊泰合成由于褐煤的内水高、可磨性差,磨制的水煤浆浓油厂达到设计产能160kt,运行348d,实际产度低、气化效率低,能耗(煤耗、氧耗)偏高,影量171.6kt。在“十一五”的九个示范厂中,响了在煤气化领域的使用运行较突出,真正做到了“安稳长满”运行。该通常,褐煤的制浆浓度只能达到48%。使装置中多元料浆煤气化工艺做到了“安稳长满”用球磨机或棒磨机制备的水煤浆平均粒度为50运行,从而为全装置的运行创造了条件。100m,达不到微细程度,无法实现高固体堆此外,在其他装置中,近千吨级的航天炉和积密度和优化级配,也无法破坏煤中的结合水。千吨级的壳牌炉也有类似业绩。近期有报道,国内对褐煤制水煤浆做了大3)单炉规模大型化量的研究,用物理法和化学法打破褐煤中的含水单台气化炉的规模,以前是在500~2000t/d官能团,采用干法优化级配制备水煤浆,实现了之间,太小和太大运行都困难。其中小型气化炉水煤浆平均粒度小于10gm和优化级配,从而破(1000t/d及其以下)能够实现年运行8000h;中坏了褐煤中的毛细管水和化合水,使褐煤的不流型气化炉(1500~2000t/d)部分实现年运行动水转化为流动水,制备出了浓度达60%的褐8000h;大型气化炉(3000t/d)正在运行中;超煤水煤浆;开发出新型制浆添加化学药剂。整套大型气化炉(4000t/d)正在设计技术工艺简单、流程短,每吨浆成本仅98元,炉子大的优点是运行费用省,单位产品的投产生的有效气体含量可达73%资少,因此许多人推荐单炉规模的大型化。但是但是,对于褐煤制浆的问题,是在中小规模缺点是一旦停车,损失比较大。所以,多大规模情况下的硏空结果,超大规模制浆的浓度能否达合适,应该有一个最佳适宜值。对这个问题有不中国煤化工否达到60%,还没有同的看法,有人主张单炉超大型化,有人主张做CNMHG到适当大就可以了添加剂能否规模化生产,也需要研究。如果(4)气化炉内操作压力提高添加剂的制造工艺很复杂,大规模生产难度很目前,各种在线的气化炉操作压力在0.1~大,也是不合适的8.7MPa之间,其中水煤浆气化炉的压力最高煤化工原料是否应该用褐煤,在国内是有争化工设计通讯第39卷论的。近期有人提出,煤化工应该尽量使用优质会给用户带来误导。到炉子建成了,当地的煤不煤作原料,以减少投资和污染。这个意见在理论合适,这时候就骑虎难下了上是正确的,但是面对地方发展经济的愿望,在煤气化技术的选择要“因煤制宜”,在确定只有褐煤的地方如何办,这确实是个难题。煤种以后,仔细分析用何种煤气化技术为宜,利有一点可以肯定,煤气化使用褐煤是无奈之与弊都要认识清楚。世界上没有一种煤气化技术举,而不是先进之举。可以放之四海而皆准,现在再也听不到某某气化有人提出将褐煤分质利用,得到半焦再气炉适合任何煤种的说法了化,这个主意不错,但要有人去实践,光凭推测有的时候仅仅根据煤的分析数据来确定气化是不够的,目前没有实践经验。炉的形式是不够的。在初步确定气化炉的形式(6)气化后两种流程可以组合后,还要对煤进行试烧,试烧有时会得到相反的在大型煤化工装置中,气化炉的台数很多,结论。这个问题在近期已经出现难忘的事例,有可以采用两种不同类型的气化炉。事实上,这往的业主在根据煤的分析性质、数据初步确定气化往是气化后流程上的需要,也就是激冷流程和废炉的炉型后,后续的设计进行太快,一旦原料煤锅流程的组合,试烧不合格,需要修改炉型,前功尽弃激冷流程设备简单,投资低,系统运行连贯“以煤定炉”是个原则问题,一定要坚持。性强,操作费用低、产物中水蒸气含量高却能位(2)优先考虑气流床低,适合于全变换系统。气流床具有煤种适应性强、反应物在炉内停废锅流程的工艺和设备复杂,投资高,系统留时间短、气化温度高,岀口气体中酚和焦油的运行连贯性差,操作费用高,产物中水蒸气含量含量低或消失,污水的处理简单、出炉煤气的组低,但能另外产生能位高的水蒸气,适合少量部分以CO、H2、CO2和H2O为主,CH4含量很分变换系统低,煤气产品中有效成分高等优点,在选择气化两者结合后既能够得到一些中压蒸汽,又可方法时被优先考虑。以满足合成气对水汽比的要求,两者的优缺点互在以氢气、醇、油为产品的的工艺路线中,相弥补。当然,这给将来企业管理造成的麻烦比用粉煤和水煤浆技术气化较为合理;而在以甲烷较多,这也是情理中的事。为主产品的工艺路线中,用碎煤气化技术较为合今后大型煤化工企业,在一套装置中可能会理;原因是碎煤气化温度低,产物气体中甲烷含出现两种或以上的煤气化技术。从工艺上来说,量较高,例如鲁奇炉出口气体中含8%6~10%的这样做得到了优化,从管理上来说,这样做制造甲烷。但是在国外,对这一观点持否定态度,美了麻烦。国以前煤制气的规划中,就认为污水处理的投资3选用煤气化技术的原则太大而否定鲁奇炉笔者认为不要全面否定鲁奇炉。鲁奇炉适合煤化工裝置建设中,煤气化选用什么技术,气流床不能采用的部分煤种,能否在鲁奇炉后面过去是由设计院确定,现在则是由业主确定增加二段气化3,通入氧气进行非催化部分氧化选择煤气化方法的技术原则在业主内部往往(或催化部分氧化),将有机物烧掉,环保问题就争论不休。这是由于各种煤气化技术都有优缺可以解决。当煤种不适合气流床时,为什么不可点,支持者的视角不同,专利商的宣传手段不以这样做呢?这个方法在国内已经有专利,我们同,会有不同的推论。业研空单位是不可以做这样的试验?是否可(1)以煤定炉中国煤化工煤的品质包括灰熔点、灰含量、粘度、挥发CNMH奇炉将焕发出新的活分、内水含量等。一定品种的煤适用于一定形式力的气化炉,这个原则就叫“以煤定炉”(3)气化炉规模适中近年来国内外一些气化技术推销商,过分夸煤气化的单系列不是越大越好,过大的单系大自己炉子的优点,不断降低煤的品质要求,这列将造成运行困难,一旦由于本身或后续流程停第5期唐宏青:煤气化技术发展动向车,损失巨大表1不同煤气化气化岛投资的比较以目前的运行数据来看,单台气化炉的能力项目投资比较/%在1000t/d左右有较好的业绩。对于大规模装水平喷射式气流床废锅流程(She)150-170置,可以单台能力大一点后多台设置。但是单台下喷式气流床激冷流程(航天炉)110~120能力也要有上限,200030004004,多少水煤浆气化气流床激冷流程(多喷明,清华炉105~110水煤浆气化气流床激冷流程( Texaco、多元料浆)才合适?笔者建议在1500~2000t/d为佳(4)力求技术成熟作投资比较时,还要规定相同的制造条件,成熟技术能满足“安稳长满”运行。化工企国产化与国产化比,引进与引进比,还有地区的业要求全装置年运行8000h、负荷100%,设计差别:南方与北方、发达地区与边缘地区等,否指标就是按照这一个要求来定的。则没有意义。表1的数据不是十分严格,只能定传统水煤浆气化( Texaco)、多喷嘴、航天性。废锅流程的投资不是增加一点点,而是很大炉、鲁奇气化技术,它们(包含备炉)都有不断提块,显然,在没有必要采用废锅流程的时候高的运行记录。壳牌气化在经过国内不懈的努尽量避免采用废锅流程,从而降低投资。力以后,运行时间也有很大提高。上述这些技术(6)高度重视环保中,规模小的运行情况比较好,规模大的目前不煤化工是髙能耗、高水耗、髙排放、高污定能够达到,考虑备炉是必须的染、低效益,即“四高一低”行业;三废处理问正在引进的KBR和EGas,尽管在国外已用题严峻;煤化工生产中的“三废”主要是指废于发电,但是还不能称为成熟技术水、废气浮尘和废渣等固体废弃物。可以肯定近年来有一个不正常现象,就是不同气化炉就目前的技术而言,煤化工不是低碳经济。开发商在PK一台炉的运行时间多少天,看谁创废”中含有许多有毒有害物质,如果这造记录,这与化工装置的设计要求不一致。化工些物质没有经过妥善处理而排放到环境(大气装置要平稳运行800ha、平均负荷100%,这水域、土壤冲中,会对环境产生严重污染,不仅样才能达到规定的年度产量,不是体育比赛夺得会做坏生态平衡和自然资源,而且会威胁工农业金牌就好生产和人民身体健康。(5)投资低碎煤类煤气化技术的气化温度比较低,反应煤气化的技术复杂,设备众多,投资也大后气体中的焦油和酚含量比较高,污水量大,处在煤化工装置中往往占有较大的比重。理困难。在比较不同煤气化技术投资的时候,要设定水煤浆气化的优点是可以用污水制浆,气化温度比较高,因此相对来说是污染最小的煤气化事物比较的起点和终点。局部进行比较,例如单技术,不含酚和焦油,目前不可能做到“学术语独比较气化炉的投资,是没有意义的。通常我们言”所说的“零排放”或“近零排放”,总有剩用气化岛这个名称来说事,因此应该对气化岛的余的污水。切实解决煤气化的污染问题,需要更含义作出规定。岛”这个说法是电力行业带过来的,类似新的技术和大量的投资。(7)超大型煤化工装置需要备炉于化工行业的工段、工序,是大规模煤气化单元超大型煤化工装置往往需要数量可观的气化的意思。气化岛包括磨煤、煤粉输送、空分、气炉,十台、二十台甚至更多。这就产生一个问化炉、废热锅炉、激冷、除渣、除尘、洗涤、合成气净化等装置,初步水处理、污水处理等各单中国煤化工用备炉,国内的实践证元和公用工程系统。岛的人口是进厂的煤,出口CNMH(8000h和年设计产是进入下一工艺单元的合成气、燃料和蒸汽能的。现在围绕究竟几备一才合适,国内有不同不同的煤气化技术气化岛投资的差异很大,的意见。通常“干法进料十废锅流程”的投资要高于“湿可以这样认为,不同气化炉、不同的规格法进料十激冷流程”。见表1“几”可能不同(下转第11页)第5期邰学林:复合粉煤气化技术介绍计算依据煤价按300元/t(13.2MJ);电价其他消耗基本相同。按0.4元/(kW·h),氧气价格按0.5元/m3计算经计算,吨氨节约成本155元。采用复合粉煤气化技术比循环流化床气化技加压气化节约的水煤气压缩功耗价值低于增术吨氨降低成本495元。加投资所带来的费用,且可靠性、稳定性和连续在不计环保、热回收效益时,全年降低成本操作时间大大优于加压气流床粉煤气化,如果加4950万元。还彻底解决环保污水治理、飞灰、压气流床不设备炉,由于操作不稳定,效益更炉渣的污染问题。差(3)和干粉煤加压气流床相比,合成氨成本也要低100元左右。5结语以年产300kt合成氨测算,吨氨节约成本复合粉煤气化技术解决了目前煤气化技术对175元,和水煤浆气化相比效益更好。原料煤要求高、煤种变化适应能力差、原料处理最先进的气流床(干粉煤4.oMPa气化)气化系统和炉渣、渣水处理系统复杂、煤气化炉和煤装置投资6亿元,折旧和维修费用达到250元/t粉烧嘴技术要求高、投资高、运行周期短等诸多左右,煤耗、蒸汽消耗基本相当。浄化压力技术难题,具有原料适应能力强、安全、环保,3.5MPa和常压气化相比,节约电耗250kW·h/t节能、可靠、投资少、生产控制简单、消耗低、左右,电价按0.5元计算,相差125元运行周期长等优点,可广泛用于合成氨、甲醇以复合粉煤气化装置(2开1备)投资2.5亿及煤制油等煤化工领域,特别适合于以无烟块煤元。折旧和维修费用100元t,氧耗低60m3/t,为原料的中小化肥企业和以褐煤为原料的煤化工干燥、粉碎能耗比干粉煤气化低100元/以上,企业技术改造。(上接第5页煤气化技术,心甘情愿地为外商做工程化试验以水煤浆为例,目前千吨级以上的炉子以二大型煤气化企业选择气化方法,过去是由设备一或三备一为宜,这已经有了丰富的经验,再计院承担,现在由企业自己决定,通常设计院不大炉子的备数还缺乏实践经验。炉子是要维护对此提出异议,企业给设计院提供工艺包便是的,维护的强度该是多大,目前没有一个准确的近年正在建设的大型煤气化项目中,大多数经验值项目的煤气化技术选择得比较合理,为新工艺的有人主张炉子备能,即不单独备炉,每台炉成功运行奠定了基础,例如费托合成的煤制柴子只开设计能力的80%,五台炉子相当于备了油、MTO甲醇制烯烃两个示范厂的顺利运行台。这实际上是不同的说法,就是四备不可否认煤气化技术的选择合适为其奠定了基这个问题应该由目前的生产企业好好总结。础。但是有的项目并不完全是这样,煤气化技术目前典型的例子是2000t级CSP炉四备选择不佳拖了全系统运行的后腿开车两年没有达到设计能力方法的选择不是对与不对的问题,而是合理笔者认为,如果一个企业每天都在修炉子,与不合理的问题,将来的历史会证明:实践是最说明已经没有余地了,一旦有应急的情况,只能好的回答。减产。因此,备炉也需要有合适的数量4结语TYH中国煤化工CNMHG代殊途同归[N].中国化工中国煤气化技术的进步是有目共睹的,设报计、制造、安装和生产都有成套的经验,说世界2]于孟林,褐煤制备高浓度水煤浆实现重大突破[N].中国能源报,2013-07-08第一并不过分。现在有的企业不信这一点,凡事3]上海国际化建工程咨询公司,鲁奇炉后加非催化纯氧转化外国的好,继续引进国外化工上没有成熟经验的制合成气,专利号:L200710037578.4[P]