煤气化技术及气化炉的应用

CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2011,21(3)煤气化技术及气化炉的应用赵麦玲·上海寰球石油化学工程有限公司上海200032摘要介绍煤气化工艺技术、气化炉的特点、适用煤种以及国内应用情况关键词煤气化技术气化炉煤种应用能源短缺和环境污染制约经济发展,我国有(2)鲁奇( Lurgi)固定床气化工艺成熟可靠丰富的煤炭资源,以煤为主要能源,煤炭资源消气化温度900~1050℃,包括焦油在内的气化效费约占总能源消费的75%。率、碳转化率、气化热效率都较高,氧耗是各类煤气化是洁净、高效利用煤炭的主要途径之气化工艺中最低的,原料制备、排渣处理成熟。在将煤炭转变为更便利的能源和产品形式的煤气热值是各类气化工艺中最高的,它最适合生各种技术中,煤气化是优先考虑的加工方法。城产城市煤气。若选择制合成气存在以下问题:①市煤气、化工合成用原料气、联合循环发电用燃煤气成分复杂,合成气中含有甲烷7%-10%,如气和综合利用系统是煤气化发展和应用的主要果将这些甲烷转化为H2和CO,势必增大投资方向。成本高;②有大量污水需要处理。污水中含大量煤的气化技术有几十种,但可归纳为三大类:焦油、酚、氨、脂肪酸、氰化物等,因此要建焦固定床气化、流化床气化和气流床煤气化技术。油、酚、氨回收装置和生化处理装置,会增加投现从气化炉炉型、技术参数、原料煤的要求、资和原材料消耗;③该气化技术需15~50mm的块应用情况等方面对三类技术分述如下。煤。块煤价格高,将增加成本。1固定床气化技术(3)BCL炉是在鲁奇( Lurgi)炉基础上的改进型,由固态排渣改为液态排渣,该气化炉可直1.1气化炉接气化含水量大于20%的煤,在1400~1600℃高固定床煤气化技术主要有间歇固定床气化炉温气化条件下,蒸汽用量可大幅下降,(UGI)、鲁奇(Lugi)炉和BCL(鲁奇改进)气的蒸汽在气化过程中分解,不仅提高了气化效率,化炉。而且使气化废水量减少80%以上,可降低脱酚(1)UGI常压固定床气化技术的优点是操作简脱氨装置的规模,减少废水的排放量。该炉体结构单、投资少,但技术落后,能力和效率低,污染简单,采用常规压力容器材料和常规耐高温炉衬严重,以常压42650的气化炉为例,单台炉投煤及循环冷却水夹套。量仅为60U/d,且原料为25-80mm的无烟块煤或12技术参数焦炭。3种固定床气化炉技术参数见表1。表13种固定床气化炉的技术参数气化CO+H2,单台炉加煤量排渣方式专利商CO +H,)22x1051000固态排渣德国BGL1400-16002.5-4.99.5(19-23)(4.6-48)1200液态排渣英国UGI950-125068-7259-62固态排渣注:比煤耗、比氧耗的数量仅作参考,主要与所用煤种的煤质有直接关系。·赵麦玲:高级工程师。1986年毕业于太原理工大学无机化工专业。一YHa中国煤化工NMHG8063,150017056932011,21(3)赵麦玲煤气化技术及气化炉的应用1.3原料煤要求使用含水12%以下的≤10mm的粉煤,气化炉温度3种固定床气化炉对原料煤的要求和适合煤种控制在100-1050℃,气化炉底部为特殊形状的见表2。锥形,以布风喷嘴取代了炉蓖,在气化炉出口有表23种固定床气化炉对原料煤的要求和适合煤种旋风除尘器和返料装置,旋风除尘器后是废热锅化炉型对原料煤的要求适合煤种炉,减少了煤气中带出飞灰对废热锅炉炉管受热15~50mm粒煤,灰含量小于Lnp25%,抗碎强度>65%,热稳定性烟煤煤、长焰煤和面的磨损。不足之处是常压气化,气化效率和碳转化率有待提高。BCL煤的灰熔点1400-1600℃泥煤、褐煤、烟(2)U-CAS技术来源于美国SES公司,主要无烟煤、不粘结定位于劣质煤的气化,对高灰煤、高硫煤和高水UI25-50mm的煤块或煤球、煤棒。烟煤、焦炭、煤份煤的气化有较大的优势。气化压力0.251.0MPa,单台炉处理煤量300~1200td,原料煤1.4国内应用情况粒度为≤6mm,气化温度控制在950~1050℃。原采用固定床L气化炉的有山西天脊集团化料煤在二氧化碳气体的压力下进气化炉,与从炉肥厂和哈尔滨气化厂等13个厂家共254台;采用底部进的氧气和水蒸汽等气化剂进行反应,生产BCL气化炉的有内蒙古金新化工股份有限公司和合成气,并从炉顶出来。反应后的渣从炉底的分云南解化集团等共5台;采用UC气化炉的有晋级器排出,并经灰冷器冷却卸压排放。炉顶出来煤集团晋丰煤化工公司和丰喜集团华润煤化工公的合成气经两级旋风除尘器,分离出来的尘粒返司等4个厂家共66台。回气化炉再次气化,以提高碳的转化率。合成气如今国家原则上已不允许新建固定床气化炉。经废锅回收热量后,经高效旋风除尘器进一步除尘,减少合成气中的粉尘含量2流化床气化技术(3)灰熔聚流化床技术是中科院山西煤化所开2.1气化炉发的煤气化技术,气化压力分别为03MPa、0.5MPa、1.0MPa,单台气化炉处理煤的能力为流化床气化技术主要有恩德气化炉、U-GAs100-500d,目前有企业采用该技术气化炉和灰熔聚气化炉等。(1)恩德炉由温克勒气化炉演变而来,来自2.2技术参数朝鲜,目前主要用于生产燃料气和合成氨等。适3种流化床气化炉的技术参数见表3。应于褐煤、长焰煤等,对煤的灰分不是特别敏感,表33种流化床气化炉的技术参数冷煤气kg/Nm3加煤量排渣方式专利商)(co+H2)(CO+H,)恩德1000~1050常压6(1.9-2.1)x1055.8×103500-600固态排渣江宁恩德U-GAs950-10500.25-1.068-7488-95(32-3.6)×10(5.7-64)×1030-120团态排渣$s灰熔聚100-100005.m08733.67×1055.53×103100-500固液态中科院注:比煤耗、比氧耗的数量仅作参考,主要与所用煤种的煤质有直接关系。2.3原料煤要求表4流化床气化炉对原料煤的要求和适合的煤种流化床气化炉对原料煤的要求和适合的煤种适合煤种见表4。内水无要求,灰含褐煤、长焰煤U-CAs量低于4%,≤6加m煤料。不粘结烟煤2.4国内应用情况中国煤化工,据媒,长煤采用U-GAs流化床气化炉的有埃新斯(枣灰始YHCNMHG褐煤、长焰煤庄)新气体有限公司和义马煤业综能新能源有限烟煤、无烟煤CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2011,21(3)公司等两个厂家共5台;采用恩德流化床气化炉的(4)多喷嘴对置式水煤浆气化技术是华东理工有吉林长山化肥厂和黑龙江黑化集团等10个厂家大学与山东兖矿合作开发,属国家863计划开发项共14台;采用灰熔聚流化床气化炉的有陕西城固目,已于2005年在兖矿国泰工业示范装置成功运化肥厂和天津碱厂等7个厂家共16台。行4年,各项指标均达到设计要求。该技术采用水3气流床气化技术煤浆进料,气化温度与德士古相同。(5)两段干煤粉加压气化炉是西安热工院研3.1气化炉究开发的煤气化技术,该气化炉炉膛采用水冷壁典型的气流床气化技术,国外有美国德士古结构,分为上炉膛和下炉膛两段。下炉膛是第(现属于GE)公司水煤浆气化( Texaco)炉、荷兰反应区,用于输人煤粉、水蒸汽和氧气的喷嘴设壳牌(She)粉煤气化炉和德国西门子公司的在下炉膛的两侧壁上,渣口位于下炉膛底部,采GSP粉煤气化炉,国内有多喷嘴对置式水煤浆气化用液态排渣。上炉膛为第二反应区,高度较高,炉、两段干煤粉加压气化炉、国产新型四喷嘴干在上炉膛的侧壁上设有二次煤粉和水蒸汽喷嘴。煤粉加压气化炉、多料浆单喷嘴顶置气化炉(MC运行时,由气化炉下段喷入干煤粉、氧气以及蒸SC)和HT-L航天炉。汽,所喷入的煤粉量占总煤量的80%~85%,在(1)水煤浆气化技术是美国德士古( Texaco)上炉膛喷入水蒸汽和煤粉,所喷入煤粉占总的公司开发的。该技术的特点是:气化温度1250~15%-20%。上炉膛的作用:其一是替代循环合成160℃,对煤的适应性广,灰熔点要求低于气使温度达到140℃c的煤气降温至约90℃;其二1350℃,煤的可磨性和制浆性好,制得浆浓度高于是利用下炉膛的煤气显热进行煤的热裂解和部分60%。单台炉处理煤量大,生产能力高,气化压力气化,以提高总的冷煤气效率和热效率范围大(4.0MPa、6.5MPa、8.7MPa),合成气压(6)国产新型四喷嘴干煤粉加压气化炉是华缩功省。东理工大学开发的煤气化技术,与水煤浆相比(2)壳牌气化技术是荷兰壳牌公司开发的气粉煤加压气化系统对仪表有更特殊的要求,其安化技术。该技术采用纯氧、蒸汽气化,干粉进料,全连锁控制指标更高。气化温度1300-1600℃,原料煤适应性广,气化温度达到1400-1600℃,压力3.0MPa、4.MPa,有效气成分为89%气化压力40MPa,碳转化率高,有效气成分(C0-93%+H2)高,采用特殊的水冷壁气化炉,使用寿命(7)多料浆单喷嘴顶置气化技术(MCSG)是长,缺点是气化压力不能太高,设备结构复杂,由西北化工研究院开发的大型煤气化技术,在完专利费高。成中间试验和工业化示范试验基础上,于2001年自1976年以来,壳牌公司先后在荷兰阿姆斯实现工业应用。该技术采用湿法气流床气化概念特丹、德国汉堡和美国休斯敦建成3套煤气化中试以煤、石油焦、石油沥青等含碳物质和油(原油、和示范装置,在取得大量的数据和操作经验后,重油、渣油等)、水等经优化混配形成多元料浆首次应用于荷兰布根伦250MW整体煤气化燃气-料浆与氧通过喷嘴混合后瞬间气化,具有原料适蒸汽联合循环发电工厂,气化装置的设计能力为应性广、气化指标先进、技术成熟可靠、投资费单台炉投煤量2000yd,气化压力28MPa,于用低等特点,整套工艺以及料浆制备、添加剂技1993年开始投入运行。术、喷嘴、气化炉、煤气后续处理系统等已获得8(3)GSP是德国西门子公司的粉煤加压气化技项国家专利。目前,多料浆气化技术已在十多套术,采用干粉煤进料,纯氧、蒸汽作为气化剂,工业装置上应用,包括300ka合成氨、200气化温度可达1350-1750℃,碳转化率99%,有600k/a甲醇和500k/a煤制油装置,已有3套工效气体成分与Shel类似,釆用液态排渣,气化炉业装置平稳运行。采用水冷壁,内部没有耐火砖。水冷壁使用寿命干怕具陌館干+一所借鉴荷兰达到10年,气化炉下部采用激冷流程,比 Shell炉Shll中国煤化工化工艺先进经造价低,煤种适应广。国外在20世纪80年代曾运验,画CNMHG气化炉而形成行一套处理煤量750u/d的工业装置。的一套结构简单、有效实用的煤气化工艺。该工2011,21(3)赵麦玲煤气化技术及气化炉的应用艺煤种适应性广,从褐煤、烟煤到无烟煤均可气粉喷入的方向有一些改变。目前的技术所有者为化,对于高灰份、高水分、高硫的煤种同样适用。北京航天万源煤化工工程公司烧嘴设计同GSP,采用单烧嘴顶烧式气化,气化炉32技术参数采用 Texaco激冷工艺,气化温度1400~1600℃气流床气化炉的技术参数见表5。气化压力20~40MPa。该炉的烧嘴是原航天十所自己制造,与德国GSP气化烧嘴相似,只是煤表5气流床气化炉的技术参数操作CO+H2碳转冷煤气g/Nm3加煤量排渣方式专利商(CO +H,)气化炉1250~1604.0、65、80809870-764.2x1036.3x105液态排渣美国GE气化炉0>909980-853.37×1035.25x1052000液态排渣荷兰壳牌csP1350-17504080980-833.6×06.75×10200液态排渣北京态斯1250~16004.0、6583~869880.3-38)(5.3-60)10液态排渣华东理工14013-6580-8695-9876(33041)(4.3:2)70-180液态排渣m喷嘴干300-160030、4098-9998-9984(30-32)(5.3-5.4)360-1080液态排渣矿集团航天炉1400-160020-4080-83(3.3-3.6)(49-60)2000液态排渣3.0-4.0>909983(3.0-3.2)(5.3-5.4)60-1080液态排渣气化炉1∞0热工院注:比煤耗、比氧耗的数量仅作参考,主要与所用煤种的煤质有直接关系3.3原料煤要求气化炉对原料煤的要求和适合的煤种见表6。表6气化炉对原料煤的要求和适合的煤种气化炉型对原料煤的要求适合煤种Teramo气化炉灰含量低于8%,内水低于4.5%,灰熔点一般低于130℃,哈氏可磨系数50~65,粘度800-1200cp6大部分的烟煤Sh'化炉灰熔点一般低于1450℃,硫含量低于2%,灰含量低于15%无烟煤、烟煤、褐煤、石油焦等所有煤种,包括高灰煤、高硫煤。灰熔点一般低于1500℃煤、褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤等四喷嘴水煤浆灰含量低于8,肉水低于45角;灰点拉般低于13哈大部分的烟煤多料浆单喷嘴料浆灰含量低于8%各种煤和石油焦及油料混合物四喷嘴于煤粉加压气化炉适应性强,灰含量低于2%各种煤和石油焦HT-L航天炉煤粒度:20-90μm,灰含量低于25%褐煤、烟煤、无烟煤等。两段干煤粉加煤的灰熔点低于1350℃,挥发份不高于25%,内水低于15%況煤、褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤、石油焦等3.4国内应用情况中国煤化工石化岳阳壳牌采用GE-Tm5流床的有山东兖矿集团鲁媒气CNMHG媒化工公司等南化肥厂和上海焦化厂三联供等28个厂家共74(下转第50真)CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2011,21(3)和其它构建物抗震规定的推荐做法(FEMA)》的增加了对地基和应急能源检查的内容。新标准规规定。定对于每个设备的支撑系统或地基,应至少每年2.7管道系统及其组件规定检查一次,对失效的地基应及时修理。而对于应2009版标准将管道系统分为三种类别急能源,则应至少以月为周期检查其是否能正常(1)由LNG储罐支撑的管道系统,安装在紧≤行,并应每年检查应急能源是否能在站场紧急急切断阀上的管道系统以及消防管道系统。事件中提供足够的能源。(2)可燃气体或LNC工艺管道系统200版对船舶装卸的操作也做了修订。标准(3)其它管道系统规定,对于每个在装卸区内或其附近的LNG设备该标准对每个类别的管道系统的抗震设计做都应建立一个描述应对其可能发生事故的预案。出了详细的说明。新标准规定,应对管道系统进在装卸LNG之前,应完成检查装卸管道及设备的行等同于ASCE7规范的静态或动态分析,并在载完整性,检查压力、温度、货轮容积参数等,确荷的计算中,应考虑OBE、SE及设计地震载荷与保转运操作的安全性。其它载荷的叠加。在管道应力分析模型中,应考3结语虑支撑对管道的限制作用通过比较NFPA59A新旧版本,可以了解美国2.8LNG和制冷剂转运LNG相关标准的发展动向和技术要点,为我国在LNG和制冷剂的转运标准中,新标准增加LNG标准的修订提供借鉴,改善我国LNG标准的了船舶装卸的码头设计要求。它规定码头的设计制定相对滞后的局面,保证我国LNG产业健康应该包含下述注意事项:①波浪的特性;②风的发展。特性;③潮流的方向;④海潮的变化;⑤码头的水深;⑥承冲靠船架的布置;⑦船舶停靠速度;⑧参考文献船舶停靠角度;⑨最小拖拽马力要求;①靠船墩1NFPA59A-2009,液化天然气(LNC)生产、储存和装运的安排。并规定在船舶装卸过程中,船舶装卸区标准[S]域严禁火源。2NFPA59A-2001,液化天然气(LNG)生产、储存和装运标准[S]2.9操作、维护以及人员培训3GB5008-2006,城镇燃气设计规范[S]对ING站场的日常运行、维护以及人员的培4皇甫立霞,郭开华.液化天然气场站安全技术标准规范及训,2009版标准也做了修改,增加了相应的条款发展动态[刀].化工学报,2009,60(S1):11-152009版标准对维护手册的说明进行了修订,(收稿日期2010-09-28)(上接第9页)19个厂家共27台;采用GSP西门子气流床气化炉团和内蒙古世林化工公司等两个厂家共4台。的有神华宁煤集团有限责任公司等3个厂家共94结语台;采用新型四喷嘴水煤浆气化炉的有安徽华谊化工有限公司和兖矿国泰化工有限公司等13个厂面对国内煤化工行业众多的煤气化技术,企家共33台;采用多料浆单喷嘴顶置气化炉的有华业如何选择是一个关键的问题。各企业应该根据亭中煦煤化工有限公司和重庆万盛煤化工有限公本企业的实际情况:包括所处资源区域、原料煤司等26个厂家共38台;釆用国产四喷嘴干煤粉加种类、运输情况、合成气的用途、产品定位及资压气化炉的有贵州开阳化工有限公司1个厂家共1金状况来选择适合自己的煤气化方式,这样才能台;釆用HT-L航天炉的有永煤集团龙宇化工有既有明显的经济效益,又能满足国家环保政策限公司和安徽临泉化工有限公司等两个厂家共2要求中国煤化工台;采用两段干煤粉加压气化炉的有上海申能集CNMH日期2010-11-22)