气流床煤气化工艺技术分析

第40卷第10期化工技术与开发Vol.40 No.102011年10月Technology & Development of Chemical IndustryOct.2011气流床煤气化工艺技术分析朱玉芹',耿胜楚',李彦2,谷政权 1(1.河南煤业化工集团鹤煤公司,河南鹤壁458000;2. 河南煤业化工集团中原大化公司,河南濮阳457000)摘要:气流床煤气化 是我国煤高效洁净利用的关键技术。简要总结了气流床煤气化技术的基本特点和主要影响因素,着重介绍了具有代表性的气流床煤气化技术;壳牌(shell)煤气化技术、德士古水煤浆加压气化技术、CSP气流床气化技术、多喷嘴对置式水煤浆气化技术以及航天炉(HT-L)粉煤加压气化技术,讨论了各种技术各自的优势及存在的问题。关键词:煤气化;气流床;干煤粉气化;水煤浆气化中图分类号:TQ 546文献标识码:A文章编号:1671-9905(2011)10-0079-04煤炭气化在煤化工产业链中处于基础地位,分,又有热炉壁和水冷壁两种;以进料方式来分，气化所生产的气体可以作为燃料(作为工业燃又有一段和两段两种。气、民用煤气、冶金还原气),化学合成的原料(合典型的气流床煤气化工艺有:壳牌(Shell)煤成气),联合循环发电燃气、煤炭气化制氢、煤炭气化技术、德士古水煤浆加压气化技术.GSP气流气化燃料电池、煤炭液化的气源，是兼顾煤能源床气化技术、多喷嘴对置式水煤浆气化技术、航与资源价值的利用途径。在煤炭气化的诸多技术天炉(HT-L)粉煤加压气化技术等。中,气流床煤气化技术具有生产能力大、较大的2.1壳牌(shell )煤气化技术煤种与粒度适应性以及较高的碳转换效率等技壳牌煤气化技术川",工艺流程主要包括原料术优越性,因而被诸多厂家所选用。煤的预处理、煤的加压和投料、煤的气化、除灰、1气流床煤气化技术的主要特点煤气净化、脱硫以及配套的水处理、空分、氮气系统等。装置的造气压力为2.0~4.0MPa,操作温度气流床气化是煤炭气化的一种重要形式。原1400~16009C，采用液态排渣技术，渣中含碳量<料煤以粉状人炉,粉煤和气化剂经由烧嘴或燃烧1%,干煤粉进料,碳转化率达99% ,煤气中有效气器一起夹带、并流送入气化炉,在气化炉内进行含量约90%，有效气比氧耗约340m3.km-3 (CO+充分的混合燃烧和气化反应。由于在气化炉内H2),比煤耗约590kg*km-3 (CO+H2 )2。气固相对速度很低,气体夹带固体几乎是以相同综合目前多家已投产装置的运行情况,Shell的方向运动,因此成为气流床气化或者夹带床气粉煤气化工艺特点如下:化。气流床煤气化技术主要有以下特点:煤种适(1)对煤种适应性强,从褐煤、次烟煤、烟煤到应性强、气化温度高以及液态排渣。无烟煤、石油焦均可使用,对煤的灰熔点、灰分、硫2气流床煤气化技术分类及典型工艺含量等煤种适应范围比其他气化工艺相对宽。，(2)单系列气化炉生产能力大，投煤量可达现有的气流床气化技术按进料形式不同,可2000t.d-+以上,单台气化炉投煤量最大的达2800分成干煤粉进料和水煤浆进料两大类;以炉内气td-,为正在建设中的鹤壁60万t甲醇项目煤气流方向分,可分为上行和下行两类;以工艺流程化装置。可分为废锅型和直接水激冷型两类;按喷嘴的数(3)碳转化率高,产品气体质量好。气化温度量和布置来分,又可分为单喷嘴直喷和多喷嘴对高，一般在1400~1600C,碳转化率高达99%以喷两类;以气化炉内是否衬有耐火保温材料来上。产品气体中国煤化工煤气中甲烷作者简介:朱玉芹(1983-),女,河南濮阳人.助理工.程师,从事煤化工生产相关工作YHc N M H Gchuxgyq@163.com,地址:河南省鹤壁市山城区西环路凉水井村南.鹤壁煤电股份有限公司煤化工筹建处空分厂.邮政编码:458000收稿日期:2011-06-30.8化工技术与开发第40卷含量极少,不含重烃。(5)相对来讲, ,壳牌煤气化项目的建设周期较(4)气化氧耗低,热效率高。与水煤浆气化工其他煤气化工艺长，投资也较高。艺相比,氧耗低15%~25%,可降低配套空分装置2.2德士古 (Texaco)水煤浆加压气化技术投资和运行费用。壳牌煤气化技术显热利用率德士古(Texaco)水煤浆[)加压气化技术,工艺高,煤气化的冷煤气热效率达到80%~83% ,其余流程主要包括煤的研磨和煤浆制备、煤浆储运、约15%副产高压或中压蒸汽，总热效率高达煤气化及合成气洗涤、渣水处理系统以及配套的98%。空分等部分。气化炉热量利用有激冷、废锅、激冷(5)壳牌煤气化技术控制系统自动化程度高,和废锅结合3种流程,可以根据产品选择合适的联锁控制保护系统完善。流程。生产合成氨和甲醇的生产装置一般采用激(6)运转周期长。气化炉采用水冷壁结构,牢冷流程,所得煤气的汽气比和氢碳比均较高。气固可靠，无耐火砖衬里。正常使用维护量小,运行化炉采用湿法进料,液体排渣技术，煤浆含水量周期长,无需设置备用炉。煤烧嘴设计寿命长达约30%~40%14。8000h。Texaco水煤浆气化工艺具有如下特点:(7)环境效益好。系统排出的炉渣和飞灰含碳(1)对煤种有一定适应性,常选用灰熔点温度低,可作为水泥添加剂或其他建筑材料,堆放时低于1350C、灰分含量不超过15%、煤的热值高也无污染物渗出。气化污水量小且不含焦油、酚于26000kJ●kg-1，并有较好的成浆性,能制成60%等,容易处理。~65%浓度水煤浆的煤种。Shell煤气化技术也存在着一些不足:(2)可根据使用煤气的需要来选择气化压力。(1)流程及控制系统复杂。煤气化装置流程复工业装置使用压力在2.8~6.5MPa之间。杂,包括磨煤及干燥、煤粉加压及进料、煤气化、(3)热回收可根据煤气用途选择激冷和废锅除渣、除灰湿洗、初步水处理7大工序和公用系两种类型。气化炉燃烧室内壁由多层特种耐火砖统。煤气化装置的控制系统比较复杂,1/0点多达砌筑,气化炉操作温度为1300~14009,比原料煤3000多个,通过分散型控制系统(DCS)、紧急停车的灰熔点高50~100C。系统(ESD)、可编程逻辑控制(PLC)实现生产过程(4)合成气质量较好,有效组分(CO+H2)含量的集中监控和管理,无论从规模还是复杂程度方占80% ,甲烷量<0.1%。碳转化率95%~98%。冷煤面在国内化工行业单套装置中均为少见，因此对气效率70%-76%。生产控制人员素质要求较高。(5)由于水煤浆中含有35%~40%水分,因而(2)设备结构复杂和受力情况复杂,对材料氧气用量较大。要求高,内件组装对外壳接管标高及方位要求极(6)气化过程不产生焦油、萘、酚等污染物,故为严格,设计、制造组装、运输和吊装难度大。疲废水治理简单,易达到排放指标。高温排出的融劳设备多,煤气化装置共有13台疲劳设备,对设渣,冷却固化后可用于建筑材料,填埋时对环境备制造也提出了更高的要求。也无影响。(3)国产化程度低。煤气化关键设备中气化炉、(7)国内已经完全掌握了Texaco 气化工艺,主输气管、合成气冷却器的内件,飞灰过滤器的内要设备都可以国产化,只引进烧嘴、煤浆泵等少件,以及点火烧嘴、开工烧嘴、煤烧嘴、煤流量控量设备,可节省大量投资。国内已经积累了大量制阀煤三通阀煤粉流量测量仪表、煤粉阀、煤的Texaco气化工艺建设、运行经验,因此设备制灰渣阀、硬密封仪表球阀、锅炉给水循环泵(大流造、安装和工程实施周期短,开车运行经验丰富。量)、恒力吊、激冷气压缩机等大多需要进口。目.目前影响德士古气化装置长周期稳定运行前,其中部分设备如煤烧嘴等可以实现国产化。的关键因素是气化炉烧嘴运行周期短。气化炉烧(4)施工复杂。煤气化框架高超过90 m,为钢嘴运行周期中国煤化工即因为喷头磨筋混凝土和钢结构混合结构,其中安装设备不仅损、裂纹等YHCN MH(造成德士古气数量多,且质量大,与框架的连接形式复杂。结构化装置必须有金炉的王安尿囚，从而导致装置投施工和安装工作量较大。资增加,运行费用增加。当前，国外向火面耐火砖第10期朱玉芹等:气流床煤气化工艺技术分析81使用寿命达2年,国内耐火砖使用寿命约1年,耐效气(CO+H2)≥80% ,比氧耗≤380m3.km-,比煤火砖更换费用占整个装置维修费用的1/2以上，耗 ≤550kg.km-318]。更换时间超过1个月。该工艺存在黑水系统结四喷嘴对置式水煤浆气化技术具有如下优垢、气化炉带水等问题,影响了装置的连续稳定点:比煤耗低、产气量大、渣中含碳量低、运行周运行。而且该技术的煤气化炉仅有1个烧嘴,因期长、负荷调节灵活,并且拥有自主知识产权。但此操作弹性相对较低。是,由于采用四喷嘴技术,煤气化装置投资较高，2.3 GSP气流床气化技术超过德士古技术的20%~30%。装置运行过程中出GSP气流床气化技术是由原民主德国的德意现的气化炉拱顶砖冲刷严重和拱项超温等向题,志燃料研究所(DBI)于1975 年开发的煤气化技影响了装置的运行稳定性。术，可用于处理固体燃料，尤其是低品位褐煤。2.5航天炉(HT-L)粉煤加压气化技术1991年,该技术被德国的诺尔公司获得,并对其航天炉(HT-L)粉煤加压气化技术(以下简称进行了系统性的改进。该技术属于气流床加压气航天炉技术)属于加压气流床工艺,是在借鉴壳化技术,以干煤粉为原料，采用单烧嘴下行制气，牌、德士古及GSP加压气化工艺设计理念的基础气化炉内有水冷壁内件,操作压力2.8MPa,操作上,由北京航天万源煤化工工程技术有限公司自温度1450~1600C。碳转化率达99%以上,煤气中主开发、 具有独特创新的新型粉煤加压气化技甲烷含量极少(<0.1%)。不含重烃,CO+H2达90%术。2008年先后在安徽临泉河南龙宇建成2套以上51。单炉日投煤量720t的示范装置。从目前运行情反应器呈圆柱型,为水夹套包裹,分为反应况看,基本达到设计要求,最长连续运行时间已室和激冷室上下2个室。在反应室的最上部为燃达到128d9。烧烧嘴,GSP气流床气化技术的运行烧嘴与开工航天炉由烧嘴、气化炉燃烧室、激冷室及承烧嘴为一组合结构，反应物粉煤通过氮气携带加压外壳组成,其中烧嘴为点火烧嘴、开工烧嘴和压与高压氧气、蒸汽经气化炉反应室上部工艺烧粉煤烧嘴组成的组合式烧嘴，设计气化温度嘴喷入气化炉。颗粒在高温中快速发生热裂解反1400~1600C,气化压力4.0MPa。激冷室为一承压应,裂解产物在高浓度的氧中迅速燃烧。反应室空壳,外径与气化炉燃烧室的直径相同,上部设和激冷室通过气化器的特殊的排除口连接:激冷有激冷环，激冷水由此喷入气化炉内。下降管将水在排除口处供给;合成气在激冷室的中部引合成气导入激冷水中进行水浴,并设有破泡条及出。在激冷室的下部为锥型集渣室,激冷水从渣旋风分离装置,这种结构可有效解决气化炉带水室上部溢流出气化炉6]。问题。激冷过程中,激冷水蒸发,煤气被水蒸汽饱GSP气流床气化技术具有气流床气化的突和,出气化炉为199C经文丘里洗涤器、洗涤塔出优点:煤种适应广、处理能力大、气化效率高、洗涤后 , 194C、固体含量小于0.2mg.m3的合成气碳转化率高环境友好等。气化炉的结构较为复送去变换。杂，国产化程度较低,需引进，因而投资较高,而航天炉技术有着诸多优点:煤种适应范围且GSP技术工业化运行装置太少，实际经验浅广,煤的灰熔点可选范围宽(1250~1650C),气化薄。原料可选范围广;碳转化率高，粗合成气品质好，2.4四喷嘴对置式水煤浆气化技术CH4含量低碳转化率设计值≥99.5%,出口合成气由华东理工大学、兖矿集团等合作开发的四有效气体(CO+H2) 体积≥90% ,CH,体积≤130x喷嘴对置式)水煤浆气化技术属气流床加压气化10%。控制系统自动化程度高,有完善的安保联锁装置,湿法进料,液态排渣。煤气化系统主要由水系统;环保性能好,排放的污染物少;具有自主知煤浆制备装置、四喷嘴对置煤气化装置、煤气初识产权,工艺成熟可靠,主要设备完全国产化,投步净化装置、含渣水处理装置及配套空分装置等资少 ,比同中国煤化工1/3。由于工部分组成。对置式四喷嘴气化装置气化压力为艺原因 ,大DHCN M H G及熔渣带人激3.0~6.5MPa，操作温度1200~1300C，残渣含碳冷水中,造成热重损失。量≤5% ,有效气含量≥83%,碳转化率≥97% ,有82化工技术与开发第40卷.参考文献:3结语[1] 汪家铭.壳牌煤气化技术在我国的应用[J]. 化肥设气流床煤气化技术具有较大的煤种与粒度计,2007 ,45(4): 19-22.适应性以及较高的碳转换效率等技术优越性,[2]李亚东. Shell粉煤气化技术应用综述[J]. 大氨肥，2010,33(1):46-49.因而成为以煤为原料生产大容量、高效洁净、运[3] 黎军.德士古水煤浆气化工艺概况[J]. 安徽化工，行可靠的燃气与合成气的首选技术。当前几种气2001 ,27(1):46-49.流床煤气化技术在实际生产中得到较多的工业[4]唐迎春.德士古水煤浆加压气化工艺装置问题探讨及示范运行,个别的已经进行了商业运营,取得了对大化集团引进技术的借鉴意义[J].大化科技,2007,较理想的成绩,但同时也有不完善之处。我国目.(1):9-14.前已具有自主知识产权的大规模高效气流床煤[5]王德山. GSP煤气化技术设备概况[J].煤化工,2007,气化技术,但我国必须从深层次上开展气流床煤(3):38-40.气化领域的基础研究工作,建立解决关键科学问[6]赵瑞同 .李磊,等.未来能源公司的CSP气化技术[J].煤化工,2005,(6):19-22.题的理论体系，解决气流床煤气化技术目前存[7]李伟峰,于广 锁,龚欣,王辅臣,等.多喷嘴对置式煤气在的问题，用可靠的基础研究成果支撑我国的化技术[J].氮肥技术,2008 ,29(6):1-5.煤气化技术尽快实现大规模、高效化的跨越,以[8]刘乐利.多喷嘴水煤浆气化技术在我国的发展[]煤满足国民经济发展对煤炭清洁利用的迫切需炭加工与综合利用,2005 ,(3):44-45.求。[9]孙永才 ,刘伟.航天炉粉煤加压气化技术浅析[J].化肥工业,2010,37(1):55-57.Technology Analysis of Entrained-bed Coal GasificationZHU Yu-qin' , GENG Sheng-chul , LI Yan2, GU Zheng-quan'(1. Hebi Coal Co., Ltd, Henan Coal Industry and Chemical Group Co., Hebi 458000, China;2. Zhongyuan Dahua Group Co., Ltd, Henan Coal Chemical Industry Group, Puyang 457000, China)Absrtact: Entrained-bed coal gasification was the key technology of high eficiency and clean utilization of coalin China. Its basic characteristic and main affecting factors were briefly introduced. Representative entrained-bedcoal gasification technologies , such as Shell of dry pulverized coal gasification, Texaco of coal water slurry gasi-fication, GSP gasification technology , multi nzzle opposing coal water slury gasification and pulverized coalgasification of Hangtian Gasifier were focused , and their advantages and existed problems were also discussed.Key words: coal gasification; entrained-bed; dry pulverized coal gasification; coal water slurry gasification2012年《合成技术及应用》期刊征订启事《合成技术及应用》期刊为面向合成纤维、塑国内标准连续出版物号为CN32-1414/TQ,国际料等合成材料及其原料的生产、科研与应用领域标准号为ISN1006- -334X, 邮发代号:28-182。每的专业性期刊,主要报道国内外高分子材料(合期定 价6.00元,全年24.00元(含邮费)。读者可在成纤维、薄膜、塑料等)及其单体的合成技术及科当地邮局订阅。研进展,新产品、新技术的开发和应用,化纤及相本刊为高、中级技术职称资格评审认定期关产业市场动态与发展预测等。本刊创刊于1986刊,欢迎各地作者投稿。年,深受有关从事生产、科研、教学、管理等人员编辑部地址:江苏省仪征市仪征化纤股份公及部门的欢迎,主要设“专家论坛”、“研究论文”司研究院《合中国煤化工“专题论述”、“应用技术”、“分析测试"、“设备改邮政编83233547造”、“国内外消息"、“最新专利”等栏目。JTYHCNMHG《合成技术及应用》为大16开,季刊,64页。E-mail:ycsta@sina.com;ycsta@126.com