大型煤制合成气技术进展

第37卷第4期化肥工业2010年8月大型煤制合成气技术进展刘增胜(中国石化集团宁波技术研究院宁波315103)摘要煤气化技术是洁净煤技术的重要组成部分,各种煤气化炉型和气化技术都有各自的优点和不足之处,选择适合的煤气化技术对煤化工项目至关重要。介绍了目前国内大型煤制合成气中广泛应用的 Shell煤气化工艺、Teκco水煤浆气化工艺及近年来研发成功的具有自主知识产权的多元料浆加压气化技术、多喷嘴对置式水煤浆气化技术、两段式干煤粉加压气化技术和四喷嘴对置式干粉煤加压气化技术的工艺特点、应用情况。这些技术将是目前和未来大型煤制合成气的技术支撑。关键词煤制合成气气化技术进展Progress in Technology for Large-Scale Manufacture of Syngas from CoalLiu ZengshengSINOPEC Ningbo Institute of Technology 315103)Abstract Coal gasification is an important component of coal cleaning technology, and coal gasifier types and gasification processes have their respective advantages and shortcomings, so the selection ofan appropriate coal gasification process is of the utmost importance in a project for chemical processing ofal. process features and utilization are described of large-scale manufacture of syngas from coal in Chi-na at present, such as the widely-used Shell coal gasification process, the Texaco coal-water slurry gasification process, the successfully developed processes in recent years with independent intellectual prop-erty, viz., the multi-glurry pressure gasification process, the multi-nozzle opposed water-slurry gasificationge dry pulverized coal pressure gasification process, and the four-nozposed dry pulverized coal pressure gasification process. These processes will become the technical support for large-scale gasification of coal for the production of syngas at present and in futureKeywords syngas from coal gasification technology progress除德国之外,我国是研究开发与应用煤气化公司先后在荷兰阿姆斯特丹、德国汉堡和美国休技术最多的国家,涉及到固定床流化床、气流床斯敦建成3套煤气化中试及示范装置,在取得大等各种方法。我国煤炭资源丰富,大力发展煤化量试验数据和操作经验后,首次应用于荷兰布根工不仅有利于我国能源的合理利用,而且在石油伦250MW整体煤气化燃气一蒸汽联合循环发电和天然气短缺的情况下,对促进我国能源与环境工厂,于1993年开始投入运行。该技术在大化肥的协调发展具有极其重要的战略意义。装置上的应用尚属首次。 Shell煤气化工艺流程1Shl煤气化工艺如图1所示原料煤经初步破碎后由皮带送至磨煤和干燥1.1工艺流程单元,加人适量助熔剂后磨成粉煤并进行干燥,然She煤气化技术是当今世界上较为先进的后经粉煤仓缓存给料,由高压氮气流态化输送的现代洁净煤气化技术之一。自1976年以来Shel粉煤中国煤化工APa条件下同时CNMHG本文作者的联系方式 liuheng@126第37卷第4期化肥工业2010年8月激冷气压缩机原料煤助熔剂粗合成气净化L段清外运图1Shll煤气化工艺流程进入气化炉煤烧嘴喷人炉膛内,在瞬间完成升温括 Shell公司专有的工艺计算机控制技术。挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化(7)气化炉高温排出的熔渣经激冷后形成玻学过程,气化产物为粗合成气,煤灰熔化后以液态璃状颗粒,性质稳定,对环境几乎没有影响。形式排出。气化炉顶部约3.96MPa,1500℃的1.3实际应用高温粗合成气经209℃激冷气激冷至900℃以下(1)岳阳中石化 Shell煤气化项目是由中石进入废热锅炉生产蒸汽,回收热量后再进入陶瓷化和Shel公司各出资50%建设的合资项目,装过滤器进行干式除灰及湿法洗涤系统。经除灰洗置规模为煤气化装置日处理原煤2000t,生产合涤处理后含尘量小于1mg/m3和(CO+H2)体积成气140200m3/h,配套输储煤系统和空分装置分数大于89%的粗合成气送往后工序经进一步空分装置产氧量4800m3/h,生产的粗合成气供净化后作合成氨生产原料。巴陵石化分公司生产合成氨和尿素。气化炉内产生的高温熔渣自动流入气化炉下(2)湖北双环科技股份有限公司煤代油改造部的激冷室,激冷形成数毫米大小的玻璃体经排程是以劣质煤为原料;为化肥装置提供合成气渣系统出界区。炉渣和干粉灰均可作建筑材料的宁波工程公司设计采购施工(EPC)总承包部分包生产原料。括煤气化主装置和空分装置。煤气化装置规模以1.2技术特点及空分装置能力与岳阳项目相同。(1)煤种适应性广,从无烟煤、烟煤、褐煤到(3)中石化安庆分公司油改煤工程采用 Shell石油焦,在添加合适的助熔剂的情况下均可气化。煤气化工艺,为原安庆化肥装置提供合成气和为(2)采用干粉煤进料,气化温度为1500~炼厂提供廉价氢气。宁波工程公司是煤气化主装1600℃,碳转化率高达99%以上,有效气(CO+置和空分装置EPC总承包商,其它工程内容由宁H2)体积分数大于89%,氧耗比水煤浆气化工艺波工程公司承担工程设计任务。煤气化装置规模低15%~25%。以及空分装置的能力与岳阳、湖北项目相同。(3)热效率高,即煤制合成气的能效利用率(4)柳州化学工业集团有限公司年产260kt高煤中约83%的热能转化为合成气的主要成合成氨改扩建工程以Shel粉煤气化制气,用于生分约15%的热能被回收为中压蒸汽,总热效率产合成氨、尿素、碳酸氢铵、硝酸铵、甲醛和甲醇等达到98%左右产品。气化装置日投煤1032t,配套空分装置制(4)单炉生产能力大,目前已投运的气化炉氧能力2800m3/h日处理煤量达2000t。计$IL(5)气化炉采用水冷壁废锅结构,内壁“以渣中国煤化工抗渣”,无耐火砖衬里,维护量少,无需备用炉。2.1CNMHG(6)气化操作采用先进的控制系统,其中包由于 Texaco水煤浆气化工艺技术具有工艺第37卷第4期化肥工业2010年8月流程简单、不污染环境、对煤种适应性强、生产能成功的应用,在我国已有十多年的发展历史。按力大、气化压力高、合成气质量好、开停车方便加气化压力来区分,我国水煤浆气化工艺可以分为减负荷较快、气化炉结构简单、可连续供料及操作4.0,6.5和8.7MPa3个等级。稳定等优点,所以该技术是当前世界上发展较快2.2工艺流程的第2代煤气化技术,已在合成氨、甲醇、含氧化南化公司大化肥装置8.5MPa水煤浆气化工合物洁净煤气化联合循环发电等方面得到较为艺流程如图2所示。粗合成气去变换系统pC氧气消音器补充原水从空分供氧灰水加热器脱氧槽艺冷合洗涤塔进料泉注入洗涤器管门槽进料4煤浆槽灰水槽沉降槽底泉灰水泵图28.5MPa水煤浆气化工艺流程烟煤制成质量分数59%~62%的水煤浆,与70%以上,估计碳转化率应不低于96%。氧气在8.5MPa,1350℃的急冷气化炉中发生部(3)目前,气化炉在7.5~8.2MPa下操作,分氧化反应制取原料气,并将含有效气(CO0+H2)相对于同样煤种的4.0MPa气化炉(如上海焦化体积分数75%~80%的粗原料气经初步洗涤后送厂),NH3(0.025%)和CH4(0.10%~0.15%)的至净化单元。气化炉和碳洗塔排出的炭黑水分别生成量明显增加,炭黑水pH低(出真空闪蒸罐在3.50,0.910.15和-0.08MPa下闪蒸降温后回pH约5.5)。气化炉在高压下运行时,工艺气中收冷凝液浓缩后的炭黑浆送炭黑过滤装置。炭黑夹带量明显减少,且装置热损失少,但泄漏率23实际应用和闪蒸系统检修频次较大。南化公司8.5MPa煤气化装置在实际应用中(4)经初步估算,装置的煤耗、氧耗与设计值的成功经验及有待解决的问题主要有以下几个方吻合装置的清江水消耗和分散剂消耗高于设计面值,由于备用气化炉采用热备方式燃料气的消耗1)煤气化装置于2007年3月将负荷提至较大。约100%,气化炉稳定运行约4h。由于净化系统(5)装置采用1开1备的运行方式,系统可在原料改造过程中未作大的改动,目前气化炉维靠性和稳定性较差,同时气化压力高,设备和仪表持在约83%的负荷下运行,不具备满负荷运行的选型困难。条件,但甲醇洗等后工序的CO2处理量已达到原6)气化炉设计压力高、能力大,使设备、阀始设计中以渣油/沥青为气化原料的满负荷CO2门和管道的维护、修理难度增大,生产操作强度也处理量。大幅增加。(2)估算以烟煤为气化原料,83%负荷下的碳转化率为96.5%,有效气(CO+H2)体积分数rv中国煤化工技术平均为80.36%,满足设计要求。根据3个月的3CNMHG粗渣分析统计,含碳质量分数<10%的样本率在多元料浆加压气化技术是西北化工研究院在第37卷第4期化肥工业2010年8月多年气流床煤气化技术研究的基础上开发的一种产240kt/a甲醇并联产718MW电量。经过努气流床加压气化技术,是第2代煤气化技术中比力,兖矿国泰化工有限公司实现了煤气化技术带较先进的一种合成气生产工艺。山东华鲁恒升大压连投操作。带压连投操作是指气化系统在工艺化肥装置的原料以水煤浆为主,添加来自其它工烧嘴之前的煤浆或氧气管线、仪表设备等出现故序的甲醇残液、髙沸点烷烃、废油等原料混合进入障,导致1个工艺烧嘴跳车时,系统自动将与跳车气化炉,与来自空分装置高纯度的气态氧气在高烧嘴相对的烧嘴同时跳车,但另1对烧嘴仍维持温、高压下进行部分氧化反应;生成的粗煤气和熔运行,保证气化炉不停车,故障处理完毕后,跳车融态的灰渣经气化炉下渣口、下降管进入水冷式的1对烧嘴可以在带压的情况下重新启动运行。激冷室,然后粗煤气经下降管与上升管之间的环带压连投操作是煤气化技术的重大突破大大降隙并经气化炉工艺气出口挡液板除去部分细灰和低了气化炉停车几率,使新型气化炉的稳定性和水汽,再经文丘里洗涤器洗涤后进入水洗塔进行经济适用性大大增强。再次洗涤和降温后送变换工序。下降管上端连接与兖矿鲁南化肥厂采用引进的水煤浆气化装有激冷环,下部浸入激冷水中,激冷环以环形射流置同期运行结果相比,兖矿国泰化工有限公司多方式对粗煤气和液态渣进行喷淋冷却。水洗塔内喷嘴对置式水煤浆气化装置以北宿精煤为原料,装有导气管,上部装有固阀塔盘、旋流板和除沫装置的有效气成分和碳转化率均提高2%~3比氧耗降低7.9%,比煤耗降低2.2%。另外,还多元料浆加压气化技术具有独特的料浆制备具有高温热电偶寿命长、环保性能优良、气体净化技术、高性能的多元料浆喷嘴(多喷嘴)、特殊的处理工艺先进、带灰和带水现象明显改善、热回收半水冷壁式气化炉结构溢流式激冷结构固液态效率高及不易堵塞等特点,处于水煤浆气化技术排渣工艺等特点,目前已在国内十几套大型煤制的国际领先水平。多喷嘴对置式水煤浆气化装置合成氨、甲醇、合成油及油改煤等装置中被采商业推广1年多以来,已先后在山东滕州凤凰化用肥有限公司、神华宁煤集团有限公司等多个项目32多喷嘴(四喷嘴)对置式水煤浆加压气化技中应用,总规模已达到日处理煤约30kt,占国内水煤浆气化装置总规模的30%以上。该技术在多喷嘴对置式水煤浆气化技术是华东理工大国内有多套在建装置,同时也开始走出国门,成为学提出的一种创新的煤气化技术,其创新性体现国际煤气化技术的有力竞争者,美国加拿大、印在以下几个方面:①高效的预膜式喷嘴更利于煤度等国的多家公司有意采用该技术建设大型煤、浆的雾化;②多喷嘴进料在炉内形成撞击流场,强石油焦气化装置。化混合和热质传递;③喷淋和鼓泡复合床型的合多喷嘴对置式水煤浆气化工艺流程见图3,成气初步洗涤冷却系统,避免了合成气带水、带已建成及在建装置见表1。灰;④采用分级净化思路的合成气初步净化系统,3.3多喷嘴对置式干粉煤加压气化技术具有净化效果好、系统能耗低、设备不易结垢堵灰由华东理工大学、兖矿集团有限公司等共同的特点;⑤热回收与除渣单元采用蒸汽与返回灰开发完成的多喷嘴对置式气流床气化技术,是世水直接接触工艺,换热效果好,灰水温度高,蒸汽界上最先进的气流床气化技术之一。该技术可为利用充分。煤基化学品(合成氨、甲醇及烯烃)整体煤气化多喷嘴对置式水煤浆气化技术已申请专利并联合循环发电(IGC)、煤基多联产和煤制油等系获得了授权,已在兖矿国泰化工有限公司和山东统提供龙头技术,为现代化工的技术改造和节能华鲁恒升化工有限公司实现了工业化应用,具备降耗提供技术支撑。多喷嘴对置式干粉煤加压气了与国外气化技术竞争的实力化技术已完成72h中试装置运行考核,该装置兖矿国泰化工有限公司建设的多喷嘴对置式建凵中国煤化工5-45v.气化水煤浆气化炉及配套工程,采用2台处理煤量为炉CNMHG藻由气化炉上部1150Ud的多喷嘴对置式水煤浆气化炉,配套生嘴加入,产生的合成气经水激冷后出气第37卷第4期化肥工业2010年8月换高温冷凝液石火石新鲜水米自雯换低温冷凝混合器器性去火炬滤饼去除渣冷却贮运系统煤浆■e冷却水租渣去除渣贮运系统图3多喷嘴对置式水煤浆气化工艺流程表1多喷嘴对置式水煤浆气化技术运行与在建装置企业气化炉数量/台规格压力MPa投煤量/(t·d-1)生产产品投产时间华鲁恒升中2800氨,甲醇04年12月兖矿国泰434001150甲醇,电2005年10月兖矿园泰1150甲醇,乙酸2007年底兖矿鲁化滕州凤屈蚂氨,甲醇江苏灵谷2009年初江苏索普甲醇,乙酸2009年3月神华宁煤甲醇,二甲醚2009年底化炉,属气流床煤气化炉。该技术已经于2005-煤气显热进行上炉膛煤的热解和气化反应,以提2007年完成了多项气化技术中试,计划2010年完高总的冷煤气效率(冷煤气效率定义为气化生成成日处理煤I000t的多喷嘴对置式干粉煤加压气煤气的化学能与气化用煤的化学能之比,提高气化技术(激冷流程)工业示范装置试验。多喷嘴对化炉的冷煤气效率意味着把煤中所蕴藏的化学能置式干粉煤加压气化中试装置单元流程见图4。更多地转化为煤气的化学能);同时显著降低热煤氮气循环氦气气温度,使炉膛出口的煤气温度降至灰熔点以下,蒸汽从而省去冷煤气激冷流程。该气化炉已获国家发L放空明专利,拥有自主知识产权。两段式干煤粉加压气化炉结构见图5。原煤粗合成气已建成的36~40d的两段式干煤粉加压气化半工业性装置通过了168h连续运行考核试验,蒸汽灰清图4多喷嘴对置式干粉煤加压气化累计运行时间达2200h以上。该技术的工程应中试装置单元流程用情况如下。3.4两段式干煤粉加压气化技术(1)2000υ/d级两段式干煤粉加压气化炉(废西安热工研究院有限公司在国家863计划的锅流程)已经应用于华能集团“绿色煤电”项目。支持下历经十余年的研究开发出两段式干煤粉该项目可行性研究和环境评价已完成燃汽轮机、加压气化技术。该技术采用水冷壁式炉膛液态空分中国煤化工07年4月发标,排渣。运行时,向下炉膛内喷入粉煤、蒸汽和氧2009CNMHG气,向上炉膛喷入少量粉煤和蒸汽,利用下炉膛的(2)1000U/d级两段式干煤粉加压气化炉(激9第37卷第4期化肥工业2010年8月冷流程)已在内蒙古世林化工有限公司300kt/a点,选择合适的煤气化技术对煤化工项目至关重甲醇项目、山西河曲某煤炭化工有限公司200ka要。目前已投产运行的大型煤气化装置中,采用煤制甲醇项目及河南焦作某煤炭化工有限公司水煤浆气化的装置运转率普遍较高,水煤浆气化300kt/a煤制甲醇项目中得到应用。的可靠性已无可争议,以GE(德士古)水煤浆气出化技术为代表的单喷嘴水煤浆气化得到了广泛认近年来研发成功的多元料浆加压气化水汽去汽包技术、多喷嘴对置式水煤浆气化技术也已经成功地实现了在大型装置上的工业化运行。Shel煤气夹层允氮气化技术在国外尚无用于煤化工生产的业绩,在国内引进的15套Shl煤气化装置中,第1批引进的5套装置已建成投产,正在接受生产实践的检验。两段式干煤粉加压气化技术和四喷嘴对置二次煤粉+水蒸气次煤粉+水蒸气式干粉煤加压气化技术已完成中试,有待建立示范装置,接受商业化运行的考验。这些煤气化煤粉(氨气携带)+煤粉(氮气携带)+水蒸t+氧气技术将为目前和未来大型煤制合成气项目提供技水蒸(氧气术支撑锅炉水进口渣池水进口参考文献[]盛新She煤气化技术及其在大化肥装置的应用[J]大氮渣池水出口[2]汪泽强陈兆元朱宁,等煤气化试车总结[门].大氮肥图5两段式干煤粉加压气化炉结构2007,30(6):430433[3]徐红东,门长费多元料浆气化工艺过程模拟[】]化肥设(3)500t/d级两段式干煤粉加压气化炉将应计,2008,46(2):9-12,26用于山西晋城某煤炭化工有限公司100ka煤制(4]於子方,郑伟中氮肥行业煤气化技术经济评迷[J,化肥工甲醇项目。业,2008,35(1):1-135]章荣林基于煤气化工艺技术的选择与述评[门]化肥设计4结语46(2):3煤气化技术是洁净煤技术的重要组成部分,[6]孙铭绪多喷嘴对置式水煤浆气化技术工程设计[冂]化1设计,2007,15(5):3-7,37各种煤气化炉型和气化技术都有各自的优点和缺(收到修改稿日期20100325)必必办必必必必必必必必必必日本双塔鼓泡流化床煤气化工艺将推向商(用作供氧剂)的鼓泡流化床反应器中进行气化。出鼓泡流化床反应器顶部的合成气通过旋风分离业化器与沙子分离沙子循环至反应器。焦油、未反应据美国《化学工程》报道,日本ⅢH公司计划的炭和冷却的沙子从床层顶部输送至空气提升于2011年在印度尼西亚建设1套投煤量50d管,在此焦和炭完全燃烧生成CO2,同时沙子被再的示范装置。该装置采用IH公司的双塔鼓泡流加热。化床煤气化工艺,以褐煤为原料生产合成气。在日本IH公司的双塔鼓泡流化床煤气化工艺日本横滨投煤量为6vd的试验装置上,该工艺具有操作温度低的优点(相比于气流床气化炉的已验证了用1t劣质煤生产1000m3合成气的能1400~1500),使用蒸汽替代氧气,可以提高力合成气中的H2含量,可以使用粗煤粒为原料,而在日本ⅢH公司的双塔鼓泡流化床煤气化工不中国煤化工粉煤。艺中,褐煤(干燥的粗颗粒状)先热解,并在1台CNMHG息科技有限公司在800~900℃采用沙子(用于热传递)和蒸汽金秋能源石化工作室200127钱伯章)