GSP技术是煤制合成气(或H2)工艺的最佳选择

第3期(总第118期)煤化工No. 3(Total No. 118)年6月Coal Chemical IndustryJun.2005GSP技术是煤制合成气(或H2)工艺的最佳选择李大尚(中国化学工业第二设计院,太原030001)摘要GSP是一种先进成熟的煤气化技术:干粉进料,水冷壁气化反应器,激冷流程,液态排渣。通过与Shgl、 Texaco气化技术在工艺、投资、气化指标及成本等方面的比较,可以得出:GSP工艺原料适应性广,投资省、粗煤气成本较低、工艺运行可靠,兼有 Shell与 Texaco的优点,是煤制合成气工艺技术的最佳选择之一关键词 GSP Shell Texaco煤制合成气文章编号:1005-9598(2005)-03-0001-06中图分类号:TQ546文献标识码:A过程的特点、技术经济指标、投资等进行深入了解,为编者按:GSP工艺是一种先进成熟的气流床此本文除概要介绍GSP技术外,还通过不同工艺的典加压气化技术,在煤制合成气(或H2)方面,兼具型数据力求客观地进行分析与比较,供大家选择参考Texaco和 Shell的优点。2005年2月,宁夏煤业集团有限贲任公司与瑞士可持续技术控殷公1GSP煤气化技术概要就引进GSP煤气化技术,在银川举行了签字仪式,该技术引起了业界人士的广泛关注。为此,1.1原料来源广,适应性强本刊编辑部特约请我国煤化工专家、中国工程从年青的泥、褐煤到年老的无烟煤系列中的所有计大师李大尚撰写此文,就大家所关心的GSP煤种,灰分>1%的石油焦、油渣、工业污泥等均可作为工艺技术先进性,可靠性,煤种适应性,投资,煤气化原料。它对入炉煤或其他原料必须满足粒径、水气成本等技术经济指标力求进行客观分析,供分、灰分的基本要求。粒径主要影响碳转化率,水分主大家选择参考。要影响煤粉输送,灰分要求1%以上,否则水冷壁无法挂渣形成膜式壁。各种不同的入炉原料粒径、水分、灰分要求见表1。GSP是干粉煤加压气流床工艺,它是20世纪70表1各种入炉原料的粒径、水分及灰分要求年代由当时的前民主德国燃料研究所开发的,首先在名称粒径分布/%水分/%灰分/%德国弗莱堡先后建成热负荷3M、5MW的中试装置,对<100μm≥55世界各地几十种不同原料进行了试验。1984年在黑<500μm≥99水泵气化厂建成了单炉每天投煤量720t的示范装褐煤<250um≥94置。这套以煤为原料的装置一直运行到1991年德国<250μm≥94统一。德国统一后由于各种原因GSP技术没有及时向<500μm100市场推广,并将原料由煤改为焦油、油渣等焦<250μm≥99GSP技术刚进入中国市场,广大客户迫切需要对<500um100该技术先进性、可靠性、原料煤的要求、气化炉及工艺无烟煤<63μm50~90石油焦<200um100收稿日期:2005-05-151.2中国煤化工作者简介:李大尚(1940—),男,1963年毕业于湖南大CNMHG粉煤制备及输送,有学,教授级高级工程师,中国工程设计大师。历任化学工业低压氮們网∽2相输送系统,通过煤第二设计院总工程师等职务,一直从事大型工程项目的设锁斗、压力供料仓、烧嘴喷入气化炉。计与管理工作1.2.2.粉煤、纯氧、蒸汽(年青煤可以不加)在4MPa、煤化工2005年第3期1400℃~1500℃下煤转化成煤气和熔融的渣。由于GSP气化炉除烧嘴为不锈钢和少量特殊不锈钢原料煤年青,CO2供料,水蒸气加入较少,煤气成分中外,其余全为碳钢材料。气化炉及其水冷壁寿命10有效气(C0+Hl)高达94.5%,C024%,CH0.02%,N20.7%,年~20年,烧嘴寿命10年(顶端部一年维修一次)。其他0.78%14GSP气化技术指标先进性及原材料动力消耗分析1.2.3高温煤气在激冷室被喷洒的水冷却到220℃,1.4.1技术指标进入文丘里洗涤器,将煤气中尘体积浓度降至lmg/m3碳转化率:99.5%(干),煤气中饱和的水供变换用。气化效率:80%~82%;1.2.4熔渣在激冷室降温固化成粒状落人激冷室下气化热效率:90%(含饱和煤气带入变换的水蒸气)部的水浴中,通过灰锁斗排入渣水槽,用捞渣机将渣1.4.2原材料及动力消耗(每10003(C0+H2))捞上皮带送入渣仓,然后用汽车运至处理场。原料煤(收到基、热值Q如=21351kJ/kg煤)1.2.5出冷激室含尘(渣、碳)约0.4%的黑水送到固708kg;体物分离器,经初步分离残余碳/尘后的水再经过滤氧(99.6%):320m;器、贮槽用泵送回冷激室。分离器下部出来的含尘黑蒸汽(4.5MPa,350℃):17kg-30kg(与煤质有关);水经减压闪蒸后,在絮凝剂作用下混凝沉淀,再经浓CO2(4.5MPa,40℃):85m缩、过滤脱水,清水用泵返气化冷激室过滤并送出界电:55kW·h。外处理。为保持冷激水中盐类平衡,约占黑水总量2GSP制合成气(或H2)与其他典型煤气化15%的废水排出界外处理。1.2.6煤粉锁斗功能是将常压下煤粉料供入加压气技术比较化系统。灰锁斗的功能是将压力气化系统的渣水送入煤气化工艺有几十种,可归纳为三类:以 Lurgi常压排渣系统。它们时刻处在一个由常压到加压,又为代表的固定床气化工艺;以高温温克勒、灰熔聚为从加压到常压的周期性交变过程。煤锁斗充压用CO2代表的流化床气化工艺;以GSP、 Shell、 Texaco为代灰锁斗充压用水,此过程用可编程序控制器来实现表的气流床气化工艺。1.2.7通过锁斗将粉煤供入加压料仓,在此通入的Lurgi固定床气化工艺成熟可靠,包括焦油在内CO2与煤粉处于一种密相流化状态,然后通过供料管的气化效率、碳转化率、气化热效率都较高,氧耗是各送至气化炉燃烧喷嘴。类气化工艺中最低的,原料制备、排渣处理简单。煤气1.2.8供料仓到气化炉烧嘴的供料管安有原料密度热值是各类气化工艺中最高的,它最适合制城市煤仪,质量流量仪测量煤粉供入量,并与供入的氧气及气。若选择制合成气存在以下问题:(1)煤气成分复气化炉、气化室与激冷室压差组成一套控制气化炉操杂,合成气中含不需要的CH约16%-18%,如果将这些作的调节系统。CH4转化成H2、CO,势必投资大,成本高。(2)大量冷凝13GSP煤气化炉结构特征污水需处理。污水中含大量焦油、酚、氨、脂肪酸、氰GSP气化炉由一个主烧嘴和一个点火烧嘴、气化化物等,因此要建焦油回收装置,酚、氨回收和生化处室、冷激室及承压外壳组成。气化室内设有水冷壁,水理装置,增加了投资和原材料消耗。(3)urgi气化技冷壁主要作用是抵抗1450℃~-150℃高温及熔渣的术原料为5mn~50mm块煤。块煤价高,若购原煤则有占侵蚀,水冷壁系由水冷盘管及固定在盘管上的抓钉与总量50%-55%的粉煤需平衡处理,用这些粉煤发电工siC耐火材料共同组成的一个圆筒形膜式壁。膜壁与厂自身用不完,上电网价低,影响工厂经济效益。承压外壳间有约50m间隙,间隙间充一小股流动的流化床气化工艺比较适合高挥发分、高活性年青常温合成气(或CO2、N2)。水冷壁水冷管内的水采用强煤及高灰、高灰熔融性温度的煤。但气化压力较低。制密闭循环,在这循环系统内,有一个废热锅炉生产3.0MPa下气化的流化床正在开发中,气化温度较低0.5wPa(g)低压蒸汽,将其热量移走,使水冷壁水冷100℃左右,气化强度低,煤制备、气化炉结构简单、管内水温始终保持一恒定范围。投资中国煤化工自以下问题:(1)压力激冷室为一承压空壳,外径和气化室一样,上部在2.CNMHG交高。(2)碳转化率、设有若干冷激水喷头。在此将煤气骤冷至220℃。煤气化效率相对较低。(3)飞灰较多,增加了后处理难度。气由冷激室中部引出,激冷室下部为一锥形,内充满当前大型工厂的煤制合成气(或H2)气化技术普水,熔渣遇冷固化成颗粒落入水浴中,排人灰锁斗。遍认同的是GSP、 Shell、 Texaco气流床气化工艺。为2005年6月李大尚:GSP技术是煤制合成气(或H2)工艺的最佳选择此有必要对三种技术进行较详细的比较。(1)煤粉制备与输送系统;21GSP制合成气(或制H2)与 Shell. texaco煤气(2)煤气化装置与排渣系统;化技术比较(3)煤气冷激洗涤、除尘系统;2.1.1比较基准(4)黑水处理系统2.1.1.1原料煤分析见表2~表4。(5)粗煤气变换装置。2.1.1.3粗煤气出气化炉压力4.OMPa表2工业分析2.1.1.4比较装置生产能力200000m3(c0H2)/h,年Mar操作日300天11.4925.952.1.1.5原材料及动力价格表3元素分析%煤:150元/t12.2z氧(99.6%):0.2元/m;59.843.030.59220.540.10电:0.4元/kW·h;表4灰熔融性温度4.5Ma(g),350℃过热蒸汽:70元/t;0.5Ma(g),158℃饱和蒸汽:50元/t;T273炉给水(脱氧):10元/t;110012001250折旧、大、中、小修理费:每年按投资10%原料煤的可磨性系数HGⅠ为73,其热值Qas2.1.2比较结果为21351kJ/kg。煤气化工艺技术比较、投资比较结果、煤气化消耗2.1.1.2比较范围及技术指标比较、每m3(CO+H2)成本分别见表5~表8表5GSP、 Shell. Texaco三种气化工艺比较名称ShellTexas(1)褐煤→无烟煤全部煤种,石油(1)褐煤→无烟煤全部煤丨(1)烟煤、无烟煤、油渣;(2)焦、油渣、生物质;(2)粒径250以m-种;(2)90%<100目含水2%40%-45%<200目;(3)水煤原料要求500μm含水2%干粉煤(褐煤8%);干粉煤(褐煤8%);(3)灰熔|浆质量分数>60%;(4)灰熔(3)灰熔融性温度<1500℃;(4)融性温度<1500℃;(4)灰融性温度<1350℃;(5)灰灰分1%-20%分8%-20%分<15%气化温度/℃C1450-16001450-16001450~1600气化压力/MPa4.0~8.0干粉煤供料,下部多喷嘴水煤浆供料,顶部单喷嘴干粉煤供料,顶部单喷嘴,承压外对喷,承压外壳内有水冷热壁,Al0CrA-zrO2耐火气化炉特点壳内有水冷壁,激冷流程,由水冷壁回收少量蒸汽除喷嘴外材质全/壁,废锅流程,充分回收废衬里,冷激流程(用于C为碳钢热产蒸汽,材质碳钢、合金时有废锅流程),除喷嘴外钢、不锈钢全为碳钢Φ内=4投煤2000t/d,Φ内=3Φ内=4600(投煤2300t/d)标准炉:Φ外=2794和单台气化炉尺寸/mmH=17H=31640Φ外=3175(投煤800t/d)H=11500水冷壁寿命/a喷嘴寿命10a,前端部分1a60万t/a甲醇气化炉台数1(如内约为5000m)冷激室或废锅尺寸/mn冷激室Φ内=3500中国煤化工2794除尘冷却方式分离+洗涤CNMHG洗涤去变换温度/℃建筑物装置占地:9000m2装置占地:9000m2装置占地:9100m2(不包括变换高约55m(气化部分高约85m-90m(气化部分)高约55m(气化部分)4煤化工2005年第3期衰6GSP、She、 Texaco三种气化工艺投资比较万元ShellTexaco备注煤粉制备与输送(包括干燥)1080010800关键阀门引进水煤浆制备与制送15000煤浆泵引进引进陶瓷过滤器、(包括排渣、洗涤、除尘(其中陶瓷过滤器7100)2800水冷壁喷嘴、废锅等高压CO2输送压缩机2257低压N2输送压缩机变换、冷却装置合计47050880047000衰7GSP、Shel、 Texaco气化指标比较名称规格Shell原料煤/万t·a1含水20%收到基入炉:102千燥:2.2入炉:102干燥:2.2116.7氧气/m3h6398575237蒸汽/th4.5MPa345℃3.3161.1(其中变换157.8)副产蒸汽/th4.5MPa256℃-48(变换产)200(气化)-48(变换副产蒸汽/t·h0.5MF-46(其中气化22)0. 8MPa48锅炉给水/th5. OMPaCO, /mh4. 5MPa1530035000~45000有效成分C0+H2/9CO2为输料介质时94.碳转化率/%冷煤气效率/%煤气化热效率/%(包括带入变换蒸汽)电/kWh11036178578120「·注:原料煤气化压力气化温度授同一基准比较,GFP和气化在媒耗氯耗模为一样,表8GSP、 Shell、 Texaco每mCO+H)成本初步测算GSPTexaco名称单价每年耗量每年费用每年费用万元每年耗量万元每年耗量每年费用历元原料煤150元/t(102+2.2)万t15630(102+2.2)万t15630116.7175050.2元/m34.6×10%m392144.6×101m392145.4×10%m3108340.4元/kWh79.5×10kWh3178128.57×10kWh5142.858.4×10kW·h23364.5MPa蒸汽70元/t2.4×104t116×104t4.5MPa副产蒸汽70元/t34×10t-2419-178.6×104t-12499-18.7×10t-1310MPa副产蒸汽50元/t-33×10t-1656-17.28×10-8.6×10-432炉给水(脱氧)10元/t71×10t710206×104t20627.3×10t耐火材料2000折旧维修费中国煤化工47054700(按投资10%)CNMHG操作管理人员费150合计2968035042.8煤气(00+H)成本/元·m32005年6月挛大尚;GSP技术是媒制合成气(或B}工艺的最佳选择522GSP与 Shell. texaco煤制合成气相比所具有的GSP日投煤2000t的气化炉,外径3.5m~4.0m,可以整体通过铁路运输,而同样生产能力的Shel1气2.2.1GSP与 Shell煤制合成气比较化炉,外径约为4.5m,需在现场加工及组装,大大增2.2.1.1GSP与 Shell煤制合成气相比:流程简单、加制造成本和交货进度操作简便、投资省2.2.1.6GSP粗煤气成本低GSP煤气化技术开发时,其目标定位在煤制合粗煤气成本集中反映了气化技术的先进性和适成气生产甲醇,所以采用简单特殊的水冷壁和冷激、用性。经过比较可知:GSP煤气成本比 Shell低13%洗涤除尘流程。Shel1煤气化技术开发目标定位在2.2.2GsP与 Texaco煤制合成气的比较联合循环发电,因此采用废热锅炉回收煤气中的废虽然GSP和 Texaco煤气化技术都属气流床加热和干法陶瓷过滤器除尘,以获取最高的热效率。压、液态排渣技术,采用粗煤气冷激、洗涤除尘流程,然而用于制合成气,无论生产甲醇、合成油、二甲但由于GSP是干粉煤供料, Texaco是水煤浆供料,所醚,还是制合成氨、制氢等产品,H/CO=1~2之间,以产生了二者的较大差异或者C0全部转化H2。所以煤气中大量的C0需在催2.2.2.1GSP与 Texaco相比,原材料消耗低,气化化剂作用下与水蒸气转化为H2和CO2GSP是简单将指标先进煤气喷水冷激到220℃左右,这时煤气中饱含的水GSP单位产品(CO+H2)原料煤消耗比 Texaco低蒸气量完全满足C0变换所需的蒸汽; Shell气化花12%-13%(包括煤干燥在内)氧耗低15%,电耗GSP虽近3亿元的投资生产出的蒸汽约70%用于变换,若高些,与前两项相比其影响非常小。GSP与 Texaco技用于制纯H2这个比例更大。这是非常不合理,不经术相比,冷煤气效率高10%,碳转化率高1.5%,煤气化济的。热效率(包括变换用蒸汽)高4%。煤气中有效气成分2.2.1.2GSP电耗低(CO+H2),GSP为92%-94%, Texaco为78%-81%由于 Shell气化废锅和干法除尘流程,用于吹扫2.2.2.2GSP原料适应性宽、强的CQ2或N2气量很大,除制氨外,其他合成气均不能GSP气化原料煤几乎函盖从褐煤(泥煤)到无烟用N2,只能用CO2。 Shell用于煤输送和吹扫的CO2量煤的所有煤种,灰分>1%的焦油、油渣、石油焦等也能要比GsP髙1.5倍,CO2的压力髙1倍。煤气进入废作为原料。对原料灰分、灰熔融性温度的限制比锅前必须将煤气温度由1500℃降至900℃,将煤气 Texaco气化工艺宽松得多,水冷壁最重要的功能是中熔融物固化,防止黏结在废锅换热管上。因此要增能根据灰熔融性温度的变化自动调整挂渣膜壁厚度,设一台气量约为190000m/h的离心式压缩机,将除灰熔融性温度太高的煤,水冷壁完全能适应,但消耗尘后温度为40℃的煤气返回气化炉出口的冷激管。增加,经济效益受影响。 Texaco气化时年青褐煤、含同规模气化装置GSP电耗比 Shell低60%。水高的煤、制备的水煤浆浓度达不到60%以上的煤不2.2.1.3原料适应性广宜选作原料,灰熔融性温度>1500℃,灰分>20%也GSP水冷壁结构对原料煤或其他原料中灰含量不宜选用只要求>1%,而 Shell气化要求原料中灰含量>8%,2.2.2.3GSP煤气化工艺可靠性好,运行周期长若采用低灰煤或其他低灰原料时,还需向原料中加一GSP煤气化生产证实水冷壁寿命10年以上,预定灰量,使之大于8%,增加了工艺过程的复杂性。期为20年。气化炉寿命20年,喷嘴本体寿命10年2.2.1.4GSP水冷壁结构非常简单,属圆筒盘管型,前端部需一年维修一次,所以GSP不需备用气化炉。水路简单,碳钢易制造Texaco气化炉内含铬、锆的昂贵耐火材料只能用一hell水冷壁垦多段竖管排列,水路复杂,合金年,喷嘴正常只能用60天,就要更换维修,运行周期钢材质,制造难度大。废锅处在高温高压、高含固体颗短,所以要有备用气化炉粒冲刷、强腐蚀介质的工作环境中,废锅要定期吹扫2.2:2.4关于气化炉大型化带来的大件运输问题和敲打除灰。若干组干式陶瓷过滤器要周期地交替进中国煤化工气化炉外径,GSP炉行反吹扫除灰,设备需进口。总之这不仅大大增加了约CNMHG4.5m。由于大型设投资,而且还增加了操作控制难度及设备维修量,降备铁路运输问题及维修频繁,不利于 Texaco气化炉低了装置运行的可靠性。的大型化,否则现场加工制作及备用能力增加造成2.2.1.5气化炉大型化带来的大件运输问题投资费用增加。对一个60万t/a甲醇厂,若采用煤化工2005年第3期Φ2.8m的标准炉,日投煤量约600t~700t,需5台6台炉,投资费用将大大增加,严重影响工厂经济3结效益。31对于煤制合成气,GSP兼有 Shell和 Texaco煤2.2.2.5GSP气化运行可靠,费用低气化的优点。如果煤气用于发电,GSP热效率比GSP运行可靠,维修量很小,粉煤输送介质是工 Shell气化热效率低14%~15%,这时 Shell煤气化具厂的废气C02。而 Texaco气化对一个60万t/a甲醇工有非常明显的优势。4.0MPa气化压力是比较的基础厂,仅水煤浆添加剂消耗需每年增加运行费约1200万条件之一, Texaco煤气化压力可以提高到6.5Pa,能元,耐火材料增加维修费2000万元~2500万元。另耗可随之降低些,由于4.OPa到6.OMPa压比很小,外还有喷嘴的频繁更换维修所需费用。降低能耗十分有限。2.2.2.6GSP单位产品(CO+H2)煤气成本低32从上述综合分析比较可知:GSP气化制合成气在GP单位产品(CO+H2)煤气成本约0.21元/m3,原料适应性、气化炉结构及大型化、消耗指标、运行费Texaco单位产品(CO+H2)煤气成本约0.26元/m3。GSP用、投资、单位煤气成本等方面优势明显,是一种适合的煤气成本比 Texaco低20%。国情的先进技术,是煤制合成气工艺技术的最佳选择。GSP-Optimal Technology for Synthesis Gas Production from CoalLi Dashang( China Second Design Institute of Chemical Industry, Taiyuan 030001)Abstract The general situation of GSP gasification technology was introduced. Through comparison with Shell andTexaco technology in technique, investment, gasification index and cost, it is concluded that GSP has the advantage ofwide flexibility of feedstock, low cost and reliable operation. GSP has the merit of both Shell and Texaco. It is the bestoice forproduction of synthesis gas from coalKey words GSP, Shell, Texaco, synthesis gas from co简讯·等离子体煤转化制乙炔取得进展太原理工大学建成了我国首套具有自主知识产权的等离子体裂解煤制乙炔实验装置,而世界上功率最大的等离子体裂解煤制乙炔实验装置也在中科院等离子体所建成。乙炔有望告别传统的电石法工艺电石法是由煤生产乙炔的传统方法,存在工艺流程长、能耗高、环境污染严重等诸多问题,发达国家于20世纪90年代中后期已全部关闭此法的生产装置,而我国由于电石产量巨大等原因,目前仍采用此法生产乙炔。为开发一条煤洁净高生产乙炔的新途径,太原理工大学谢克昌教授和清华大学樊友三教授合作,建立了该实验装置。目前,已取得煤的转化率提高到48.8%,乙炔收率>18%,乙炔能耗10.0kWh/kg-1l.2kWh/kg的实验成果。山西大力发展煤化工:实施“5565″工程从2005年到2007年,山西省化工行业将实施总投资92.4亿元的“5565”工程,全力推进煤化工产业的发展。“5565工程是指扶持天脊、三维、山焦、太化、丰喜5家销售收入超过30亿元的煤化工龙头企业;围绕“肥、醇、炔、苯、油”5条发展主线,实施循环经济战略;加快“六区一带”特色煤化工经济区域的建设,形成山西煤化工产业集群,打造山西煤化工品牌,实现煤化工产业可持续发展;到2007年,煤化工产业实现销售收人500亿元。5月份国内甲醇市场价格分析华东市场:进口成交较少,下游需求保持旺盛,主流报价2600元/t~2700元/t。华南市场:国产货到港量不大,进口货存量不多,供需价格平稳,主流报价2620元/t-2V凵中国煤化工置逐步恢复生产,加上“五一”前后运输压力增大,出厂价小幅下调,主流报价2300CNMHG部分下游产品停产,价格小幅下跌,主流报价2150元/t-2400元/t。东北市场:哈气化和大庆石化生产平稳,同时下游需求稳健,价格维持平稳,主流报价2450元/t-2650元/t。西南市场:四川维尼纶厂、四川江油、泸天化甲醇装置均有停车检修计划,而下游产品甲醛和醋酸生产高负荷运行,因此价格小幅上涨,主流报价2600元/t~2750元/t。