国内外煤气化炉的特点及在煤化工领域的应用

第28卷第4期山西化工Vol.28 No.42008年8月SHANXI CHEMICAL INDUSTRYAug.2008综述与论坛菜国内外煤气化炉的特点及在煤化工领域的应用程林生(山西省化工设计院,山西太原030001)摘要:介绍了国内外常用的10种煤气化炉及其适用范围,明确了以煤种定炉型的观点,指出了在煤化工领域选择煤气炉应关注的问题和炉型选择的要点。关键词:煤气化炉;炉型;气化参数;煤化工中围分类号:TQ545文献标识码:A文章编号: 1004-7050(2008)04-0026-04在我国，已探明的能源储量中煤炭占94. 3% ,本文在分析国内外常用煤气化炉型的基础上,石油和天然气仅占5. 7% ,缺油、少气、富煤是我国明确了以煤种定炉型的观点,指出了选择煤气化炉的基本国情。近年来,由于国际石油价格不断攀升，应关注的问题及炉型选择要点。以煤为原料的化学工业逐步显示出竞争优势,煤制1国内外常用煤气化炉类型油,煤制甲醇、二甲醚及其下游产品,煤制烯烃(MTO、MTP) ,煤气化联合循环发电( IGCC)以及煤1.1 间歇式固定床造气炉(U.G.I炉)制合成氨和尿素等产业得到了快速发展。由于煤化U.G. I炉是我国使用最多的一种成熟的气化工终端产品的关键在于煤化工的气头，即气化方式炉,适用的煤种为粒度25 mm~ 75 mm的无烟煤是煤化工产品的根源,因此煤气炉就成为煤化工产(最好是山西晋城的无烟块煤)或焦炭。在固定床煤业的龙头[1。气炉中交替送人空气(吹风)和蒸汽(制气)。送空气国外煤气化技术早在20世纪50年代已实现工时加热床层,产生吹风气放空;通蒸汽时生成煤气,业化,20世纪70年代因石油天然气供应紧张使得送气柜。煤气炉系列有中2 600 mm、中3 000 mm、煤气化新工艺研究和开发得到快速发展,并成功地@3 200 mm、 中3 600 mm等,每台炉产气量为开发出对煤种适用性广、气化压力高气化效率高、6 000 m'/h~ 15 000 m2? Ah,煤气中含有效气体q(QO+污染少的新- -代煤气化炉。其中,具有代表性的有H2)为65% ~72%。U.G. I炉虽然技术成熟可靠、荷兰的壳牌(sel)炉、美国的德士古(Texao)炉和投资省,但对煤质要求高,需用无烟块煤,资源利用德国的鲁奇(Lurgj)炉等。按照气化炉内料流形式，率低,且该炉的动力消耗大，过程不连续,间歇制气气化技术大致分为固定床流化床和气流床三大类。中有吹风气排空,释放的00、H2S和粉尘对环境有典型的固定床气化炉有U.G. I、Lurgi等;流化床有-定污染,因此目前正逐步被新炉型所替代。U-Gas、HTW、Winkler、恩德炉以及我国自主研发的1.2 富氧连续气化炉灰熔聚粉煤气化炉等;气流床有Texaco、Destec、利用U.G. I炉进行富氧-蒸汽连续上吹制取Shell、Gsp等。合成氨原料气,是我国对U. G. I炉的改进和提高，目前已在福建三明化工厂、河南平顶山化肥厂和开收稿日期:008-06.16时化中国煤化工计院拟在山西静作者简介:程林生,男,1963年出生.1983年毕业于太原理工大学，乐天F0项目、晋城矿务高级工程师、国家注册化工工程师、注册咨询工程师,山西省化工设局20YHCN M !H G已开展了工程设计院院长，主要从事化工工艺的研究和开发工作。2008年8月程林生,国内外煤气化炉的特点及在煤化工领域的应用， 27●表1富氧气化与空气气化指标的比较表2灰熔聚气化炉主要气化指标项目空气气化富氧气化指标煤块粒度/mm25~758~25中(OO+ H2)/%68.6碳转化率/%90.6气化强度/m'.(m~2.h-)1 5002 290w(灰渣含C)/%7.81 000 m'(00+ H)的氧耗/m3214煤气产率/m3.kg~2.171 000 m2(00+ H)的煤耗/kg600542(00+ H)产率/m2.kg-11.49计工作。富氧气化和空气气化的指标对比见表1。1 000 m3(0O+ H)300由表1可知，富氧气化较空气气化煤的粒度降的氧耗/m31 000 m?(0O+ H)至8 mm~25 mm,气化强度提高了50%，比煤耗下的煤耗(干)/kg673降了10% ,比氧耗增加了214 m'。灰熔融性温度/C1 320(T),1 380(T2),1 430(T3)1.3 加压鲁奇固定床气化炉(Lurgi炉)嘴切线方向往炉内送风,采取热回流方式降低带出Lurgi 炉是目前世界上建厂数量较多的煤气炉，物。- -般在近常压(1.4 kPa)、950 C下用富氧空气运行中的气化炉达数百台。Lurgi 炉生产能力大,碳(或氧)与蒸汽进行煤的气化,适用的煤种有褐煤长转化率高达99. 9% ,冷煤气效率高(约89%),且由焰煤、不黏或弱黏结煤。国内景德镇焦化煤气总厂于气化炉煤气出口温度低,煤气冷却及净化系统的用恩德炉生产燃料气,黑化焦团、吉林长化集团和淮材料要求也低。鲁奇炉以8 mm~50 mm粒度活性化集团则是在原固定床气化炉和重油制气的基础上好不黏结的烟煤或褐煤为原料，在固定床中用氧与改造后用于制氨。.蒸汽连续气化生产煤气,气化压力3.0 MPa,气化温恩德炉的主要技术特点是投资省,煤种适应性度900C~1 050 C ,单炉投煤量一般为1 000 t/d(最较宽,操作弹性大,开停炉方便,气化效率较高和气大可达1 920 t/d) ,采用固态排渣方式运行。20世纪化强度较大，煤气中不含焦油及油渣,净化系统简70年代，单炉产气量35 000 m2/h~ 65 000 m/h;单、污染少。该炉已经系列化,单炉生产能力有20世纪80年代,单炉产气量达到90 000 m3/h。我5 000、10 000、20 000、40000 m3/h。国山西的天脊化肥集团公司、云南解放军化肥厂用恩德炉对煤的活性(950 C时, > 65% )和灰熔该炉生产合成气。Lungi 炉生产的煤气中含有较多甲点(T2=1 250 C以上)有一定要求,但对灰分(≤烷,且含焦油、酚等物质,因此气化炉需设置庞大的污40% )和煤的粒度(≤10 mm)等要求不高。水处理装置和甲烷分离装置,生产流程长,投资大。1.6 德士古炉(Texaco炉)1.4 灰熔聚流化床气化炉德士古(Texaco)水煤浆气化炉是在1978年推流化床气化技术反应动力学条件好,气固两相出的。其技术特点是水煤浆带来的,它较容易将气间扰动强烈,传热过程加强,气化强度较大。灰熔聚化压力升.上去,节省了合成需要的压缩能耗,对煤的气化是对普通流化床的发展,其原理是部分氧气从活性没有严格的限制,但对煤的灰熔点有一定的要炉底通人,煤灰在炉中心射流区形成局部高温,操作求。一般灰熔点温度T3值低于1 350 C时才有利温度在T2左右,煤灰相互黏结团聚,碳粒和灰球因于气化。此外,煤的灰分、成浆性、黏温特性也是影重度差异而得到有效分离,渣中含碳较少,加上炉内响德士古炉运行的几个重要指标。实践表明,低灰回流,总碳转化率可达90%左右,气化炉操作压力为分(13%~15%)、成浆性能好、灰熔点低、黏温特性0.03 MPa~ 1.0 MPa,操作温度为1000 C~1150 C[2。好的煤比较适合于德士古气化。有关气化指标见表2。德士古炉气化压力较高,工业装置使用气化压流化床煤气化炉内必须维持~定的含碳量,且力在 2.7 MPa~6. 5 MPa,个别项目达到8. 4 MPa,在流化状态下渣与料层的分离很困难,70%的灰及，气化温度维持在 1 350C~1 400 C ,合成气质量较部分碳粒被煤气夹带离开气化炉,热损大;另外好,气化指标站为先进其有的气体φ(CO+ H2)为30%的灰粒由于黏结而重量增大,进人出灰系统,灰80%YH中国煤化工%~98%,冷煤气渣与飞灰的含碳量均较高。效率CNMHG有35%~40%的1.5 恩德炉水分,因而氧气用量较大。恩德粉煤气化炉是由Winkler炉改型而来,喷自引进水煤浆气化炉以来,我国已有山东鲁南、●28●山西化工2008年8月上海焦化、陕西渭化安徽淮化、金陵石化、南化公司煤气中甲烷含量极少,不含重烃,有效气体φ(0O+等近30台(套)装置投运,有些已具有10多年的操H2)可达90%以上;与水煤浆气化炉相比,氧耗可降作经验,到目前为止运行基本良好，显示了水煤浆气低15% ~20% ,从而降低了配套空分装置的投资和运化的先进性。但是,德士古炉气化的主要不足也与.行费用;单炉生产能力大,日投煤量达2 000 t;采用水水煤浆有关。由于水煤浆中含有40%的水,使其热冷壁结构,无需耐火砖衬里,维护工作量很小,炉体值降低,因而对煤质的限制比较严格,成浆性差、灰寿命长;气化过程无废气排放,系统排出的融渣和飞分较高、灰熔点高的煤,经济性较差。鲁南和渭河两灰含碳低,气化污水也不含焦油、酚等污染物,易于处厂原来都使用灰熔点较高、灰量偏大的煤种,添加助理,环境治理费用低。shell 炉最大缺点是投资高,设熔剂后频受某些设备及管道堵塞结垢的困扰,操作备造价过高,配套的干燥、磨煤、高压氮气及回炉激冷受到影响,鲁南因此将五七煤改为北宿煤,渭河也由用合成气加压所需的功耗较大。省内黄陵煤改用甘肃华亭煤,目前仍在寻找如何提.9 GSPTM煤气化炉高煤浆浓度、发挥装置能力的办法。此外,水煤浆气GSPTM炉主要结构是单喷嘴下喷式干煤粉加压化炉还存在耐火砖成本高(每炉50万美元~ 100万气流床气化,并采用水冷壁的气化炉。由于该炉采美元)、寿命短,煤烧嘴易受磨损(平均使用寿命仅为用了干煤粉进料、水冷膜壁,因此既扩大了煤种范1 400h~1 500 h,运行2个月左右就需要拆下修围,又避开了耐火砖的麻烦,国内高灰分(25%~理)等问题。32% )、高灰熔点(1610 C )的淮南煤已用该炉进行德士古水煤浆气化炉单炉投煤量一般为试烧,并取得成功。神华宁夏煤业、安徽淮化、江苏1 000 t/d,最大可达2000 t/do .灵谷化工等公司也已签约使用该气化技术。该炉目1.7 多喷嘴水煤浆气化炉前还缺乏长期生产运行方面的考验,已运行过的装与Texac炉单喷嘴下喷式进煤浆方式不同,我置其单炉能力只有日投褐煤720 t的规模,运行时间国自主开发了多喷嘴对置式水煤浆气化炉,经衮矿的记录也不是很长，炉子在放大到1000t.1 500 t.国泰化工有限公司运行实践,表现出良好的运行性2 000 t.4 000 t的日投煤量时,一般单喷嘴容易受到能和先进工艺指标,有效气体φ(0O+ H2)高达限制。.82%~85% ,碳转化率≥98%,1000 m3(CO+ H2) .1.10 多元料浆新型气化炉(技术)的氧耗和煤耗分别为309 m3和535 kg,比单喷嘴分采用湿法气流床气化概念,以煤石油焦、石油别降低约7.9%和2.2%。继国泰化工使用后,相继沥青等含碳物质和油(原油.重油、渣油等)、水等经有山西丰喜集团临猗分公司、山东腾州凤凰化肥有优化混配形成多元料浆,与氧通过炉内喷嘴混合后限公司、江苏灵谷化工有限公司、江苏索普(集团)有瞬间气化。该技术具有原料适用性广、气化指标先限公司等应用该气化技术作为合成甲醇和合成氨的进技术成熟可靠、投资费用低等特点。采用该技术气头。的工艺装置, w(料浆)60% ~ 68%,单炉日投煤量.1.8 壳牌(shell)粉谋气化炉750t~1 800 t,气化压力1.3 MPa~6.8 MPa,有效Shell气化工艺于1972 年开始研究, 1978年在气体q(0O+ H2)80% ~ 86%,1 000 m3(00+ H2)德国汉堡建成中试装置, 1987年在美国建成投煤量的氧耗400 m'。2004年11月采用该技术建设的山250 t/d~400 t/d的示范装置, 1996年在荷兰建成东华鲁恒升30万t/a合成氨已开车并实现了稳定大型煤气化联合循环发电装置(IGCC)，气化炉为单运行。目前,多套20万t/a~60万t/a甲醇、系统操作,日处理煤量2000t。国内从2006年开16万t/a 煤制油都采用该气化技术,并即将投人生产。.始先后有岳阳洞氮湖北双环和广西柳州等10余家2几种常用煤气化炉工艺性能比较企业引进了16台该气化炉。Shell 炉采用干煤粉进料,气化温度高达1400 C~1 600 C ,对所用煤种几种常用煤气化炉的主要气化工艺性能和指标适应性广,不仅可使用较差的褐煤、次烟煤、烟煤和比较风箅29页专中国煤化工石油焦,而且可将两种煤掺混运行。对煤的灰熔点适应范围比其他气化工艺更宽,即使是高灰分、高水MHCNMHG分、高硫的煤种也能使用。我国自20世纪80年代开始引进国外煤气化Shell炉气化温度高,碳转化率可达98%以上;炉,本文介绍的炉型在我国均得以应用或试验,但2008年8月程林生,国内外煤气化炉的特点及在煤化工领域的应用●29●表3几种常用煤气化炉的工艺性能比较炉型shellTexacoLungi恩德灰熔聚U.G.1气流床固定床流化床气化工艺液态排渣固态排渣褐煤烟煤、褐煤、褐煤、长焰煤、无烟煤、适用煤种石油焦烟煤弱黏或不黏煤焦炭气化压力MPa2.0~4.02.7~8.42.0~3.0常压0.03-1.0气化温度心1 400~1600 1 300~1 400950~1 050~1 0501 000~1 150~1 000空气或富氧或气化剂氧气氧气+蒸汽纯氧+蒸汽氧气+蒸汽/空气+ 蒸汽进料方式150目~ <200 目60%~ 6 mm~50 mm<10mm粉煤0mm~6mm25mm~75mm200目干煤粉65%水煤浆块煤干煤单炉最大2 0001 920500100投煤量/td-11 000 m'(C0+ H)330~360380~430140 ~ 240220~30000的氧耗/m3q(00+ H)/%~90.~8065~7368~6970~72q(CH)/%<0.19-120.6~2.01.9~2.10.6~1.585~89冷效率/%80~8370~7669~76~41(包括副产品)碳转化率/%9995~98>99~91>90%59~62系列配置单系列多系列无备用有备用炉壁冷却水冷壁热炉壁多层一般耐特种耐火砖耐火砖火材料在引进的同时也付出了昂贵的代价。鲁奇炉以褐造价以及双高煤(高灰分、高熔点)和三高煤(高硫煤、长焰煤为原料制气在国际上是- -种成功的工艺,分高灰分、高熔点)的利用已成为煤化工发展的制特别是在城市煤气和合成油等领域具有优势,该技约因素,因此充分利用项目所在地的原料优势,选择术用于我国山西天脊集团生产大规模合成氨在当时合适的炉型,提高自主创新和引进消化吸收的能力，尚属世界首例,天脊集团的这套装置从投产到最终提高煤炭资源综合利用及能源转化效率是我国今后稳定运行历经10余年,期间对原工艺先后进行了一段时期需要慎重对待的问题。.400多项的改进。近年来,在我国又引进了不少壳参考文献:牌炉,这种炉型虽然先进,在国外也有成功的经验,但它用在发电上居多,而用于生产氢气、合成氨、甲.[1] 唐宏青.双高煤的气化问题研讨[J].氮肥与甲醇,醇也是世界首例。根据以往经验,该技术在国内必2007,2(3):1-5.然要经历一段摸索磨合的过程,因为无论何种炉型[2]房倚天,黄戒介 ,马小云,等.加压灰熔聚流化床粉煤气都有它的适应范围,特别是在对煤种和煤源的适应化技术研发及半工业示范装置1.0 MPa下运行情况.[J].氮肥与甲醇,2008,3(1):15-18.性上。总之,在煤化工领域,产品成本、设备材质和.The characters of major coal gasifiers and their application in the coal chemical fieldCHENG Ling-sheng(Shanxi Provincial Chemiceal Design Institute, Taiyuan Shanxi 03001, China)中国煤化工Abstract:The gasification is the key technology of∞al chemical industry;Dost crucial equipmentlor the development of coal chemical.In this paper, the technical paramete|YHC N M H Gopes of apliation areintroduced. It is clear that the selection of gasifier depends on the type of cal.1he mportant pounts aout tne selection of gasifier andthe related problems which should be paid attention to are pointed out in this paper.Key words:coal gasifiers; gasifier type; gasification parameter; coel chemnical industry