煤气化技术的选择与对比

第35卷第1期化工设计通讯.Vol.35 No.1.2009年3月Chemical Engineering Design CommunicationsMar.2009煤气化技术的选择与对比邵洪兴(吉林长山化肥集团长达有限公司,吉林松原131109)摘要:分析了我国为原料生产 合成氨、甲醇气化方法的选择、对比及煤气化技术的广阔前景。关键词:煤气化方法;气化特点;气化方法比较;前景中图分类号:TQ546.11文献标识码:A 文章编号:1003- 6490(2009)01 - 0014-041.1粉煤流化床加压气化0引言粉煤流化床加压气化又称之为沸腾床气化,这是一种成熟的气化工艺,在国外应用较多,该工艺可直我国是以煤炭为主要- -次能源的国家,煤炭的转接使用0~6mm或0~10mm的碎煤作为原料,但亦化利用是国家经济发展的重要支柱。而以煤为原料不希望1mm以下的细粉过多，备煤工艺简单,气化剂生产合成氨甲醇最重要的是气化技术的选择。目前同时作为流化介质,炉内气化温度均匀,但气化温度国内外以煤为原料生产化工产品的工厂中,采用了各较低小于1 000C左右，碳反应不完全,渣和飞灰中碳种煤气化工艺，如常压固定床间歇气化、鲁奇碎煤加含量高,煤气中有效成份较低,近年来流化床气化技压气化、粉煤流化床气化、粉煤气流床气化，包括术已有较大发展,开发了如德国的高温温克勒Shell炉、GSP Texaco炉等等,各种气化方法均有其(HTW),美国的U- Gas等加压流化床气化新工艺，各自的优缺点，对原料煤的品质均有一定的要求,其在一-定程度上解决了常压流化床气化存在的带出物工艺的先进性、技术成熟程度互有差异。选择哪种煤过多等问题,但仍然存在带出物含量高、碳含量高且气化技术,至关重要。又难分离、碳转化率偏低、煤气中有效成分低、而且要求煤高活性高灰熔点等多方面问题。该气化工艺操1气化技术的选择作压力偏低,煤气污水中有少量焦油、酚等。因此流气化工艺发展到今天,可以作为大型化工企业选化床气化比较适合中、小化工企业采用。择的气化方法主要有以下几种类型:粉煤流化床气化1.2 气流床气化工艺、气流床气化工艺、固定床加压气化技术、碎煤加成熟的粉煤气流床气化工艺主要以SHELL、GSP干粉煤加压气化和德士古水煤浆加压气化为代压熔渣气化液态排渣技术。表这几种气化工艺都是以纯氧作为气化剂,在高温收稿日期:2009-01-04作者简介:邵洪兴，吉林长山化肥集团长达有限公司技改处工程师。联系电话:0438 - 2967123;手机13664380208第1期邵洪兴:煤气化技术的选择与对比15高压下进行熔渣气化，粗煤气中有效组分含量高,仅壳牌(Shell)气化技术特点:有微量的甲烷,不产生焦油、蔡和酚水，煤气质量好，(1) Shell干粉气化技术是将原料煤千磨粉碎后,最适合作合成气。煤粒度80% (重量)≤0.2mm,粉煤在气化炉中用氧1.2.1 德士古(Texaco)气化技术和高压蒸汽在高温下以气流床形式气化，对原料煤种德士古气化属于气流床气化,是德士古公司根据的适应性较广泛,但仍然对煤质有一定的要求,灰熔油气化技术的思路开发出来的。它是将煤磨成水煤点易在1300~1350C，煤的可磨系数应为易磨或中浆,加入添加剂、助熔剂等形成粘度为800-1 000厘等难磨,煤中灰含量不能太高。泊煤浆浓度为60%以上的浆状物加压后喷人炉内，(2)气化炉为钢制外壳，内壁为熔濟挂壁形成耐与纯氧进行燃烧和部分氧化反应,在1 300~1 400C火层,不需专门的耐火砖。以下气化,生产合成原料气。(3)气化炉操作温度高，干粉煤在数秒内全部气相比之下,水煤浆气化技术经过我国有关科研、化,可以使用褐煤、烟煤等多种煤,碳转化率高达设计、生产、制造部门的多年研究，已基本掌握德上古99% ,煤气中甲烷含量低，在0.05%(体积)左右,有水煤浆气化技术，并能设计大型工业化装置,国产化效气体(CO+ H2)达90%以上,适宜作合成气;由于气率可达90%以上,技术支撑率高,生产管理经验多、化温度高(1 400~ 1 500C),符合环保要求,粗煤气中风险少。不含焦油、萘酚等杂质,煤气净化及污水处理流程简德士古(Texaco)气化技术特点:单。(1)利用水煤浆便于高压泵送的特点，可以制备(4)采用液态熔渣排放,灰渣成玻璃状固体,没压力很高的粗煤气,便于化式产品的后续生产过程的有污染,易堆放,可作为建筑材料。衔接,因而Texaco气化炉对于化工厂更具有吸引力。(5)操作弹性大,可以迅速改变生产负荷。(2)能充分利用厂区周围的一切污水源来制作(6)操作压力相对来说不高,为3.0~ 4.0MPao水煤浆,有利于解决污水的处理问题。总的来说壳牌气化技术是比较先进的气化技术，(3)气化炉运行费用较低,不像干法供煤那样，但是由 于其气化炉的结构特点,使得该气化技术- -次需要花费能量去干燥湿煤。投资较大。一台套2 000V/d投煤量的气化装置霈10(4)碳的转化率不是很高,一般只有96% ~亿元人民币,采用该气化技术给企业带来非常大的投98% ,影响气化效率的提高。资压力。(5)湿煤气中的水蒸汽含量较多,热煤气效率的1.2.3 GSP气化技术提高要靠较复杂的显热回收设备。GSP气化技术是德国未来能源公司开发的气化(6)气化所需的氧耗较多,大约是lkg O2/kg干技术,是一下喷式加压气流床液态排渣气化炉,操作煤。压力2.0~ 4.0MPa,用粉煤.氧气鼓风，其结构及工作(7)炉堂耐火砖的寿命短、价格高、更换时间长，原理与德士古气化炉相似。未来能源公司的前身是水煤浆泵和喷嘴易于磨损,更换频次高，影响气化炉原东德的德意志燃料研究所Deutsches运行周期。Bestofintitut Freiberg(DBI), 是当时东德从事与1.2.2壳牌(Shell)气化技术煤有关的各种技术研发最高研究机构,未来能源公司壳牌煤气化工艺是由壳牌国际石油公司开发的在不同煤种、废渣、裂解木炭、石油焦以及各种化学废干法粉煤加压气流床气化技术,壳牌公司从50年代料方面有GSP气化技术的经验。GSP 气化技术不仅开始开发油气化技术,已积累了丰富油气化经验。近可使矿物燃料或类似原料转化为合成气,还可以使有年来,我国引进十几套Shell 气化装置用于合成氨和些常规燃料如有足够高热值的废渣和废料转化为合合成甲醇，到今年上半年湖北双环气化装置投入运成气。因此,采用水冷壁气化反应器有很大的优势。行,其它的装置均在建设中。随着全球煤化工产业、特别是我国煤化工需求的6化工设计通讯第35卷快速增长,最近被西门子收购的上述未来能源公司计火。该喷嘴在正常操作时以低负荷保持点燃状态,可划在近几年将黑水泵厂这台气化炉改回燃煤运行,利用气化炉自产煤气。用该气化炉进行煤的气化工业试验,以适应更多的煤(7)采用激冷流程,高温煤气在激冷室上部用若气化需求。干水喷头将煤气激冷至200C左右,然后用文丘里除GSP煤气化技术特点:尘器将煤气含尘量降低到1mg/m3以下。这种工艺(1)原料煤适应范围寬, CSP气化对煤质要求不技术简单,设备及运行费用较低。除喷嘴和水冷壁、苛刻,粒度250 - 500pμm,灰份1~ 20%(wt%),灰熔部分阀门特殊仪表外绝大部分设备可国产化。点1 100~1 500C,灰熔点高于1 500C的煤,从经济与壳牌气化技术相比, CSP气化技术由于其气化角度考虑应加入助熔剂。130MW 的工业装置实现了炉的结构简单,使得项目一次投资较较小。一台套灰熔点高达1 450C的褐煤气化工业应用。2 00/d投煤量的气化装置不足4亿元人民币,采用(2)水冷壁结构，即所谓的“以渣抗渣"的结构。该气化技术是一-种比较经济、现实的考虑。采用四根(130MW)螺旋盘管,其外径仅比气化炉(受1.3固定床加压气化工艺压简体内径)小约50mm,水冷管的直径约80 ~鲁奇炉加压气化是加压固定床气化的代表,在90mm,水冷壁上焊有抓钉,水冷壁内壁涂有SiC 耐火30年代已工业化,属第- -代煤气化工艺，技术成熟可材料,水冷壁与简体之间间隙用惰性气体或冷煤气填靠,是目前世界上建厂数量最多的煤气化技术。八十充。水冷壁管及外壳材料均为碳钢。GSP气化炉采用水冷壁结构,避免了因高温、熔年代以来,我国已引进四套现代化鲁奇气化装置,其渣腐蚀及开停车产生应力对耐火材料的破坏而导致中三套用于生产城市煤气,-套用于生产合成氨,在气化炉无法长周期运行。由于不需要耐火砖绝热层，设计、安装和运行方面均已取得丰富经验。鲁奇炉采而且炉内没有转动设备,所以运转周期长,可靠性高。用固态排渣炉温偏低,煤与气化剂逆向运动,煤气中(3)喷嘴火焰温度约1 800~2 200C,平均停留甲烷含量高特别适合于作为城市煤气;另外粗煤气时间约10s,反应速率高,因而气化装置的生产能力中含有一定量的焦油、酚、氨等有害物，需脱除这些有大。有效气体(CO+ H2)含量高达91%以上,碳转化害物质。化学工业第二设计院经过几十年的摸索,近几年开发了废水污循环的工艺,成功的解决了鲁奇气率~ 99%。(4)气化炉原料从炉顶部喷人，采用单喷嘴,四化工艺的难点。层喷料结构( 130MW的工业装置) ,每层之间用水冷。鲁奇炉煤气化技术特点:喷头尖端部分为特殊材料,其余部分为普通不锈钢。(1)鲁奇炉碎煤气化技术系固定床气化,固态排用100m/s的高速氧+蒸汽旋转式将10m/s左右粉渣,对煤种有一定的要求,适宜弱粘结性、较高灰熔点煤喷入炉内,使煤均匀混合燃烧、气化,碳转化率达的5~ 50mm的碎煤。99%。(2)生产能力大。自工业化以来,单炉生产能力(5) CSP供料系统采用400kg/m2惰性气体密相持续增长。这种增加主要是靠操作的不断改进。气流输送，合格粉煤经煤锁仓三管并流进料,每根进(3)气化炉结复杂，炉内没有破粘和煤分布器、料管都设有固体物料(固-气混合)的流量计、密度炉算 等转动设备,制造和维修费用大。计。用通过的粉煤供入量调节人炉氧气和蒸汽量。(4)人炉必须是块煤,原料来源受- -定限制。供料系统安全可靠。气化炉温度主要根据气化室与(5)出炉煤气中含焦油、酚等,污水处理和煤气激冷室的压差变化来调节控制。正常情况下其压差净化工艺复杂 、流程长设备多,炉查含碳5%左右。为20 ~ 30mbar( 200~ 300H20)。鲁奇炉加压固定床加压气化工艺技术的特点是(6)气化炉点火升温迅速，负荷弹性可在50%~工艺技术成熟 、先进可靠,在大型煤气化技术中投资110%运行。气化炉设有专门的点火喷嘴,采用电点相对较少。第1期邵洪兴:煤气化技术的选择与对比171.4 碎煤加压熔渣气化液态排渣技术定床碎煤加压气化相比,碎煤融渣加压气化技术也是碎煤加乐液态排渣气化技术是传统固态排渣气~种适 当先进、经济实惠.切实可行的气化技术,但是化炉的进-一步发展， 气化炉内村耐火衬里,其特点是该技 术尚在开发阶段,待云南解化集团有限公司采用气化温度高,气化后灰渣呈熔融态排出,因而使气化碎煤融渣 加压气化改造技术运行一段时间后,随着工炉的热效率与单炉生产能力提高，煤气成本降低。液程的进展该技 术也可以作为可选择的-种气化技术。态排渣气化炉上部设有布煤搅拌器,可气化较强粘结性的烟煤。气化剂从气化炉下部喷嘴喷人,气化时，2几种气化方法比较灰渣在高于灰熔点T2温度下呈熔融状态排出,熔渣几种气化方法比较快速通过气化炉底部出渣口流入激冷器,在此被水激序号项目允牌粉德国CSP 碎煤加碎媒熔冷而成固态炉渣,然后通过灰锁排出。压气化渣气化化学工业第二设计院和云南煤化集团有限公司1气化工艺干法气流床干法气流床固定床固定床液态排渣液态排渣 固态排渣 液态排渣目前正在与ADVANTICA公司合作熔渣气化技术对次烟煤,烟次烟煤、烟褐煤、揭煤.次烟原有的一台虹2 800鲁奇气化炉进行改造,在2006年2适用煤种煤、规煤、 煤、楊煤、无烟煤，无烟煤等煤、垃圾等五月已经投人运行,目前运行状况良好。目前,该公司建设1S万t/a二甲醚项目,气化装置将开发36003气化压力/MPa 2.0-4.0 2.0-4.0 2.1-3.0 2.1-3.04气化温度/C1400-15001 400-1600 900-1200 1300-1350气化炉，目前已进入详细设计阶段。单炉最大投30002000 1000-1 5001 000500碎煤融渣加压气化与鲁奇固定床气化方法相比，煤敏(vd)具有以下特点与优势:100m2(标)6有效气体耗330-360 330-360 200-250 200-260(1)从炉顶进入的原料煤与产品气逆流接触,受氧址( Nm')热后被干燥、干馏，因此冷煤气效率可以达到90%。7碳转化事/% ≥99≥9)8998冷煤气效率/% ~880~8590(2)气化强度大。由于液态排渣气化煤气中的9有效气含氧/% 90%90-9265-7084水蒸汽量很少,气化单位质量的煤所生成的湿粗煤气11操作弹性/%50- 13030- 110体积远小于固态排渣,因而煤气气流速度低,帶出物可外有一有-一-台运已投人运台达行经成熟减少,因此在相同带出物条件下,液态排渣气化强度12技术成熟度行出现集国山街一些问题开发阶段末商业运行可以有较大提高。(3)较高的气化效率使得熔渣气化工艺的蒸汽3结论消耗及氧气消耗与其他气化方法相比均较低。(4)由于出炉煤气的温度较低( ~ 500C),煤气煤的气化技术煤气化是一种较为成熟的加工工中含有的焦油会附着在设备及管道表面，因此整个装艺,我国非常重视煤气化技术的研究与开发,特别是置大部分设备及管道都可以采用碳钢材料,从而降低以煤为原料的合成氨和甲醇等生产工艺,配套的煤气投资。化技术基本上是靠自己的力量发展起来的。(5)因水蒸汽耗量大为降低,且配人的水蒸汽仅各种气化方法均有其各自的优缺点,对原料煤的满足于气化反应,蒸汽分解率高,煤气中的剩条水熊品质均有一- -定的要求,其工艺的先进性、技术成熟程汽很少,故而产生的废水远小于固态排渣。度互有差异。因此要根据煤种,用途技术成熟可靠(6)由于液态排渣气化剂的汽氧比远低于固态度及投资等来选择气化方法。个人认为气化技术的排渣,所以气化层的反应温度高,碳的转化率增大,可选择应考虑的因素如下，按重要性排序:煤种,造价，以达到99% ,煤气中CO含量较高。熔渣气化产生的应用场合 ,国内技术基础,可用率,效率,配套单元(空玻璃状炉渣含污染物极少,对环境和人类影响极其轻分、给料、渣水处理) ,净化技术,大型化潜力等等。微,可以作为水泥填料、制砖材料或用作筑路。与固(下转第30页)化工设计通讯第35卷调整。种情况,我们对泵进行了改造,将现场的油温油压信9.5入口缓冲槽拉空号引到主控DCS操作盘上,这样主控操作人员可以由于废水升压泵P3201/P6201/P8201 的人口缓随时进行监控,同时,又增加了油温高报和油压低联冲槽V3117/V6117/8117 的体积较小,约为2.2m’，锁,并把泵的机械密 封由单击改为串联双级,从而有极易被废水泵拉空,从而使泵损坏,为此,我们在该槽效的保证了 废水泵的安全运行。设置了液位低报警和液位低联锁,- -旦槽的液位低于联锁值,联锁动作,废水升压泵将会自动跳车,从而既10结语可以防止槽被拉空影响后系统又可以防止泵发生汽化而损坏泵。通过对三聚氰胺装置生产废水处理系统的工艺9.6废水升压泵损坏技术的有关介绍及对其在运行中出现的问题的分析废水升压泵的参数为转速:23 700r/min, 操作压和解决,使我们对三聚氰胺装置生产废水处理工艺技力:最高12.0MPa,操作温度: 165C,轴温:正常术有了一个全面的了解,同时积累了一定的操作经90C所以其操作条件非常苛刻,当主控室的DCS操验,从而为我们在日常生产过程中稳定操作生产废水作盘上却只能看到泵的运行信号而显示不出泵正常处理系统,保证该系统安稳长期运行奠定了基础,为运行时的油温和油压,导致废水泵故障频发。针对这三聚氰胺装置的长久、安全、高产运行创造了条件!(上接第17页)还有,气化技术应用于煤化工的市场实际上是有限目前煤化工如火如茶，大型化的气化炉似乎挺的，更大的市场可能会在ICCC发电、钢铁、工业燃料火,但小的化肥厂更需要百吨级的炉子,造价要低,技气等行业等等。术要成熟。这个市场比大型化的气化炉要大的多。(上接第22页)确保样气连续地通入试剂中。要更换检漏试剂。(9)洗气瓶中的样气应与溶液充分接触,保证有(4)进高压设备的检漏氮气总管压力应控制在氨就能发生反应。0.2MPa以下。(5)用于配制检漏试剂的脱盐水应是干净的,不4结语得含有氨,否则会引起误判断。(6)用于检漏的氮气应不含氨及其它杂质。我公司三套尿素装置的高压设备检漏改为氮气(7)监测用检漏试剂中的酸浓度不能太高,否则检漏- -年多以来,运行效果很好,曾经因为氮气中含微量泄漏不会使试剂变色，达不到检漏的目的。有微量的氨使检漏试剂变色，由于发现及时,很快就(8)运行中应时常关注洗气瓶中溶液是否鼓泡，查明 了引起变色的原因。(上接第24页)冲洗与氨加热器EI03出口的联通阀门,恢复反应器应器泄压。高压氨系统改造后,氨冲洗夹套泄漏的次的氨冲洗及底部供氨,使反应器能够通过升华排塔安数明显减少,处理起来也方便了许多。2008年8月全停车。事实证明,此次高压氨系统的改造是很成功底,三聚氰胺装置的高压氨夹套总管段突然大量泄的,有效地降低了停车及检修过程中的安全隐患,大漏,导致FIC1064无量，反应器底部加不进氨。当班幅度减少了检修工作量,使装置提前开车,创造了很人员确认后,立即将泄漏段切出、排放,并打开及时氨可观的经济效益。