干法进料气流床煤气化技术的现状与发展

第1期(总第134期)煤化工No.1 (Total No.134)2008年2月Coal Chemical IndustryFeb. 2008干法进料气流床煤气化技术的现状与发展任永强'。韩启元2(1.西安热工研究院有限公司,西安710032;2.中石化股份有限公司安庆分公司,安庆200661)摘要煤气化按煤的粒度和气化炉内的气体流速等可分为固定床、流化床、 气流床3种。其中干煤粉气流床加压气化具有易大规模化、煤种适应范围广、碳转化率高等特点,近年来得到大规模的应用。详细介绍了以干煤粉为原料的Shell、Prenflo .Simens GSP和西安热工院的两段式气化技术。关键词煤气化气流床干法进料文章编号:1005-9598(2008)-010001-06中圈分类号 :T0545文献标识码:A工院的两段式气化技术“”。引|言1. Shell和Prenflo气化技术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过程工干粉煤气化工艺的前身是常压K-T炉,起源于德业的关键技术。国Koppers公司(1938年),K-T炉最大单炉投煤量为综合100 余年来的煤气化技术发展史,可以得出500t/d,主要用于生产合成氨,曾一度占国外煤基氨以下结论:厂总产量90%以上。随着技术进步,常压K-T炉逐步(1)与固定床和流化床气化相比，气流床气化是被加压操作的千粉炉所取代。已验证的能大规模化的煤气化技术(处理煤量可达到荷兰Shell公司与德国Krupp-Koppers公司在荷200t/d-300t/d)。世界上e商业化的IGCC大型电兰联合开发出6t/d的小试装置,并在此基础上,1978站(250MW以上)及投煤量2000 t/d的大规模煤化工年在德国汉堡附近建成第--座干煤粉加压气化中试项目,全部采用气流床煤气化技术,可见其技术上的装置Shell-Koppers炉，容量为150t/d,操作压力优势。3. 0MPa。其主要工艺特点是采用密封料斗法加煤装置(2)与水煤浆进料相比,干煤粉进料的气流床气和粉煤浓相输送。1987 年,Shell公司在美国休斯顿化的冷煤气效率高6%~8%,比煤耗和比氧耗均大幅度建成并投运了一座名为SCGP-1的干煤粉加压气化示.下降,煤种适应性更广。范装置,气化压力2MPa~4MPa,日处理煤量为250t烟(3)纯氧加压气化不仅是增加气化炉容量、提高煤,累计运行4 400h,最长连续运行1 528h,未出现工碳转化率和煤气品质的必要手段,而且与未来煤气化艺和机械问题。1994年,Shell煤气化炉在荷兰Bugge-多联产的近“零排放"系统相吻合。num 250MW IGCC电站投入运行，日处理煤量为2 500t,综上所述,干煤粉加压氧气气化技术代表着目前气化压力为2.8MPa,该电站的运行表明,She11气化煤气化技术发展的一个主流方向。炉可靠性和可用率都已达到了商业化的水平2。以干煤粉为原料的气流床气化技术目前工业化德国Krupp-Koppers公司在K-T炉基础上开发了前景看好的有Shell、Prenflo、Simens GSP和西安热Prenflo干煤粉气化工艺,于1986年在萨布吕肯郊区建成了规模为48t/d、气化压力为3. 0MPa的中试装置。收稿日期:2007-11-161997中国煤化工E牙Puertollano作者简介:任永强(1974- ),男,1997年毕业于北京科技压力.HCNMHG为2600t,气化大学热能工程专业,高级工程师,现从事煤气化技术研发工作。Shell气化法的典型流程如图1所示田。煤化工2008年第1期激冷气压缩机激冷气煤、助溶剂过热蒸汽↓”↓磨煤及干燥,中压蒸汽返回气330C160C煤进料锅炉给水比|水热,炉牛炉除干固体湿 洗去净化.氧、蒸汽干灰外运炉渣或去磨煤.團1 Shell 气化工艺流程示意圉煤(根据煤种混合一定量的石灰石)进人磨煤机高温煤气中的熔融态灰渣凝固,同样采用了冷煤气激混磨(按质量计,其中90%粒度<100μm) ,并由热风作冷的方法,目前这两种炉型均为废锅流程。其主要区为动力带走煤中的水分，再经过袋式过滤器过滤,千别在于废锅的设置上，Shell 气化技术在经过导气管燥的煤粉进人煤粉仓中贮存。后在侧面设置了废热锅炉,而Prenflo气化技术废锅氧气经氧压机加压并预热后与中压过热蒸汽混设置在顶部。合后导入喷嘴。出煤粉仓的煤粉通过锁斗装置,由气由于干煤粉气化具有煤种适应性强冷煤气效率体(N2或CO2)加压送至喷嘴,与蒸汽、氧气一起进人气高、比氧耗低等优点,我国的煤化工业界已经有近20化炉内进行部分氧化反应,温度约为1500C~1600C,家企业正在采用Shell技术新建或改造化工厂。目压力3. 00MPa~4. 0MPa。前，国内引进Shell技术的企业有五家已经相继投出气化炉的粗煤气先在气化炉顶部被循环压缩产,运行情况介绍如下:机送来的冷煤气激冷至900C左右,然后经输气管换.岳阳中石化壳牌煤气化有限公司自2006年12热器、废热锅炉回收热量后温度降至280C~350C,月19日气化装置一次投煤开车成功以来,2007年5再进入高温高压陶瓷过滤器除去合成气中99%的飞月份开始,装置运行明显好转,最长连续运行达到49灰。出过滤器的气体分为2股,一股进入激冷气压缩天,负荷达80%以上。.机压缩后作为激冷气,另一股进入文丘里洗涤器和洗湖北枝江2006年12月10 日气化炉投产成功,涤塔,经洗涤除去其中剩余的灰。处理后的煤气含尘2007年3月以前,装置运转情况不理想,大部分时间.量小于1mg/m2 ,然后送后续工序。在进行整改消缺和开车准备。煤烧嘴隔焰罩改造成功在气化炉内产生的熔渣沿气化炉壁流入气化炉后，装置运行情况发生了好转。最长运行周期达到.底部的渣池,遇水固化成玻璃状炉渣,然后通过收集37.4天,受氧制约气化炉最大负荷只能达到77%。目.器、渣锁斗,定时排放至渣脱水槽,再通过捞渣机捞出前运行平稳。送至渣场,作为商品出售。安庆厂于2006年11月18日气化炉成功投煤,在高温高压过滤器中收集的飞灰经飞灰气提塔最长连续运行时间为65天，且是因为该厂空分装置气提并冷却后进入飞灰贮罐,一部分飞灰返回至磨煤的改造计划停工,停车前气化装置没有影响运行的明机,另一部分作为商品出售。显障硬中国煤化工制)。气化炉膜式壁和各换热器由泵进行强制水循环,运行,工艺控制逐产生的5. 4MPa饱和蒸汽进入汽包,经汽水分离后进步优TYHCNMH G在生产一天比一人蒸汽总管,水循环使用。天稳定。2007 年全部停工时间仅有20多天,氧负荷Prenflo气化工艺与Shell工艺十分相似，为使通常100%以上,最高110%, 装置开工率在5家厂最高，2008年2月任永强等:干法进料气流床煤气化技术的现状与发展- 3-连续运行时间逐次提高:3月~4月连续运行53天,5术建立了1套200MW的商业化装置。月~7月连续运行47天,7月~9月连续运行57天,也1989年东、西德合并之后,德国诺尔公司(Noell)是目前Shell煤气化装置运行率先盈利的企业。收购了前东德燃料研究所气化工艺部门,成为CSP气柳化2007年1月8日开车以来,经历8次停车，化技术的拥有者。 1999 年诺尔公司被德国巴伯高克最长运行周期30天,停工检修时间较多,随着经验积(Babcock)电力公司收购。2002 年德国巴伯高克电力累,逐步好转。公司破产，瑞士可持续技术控股公司(SUSTEC Hold-本工艺的缺点是投资高,设备造价过高;合成气ing AG)收购其气化技术部门并成立全资子公司--换热采用废锅形式增加了投资,对需要水蒸气成分的德国未来能源有限责任公司。化工生产来看直接用水激冷更合理。如果该技术采用2005年5月，神华宁夏煤业集团有限责任公司徼冷流程,与采用激冷流程的Texaco比较,则投资不与瑞士可持续技术控股公司组建了北京索斯泰克公会增加多少。司,在我国推广本项技术。2006 年6月,西门子发电集团收购GSP煤气化技术，成立了西门子燃料气化技2 GSP技术术公司。与Shell和Prenflo工艺- -样,GSP气化工艺过GSP气化技术是20世纪70年代末,由前民主德国程也主要是由给料系统.气化炉粗煤气洗涤系统组燃料研究所(DBI)开发并投人商业化运行的大型粉煤成,即备煤、气化、除渣三部分组成。但与Shell和气化技术。1984 年在德国黑水泵市(Schwarze Pumpe)Prenflo工艺不同的是:该工艺采用了水激冷流程,德国黑水泵公司的前身劳柏格电厂采用GSP气化技而非废锅流程。GSP气化工艺流程如图2所示。.天然气气二C )81+0 a蒸汽锅炉缦冲罐冷却水缓冲罐蒸汽. 锅炉给水NaOH放空氮气←出火炬事故r索乘字Q←天然气粉状燃料-激冷气化炉煤气去料仓卤向日向进一步净化文丘里旋风分离器- NaOH冷却水土洗涤器激冷水回水锁斗锁斗)I 冷却器储槽来自污水.I处理系统氮气机械化I给料澄清槽溢流槽捞渣机去污水循环煤气面澄清水储槽_ ↓处理系统。电机日2 GSP气化工艺流程示意圉固体气化原料被碾磨为不大于0. 15mm的粒度.1 6002)高压(2_ 15MPa~4 10MPa)下发生快速气化后,经过干燥,通过浓相气流输人系统送至烧嘴。对于反应，中国煤化工热粗煤气。气化液态或污泥状的气化原料则可用泵送至烧嘴。.原料5MYHCN M H G气和熔渣一起通气化原料与其他气化剂(氧气、水蒸气)经烧嘴过反应室底部的排渣口进人下部的激冷室。同时喷入气化炉内的反应室，然后在高温(1 400C~冷却后的粗煤气去洗涤系统，渣粒固化成玻璃-4-煤化工2008年第1期状,通过锁斗系统排出,溢流出的激冷水送污水处理.该气化炉的外壳为--直立圆筒,炉膛采用水冷壁系统。气化温度的选择是由原料煤的物理化学性质决结构,炉膛分为上炉膛和下炉膛两段,下炉膛是第一定的,气化压力的确定主要取决于产品煤气的利用工反应区,用于输人煤粉、水蒸气和氧气的喷嘴设在下炉膛的两侧壁上。渣口设在下炉膛底部高温段,采用有专家认为，如果煤气用于发电,CSP 热效率比液态排渣。上炉膛为第二反应区,其内径较下炉膛的Shell气化热效率低14%~15% ,Shel1气化具有明显内径小,高度较长,在上炉膛的侧壁上开有两个对称的优势;如果煤制合成气(或H),则GSP气化技术在的二次粉煤和水蒸气进口。运行时,由气化炉下段喷原料适应性气化炉结构及大型化、消耗指标、运行费人干煤粉,氧气(纯氧或富氧)以及蒸汽,所喷入的煤用等方面优势明显,兼有Shell和Texaco的优点"。粉量占总煤量的80%~85%,在上炉膛进口处喷人过热GSP气化技术目前已运行过的装置,单炉能力为蒸汽和粉煤,所喷煤量占总煤量的15%~20%。该装置日投褐煤720t的规模,能力放大空间较大;CSP炉燃中上段炉的作用主要有二:其一是代替循环合成气使烧室的高径比小,可能出现煤粉燃烧不完全就排到激温度高达1 400C的煤气急冷至约900C,其二则是.冷室的现象;炉子在放大时,一般单喷嘴容易受到限利用下段炉煤气显热进行热裂解和部分气化,提高总制,这些在工程化过程中,有一个逐步完善的过程。的冷煤气效率和热效率。该气化工艺已经获得国家发目前应用该技术的为宁煤煤基烯烃(NCPP)项目,明专利。投煤量为2000 t/d。为了满足发电行业和化工行业对于煤气化工艺的不同要求,两段式干煤粉加压气流床气化炉根据下3两段式气化图游工艺的不同要求,可以采用有废锅和无废锅两种形.式,即适合于煤化工工艺的煤气激冷流程和适合于发荷兰Shell和德国Prenflo气化炉均为以干煤电工艺的废锅流程。在激冷流程中,用激冷水将煤气粉形式进料的气化装置，但它们只有一级气化反应,直接冷却至300C以下，这种工艺方式的系统比较简为了让高温煤气中的熔融态灰渣凝固以免使煤气冷单,投资较少。此工艺流程适合应用于化工领域及多却器堵塞,不得不采用后续工艺中大量的冷煤气对高，联产。目前为内蒙世林有限公司设计的工艺流程即采温煤气进行急冷，方可使高温煤气由1 400"C冷却到用此流程。如果使用废锅流程,则粗煤气中15%~20%900C ,其热量损失较大,气化炉的碳转化率,冷煤气热能被回收为中压或高压蒸汽,气化工艺总体的热效效率和总热效率等指标也比较低,并且由于煤气流量率可以达到98%。此工艺过程比较适合于IGCC项目。较大,造成煤气冷却器、除尘和水洗涤装置的尺寸过目前为华能绿色煤电工程设计的工艺流程即采用此大。为了解决这一问题，西安热工研究院开发出了一流程。图4是带废锅的工艺流程简图,图5是无废锅种新型的两段式干煤粉加压气流床气化炉,如图3所的激冷工艺流程简图。示。西安热工研究院于1997 年建成了中国国内第1「煤气出口套干煤粉加压气化中间试验装置并进行了试验研究。中国国eet:该装置的气化能力为0. 7t/d-1.0t/d煤粉，压力为.3. 0MPa。利用该装置完成了14 种中国典型动力煤种水汽去汽包的干煤粉加压气化试验研究。在中国科技部“十五"夹层充氮气863计划的支持下，以西安热工研究院为牵头单位,联合国内其他六家研究院所和生产单位，于2004年二次煤粉+水蒸气在陕西渭河化肥厂建成日处理36t-40t煤的两段式干煤粉加压气化中试装置。2005年完成试验研究。该煤粉(氮气携带)+项目于2006年5月16日通过国家科技部的验收。西水蒸气+氧气安热工研究院在该装置上完成了若干种煤的气化试锅炉水进口“渣池水进口验研究中国煤化工据。试验煤种的灰分司HCNMHG式验范围为8%~渣池水出口40%，灰熔融性温度试验范围为1 100C~1 600C,覆田3两段式气化炉结构示意围盖了从褐煤.烟煤、贫煤到无烟煤的各种煤种。2008年2月任永强等:干法进料气流床煤气化技术的现状与发展煤粉来自磨煤氮气来自空分蒸汽+煤粉输送q除氧水反吹氮气排污t出气化净煤气气炉水冷壁出废锅水冷壁除文山水泵氧气来自空分四」y 集气化。进废感炉水冷壁水冷壁.渣◆图4废锅工艺流程示意團煤粉来自麝煤+(包D+ g↓证水泵出气化化敞|文1冷|先水泵来氧气来自空分-炉水冷壁圈5黴冷气化工艺 流程示意圉针对电力行业的用户,西安热工研究院已经开发收热量、除尘和增湿,变成水煤气,以满足下一个工序出两段式干煤粉加压气化技术的废锅流程,并且得到的需要。通常有激冷流程和废锅流程两种。了国家科技部“十-五*863计划的支持,将在华能集激冷流程可以由激冷室(罐)、文丘里、洗涤塔组团“绿色煤电"第一阶段示范工程中实现2000t/d级成。气体的热量被水汽化吸收,灰渣混于水中,气相中具有自主知识产权的干煤粉加压气化技术的工程化。“包含 有大量的水蒸气,可以满足变换工艺的需要。针对化工行业的用户,西安热工研兖院开发出两废锅流程可以由一级或多级废热锅炉、干洗和水段式干煤粉加压气化技术的激冷流程工艺,并且在内洗除尘组成。气体的热量用于产生高压和中压蒸汽,蒙世林公司的30万t/a煤制甲醇项目中得到了应灰渣混于水中,气相中包含有少量的水蒸气。用。目前该项目已经开工,预计将于2009年底前建成目前国内运行的Texaco工艺及引进的GSP技术投产。采用激冷流程,引进的Shell工艺中,只有废锅流程另外,1 000t/d级两段式干煤粉加压气化炉(激一种。冷流程)也将应用于山西华鹿煤炭化工有限公司年产专家认为,气化后工艺采用何种工艺,应当考虑.20万t甲醇项目。后续产品的需要。甲醇合成时需要H/C0在2.0左右。这中国煤化工的C0,要与水蒸4气化后工艺比较1I.3气反应HCNM H G蒸气。激冷流程既脱除了尘遭,又起到5增显的作用,使气化后气体气化后工艺是指气化炉出口的高温气体经过回中的汽气比满足变换工艺的需要。因此,针对甲醇合煤化工2008年第1期成而言,激冷流程是一种比较合适的配置。如果采用具有自主知识产权的干煤粉气流床气化技术一西安废锅流程,虽然可以回收一-部分热量,但废锅出口的.热工院两段式气化技术已经具备产业化条件,相信将水蒸气含量比较低,气体温度较低,经水洗的增湿作扭转我国大规模干粉进料煤气化技术长期依赖进口用有限。因此,仍然要补充一部分水蒸气回到水煤气的局面。中,这不仅在工艺上比较麻烦,能量利用也不合理。由参考文献:此可见,废锅流程对甲醇并不十分合理。例如，目前Shell应用于中国的近20套装置,均采用废锅流程,[1]许世森,张东亮,任永强.大规模煤气化技术[M].北既增加了大量的投资,也使工艺复杂化。.京:化学工业出版社,2006.2-144 ,246-247.[2]汪寿建. Shell 煤气化技术进展及发展趋势[J].煤化5讨论工, 2004 ,32(1):18-21.[3]唐宏青. Shell媒气化工艺的评述和改进意见[J].煤5.1应当根据产 品的种类,来选择气化后工艺设置。化工,2005 ,33(6):9-14.我们相信随着国内引进的Shell、GSP气化技术[4]李大尚. GSP技术是煤制合成气(或H)工艺的最佳选的投产，以及相关研发单位的研究,--定能够掌握好.撣[J].煤化工,2005 ,33(3) :1-4. .干煤粉气化技术。[5]张东亮,许世森，任永强。两段式加压粉煤气化技术5.3 经过研究开发单位的长期科技攻关，目前我国[].煤化工,2005 ,33(1):19-21.Status and Development Trend of Entrained-flow Coal Gasification on Dry FeedingRen Yongqiang' and Han Qiyuan2(1. Xi'an Thermal Power Research Insitute Co., Ld, Xi'an 710032;2. Anqing Branch, China Petroleum and Chemical Corporation, Anqing 200661)Abstract Coal gasification is the key technology of developing coal-based industrial chemical products, liquid fuel,ICCC，fuel cell and integrated utilization system. Pressurized entrained flow dry -feeding coal gasification has theadvantages of high throughput per gasifer, wide adaptability of coal type and high carbon conversion eficiency, soitisused on a large scale. This paper detailedly introduces dry-feeding coal gasification technology, such as Shell, Prenflo,GSP and TPRI Two-stage gasification.Key words coal gasification, entrained flow, dry-feeding●简讯●煤制天然气项目动态国家发改委最近批准大唐国际发电股份有限公司40亿m/a和内蒙古汇能煤化工有限公司16亿ur/a煤制合成天然气(SNG)项目开展前期工作,标志着两个大型煤制天然气项目全面启动。大唐国际煤制天然气项目依托锡林浩特胜利煤田的煤炭资源和赤峰市克什克腾旗较为丰富的水资源，总投资228亿元,预计2010年下半年投产,产出的天然气将通过长输管线送北京市场;内蒙古汇能煤化工有限公司煤制天然气项目总.投资79.4亿元,依托鄂尔多斯丰富的煤炭资源,通过煤、电、化一体化的建设模式,建设煤制天然气装置。目前,内蒙古将启动的这两大项目为我国煤制合成天然气领域仅有的两个项目,将填补我国煤制天然气领域的空白。全国原煤产量超25.亿.t2007年我国原煤产量达25.23亿t。从2002年的14.15亿t增中国煤化工。78. 3%,年均增长率达12. 26%。产量持续增长的同时,煤炭工业发展进程中一个显著的MHCN M H G2007年底,全国规模以上煤炭企业达7066家,原煤产量超过千万t的企业34家,其产量总和超过10亿t,占全国原煤总产量比重达到了45%。