现代煤气化制合成气的工艺

能源与节社2011年第7期(总第70期)ENERGY AND ENERGY CONSERVATION2011年7月.能源研究现代煤气化制合成气的工艺郭小杰'，李文艳”，张国杰”(1.同煤广发化学工业有限公司,山西 大同037001;2. 大同煤炭职业技术学院,山西 大同037001;3.太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室,山西太原030024)摘要:叙述了国内外先进的Texaco气化工艺,Shell气化工艺,CSP气化工艺等3种气流床气化工艺及从气化压力,气化温度及产出合成气组分等方面进行比较的结果,指出,若是煤种适合制浆选择Texaco 气化技术性价比较高;Shell气化炉适合用于发电,用于煤化工存在风险;GSP在煤化工领域有很大的发展前景。关键词:气流床;合成 气;煤气化;煤化工中图分类号: TQ546文献标识码: A文章编号: 2095-0802-(2011 )07 0014-04Modern Technology of Coal Gasification to Synthesis GasGUO Xiao-jie', LI Wen-yan2 , ZHANG Guo-jie'(1. GF Coal Chemical Industry Co., Ltd. Of Datong Coal Group , Datong 037001, Shanxi, China; 2. Datong CoalTechnology Professional Technical Colleges , Datong 037001 , Shanxi, China; 3. Taiyuan University of Scienceand Technology and Key Laboratory of Ministry of Education and Shanxi Province , Taiyuan 030024 , Shanxi, China)Abstract: This paper describes the three kinds of advanced entrained flow gasification technology: Texaco, Shell and GSP gasifica-tion technology and comparied resultsfrom the vapor pressure，temperature and output of synthetic gasifcation gas composition, theauthor pointed out that, if coal is suitable for pulping, Texaco coal gasification has higher cost technology ; Shell gasifer is suitablefor power generation but has risk for coal chemical; GSP has great development prospects in the coal chemical industry.Key words: air bed; synthesis gas; gasification; coal chemical1.2 Texaco 气化炉工艺流程0引言Texaco水煤浆气化过程主要包括磨煤、煤浆的制备和煤炭既是中国主要的-一次能源,也是重要的化工原输送气化和废热回收、灰水处理和公用工程等工序。料。利用先进的煤气化技术,将固体煤炭转化为化工原原料煤块经碎煤机粉碎成直径小于10 mm的碎煤,碎料,并利用其富含氧化物的特点,生产加工成含氧的碳氢煤经计量后与一定量的水混合并进人磨煤机磨成细颗粒，化工产品和液体燃料,不仅可以提高煤炭的利用率,还可将煤粉加水制成浓度约为65% ~ 70%的水煤浆(若原料煤以大量降低CO2、烟尘和含硫物的排放量,改善生态环境。灰熔点高,需在进磨煤机前加一定比例的助溶剂、添加剂目前,中国大型煤化工项目引进的煤气化技术属于加压气等)。通过滚筒筛滤去大颗粒后,流人磨机出口槽,最后经流床气化技术,工艺供应商主要有Texaco气化工艺, Shell磨机出口槽泵和振动筛送进煤浆储槽中。煤浆储槽中的煤浆由高压煤浆给料泵输送至气化炉喷嘴,与空分装置来气化工艺和GSP气化工艺。的02 -起喷人气化炉。Texaco煤气化工艺水煤浆经烧嘴在高速02流的作用下破碎、雾化喷入气化炉膛。O2 和水煤浆在1 350 C ~1 400 C高温的炉膛1.1 Texaco 煤气化工艺特点Texaco煤气化工艺以水煤浆为原料,纯氧为气化剂,内,迅速预热、水分蒸发、煤干馏、挥发物裂解燃烧以及C液态排渣,其加压气化过程属于气流床并流反应过程。的气化等- - 系列复杂的物理、化学过程。生成CO,H2 ,CO2Texaco气化炉炉体为直立圆筒型钢制耐压容器,炉膛内衬和水蒸气为主的粗煤气,经气化炉底部的激冷室激冷后，高质量耐火砖,防止炽热炉渣和粗煤气热侵蚀"。耐火砖气体和固渣分开。粗煤气经喷嘴洗涤器进人碳洗塔,冷却使用寿命一般为1 年~2年。在中国Texaco气化炉已有除尘后,进入CO变换工序。气化炉出口灰水经灰水处理.工段四级闪蒸处理后,部分灰水返回碳洗塔作洗涤水,经16年的运行经验。泵进入气化炉。部分灰水送至废水处理。熔渣被激冷固化后进人破渣中国煤化工见图1。收稿日期:2011-06-212 Shell 煤MHCNMHG第一作者简介:郭小杰,1982年生，男,河北卢龙人,2009年毕业于大原理工大学化学工艺专业,助理工程师。Shell煤气化工艺以干煤粉为原料、纯氧作为气化剂，14●.2011年第7期郭小杰，等:现代煤气化制合成气的工艺2011年7月液态排渣。Shell 煤气化工艺是荷兰壳牌公司开发的1种化炉内,4.0MPa(G)的压力下进行燃烧反应,反应后的高洁净煤气化工艺技术。从高级烟煤至褐煤、石油焦均可作温合成气(1 400 c ~1700 C)在气化炉出口被约209 C、为原料制成合成气,操作弹性大。4.06 MPa(C)的冷合成气激冷至约900 C ,然后,经合成气冷却器冷却至340C后进人除灰工序。原料煤煤灰熔化并以液态形式排出。高温气化后,1 600 C的熔融状炉渣和灰份向下流人气化炉底部的灰渣激冷工序。最终将排出的渣运到废渣场。Shell 煤气化工艺流程国空分-空气见图2。煤储水+添德士装置仓加剂古气_煤气去软水克的.对流.净化系原料煤一n球磨化炉武度气体统「磨煤和循环气压缩机煤蔡槽式废热锅洗涤L干燥系统销一器一水过热蒸汽式皮|炉煤浆泵炉热锅沉淀口煤粉储罐器过滤器查灰渣泵给煤圈中压蒸汽图1 Texaco煤气化工艺流程奥一圈一爨2.1 Shell 煤气化工艺特点Shell气化炉采用膜式水冷壁技术,液态排渣。利用氧气-8破渣机!熔渣在水冷壁上冷却硬化形成1层薄渣层保护炉壁不受高温磨损,气化炉壁利用水管产生中压蒸汽以调节温度，是煤气化炉和锅炉概念的结合,超过Texaco的气化常规反应温度1 350 C左右,使气化炉能够在3.5 MPa ~4. 0 MPa,1 400 C ~1700 C的温度范围内运行,形成渣包碳的反应圉2 Shell 煤气化工艺流程模型,提高C的高转化率,同时,膜式水冷壁技术确保气化炉更易大型化。3 GSP 煤气化工艺2.2 Shell气化炉工艺流程CSP气化炉与Texaco、Shell气化工艺-样,其工艺过原料煤粉经破碎到合格粒度(粒度≤30 mm),由贮运程也主要由给料系统、烧嘴、冷壁气化室和激冷室、粗煤气系统通过带式输送机送入碎煤仓。碎煤仓中的原料煤通洗涤系统组成,即由备煤、气化、除渣三部分组成,属于加过称重给煤机送到煤磨机中研磨,同时,根据原料煤的流压气流床。量,按比例加入石灰石粉。3.1 CSP 煤气化工艺特点从热风炉(燃料- -般为合成气或甲醇驰放气)产生的GSP气化技术采用以渣抗渣原理(2) ,在气化过程水冷热烟气在热风炉中与循环气低压N2混合并调配到需要壁内形成的固态渣层可自动调节,始终保持在稳定的厚的温度,该热惰性气体送到磨煤机中。磨机出口处设置旋度。该技术直接向激冷室内喷人激冷水来冷却粗合成气。转分离器将粗颗粒煤粉返回磨机中,干燥后合格的煤粉吹3.2 GSP气化炉工艺流程人煤粉袋式收集器分离收集,分离收集的煤粉经旋转给料原料煤被磨煤机研磨成粒度在0 mm~ 15 mm范围器螺旋输送机送入煤粉贮仓中贮存。分离后的尾气经循内,经过热风炉干燥后,通过N:/CO2气流输送系统送至煤环风机加压后大部分循环至热风炉循环使用,部分排烧嘴。人大气。原料煤与O,、水蒸气经烧嘴混合后,同时喷入气化炉粉煤从磨煤和干燥系统输送至粉煤贮罐,煤烧嘴循环顶部的反应室,在1400C~1 600 C .4 MPa条件下发生管和气体中夹带的煤粉也把煤返回此罐。粉煤贮罐、粉煤快速气化反应,产生以CO和H2为主要成分的热粗煤气。喷吹罐由重力流动来填充。填充完成后,喷吹罐将与其他气化原料中的矿物形成熔渣。热粗煤气和熔渣- -起通过所有的低压设备隔离,并通人高压CO2至4.7 MPa后,打反应室底部的排渣口进人下部的激冷室。开下阀使煤粉自流进人煤粉给料罐中,卸完后关闭下阀，激冷室是中国煤化工宿小组成的空腔。排出CO2气体,锁斗内降至常压再重复上述流程。热粗煤气经过HCNMHG激冷室,激冷水由煤粉给料仓中的煤粉由管道并与O2和水蒸气混合后喇叭口的下端是环行水管喷出。洗涤后的粗煤气被冷却通过成对烧嘴送人气化炉喷嘴。粉煤、02和水蒸气在气至接近饱和,从激冷室中部排出去洗涤系统。向激冷室内2011年第7期能涿与节能2011年7月喷入激冷水要求过量,以保证粗煤气均匀冷却,并能在激43 种气化工艺比较冷室底部形成水浴。渣粒固化成玻璃状颗粒,通过锁斗系统排出;溢流出4.1气化炉结构的区别的激冷水送污水处理系统。气化温度的选择是由原料煤Texaco气化炉喷嘴是设在炉体顶部的下喷式单- -喷的物理化学性质决定的,气化压力的确定主要取决于产品嘴,其喷嘴中心线与排渣口中心线重合,Shell 煤气化炉有煤气的利用工艺。GSP气化工艺流程见图3。.4个对列式微斜向上的喷嘴,设在气化炉体下部炉壁上。GSP气化炉烧嘴是1种内冷式6层通道的组合式气化烧原料煤→嘴,由喷嘴循环冷却系统来强制冷却。4.2 进料方式不同'1|加压水叭除盐水与Shell和GSP气化炉相比,Texaco气化炉进料方式不同。Texaco采用水煤浆进料, Shell 和GSP煤气化工艺[煤粉采用干粉加压进料,所以,Texaco工艺中的原料煤制备工氮气→储仓加压|气化炉汽包低压蒸汽艺完全不同。水4.3冷却方式不同泄压→煤粉气化合成气去下游Texaco气化炉需要耐火砖衬里,并对向火面的耐火砖加压-锁斗激冷室洗涤[要求很高。气化炉热粗合成气先经过水淬冷,再用废热锅加料灰水处理炉回收热量。热量利用率较低。Shell 气化炉设置膜式水冷壁,能够副产中压蒸气,在经过合成气冷却器回收热量,炉渣热量利用合理。GSP 气化炉在底部设计了激冷室,激冷室输送气十-中的环形管直接向热粗合成气中喷水,在经换热器回收热02排渣系统量。热效率介于Texaco和Shell之间。圄3 CSP 煤气化工艺流程4.4 3种煤气化工艺参数一览表3种煤气化工艺的参数见表1。表13种煤气化工艺参数- 览表名称TexacoShellGS褐煤到无烟煤全部煤种石油焦，褐煤到无烟煤全 部谋种石油焦，烟煤、无烟煤.油渣。粒径40% ~45%的<200目。油渣,生物质。粒径90%的<100目,含水量<|粒径在 250 μm~500 μm。含水原料要求水煤浆质量分数>60%。|2%(褐煤8% )的干煤粉。量<2% (褐煤8% )的干煤粉。灰熔点温度<1 350 C。灰熔点温度<1 500 C。灰分小于15%。灰分8% ~20%。灰分1% ~26%。气化温度1300 ~1400 C1450 C~1600 C1 450 ~1600 C气化压力6 MPa~8 MPa4 MPa耐火砖或水冷壁寿命125 a20 a喷嘴寿命60 d10a(前端0.5a~1 a)60x10° t所需气化炉数量4台+1台备用1台2台除尘冷却方式洗涤干法+湿洗.分离+湿洗出气化界区温度210 C40 C220 CC转化率.)6% ~98%≥99%冷煤气效率~ 80%90% ~94%有效气体含量-总热效率86%(含变换)88%(含变换)98%(含变换)中国煤化工操作弹性70% ~ 110%70%% ~ 110%技术成熟性高iYHCNMH G氏16●2011年第7期郭小杰,等:现代煤气化制合成气的工艺2011年7月Shell气化炉很相似,煤种适用性强,气化温度高,煤气化设5结语备制造、安装周期短,结构框架低,开停车操作维护方便。Texaco煤气化炉在中国已运行了16年,积累了大量但是,该炉子特别是在合成氨、甲醇、IGCC、制氢等领域有的生产运行经验,一次性投资少。但是, Texaco气化炉煤很大的发展前景。种适用性较差,烧嘴使用寿命较短、耐火砖造价高,需要备参考文献:用炉,气化温度低,气化热效率相对低。相比其他工艺，[1] 王洪记.开创21世纪煤化工的德士古水煤浆加压气化技术Texaco 气化炉是最经济的炉子。[J].化工进展,1997(3):1-5.Shell在中国拥有23套炉子,拥有7年的运行经验。2] 李大尚. GSP技术是煤制合成气(或H2)工艺的最佳选择[J].煤化工,2005(3):1-6.Shell 气化炉煤种适用范围广, 气化效率高,安全性较高,但3] 韩梅.德士古与壳牌两种煤气化技术比较[J].煤炭加工与是投资较大,关键设备全部需要进口,对操作人员素质要综合利用,1996(1):15-17.求较高。Shell 气化炉是性价比最高的炉子。该炉子适合(责任编辑:高志凤)用于发电,用于煤化工存在风险。GSP气化炉在中国只有数套装置,运行经验少。和(上接13页)时间的增加而逐渐好转,但是即使到了开采的中后期,过处理之后才能达到国家标准。某些井排出水的矿化度仍在1 000 mg/L以上,必须经表1 v1 号井的检测数据单位为毫克/升日期Cl -HCO;so:-K* + Na*矿化度硬度物理特征2010-09-111 460. 382 591.524. 941 850. 924 715145. 29有大量黄色沉淀,有臭味2010-10-061 426. 712 553. 693.701 801.374 553154. 32有少量黑色沉淀,有臭味.2010-11-141 548. 592 571. 3813. 171 896. 244 765170. 77水较请，有臭味2010-12-131 413.09 2 501. 3223.871 799. 684790139. 24有大量黑色沉淀,有臭味.2011-01-121403.092485.953. 291 775. 384 704146. 79水黑,浑浊,有臭味2011-02-141383.802460.3319. 761 772. 434 582122. 73有少量黄色沉淀,水黄2011-04-181 467.75 2 521. 223. 701 467. 754 629137. 09水微黄,有臭味2011-05-261 497. 112393.181. 651 813.424 646111. 90水发绿,有臭味2011-06-201389.472393.4444.041 749. 004 672125. 58水浑浊,有臭味2011-06-281516.68.2417. 612. 261 744. 004 762113. 90水清,无味201 1-07-121 428.61 2 452. 157. 201 827. 374 680112. 04水黄绿色,有臭味2011-07-181437.69._2 457.771805.34.4 642139. 112011-07-271418.262 337. 394.531 792. 854 61399.732011-08-041 437. 692 310.647.002014. 844658.83. 72水浑浊，有臭味201 1-08-271 350.26 2 493. 891. 861 817.234515.111.71水黄绿色,有臭味_201 1-09-271 434.252 465.491. 641 809.214 580149. 534结语煤层气排出水必须进行定期监测,对不符合国家和环境效益有机统一,真正实现社会和环境可持续排放标准的指标需要经过处理以后才能排放,以便达发展。到清洁环保的目的。煤层气地面开发过程中对环境的影响,主要体现[1] 郝继峰.矿区煤层气开发利用过程中节能减排的初步研在钻井过程中钻井液的使用及钻井过程中对地下水的究[J].中国煤层气,2008(4) :37-38.影响;采排水对地表水的影响;地面开发活动过程中地[2] 李国富,田永东.煤层气井排水采气机理浅探[J].中国煤炭,2002(7):17-18.表开挖对自然生态坏境、农业生态环境的影响;还有钻[3] 王志超,中国煤化工气井采出水水质分井泥浆对地表水的威胁。只有给予足够的重视,采取析[J].-33.针对性的防护措施,使煤层气地面开发活动对环境的fYHCNMH G任编辑:张楠)影响降低到环境可接受的范围,使经济效益、社会效益●17●.