廢鍋流程煤氣化技術綜述

于利紅，李彩艷，吳永國，趙梅梅，李 磊，閆鳳芹

(兗礦水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心有限公司，山東 滕州 277527)

1 概 述

煤氣化是潔凈、高效利用煤炭的主要途徑之一，是新型煤化工行業(yè)發(fā)展的基礎和關鍵，在一個具體項目中起龍頭作用。煤氣化技術經過100多年的發(fā)展，形成了幾十種不同類型的煤氣化技術。根據氣化爐中的流體力學特性，可分為固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化三大類方法。按氣化爐氣化室結構分為熱壁爐(耐火磚)和冷壁爐(水冷壁)。按照氣化爐熱量回收不同分為激冷、廢鍋及半廢鍋激冷三種流程，廢鍋流程較復雜，但可回收高等級蒸汽，激冷流程可將蒸汽潛熱用于后續(xù)的變換過程。

廢鍋流程氣化技術包括Shell、德士古、晉華爐、兩段式干煤粉加壓氣化技術等。

2 廢鍋流程煤氣化技術的應用及發(fā)展

2.1 Shell氣化技術

2.1.1 技術發(fā)展及應用

20世紀50年代，Shell公司開發(fā)了SGP氣化技術，以渣油為原料；20世紀70年代，研發(fā)了SCGP粉煤氣化技術。1978年，粉煤氣化技術中試裝置在德國漢堡投入運行；1987年，250～400 t/d級示范裝置在美國休斯敦建成投產。1993年，2 000 t級氣化裝置在荷蘭Buggenum建成投產。2001年，我國湖北雙環(huán)公司引進殼牌技術，于2006年成功開車。截至目前，我國已引進了29臺Shell氣化爐，分別用于生產合成氨、甲醇、烯烴和氫氣等化工產品，現均已順利投產運行，已投產單爐最大投煤量為大唐多倫煤化工項目，單爐日投煤2 800 t。Shell煤氣化技術大多為廢鍋流程，同時，Shell也開發(fā)了激冷流程的工藝技術，目前，單爐最大投煤量3 000 t/d的激冷流程也已開發(fā)成功，正處于工業(yè)化示范和推廣中[1]。

2.1.2 技術特點

Shell粉煤氣化工藝干法進料，爐膛為水冷壁結構，合成氣冷卻方式為廢鍋流程，液態(tài)排渣。煤粉、氧氣等在1 400～1 700 ℃、3.0～4.0 MPa條件下氣化，熔渣沿氣化爐膜壁下降，由氣化爐底部排出。高溫煤氣上行被返回的粗合成氣激冷至 850～900 ℃，進入廢鍋(合成氣冷卻器)冷卻。氣化爐爐膛水冷壁及廢鍋可生產高、中壓蒸汽。從氣化爐廢鍋排出的攜帶少量灰分的合成氣經組合式陶瓷過濾器，分離除去部分細灰，干灰進入鎖斗，然后送往儲倉，可作為水泥的配料。

Shell氣化技術碳轉化率可達98%～99%；冷煤氣效率81%左右，合成氣有效氣(CO+H2)成分高達90%左右，比煤耗比水煤漿低8%，比氧耗比水煤漿低10%，比蒸汽耗120～150 kg/km3；可副產蒸汽880～900 kg/km3[2]。

2.1.3 關鍵設備

Shell氣化爐外殼為膜式水冷壁結構，通過冷卻水強制循環(huán)吸收熱量，產生中壓蒸汽。Shell氣化爐由承壓殼體、內部氣化室及附屬設備構成，按工藝功能可分為氣化反應段、急冷段、輸氣管段、氣體返回段、冷卻段和輔助設備。

Shell氣化爐整體類似“n”形結構，氣化室、激冷管位于一側，合成氣冷卻器、氣體返回段位于一側，上部以輸氣管連接。

Shell氣化爐氣化室設4個噴嘴，位于爐子下部，沿水平圓周均布。氣化爐內壁為膜式水冷壁，用于保護外部殼體及換熱，產生4.5 MPa中壓蒸汽。膜式水冷壁向火面有耐火涂層保護水冷管，運行初期熔渣在水冷壁表面形成渣層“以渣抗渣”保護水冷管。氣化室頂部出口為激冷區(qū)，反應后高溫合成氣被返流250 ℃循環(huán)氣激冷后進入合成氣冷卻區(qū)域。

合成氣冷卻器由膜式水冷壁、環(huán)形水冷壁、環(huán)形空間和金屬外殼組成。三組多層環(huán)形水冷壁自上而下分為中壓蒸汽過熱器、二段中壓蒸發(fā)器和一段中壓蒸發(fā)器。

中壓蒸汽過熱器、一段中壓蒸發(fā)器、二段中壓蒸發(fā)器均由不同直徑筒體套在一起組成，中壓蒸汽過熱器、二段中壓蒸發(fā)器中壓蒸汽過熱器為6層環(huán)形水冷壁，一段中壓蒸發(fā)器為5層環(huán)形水冷壁筒。

輔助設備主要有敲擊器、煤燒嘴、火焰監(jiān)測器、開工點火燒嘴等[1，3]。

2.2 德士古(Texaco)水煤漿氣化技術

2.2.1 技術發(fā)展及應用[4-5]

德士古(Texaco)水煤漿氣化技術是20世紀40年代美國德士古公司在重油氣化技術基礎上發(fā)展的氣化技術，70年代形成了水煤漿加壓氣化技術。1987年中國引進Texaco水煤漿加壓氣化技術，1993年第一套氣化裝置在魯南化肥廠投運。目前，我國已有180臺該技術氣化爐運行或在建。該技術目前工業(yè)化運行最大氣化爐單爐投煤量為2 000 t/d，最高運行壓力8.7 MPa，在國內已運行或在建的單爐規(guī)模有400 t/d、500 t/d、750 t/d、1 000 t/d、1 600 t/d和2 000 t/d。

全廢鍋流程德士古水煤漿氣化爐目前在世界上有5套，包括美國能源部的Tample電站、CoolWater電站，用于聯合循環(huán)發(fā)電(IGCC)。其他3套用于神華寧夏煤業(yè)集團煤化工分公司25萬t/a甲醇廠的氣化生產工段。

2.2.2 技術特點

德士古氣化技術氣化溫度1 250～l 600 ℃，對煤的適應性廣，要求灰熔點小于1 350 ℃，煤的可磨性和制漿性好，制漿濃度大于60%。單臺爐處理煤量大，生產能力高，氣化壓力范圍大(2.7 MPa、4.0 MPa、6.5 MPa、8.7 MPa)，合成氣壓縮功省，尤其是合成甲醇時，可實現等壓合成[2，6]。

2.2.3 關鍵設備

氣化爐是全廢鍋流程德士古氣化技術的核心裝置，上部燃燒室為耐火磚結構，燃燒室下部為輻射廢鍋，對流廢鍋位于氣化爐外部，與氣化爐以水平管連接，水平管為夾套式。輻射廢鍋為雙通道水冷壁結構，水冷壁設有徑向水冷屏加強換熱效果。高溫合成氣經內筒水冷壁冷卻后，經內筒與外筒水冷壁間環(huán)形通道向上流動，經水平管送入對流廢鍋中繼續(xù)冷卻。經對流廢鍋冷卻后合成氣送入合成氣洗滌單元，熔渣經輻射廢鍋下部水浴冷卻后排入渣池[7]。

2.3 清華爐

2.3.1 技術發(fā)展及應用

清華爐經歷了三個階段的發(fā)展，第一階段為“水煤漿+耐火磚+激冷”；第二代為“水煤漿+水冷壁+激冷”；第三代為“水煤漿+水冷壁+輻射蒸汽發(fā)生器”；非熔渣—熔渣分級煤氣化技術(第一代清華爐)由清華大學、北京達立科技公司和山西陽煤豐喜集團公司合作開發(fā)，水煤漿進料，兩段給氧。該技術于2006年在山西陽煤豐喜集團臨猗分公司投入運行，應用爐型為水煤漿耐火磚氣化爐(第一代清華爐)，單爐投煤量為500 t/d。2008年第二代清華爐—水煤漿水冷壁氣化技術研發(fā)成功，氣化爐氣化室由耐火磚變?yōu)樗浔冢?011年在山西陽煤豐喜肥業(yè)集團臨猗分公司投入運行，單爐投煤量600 t/d。2016年4月，第三代清華爐—水煤漿+水冷壁+輻射式蒸汽發(fā)生器的氣化爐在山西陽煤豐喜集團臨猗分公司投入運行。

該技術目前簽約氣化爐型單爐最大投煤量約為1 800 t/d，截至目前，該技術在國內簽約項目約24個，簽約氣化爐約51臺，其中三代氣化爐11家，24臺。

2.3.2 技術特點

第一代清華爐采用分級供氧，爐內溫度均勻，平均溫度提高，有利于提高碳轉化率；降低了主燒嘴氧煤比，采用預混控制技術調整火焰中心的溫度，降低工藝燒嘴溫度，延長其使用壽命。

第二代清華爐采用水冷壁結構可適用高灰熔點煤，節(jié)省了更換耐火磚的費用；組合式工藝燒嘴縮短了氣化爐的啟動時間，點火投料一體化，氣化爐從冷態(tài)到滿負荷僅需5 h。

第三代清華爐是采用水煤漿+水冷壁+輻射式蒸汽發(fā)生器的氣化爐，核心設備為輻射式蒸汽發(fā)生器，設置于氣化爐內氣化室下部，用于吸收高溫合成氣的熱量，副產水蒸氣。

2.3.3 關鍵設備

清華爐氣化技術采用氣化爐氣化室、輻射式蒸汽發(fā)生器、激冷室直連共用一個整體外殼氣化爐。氣化爐廢鍋水力循環(huán)系統(tǒng)采用本質安全的自然循環(huán)設計，采用環(huán)形單筒水冷壁和徑向雙面水冷壁結構，減小輻射廢鍋體積，提高熱效率，減少氣液分層，保證補水均勻，降低管路燒壞風險。合成氣出氣管為多相流結構，能夠避免堵渣、積灰及磨損問題。

2.4 兩段式干煤粉加壓氣化技術

2.4.1 技術發(fā)展及應用[8]

中國華能集團清潔能源技術研究院自20世紀90年代開始進行干煤粉氣流床氣化技術的研究，開發(fā)了兩段式加壓氣流床氣化爐。經過建成0.7 t/d試驗裝置(1997年)、36～40 t/d的中試裝置(2004年)、2 000 t級工業(yè)示范裝置(2012年)等階段的研發(fā)與示范。目前，兩段式氣化爐已推廣6家企業(yè)共計15臺氣化爐，單爐最大投煤量為3 300 t/d。

2.4.2 技術特點

兩段式干煤粉加壓氣化爐技術特色為[9]：氣化溫度1 300～1 700 ℃，氣化壓力 0.5～4.0 MPa，碳轉化率達99%，有效氣(CO+H2)成分達90%；氣化爐采用水冷壁結構，維護量少，無需備爐。

2.4.3 關鍵設備

兩段式干煤粉加壓氣化爐爐膛采用水冷壁結構，氣化爐分為上下爐膛，下爐膛為第一反應區(qū)，噴入煤粉、水蒸氣和氧氣，上爐膛噴入煤粉及蒸汽。通過上爐膛利用下段爐的煤氣顯熱進行煤的裂解及氣化，降低出氣化爐煤氣溫度[10]。氣化爐出口合成氣(1 200 ℃)氣化爐與廢鍋連接的導管段被返回的低溫除塵后合成氣(150 ℃)激冷，溫度降為900 ℃。

廢熱鍋爐主要由承壓殼體、膜式盤管蒸發(fā)器、吹灰器、敲灰振打裝置等構成。廢熱鍋爐為膜式水冷壁結構，設3～4圈盤管水冷壁回收合成氣顯熱。粗煤氣經膜式壁與水冷盤管間的環(huán)形空間通道向下流動，經水冷管內物料冷卻，合成氣由900 ℃被冷卻至360 ℃左右送入下游系統(tǒng)，廢鍋副產6.8 MPa高壓蒸汽[8]。

3 應用中面臨的問題

國內先期投產的Shell煤氣化裝置在試車或運行過程出現的主要問題[11]有：氣化爐燒嘴隔焰罩泄露、氣化爐渣層和襯里大面積脫落、廢熱鍋爐激灰嚴重、激冷氣系統(tǒng)故障、陶瓷過濾器濾芯損壞等。德士古廢鍋流程水煤漿氣化爐應用過程中問題：對流廢鍋水冷壁漏、對流廢鍋至碳洗塔合成氣管線易堵塞、水平輸氣管線汽包壓力升高等。三代清華爐氣化技術、兩段式干煤粉加壓氣流床氣化技術投入運行時間較短，目前未見運行問題相關文獻報道。

4 總 結

國內煤氣化技術經過20 a的發(fā)展，形成了包括多噴嘴對置式水煤漿氣化技術、航天爐、清華爐、兩段干煤粉加壓氣化爐等多種煤氣化技術。隨著國家能源環(huán)保政策要求日益嚴格，開發(fā)廢鍋流程煤氣化技術對于節(jié)能降耗、降低企業(yè)運行成本具有重要意義。對于促進我國煤炭清潔高效利用、提高資源利用效率、滿足煤化工市場不同用戶需求具有現實意義。國內外廢鍋流程代表性氣化技術Shell氣化技術、德士古全廢鍋/半廢鍋氣化技術、兩段式干煤粉加壓氣流床氣化技術、第三代清華爐氣化技術等，應用中出現了廢鍋積灰嚴重、廢鍋水冷壁泄漏等問題，廢鍋流程氣化技術的長周期穩(wěn)定運行仍需不斷進行技術創(chuàng)新與優(yōu)化。