大规模煤气化技术的开发与进展

大规模煤气化技术的开发与进展韩启元',许世森21.中国石油化工股份有限公司安庆分公司,安徽安庆2460032.西安热工研究院有限公司,陕西西安710032[摘要]煤气化技术是 发展煤基化学品、煤基液体燃料、联合循环发电、多联产系统、制氢、燃料电池等工业的关键技术,其中气流床气化具有易大规模化、煤种适应范围广、碳转化率高等特点。近年来得到规模应用。介绍以水煤浆为原料的GE Texaco (德士古)、Global E-Gas(原Destec)技术,以及国内开发的水煤浆气化技术和以干煤粉为原料的Shell、 PRENFLO、Si-mens GSP技术及西安热工院有限公司的两段式气化技术。对这些技术的优缺点进行了对比。[关键词]煤气化;气流床;水煤浆气化;干煤粉气化[中图分类号] TQ545[文献标识码] A[文章编号] 1002 -3364(2008>01 - 0004 - 05炉在荷兰Buggenum 250 MW IGCC电站投人运行,日1各 类气流床气化技术现状处理煤量为2 500 t,气化压力为2.8 MPa。该电站的运行表明,Shell气化炉可靠性和可用率都已达到了商.1干煤粉进料业化的水平(1]。1.1.1 Shell和PRENFLO气化技术德国Krupp-Koppers公司在K-T炉基础上开干煤粉气化工艺的前身是常压K-T炉,起源于发出 PRENFLO干煤粉气化工艺,于1986年在德国德国Koppers公司(1938年),K-T炉最大单炉投煤萨布吕肯郊区建成了规模为48 t/d、气化压力为3.0量为500 t/d,主要用于生产合成氨。随着技术进步，MPa的中试装置。1997 年PRENFLO煤气化工艺在常压K-T炉逐步被加压操作的干粉炉所取代。西班牙Puertollano 300 MW IGCC电站投人运行，日.技荷兰Shell公司与德国Krupp-Koppers公司在.处理煤量为2 600 t,气化压力为2. 8 MPa.荷兰联合开发出6 t/d的试验装置,并在此基础上，Shell 和PRENFLO气化工艺十分相似,都是下1978年在德国汉堡附近建成第一座干煤粉加压气化置多喷嘴式干煤粉气化工艺。为了让高温煤气中的熔中试装置,容量为150 t/d,操作压力3.0 MPa,其主要融态灰渣凝固以免使煤气冷却器(废热锅炉,简称废述工艺特点是采用密封料斗加煤装置和粉煤浓相输送。锅)堵塞,后续工艺中采用大量的冷煤气对高温煤气进1987年,Shell公司在美国休斯顿建成并投运了一座行急冷,其可使高温煤气由1400 C冷却到900 C.目名为SCGP-1的干煤粉加压气化示范装置,气化压力前这两种炉型均为，废锅流程,其主要差别在于废锅的(2~4)MPa,日处理煤量为(250~400)t,累计运行设置上,Shell气化技术在经过导气管后于侧面设置了4 400 h,最长连续运行1 528 h。1994 年,Shell煤气化中国煤化工锅设置在顶部。CNMHG收稿日期: 2007-09-261.1.2 GSP 气化技术煤气出口，GSP气化技术由原民主德国燃料研究所开发。1979年在德国弗来贝格(Freiburg)建立了W100和中路中.W5000(冷壁炉Colling Screen 和冷墙炉Cooling水汽去气包wall)两套中试装置,完成了一系列基础研究和工艺验证。1984年,又在德国黑水泵市的劳柏格电厂建立了夹层充氟气”1套130MW冷壁炉装置，该装置运行了十多年而无需更换气化炉的燃烧器主体和水冷壁。有专家认为,GSP气化技术存在的主要问题是，在单炉能力和长期生产运行考验方面还存在不足,目前已运行过的装置单炉能力只有日投褐煤720 t的规二次煤粉+水燕气. 二次煤粉:水蒸气.. ..模,运行时间也不很长;GSP炉燃烧室的高径比偏小，可能会出现煤粉燃烧不完全就排到激冷室的现象,此外还应考虑炉子在放大时单喷嘴容易受到限制。煤粉(氨气携带)+水蒸气+氧气水熬气+氧气'1.1.3 两段式气化5]荷兰Shell和德国PRENFLO气化炉均为以干煤锅炉水进口粉形式进料的气化装置,但它们只有一级气化反应,为渣池水进口了让高温煤气中的熔融态灰渣凝固以免使煤气冷却器堵塞,不得不在后续工艺中采用大量的冷煤气对高温渣池水出口煤气进行急冷,其热量损失很大,气化炉的碳转化率、圈1两段式气化炉结构示意冷煤气效率和总热效率等指标均比较低,并且由于煤气流量较大,造成煤气冷却器、除尘和水洗涤装置的尺裂解和部分气化,提高总的冷煤气效率和热效率。寸过大。为了解决这一问题，西安热工研究院有限公为了满足发电行业和化工行业对于煤气化工艺的司(TPRI)开发出了一种新型的两段式干煤粉加压气不同要求,两段式干煤粉 加压气流床气化炉根据下游流床气化炉(图2)。工艺的不同要求,可以采用有废锅和无废锅两种形式，该气化炉的外壳为一直立圆筒,炉膛采用水冷壁即适合于煤化工工艺的煤气激冷流程和适合于发电工结构,炉膛分为上炉膛和下炉膛两段,下炉膛是第一反艺的废锅流程。在激冷流程中,用激冷水将煤气直接应区,用于输入煤粉、水蒸气和氧气的喷嘴设在下炉膛冷却至300 C以下,这种工艺方式的系统比较简单,投的两侧壁上,渣口设在下炉膛底部高温段,采用液态排渣。上炉氨气来自空自麻煤机气分离装置膛为第二反应区，其内径较下炉蒸汽膛的内径小,且较高,在上炉膛的技侧壁上开有2个对称的二次煤粉包回←上除氧水和水蒸气进口。运行时,由气化济) ot出气化*亡 煤气净煤气炉下段喷入干煤粉、氧气(纯氧或气化炉炉水冷壁还③|富氧)、蒸汽,所喷人的煤粉量占中激冷嶠总煤量的80%~85%;在上炉膛水泵进口处喷人过热蒸汽和煤粉,所每气来有至一四+炉水冷壁气化发喷煤粉量占总煤量的15%~排污电20%。该装置中上段炉的作用一.渣◆中国煤化工是代替循环合成气使温度高达MHCNMHG1400C的煤气急冷至约900C,图2激冷气化工艺流程八二是利用下段炉煤气显热进行热5德士古气化技术是上置喷氦气来自空磨煤机嘴式水煤浆气化技术,在用于化燕汽工合成时,Texaco气化炉采用(汽包2) +除氧水激冷工艺,但在用于IGCC发电排污项目时(如Cool Water电站和出气化炉净堞气Tampa电站),则采用废锅流程。气化炉水冷壁出废锅③④|单炉容量目前最大可达2000 t/蒸汽中水冷壁煤气冷干法除洗深d,操作压力大都采用4.0 MPa执锅炉尘器|水泵和6.5 MPa。氧气来自空一四进气化进度锅粗煤气器1.2.2 E-Gas气化技术炉水冷壁R冷康Destec气化炉是1个十字渣型的压力简体,炉膛用耐火砖砌成,也采用水煤浆。在十字型筒圉3废锅工艺流程体的水平方向上,安装2个相互资较少(图3)。此工艺流程适用于化工领域及多联对喷的水煤浆喷嘴。由这2个喷嘴喷入一次反应区的产。如果使用废锅流程(图3),则粗煤气中15%~ 水煤浆数量是总量的80%。一次反应区的温度大约20%热能被回收为中压或高压蒸汽,气化工艺总体的为1 371 C~1 427 C。二段反应区位于十字型筒体热效率可以达到98%。此工艺过程比较适合于IGCC垂直部位的上方。 在这个区段上通过1个喷嘴喷入剩项目。下的20%的水煤浆,该反应区的温度控制在1038 CTPRI于1997年建成了国内第1套干煤粉加压气左右。利用一段反应区内生成的高温煤气的热量,促化特性试验装置,该装置的气化能力为(0.7~1.0)t/d使水煤浆中煤的挥发物(CH,等轻质碳氢化合物)释煤粉,压力为3.0 MPa。利用该装置完成了14 种中国放出来,并使一部分碳元素发生气化反应(在二段反应典型动力煤种的干煤粉加压气化试验研究。2004 年，区中 ,碳的转化率可达50%)。最后,使排出气化炉的建成日处理(36~40)t煤的两段式干煤粉加压气化中煤 气温度降至900 C. Destec 气化炉是两段气化反应试装置,在该装置上完成了若干种煤的气化试验研究，炉。取得了充分的煤气化过程数据。试验煤种的灰分试验采用两段气化反应有以下优点:范围为5%~30% ,挥发分试验范围为8%~40%,灰(1)冷煤气的效率较高,一般可以达到78%左右。熔点试验范围为1 100 C~1600 C,覆盖了从褐煤、这是由于在两段反应区,二段喷人的水煤浆在高温下烟煤、贫煤到无烟煤的各种煤种。继续发生煤的热解和气化反应,产生了更多的有效气体;1.2水煤浆进料(2)可以不用价格昂贵、结构庞大的辐射冷却器就技1.2.1 德士古气化技术能把粗煤气的温度降到1900C。美国Texaco公司开发的水煤浆气化工艺是将煤1.2.3国内开发 的水煤浆气化技术济加水磨成浓度为 60%~65 %的水煤浆,用纯氧作气化九五期间，华东理工大学、水煤浆气化及煤化工国深剂,在高温高压下进行气化反应，气化压力在(3.0~家工程研究中心(兖矿 鲁南化肥厂)、中国天辰化学工8. 5)MPa之间,气化温度约1400 C,煤气成分C0+程公 司合作开发了多喷嘴对置式水煤浆气化技术,十H2为80%左右,碳转化率96% ~99%,气化强度大，五期间,该技术进入商业化示范阶段。在兖矿国泰化门炉子结构简单”。德士古气化炉有直接激冷式和废锅工有限公司建成2套日处理煤1 150 t气化炉(4.08式两种。MPa),于2005年10月投人运行。另外,在山东华鲁目前Texaco技术最大商业装置是美国能源部的中国煤化工1台750 t/d的气化炉6 Tampa电站,1996年7月投运,12月宣布进人验证运YHC N MH G日正式投入工业运行。行。该装置为废锅式，单炉日处理煤(2000~2 400)t,由于多喷嘴对置式水煤浆气化技术仍采用水煤浆气化压力为2.8 MPa,煤浆浓度68%,净功率250 MW。进料 ,故只能采用耐火砖。水煤浆气化自身的缺点如:6效率低下、氧耗高、对煤质要求高、喷嘴寿命短、耐火砖GSP工艺、德士古工艺等,属于下置喷嘴式的有Shell寿命短需要设置备用炉等,不会有根本性的改变,此炉、PRENFLO炉、Destec炉、两段式气化炉等。外,多喷嘴多路控制系统还增加了设备投资和维修工由图4可以看出,对于上置喷嘴式气化炉,排渣口作量(2)。为炉内温度最低点,为保证排渣顺利,必须保证T温度时灰粘度<25 Paos,因而要求操作温度T2达到更.2水煤浆气化与干煤粉气化比较高的温度;对于下置喷嘴式气化炉,排渣口位于炉内温度最高点,只需保证在T2温度下灰粘度<25 Pa.s即典型干煤粉气化与水煤浆气化性能指标见表1。可。值得注意的是:德士古公司在研究开发气化技术之初,从气化的比氧耗和比煤耗来说，与下置喷嘴式流也打算采用干煤粉进料,即打算将水煤浆先加人,再送程比较,上置喷嘴式流程需要更高的气化反应温度,因人1个快速加热器,将煤浆快速干燥成干煤粉和水蒸而比氧耗较高;同时,由于生成了更多的CO2,将使比气,将蒸汽分离后的煤粉加人炉内气化。这项工艺的煤耗增加。另外,由于气化反应温度的提高,将影响气实质还是干煤粉气化工艺,只是把水煤浆作为一种较化炉水冷壁的寿命。为方便的加压给煤的手段。德士古公司采用了水煤浆粉煤⊥氧燕汽气化技术。表1典型干煤粉 气化与水煤浆气化性能指标比较项目干煤粉气化水煤浆气化.①含水低(尤其是内水无烟煤、烟堞、褐煤到分低)的煤种。②选用反应室-煤种适应性石油焦,局限性小.灰融点低和灰粘度适宜的煤种。灰融点FT管网-宜低于1 350 C.气化温度/C1 400~1 8001 300~1 450周化渣一冷煤气效率79~850~78液态渣[p护气比氧耗(O: (C+0.310.4T1H))/m3 .m-8温度C .比煤耗_粗煤气液渣排料口L冷流体(煤:(0O+H)) 0.5/kg. m-t煤气液渣碳转化率/%>9990~96(a)上置喷嘴式气化炉负荷调节范围/%50~12070~100煤气出甘喷嘴寿命1年以上60~90天水汽去汽包运行压力/MPa≤4.0.2.8~6.5,最商8.5气化炉内衬水冷壁+涂层耐火砖夹层充氮气内衬寿命/年>101~2单炉最大出力.>3 0002 400/t.d-二次煤粉+水熬气二次煤粉+水蒸气国内对干煤粉气化操喷嘴耐火砖寿命短，煤粉(氨气攙带)+煤粉(氟气携带)+堞 I伏述存在问题作还未完全掌握,处需设置备用炉水蒸气+氧气。.水蒸气+氧气于摸索阶段-锅炉水进口渣池水进口T; T,T:温度C3进料方 式对煤种的适应性比较渣池水出口发电中国煤化工气化炉进料分为下置喷嘴式和上置喷嘴式两种。围.MYHCNMHG高度的变化下置喷嘴式为煤粉从气化炉下部进入,上置喷嘴式为煤粉从气化炉上部进入。属于上置喷嘴式气化的有八4气化后工艺比较"]5讨论气化后工艺是指气化炉出口的高温气体经过回收(1)应根据煤种的变化选择合适的气化技术,如果热量、除尘和增湿后变成水煤气,以满足下一-工序的需所气化煤灰熔点较低(FT小于1 350 C),且成浆性能要。气化后工艺通常有激冷流程和废锅流程两种。较好,则既可以选择水煤浆气化,也可以选择干煤粉气激冷流程一般由激冷室(罐)、文丘里.洗涤塔组化;如果所气化煤灰熔点较高(FT大于1 350 C),则成。气体的热量被水汽化吸收,灰渣混于水中,气相中只能选择干煤粉气化;如果要求较高的气化指标,则选包含有大量的水蒸气,可以满足变换工艺的需要。择下置喷嘴式干煤粉气化比较合适。废锅流程一般由一级或多级废热锅炉、干洗和水(2)应根据产品的种类选择气化后工艺设置。在洗除尘装置组成。气体的热量用于产生高压和中压蒸进行Texaco工艺、E-Gas工艺、Shell工艺、两段式气.汽,灰渣混于水中,气相中包含有少量的水蒸气。化工艺比较时,应该针对同一种产品,将气化后工艺设目前国内运行的Texaco工艺只有激冷流程,在最置相同,也即应在同一基点上进行几种投资方式的比近引进的Shell工艺中,也只有废锅流程- -种。较。研究认为,气化后工艺的选择,应视后续产品需要(3)水煤浆气化在我国应用已近20年,尽管在引而定。甲醇合成时需要H2/CO在2.0左右。这就要进之初也出现了各种问题,但目前从技术的掌握、操作求气化后的煤气中含有相当多的CO,它与水蒸气反的熟练程度和设备的国产化方面都有较大的优势。同应转化成H2 ,其需要大量的水蒸气。激冷流程既脱除时认为,随着国内引进的Shell气化技术的投产,一定了尘渣,又起到了增湿的作用,使气化后气体中的汽气能够掌握好千煤粉气化技术。比满足变换工艺的需要。因此,针对甲醇合成而言,激.(4)我国具有自主知识产权的气流床气化技术,如冷流程是一种比较合适的工艺。如果采用废锅流程，TPRI的两段式气化为代表的干煤粉气化和华东理工虽然可以回收- -部分热量,但废锅出口的水蒸气含量大学为代表的多喷嘴对置式水煤浆气化技术,都已经比较低,气体温度较低,经水洗的增湿作用有限。因具备产业化条件。此,仍然要补充一部分水蒸气到水煤气中,这不仅在工艺上比较复杂,能量利用也不合理。由此可见,废锅流[参考文献]程对甲醇合成并不十分合理。例如，目前Shell工艺;[1] 许世森,张东亮,任永强.大规模煤气化技术[M].北京:应用于中国的20套装置,均采用废锅流程,既增加了化学工业出版社,2006.大量的投资,也使工艺复杂化。较为适宜的煤气化工[2]陈家仁. 加压气流床煤气化工艺的发展现状存在的工程化问题及对策[C].2007年中国煤炭加工与综合利用技艺流程如图5所示。术、市场、产业化信息交流会暨煤化工产业发展研讨会，2007:70-77.Eas ]计遭}[3] 夏鲲鸝,陈汉平,等气流床煤气化技术的现状及发展技[J].煤炭转化,2005 ,28(4):69-73.选[备煤一医电[4]汪寿建.Shell煤气化技术进展及发展趋势[J].煤化工，2004,32(1):18-21.干煤粉+RENFLO[5] 张东亮,许世森,任永强,等.两段式加压粉煤气化技术术一厂 GSP➢两段炉圃[J].煤化工,2005,33(1);19-21.一團5较为适宜的煤气化工艺流程(下转第12页)中国煤化工MYHCNMHG八[5] 曾瑞良,徐秀清.直流燃烧器的稳燃原理及应用[J].中31th International Combustion Symposium, Heidelberg,国电力,1999 ,32(3):29- 31.Germany, 2006, in publishing.[6] 张海,吕俊复,岳光溪,等.若干煤粉燃烧器的设计思想[11]毕玉森.我国电站锅炉低NO,燃烧器的应用状况及运行分析[J].锅炉技术,2006,(12).实绩[J].热力发电,1998,(1):4-11.[7] 黄竹青,汤盛萍.煤粉浓缩燃烧技术的应用及其利弊分[12]陈长栋,钱壬章。旋流燃烧器对低挥发分煤的适应性析[J].锅炉技术,2003,34(6);39 - 43.[J].中国电力,1997 ,30:45 -47 ,65.8] 张海,吕俊复,曾瑞良,等，多重富集低NO,型燃烧器及[13] 马东森.德巴660 MW锅炉结焦原因探讨[J],电站系统其在65 t/h锅炉上的应用实践[J].热力发电,2005,(6);工程,2004, 20(5):51-5225 -27.[14]陈智超,李争起,孙锐,等.适用于1 025 t/h燃煤锅炉的[9]杨宗恒. 浓缩型DRB双调风旋流燃烧器及其应用[J].巴.浓淡旋流煤粉燃烧技术的研究[J].中国电机工程学报，威锅炉,2004,(3):21 -26.2004,24(4):189- 194.[10] Zhang Hai, Yue Guangxi, Lu Junfu, et al. 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(上接第8页)DEVELOPMENT AND PROGRESS IN LARGE - SCALECOAL GASSIFICATION TECHNOLOGY技术HAN Qi - yuan' ,XU Shi - sen2济1. Anqing Branch Company of China Petro - chemical Co Ltd, Anqing 246003，Anhui Province, PRC2. Xi'an Thermal Power Research Institute Co Ltd, Xi'an 710032, Shaanxi Province, PRC述Abstract:Coal gassification is a key technology for developing coal-based industries, such as chemical products, liquid fuel, combinedcycle power generation, multiple co - generation system, hydrogen production, and fuel cell etc.. The dry - fed gassification in an airflow bed has advantages of high throughput per gssifier, wide adaptibility of coal sort, and high carbon conversion eficiency, so it .发is easily to be used in large - scale gssification. Moreover, the dry - fed coal gssification techology, such as Shell, Prenflo, GSP andTPRI two - stage gssfication, as well as slurry - fed technology, suct中国煤化工° dvlped col 8ssf.tinhave been presented, and these two kinds of technology being comparQKey words:coal gssification; air flow bed; slurry - fed gssification;TYHCNMHG八12