E-Gas气化技术及其应用分析

2013年6月大氛私Jun.2013第36卷第3期.Large Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryVol.36 No.3E-Gas气化技术及其应用分析齐胜远(中石化炼化工程(集团)股份有限公司,北京100029)摘要:本文从技术的工艺流程、技术特点、性能指标等方面,介绍E-Gas气化技术,并对其工业应用领域进行分析。E-Gas气化技术生产的合成气中含1%-5%的甲烷，较适用于ICCC和合成天然气产业。关键词:E-Gas气化水煤浆应用分析1 E-Gas 工艺技术的概况示。E-Gas煤气化技术开发于20世纪70年代,是一合成气典型的气流床水煤浆气化技术，已成功应用于大-焦型IGCC装置。气化炉E-Gas气化技术经历了实验室开发、中试装置、示范装置及商业化运行等过程。1991年,在美加热器白冷却器国能源部洁净煤技术中心的资助下，第一套采用煤浆-亡煤浆泵波压器去制浆粗渣E-Gas(时称Destec)气化技术的IGCC商业化示范电厂开始建设，该装置于1995年在Wabash River图1气化和排渣流程建成，气化炉容量达2 300t/d次烟煤或1 900t/d水煤浆用加压泵送至水煤浆预热器，加热到石油焦,净发电能力265MW。开车初期运行稳定气化压力下水煤浆沸点温度以下28~569。预热后性较差,经过几年的运行,可靠性不断提高,并积的煤浆经料浆泵加压后与来自空分的氧气，通过累了大量的经验21。2000年实现了原料从煤到石油一段气化炉水平段两端的混合喷嘴送人一段气化焦的过渡,被康菲公司收购后,于2005年重新发炉内。- -段气化炉中含碳原料与氧气在1426C、电。2.9MPa的环境下,发生部分氧化反应,通过调节自Dow开始开发E-Gas气化技术以来,E-进入到混合喷嘴中氧气的流量来控制氧碳比,进Gas气化技术先后被NGC Corporatio、Global Ener-而维持气化温度在灰熔点以上，从而保证除渣效gy和ConocoPhillips公司收购，产权四易其主,因率和碳转化率。在一段气化炉中,含碳原料气化为此技术没有得到较好的推广，目前在运行装置仅以H2CO CO2和H2O为主的合成气。原料中的硫Wabash电厂“一套。主要生成H2S并伴有部分的COS生成。在一段气化炉中，原料中的矿物质和助熔剂2工艺流程说明形成熔渣，由一段气化炉底部的出渣口流人到位E-Gas气化装置由煤浆制备、煤浆输送、气化、于一段气化炉下部的激冷室内,然后经破渣机破排渣和渣处理余热回收和灰过滤、合成气洗涤、低温热量回收、合成气循环压缩等部分组成,其中收稿日期:2013-04-23。比较有特色的是气化、排渣、合成气冷却、除尘、洗作者简介:齐胜远,男,1966年出生,高级工程师。1988年毕业于西北大学化学工程专业,现为中石化炼化工程(集团)股份有限涤和低温热量回收等单元1。公司发展计划部主任,从事石油化工、煤化工、天然气化工等相关2.1气化和排渣单元发展规划、投资计划管理工作。联系电话:010- 64998179;E-mail:E-Gas气化技术的气化和排渣流程如图1所qisy@sinopec.com。146大气配2013年第36卷碎后,进入连续排渣系统。经过减压装置后,减压游装置。渣水被送往脱水仓进行脱水处理。在脱水仓中,大工艺流程如图2所示。部分炉渣沉降下来，少部分含碳较高的细渣随水锅炉水一广 饱和蒸汽相合成气溢流进人沉降槽中,进行再次沉降。沉降槽顶部干粗合成气| C D水解器净的灰水经过泵加压和换热器冷却后循环回气化合成气炉激冷室,用作激冷水。沉降器底部的细渣浆液被冷却器过池器--合成氨循环送回煤浆制备单元,制浆后返回气化炉,这样可以提高整体碳转化率。焦冷凝液二段气化炉由一个垂直的、内衬耐火材料衬图2合成气冷 却、固体颗粒回收和洗涤工艺里的腔体构成。在二段气化炉中,由二段喷嘴注人.的煤浆(为总量的10%~15%),与来自一段气化炉3 E-Gas气化技术特点的高温合成气发生反应,水分瞬间蒸发，煤发生液从E-Gas气化技术工艺来看,E-Gas气化技化反应和热解反应,生成碳和煤气,碳与水和CO2术具有一些与其他气化技术不同的工艺装置和路继续进行反应生成CO和H2，同时还有部分CH4线,具有一定的优势和劣势4生成。由于上述水分蒸发煤的液化反应、热解反3.1 E-Gas气化专有技术及优势应、碳与水和CO2的二次反应均需要吸收大量的1)连续排渣技术。E- -Gas采用一种专有设备热量,因此,离开一段气化炉的合成气温度降低至实现了连续排渣，与现有气流床液态排渣气化炉1040C左右。通过调节二段水煤浆的加入量,可以采用的锁斗排渣技术不同，该设备是一个类似管调节二段气化炉的温度,进而影响了合成气中CH,件的设施，结合气化炉底部的结构.共同实现连续的含量。排渣。由于不设排渣锁斗系统,可以显著降低气化2.2合成气冷却、除尘、洗涤和低温热量回收岛的框架高度,施工费用明显降低,使得工厂更为离开二段气化炉的高温合成气被送往合成气紧凑;同时取消了昂贵且易于出现故障的固体排冷却单元,在合成气冷却器(火管废锅)中冷却到渣阀和复杂的锁斗控制系统，可以降低气化单元370°C左右，同时副产高压饱和蒸汽(压力可达到投资和操作费用，并在一定程度上提高了装置的11 MPa)。可靠性。冷却后的合成气被送往金属滤芯式干灰过滤2)分级多喷嘴水煤浆进料方式。E- -Cas气化器中进行固体颗粒的回收。过滤器由多孔的金属技术在十字形气化炉的水平段两端各设置有一台滤芯组成,合成气在通过过滤器时,固体颗粒被收一段喷嘴,在气化炉竖直段设置-一个二段喷嘴。-集,回收效率高于99.9%。滤芯表面的固体颗粒结段的2台喷嘴同时将水煤浆和氧气喷射进入气化块定期用高压合成气进行反吹，并利用高压合成炉,二段喷嘴只喷人水煤浆。多喷嘴的进料方式减气输送至一段气化炉进行气化，从而提高碳转化小了单台气化喷嘴的负荷，有利于装置大型化和率。延长喷嘴使用寿命。二段喷嘴喷人的煤浆可利用分离出固体颗粒的合成气经进-步冷却而回一级 气化产生的高温合成气实现煤炭的气化,降收低温热量后进人洗涤塔。在洗涤塔中,合成气中低氧气消耗,增加合成气热值,提高气化单元整体的氯化物和重金属离子被洗涤下来。效率。洗涤后合成气进人水解器,脱除COS。如果合3)飞灰循环技术。合成气中含碳量较高的飞成气用来作为生产化工产品的原料气，合成气进灰采用金属烛式滤芯过滤器进行过滤，分离下来人变换单元调整氢碳比，然后再进人酸性气脱除后飞灰通过专门设计的文丘里式喷嘴送回气化炉单元脱除酸性气后进入下游装置。如果合成气用水平段气化室。气化装置基本没有飞灰排放,降低来发电,合成气离开水解装置后,经过一系列管壳了洗涤塔黑水的处理难度。式换热器,用来预热凝液和脱盐水,使温度降低到4)专有的渣/碳分离技术。经过连续排渣设施足够低(40C左右),然后进入冷凝液分离器。气相离开气化炉的渣伴有一定数量的水，其他气化技被送往酸性气体脱除单元，脱除酸性气后送人下术都是将渣水排入渣池，然后用捞渣机将粗渣捞第3期齐胜远. E-Gas气化技术及其应用分析147出外卖。E-Gas技术对排出渣水的粗渣和细渣进行产化肥和C1化工等产品时,甲烷和高碳烃等脱除初略分离,回收-部分渣中的碳，随黑水送回制浆是个复杂的工序,尚缺少在化工领域的应用经验。设施。这种渣碳分离技术让渣中所带的一部分碳4)由于磨损及腐蚀等因素，耐火砖寿命较短,得到回收并重新气化，与飞灰循环技术一起保证-段反应器向火面局部耐火砖每0.5~1a修补或更了E-Gas气化技术的高碳转化率。这种技术对提换一次。为保证耐火砖寿命,气化区温度不宜过高碳转化率较低的煤，尤其是提高石油焦在气化高，适合于气化灰熔点在1350以下的煤种。而过程中的碳转化率是有利的。且合成气冷却器对合成气带灰也有限制，对煤灰5)进人E-Gas气化炉的水煤浆原料在预热器性有一-定要求，因此对煤种的选用范围有一定局中经过低压蒸汽加热后送入喷嘴，可提高气化炉限性。的热量利用率,降低氧气消耗。5)采用水煤浆进料，一段烧嘴工作环境比较6)合成气在二段气化炉内上行，延长了煤气恶劣 ,典型寿命2 500h(104d)。在炉内的停留时间,使煤气中的焦油、重烃化合物6)原来的合成气冷却器每3个月清洗循环- -充分热解。即使残留微量重烃化合物，也会被半焦次，需要停车.2010年底新设计了合成气冷却器,吸附,随飞灰再循环人炉。其长周期运行还有待于进-步验证和考察。7)使用多级热回收设备,如废热锅炉、蒸汽过热器、节热器等,高、中、低温的热量都可得到回4 E-Gas 气化技术主要技术指标收,大大提高了总热利用效率。由于E- -Gas气化技术采用水煤浆进料，除了8)合成气中的甲烷含量比同类水煤浆技术要按照常规的水煤浆气化对成浆性、灰熔点、煤的化高,最高可达5%。通过调整一、二段水煤浆的进料学活性等要求外, 其下游的废锅流程对灰分的粘比例,可以降低到1%左右。适用于IGCC及合成天结性、温度特性及Na、K离子的含量等也有较高的然气等,也可考虑用于其他化工产品。要求(2]。9)气化炉内衬耐火砖，没有水冷系统,结构简目前,E-Gas气化技术只有Wabash River电单,初投资小。二段气化炉可用普通耐火砖,价格厂一套工业化装置正在运行，主要采用的原料为低、使用寿命长。次烟煤和石油焦，其工业分析和元素分析指标如3.2 E-Gas 工艺技术的劣势表1所示。1)由于E-Gas气化炉采用独特的十字结构,表1装置考核期间煤种情况 质量分数,%在提高操作压力时，十字结构连接部分强度设计项次烟煤石油焦工业分析M.15.27.0要更慎重,制造难度也增大。至今为止,其工业化A。2.00.3的装置操作压力为2.9MPa,按照目前的认识,设Va32.812.4计操作压力最好不宜超过5.0MPa,设备直径也不FCJ80.4宜过大，这也将影响气化炉的设备工程大型化及元素分析C。70.2187.70高压化发展。Hs.262.742)由于一段气化炉采用卧式布置，燃烧产生.983.08的熔融灰渣易在下部炉壁沉积，高温熔融的灰渣Ne1.87对炉壁的侵蚀作用非常强烈。而且- -段气化炉内S。5.17燃烧空间较小，两端喷嘴射流形成的燃烧火炬,对在采用典型煤种和石油焦气化时,E -Gas气化卧式炉上侧炉壁的冲刷侵蚀作用比较严重，尤其技术产生的合成气组成如表2所示。是高温高速的烟气，经过卧式炉与立式炉相交的由表2可以看出，合成气中有效气的比例为喉部时,对这个部位的冲刷更为严重。80%左右,采用煤为气化原料时,甲烷含量为1.9%，3)二段气化炉气化反应温度较低，甲烷生成采用石油焦为原料时,甲烷含量为0.5%,因此采用量相对较高,根据同类气化装置的现场运行经验，煤 为原料时合成气的热值较高。通过调整二段水当操作不稳定时，将可能副产其他高碳烃或杂环煤浆原料的比例,可以调整合成气中甲烷的比例,醇(醚)等有机物，而若将合成气用于化工原料生最高可以达到5%。148大氨配2013年第36卷表2典型合成气组成体积分数,%然气项目和印度Reliance Jamnagar炼油厂的气化组成典型煤种石油焦项目。浦项SNG项目已处于现场施工阶段,共有3N台E-Gas气化炉,2开1备,计划2013年底机械完A0.6工，,Reliance Jamnagar炼厂共建10台E-Gas气化CO215.15.4炉,气化石油焦和煤炭，生产电力和合成气供炼厂C45.348.6使用。H34.433.2CH0.00680.00696 E-Gas 气化技术应用分析商位热值/(M].m2)10.329.98通过煤气化技术生产合成气，再以合成气为1995- 2000 年期间,Wabash River 电厂的主原料生产不同的化工产品时,需要不同的碳氢比;要原料为次烟煤,主要气化指标如表3所示。2000不同的煤气化技术所产生的合成气中碳氢比也不年以前,由于开车时间不长，操作经验不足,各个相同，这就需要通过不同深度的变换技术调整合装置都有问题暴露,开停车次数较多,导致能耗较成气中的碳氢比，以满足不同产品对合成气原料高,比煤耗和比氧耗也较高。的需求。当气化单元生产的合成气的指标与目标表3 Wabash River电厂主要气化指标产品的需求接近时，下游各单元的规模和能耗就项目指标比较低,投资和成本也就可以降低，经济性也就比煤浆浓度(质量),%~60较好。1000m'(H2+CO)耗氧/m’~360表5给出了目标产品对合成气的碳氢比、压1000m'(H2+CO)耗煤/kg-680(干基)力及CO2、N2和CH4含量的要求。比较表2和表5碳转化率,%~99可以看出，从合成气组成和压力等方面看,E-Gas冷煤气效率,%~75气化技术比较适用于生产天然气和ICCC所需合成气。表5煤种使用效果分析5 E-Gas 工业装置及可靠性分析目标产品H/CO压力N:CH4E-Gas气化技术较为成熟，已有15a以上的运行业绩,但商业运行业绩少,只有2套商业运行氢气尽量高.高10*级低甲醇2.0-2.13%~5%的气化装置,且其中在路易斯安那州的LCTI装置合成氨尽量高10*级.可有因经济原因已经拆除。天然气~尽量高表4给出了Wabash River气化装置各工艺区ICCC无要求-40MPa 无要求无要求无要求块的年度可靠率(为只开一个气化炉的数据)。从乙二醇~2.1表4中可以看出,2006年后E-Gas气化装置的整多碳醇~1.5体可靠性还是比较高的，在12个月的周期中,最在2007年发布的美国能源部/DOE下属国家长连续运行时间为9周,低于单台Shell 粉煤气化能源技术实验室的化石能源工厂的成本和性能基炉在荷兰Demkolec的指标5]。准研究报告中161，比较了选择GE水煤浆辐射废锅+.表4 Wabash River气化装置分工艺区块激冷流程气化技术E-Cas水煤浆气化技术以及表示的年度可靠率%Shell粉煤气化技术为IGCC发电供合成气时的发电成本。表6给出了选择不同技术时,ICCC发电2006- -2008 20020102011废热锅炉95.092.590.5999消耗、成本性能数据。可以发现,从总发电效率来气化炉.97.59.2100.094.3看,采用Shell气化技术时最高,采用E- -Gas气化料浆系统98.099.9技术次之,而GE废锅+激冷流程最低;从发电投资颗粒物过滤系统99.8和单位发电成本上看，采用E-Gas气化技术时最除渣系统低，而GE次之,Shell气化技术最高。E-Gas气化.低温热回收系统99.098技术很好的平衡了发电效率和发电成本,具有较近年E-Gas中标韩国浦项阳光的煤制替代天高的竞争力。第3期齐胜远. E-Cas气化技术及其应用分析表6 IGCC 发电成本、性能和环保汇总选择性相对较小,需要对原料煤供应严格要求,而GE(废锅+ E-Cas Shell且需要提高耐火砖和烧嘴的寿命，并提高合成气参数激冷)流程技术技术冷却器的操作周期，以期实现装置的长周期稳定总电力输出/kW770350742510 748020运行。自用电/W130100119140 112170参考文献净电力输出AW640250623370 635850[1].郑振安. Destee煤气化工艺的特点[J].化肥设计,2004,42人煤量t/(bgh")222294210606 205489(6):3-7.高热值输人/kW1674044 1586023 1547493[2] Breion D L,David L Improved performance of the Destec gaei-电厂效率(基于高位热值),%38.20fier[C]. Gesification Technologies Council Conference,San Fran-原水消耗/(m'h*)9053861cisco. 1999.总投资/($x1000)1160919 1080166 1256810[3] Dowd R A,Amick P ,itte C,et al. Wabash River Coal Gasif-发电成本/($x0.001.(kWh)-)7875.380.5cation Repowering Project- -FinalTechnical Report[R] Work per-forned under Co- operative agreement DE-FC21-92MC293107结论for US Department of Energy 2000E-Gas气化技术为第二代水煤浆气化技术,采[4] Wabash River Coal Gasification Repowering Projeet[ R]. FinalTechnical Report to US. DOE，Office of Fossil Energy ,Na-用了独特的连续排渣技术，可以降低气化单元投tional Energy Technology Laboratory ,Auguet 2000.资,一定程度上提高装置可靠性。飞灰循环技术和[5] 忻仕河. E-Gas煤气化技术的应用.“十二五”我国煤化工行渣/碳分离技术保证了高碳转化率。生产的合成气，业发展及节能减排技术论坛文集.2010,99 -107.中甲烷含量可以在1%~5%进行调节,比较适用于[6] Woods M C,Capicoto P J,Haalbck J L,et al. Cot and per生产SNG和ICCC的原料气。但由于对人炉煤的formance baseline for fosil energy plants [R]. National Energy成浆性、灰熔点和Na、K含量要求较为严格,煤种Tchnology Laboratory ,2007.E -GAS GASIFICATION TECHNOLOGY AND ITS APPLICATIONQi Shengyuan(SINOPEC Engineering Group Co. ,Ltd. ,Beijing 100029)Abstract:E-G as gasification technology was introduced from its research and development , processflow , technical characters , and performance parameters ,and its industrial application was analyzed. E -Gasgasification technology maintains the characters of high carbon conversion rate , low energy consumption , mod-erate methanol content of 1%~5% ,moderate gas and steam ratio , and high heat value , and is suitable for pro-ducing synthetic gas for ICCC plant and substituted natural gas.Key words:E-Gas gasification;coal water slurry ;continuous deslagging;application analysis“第二十一届全国大型合成氨装技术年会"消息《大氨肥》编辑部举办的“第二十一届全国大型合成氨装置技术年会”预计于10月下旬或11月上旬召开(具体另行通知),征集论文截止时间为2013年5月31日。在论文的征集过程中,得到了业内广大作者及专家、工程技术人员的大力支持,已经收到行业内部大型氮肥生产企业科研设计单位的百余篇技术论文。由<大氦肥》编辑部编辑出版的会议论文集广告征集正在进行中,截止日期为8月15日。本次大会除邀请专家做专题报告之外,安排了新工艺、新技术、新材料、新设备(分析仪表、过程控制)交流报告。欲在大会进行交流发言或者在论文集做广告的单位,请尽快与会务组联系,以便协调安排。联系人:李芳玲(大会报告),雷永杰(论文集广告);联系电话:0574 -87974533/4545。《大氮肥>编辑部