煤气化技术方案比较及选择

2006, 16(3)何正兆等煤气化技术方案比较及选择综述名煤气化技术方案比较及选择{评论多何正兆*宫经德郑振安汪寿建五环科技股份有限公司 武汉430079摘要介绍 GE水煤浆气化工艺与SHELL干粉煤气化工艺的差别，并通过实例进行技术经济对比，阐述在目前经济条件下煤化工项目采用SHELL干粉煤气化工艺的优越性。关键词GE 水煤浆气化SHELL 干粉煤气化比较选择艺(原称德士古(TEXACO)水煤浆气化工艺)、1概述美国DYNEGY公司的DESTEC气化工艺、德国以煤为原料生产合成气，国内常用常压固定KRUPP UHDE公司的PRENFLO工艺(加压K层气化炉，以无烟块煤或焦炭为原料。该工艺虽-T法)及德国鲁奇(LURGI) 工艺。其中然技术成熟可靠，设备全部国产化，投资较省，DESTEC 气化工艺与GE工艺相近，但其业绩及但能耗高、煤质要求高，需用无烟块煤或焦炭，经验不如 GE; PRENFLO工艺的工艺指标较好,资源利用率低，而且是常压操作,生产强度小，但目前仅有 1套示范装置,生产操作经验较少;操作时“三废”排放量大，对环境污染比较严鲁奇 (LURGI) 工艺虽然工业装置较多,生产重，显然与国外煤气化技术相比，存在较大差操作经验也比较丰富, 但由于煤气中CH4含量距。多年以前，国内研究部门也曾开发过以粉煤高，有效成分(0O+H2)含量低，且煤气中焦为原料的K - T炉和熔渣炉,并在常压固定层气油及酚含量高，污水处理复杂，不宜用来生产合化炉中采用富氧连续气化的工艺，以及近年开发成氨和甲醇的原料气。的恩德粉煤气化炉和灰熔聚气化炉等,因种种原目前国际上技术比较成熟、工艺指标比较先因这些技术尚未达到大型工业化装置推广的程进、业绩较多的主要是SHELL公司干煤粉气化度。工艺和GE公司水煤浆气化工艺，两者均为加压煤气化技术早在20世纪初在国外已实现工纯氧气流床液态排渣的气化工艺。业化，50年代后因天然气、石油大量开发,煤2 SHELL 和GE两种煤气化技术气化技术发展-度停滞不前。20 世纪70年代,国际上出现能源危机,发达国家出于对石油天然(1) SHELL公司在渣油气化技术取得工业气供应紧张的担忧，纷纷把煤气化技术作为替代化成功经验的基础上， 于1972年开始从事煤气能源技术重新提到议事日程，并加快了对煤气化化技术的研究。1978年第--套中试装置在德国新工艺研究。近20年来，国外很多公司为了提汉堡建成并投入运行; 1987 年在美国休斯敦附高燃煤电厂热效率，减少对环境污染，对煤气化近建成的日投煤量(250~400) t的示范装置投联合循环发电技术进行了大量的开发研究工作，产; 日投煤量2kt的大型气化装置于1993 年在促进了煤气化技术的发展。目前已成功开发了对荷兰 的Buggenum建成投产(Demkolec 电厂),煤种适应性广、气化压力高、生产能力大、气化用于联合循环发电，该气化装置为单系列操作,效率高、对环境污染少的新- -代煤气化工艺。其.装置的开工率在95%以上。生产实践证明,中具有代表性的有荷兰壳牌(SHELL) 公司的SHEr中国煤化望可靠的。目前该干煤粉气化工艺、美国GE公司的水煤浆气化工技术HCNMHG●何正兆:高级工程师。1989年毕业于华东化工学院无机化工专业。长期从事化工工艺设计工作。电话: (027) 87501295。4CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2006,16(3)(2) GE (TEXACO) 公司很早就开发了以加至磨煤机， 过筛后制得高浓度水煤浆。制浆要天然气和重油为原料生产合成气技术，20世纪求煤粉的“粗”“细” 颗粒要有合理比例:一般70年代的石油危机促进其寻找替代能源和洁净420μ煤粉占90% ~95%，44μ 占25% ~ 35%较的煤气化技术，经多年研究以后,推出了水煤浆为适宜。研磨操作中加人稳定剂后，可使煤浆浓气化工艺。该工艺技术已在山东鲁南、上海焦度提高1%~2%，达到60% ~67%工业应用的化、陕西渭河、安徽淮化4套装置投运，最长的水平。已具有近8年生产操作经验。运行基本良好,显2.3加煤方式示了水煤浆气化的先进性，但使用该项技术所建(1)在SHELL煤气化工艺中，干燥后煤粉的生产装置，要达到长周期满负荷运行，尚较困用氮气(或二氧化碳气)输送至贮仓，经煤锁斗难，特别是对煤种的可选择性限制了其发展。人加压粉煤仓，再由高压氮气(或二氧化碳气)SHELL煤气化工艺与GE水煤浆气化工艺,将煤粉均匀送至气化炉烧嘴。由于整个过程用氮是当前先进而又成熟的两种煤气化技术，已成功气(或二氧化碳气)密封输送,并由程序控制自地在工业规模上应用多年。两种气化工艺对比分动进行。实践证实,这种加压下输送粉煤的进料析如下:方式操作可靠，安全性有保证。但对系统的防爆2.1原料的适 应性和防泄漏要求严格，锁斗系统操作相对比较复(1) SHELL煤气化是洁净的煤气化工艺，杂。可以使用褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤等煤种以(2)在GE水煤浆气化工艺中，制备的煤浆及石油焦为原料，也可使用两种煤掺合的混煤，通过中间槽、低压泵、煤浆筛人煤浆槽,再由高并成功地将高灰分(5.7% ~ 24.5%，最高压煤浆泵送至气化炉，因而输送过程操作非常安35%)、高水分(4.5% ~ 30.7%)和高硫分的劣全。但是对重要设备如高压煤浆泵的质量要求较质煤种进行气化。对于原料煤和燃料煤价差较大高，泵内隔膜衬里需定期更换，才能使该泵能长地区有可能使其两者合- -，既简化贮运系统又可期稳定运行。降低生产成本，可见该工艺在煤种应用上有很大2.4气化系列配置灵活性。(1)在SHELL煤气化工艺开发过程中作了(2) GE水煤浆气化工艺能使用较多煤种:大量基础工作，在不同规模中试装置中解决了各如烟煤、次烟煤、石油焦和煤液化残渣。但是在种技术关键，因而在工业装置中采用单系统配煤种选择上需考虑以下两点:①应选用含水低，置,不设备用系列,并已在投煤量为2kt/d生产尤其是内水分低的煤种，否则不利于制取高浓度装置中得到验证，气化装置运转率达到95%以水煤浆;②选用灰融点低和灰粘度适宜的煤种。上。灰融点FT (T3)宜低于1300C，否则会影响气(2)GE水煤浆气化装置通常是多系列配化炉内耐火砖的使用寿命。置,且必须设有备用系列。根据生产规模要求,2.2煤的准备设有2~4台气化炉，无论是1开1备(2X原煤通常需筛选和研磨破碎使其达到一定粒100%能力)，2开1备(3x50% 能力)方式运度,以满足输送和气化操作要求。行，装置均有很高运转率。(1)在SHELL煤气化工艺中，将煤研磨至2.5气化炉结构气化合适粒度的同时，用惰性气体的热风进行干(1) SHELL 气化炉为水冷壁结构，运行时燥。出磨机时90% (wt) 煤的粒度<100μ,煤熔融灰渣在壁面形成渣层，不仅提供气化炉壁隔中含水量控制在2% (wt) 以下，以利于气相输热功能而体执能增生减小到最低，因此冷煤送干粉进料的要求。气效YH中国煤化工督低;同时渣层(2)在GE水煤浆气化工艺中,通常采用一-“以C N M H G化亦可保护气化段湿磨工艺,小于10mm粉煤与水、添加剂同时炉壁免受熔渣的侵蚀，因此牢固可靠，设备维护2006, 16(3)何正兆等煤气化技术方案比较及选择5量小。但水冷壁结构比较复杂，制造难度高。室、文丘里洗涤器、高效洗涤塔组成的湿法洗涤(2) GE气化炉结构比较简单。以耐火砖为操作来分离煤气中固体颗粒。衬里，高温合成气与熔融灰渣直接侵蚀耐火衬2.9渣水分离里，因此衬里使用周期受到限制，一般为1~2煤气在湿洗过程中排出含灰洗涤水，又称黑年需要更换。水。通常经过减压闪蒸、澄清增浓操作进行灰水2.6烧嘴分离。两种气化工艺由于排水温度及含灰量差(1) SHELL煤粉气化炉通常使用多个烧嘴,异，致使渣水分离流程繁简程度有所不同。采用成双对称布置。遇到负荷变动时，可以增减(1)在SHELL煤气化工艺中,煤气夹带的进烧嘴的粉煤量，也可调整烧嘴运行个数来适应细灰大部分(~99%)在千法除尘中分离，因而生产要求。平时维护量极少，可连续使用湿法洗涤之排水含灰低，温度也不高,大部分循8000h，目前最长使用寿命已超过16000h。环使用。少量排水经一级减压放出溶解气后，经(2) GE水煤浆气化炉仅有1个装在气化炉过汽提、澄清、沉降后排放去生化处理，分离出顶部的烧嘴。用于合成气生产时，烧嘴通常是三细煤泥可返回至磨煤系统。流道型固定式非可调的，只能用烧嘴本身的弹性(2)在GE水煤浆气化工艺中,夹带在煤气范围来适应生产负荷变动的工况。目前运行中所有灰分全部转人激冷室排出之黑水中，温度1500h左右就需要进行检查和维护，并需作预防高(~220C)、水量大,通常设置2~4级减压性更换。闪蒸回收热量，再经澄清絮凝，灰浆经真空过滤2.7合成气冷 却与热量回收以滤饼形式排出。分离后的洗涤水返回气化，少(1)在SHELL煤气化工艺中，出气化炉高量送污水处理。渣水系统流程较长，对减压阀、温煤气用粗煤气冷激至900C，经合成气冷却器部分管道磨损较为严重。回收热量后，煤气温度降至350C左右。合成气2.10炉渣与细灰冷却器可根据需要，生产高压蒸汽、中压蒸汽或煤中的灰分经气化后，大部分以粒状炉渣从过热蒸汽。出合成气冷却器煤气经干法除尘后，渣 斗中排出，小部分成细灰从系统中分离。灰渣再经热水洗涤，作合成气用时可控制煤气中含中还含 有少量的碳。10% ~ 20%的水份。使高温煤气显热得到充分利(1)在SHELL煤气化工艺中，因炉内气化用。温度高、反应速度快，碳的转化率>99%，因而(2)在GE水煤浆气化工艺中,煤气显热回排出炉渣中含C<1%。干法除尘排出之细灰含收采用水激冷，在洗涤的同时将煤气的显热直接C<5%，可直接用作水泥生产原料。转化成蒸汽。出激冷室煤气中水/气比可达1.3(2)在GE水煤浆气化工艺中，碳转化率为~1.45，虽然热利用率很高，但是对激冷室排出96% ~98%，由于碳转化率随气化温度上升而增黑水的热量回收是影响回收效率高低的一个重要大,出于延长气化炉砖使用寿命考虑，实际碳转因素。化率经常在94%~96%。因此排出炉渣含碳2%2.8煤气除尘~5%，而在滤饼中含碳量达15%~30%。煤气中含灰量应达约1ppm,以防止给后工2.11运行周期序带来不良影响。由于气化炉结构上的差异导致气化炉运行周(1) 在SHELL煤气化工艺中,采用干法 期有较大差别。(高温高压飞灰过滤器) +湿法洗涤(水洗塔)(1) SHELL煤气化炉采用水冷壁结构，无的除灰流程。干法除下的细灰可以出售,亦可返耐温度的要求比GE气回磨煤系统。在湿法洗涤除灰的同时，也脱除了化炉中国煤化工周期长，故能保证煤气中NH、HCN、 CI~ 等有害微量组分。气化CNMH G(2)在GE水煤浆气化工艺中，通过激冷(2) GE气化炉内砌耐火砖，目前国产耐火6CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2006,16(3)砖使用寿命不到1年，国外耐火砖也只有1~2表3 GE煤气化技术的工程应用(t/d)年。GE气化装置受耐火砖的寿命、气化烧嘴运合同工厂公称投煤量行时间等的影响，连续运行周期受到限制。美国田纳西州Eastman气化厂820 (气化炉1+1台，6.5MPa)3两种工艺的应用美国加利福尼亚州冷水工程910 (气化妒1+1台, 4.2MPa)以大同煤峪口矿煤为基准，两种煤气化工艺日本宇部氨厂1380 (气化炉3+1台，4.0MPa)的气体成分见表1,工程应用见表2和表3。.美国TAMPA电厂2000 (气化炉1+1台，3.92MPa)表1气体成分鲁南化肥厂360 (气化炉1+1台，2.7MPa)成分SHELL工艺GE工艺备生渭河化肥厂1500 (气化炉2+1台，6.5MPa)Hh19.0431 .03上海焦化厂1500 (气化炉3+1台，4.0MPa)∞69.1749.1969.17/49. 19= 140%淮南化工总厂1000 (气化炉2+1台, 4.0MPa)0029.8318.5618.56/9.83= 189%浩良河化肥厂1000 (气化炉2+1台，4.0MPa)1.720.55金陵石化厂1000 (气化炉2+1台，4.0MPaAr0.120.50目前两种煤气化技术在国内外都有较好的应CH0.05用业缋，GE (TEXACO) 工艺推广较早,应用H2S+ 00S业绩较多，SHELL 工艺起步较晚，但是发展迅表2 SHELL 煤气化技术的工程应用速，后来居上。4结语德国汉堡KVA气化装置150根据以上比较可知SHELL煤气化工艺在以美国休斯敦SCGP-1气化装置250~ 400下几方面都有明显的优越性:荷兰Denkolee电厂2000(1)原料煤种的适应性。可以不受煤种的限制，使用原料范围更广，属洁净煤技术,为环保湖北双环化工集团1000性新工艺。广西柳州化肥厂(2)工艺特点。煤气化工艺碳转化率高、热中石化洞庭氮肥厂效率高、氧耗低,气化关键设备及控制系统安全可靠。中石化湖北化肥厂(3)投资、消耗及运行费用。虽然SHELL .中石化安庆化工总厂方案投资比GE方案略高，但从技术先进性及操作费用上，采用SHELL干粉煤气化工艺明显优云南沾化集团于GE水煤浆气化工艺。(4)运转周期。SHELL 煤气化工艺煤烧嘴云南云天化集团可以连续运行8000h以上; GE水煤浆气化工艺大连大化集团煤烧嘴运行1500h就需检查更换。永城煤业集团(5)环保。SHELL 煤气化工艺排出的炉渣含碳<1%、飞灰含碳<5%，可以再利用，同时中原大化集团中国煤化工工艺排出的炉渣河南开祥公司含碳HCNMHG同时排出的废水注:国内装置均在建中，除神华集团为气化炉2台，4.0MPa也较多。外，其余均为气化炉1台，4.0MPa。(收稿日期2005-11-17)