氣流床煤氣化技術(shù)分析

陳 寅

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西西安 710075）

我國(guó)擁有豐富的煤炭資源，目前煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中仍占有主導(dǎo)地位，怎樣合理使用煤炭資源成為我國(guó)煤炭資源處理的首要問(wèn)題。在煤炭利用技術(shù)中，煤氣化技術(shù)作為煤炭能源轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)技術(shù)，在煤炭能源使用方面占有重要的地位。

按照燃料在氣化爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，煤氣化工藝技術(shù)一般分為三種類型：移動(dòng)床（也被稱為固定床）、流化床和氣流 床。其中，氣流床氣化爐是最清潔，也是效率最高的煤氣化類型。氣流床技術(shù)中，粉煤或水煤漿在1 200~1 700℃時(shí)被氧化，高溫保證了煤的完全氣化，煤中的礦物質(zhì)成為熔渣后離開氣化爐。氣流床可用煤種要比移動(dòng)床和流化床的范圍更廣泛。使用純氧氣化可以使煤的氣化過(guò)程更有效，并可避免合成氣被氮?dú)庀♂?，所產(chǎn)合成氣的熱值也將高于空氣氧化爐所產(chǎn)生的合成氣的熱值。

目前以煤為原料生產(chǎn)合成氣的氣流床氣化工藝中較為成熟的有水煤漿加壓氣化工藝和干粉煤加壓氣化工藝。

1 水煤漿加壓氣化工藝

水煤漿加壓氣化工藝，國(guó)外有GEGP（原TEXACO工藝、單噴嘴、以下簡(jiǎn)稱為GEGP工藝）；國(guó)內(nèi)有華東理工大學(xué)的多噴嘴水煤漿氣化工藝以及清華大學(xué)的晉華爐。

1.1 GEGP工藝

GEGP工藝為目前世界上先進(jìn)的氣化技術(shù)之一，屬氣流床加壓氣化法。其特點(diǎn)是該工藝對(duì)煤的適應(yīng)范圍較寬，可利用粉煤，單臺(tái)氣化爐生產(chǎn)能力較大，氣化操作溫度高，液態(tài)排渣，碳轉(zhuǎn)化率高，煤氣質(zhì)量好，甲烷含量低，不產(chǎn)生焦油、萘、酚等污染物。排出粗灰渣可以用作水泥的原料和建筑材料。三廢處理簡(jiǎn)單，易于達(dá)到環(huán)境保護(hù)的要求。生產(chǎn)控制水平高，易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化及計(jì)算機(jī)控制。

GEGP工藝技術(shù)特點(diǎn)如下：

①煤種適應(yīng)性廣；②氣化壓力范圍大；③爐內(nèi)無(wú)傳動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；④產(chǎn)氣量大；⑤熱量利用率高，冷煤氣效率可達(dá)70%~75%；⑥有效氣成分高，干基有效氣中（CO+H2）≥ 80%（φ）[1]；⑦碳轉(zhuǎn)化率高，最高可達(dá)96%。

1.2 新型（對(duì)置式多噴嘴）水煤漿加壓氣化

新型（對(duì)置式多噴嘴）水煤漿加壓氣化技術(shù)是華東理工大學(xué)開發(fā)的目前最先進(jìn)的水煤漿氣化技術(shù)之一。多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)中試裝置（22t煤/d）結(jié)果表明：有效氣成分83%，比相同條件下的GEGP技術(shù)高1.5%~2%；碳轉(zhuǎn)化率> 98%，比GEGP高2%~3%；比煤耗、比氧耗均比GEGP技術(shù)低7%。

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)以純氧和水煤漿為原料制合成氣，該技術(shù)包括磨煤?jiǎn)卧?、氣化及初步凈化單元及含渣水處理單元，具有以下特點(diǎn)：

①煤種適用范圍較粉煤氣化窄；②氣化壓力范圍大； ③具有帶壓連投設(shè)計(jì)；④投入運(yùn)行最大單爐投煤量可達(dá)到4 000t/d；⑤多噴嘴對(duì)置式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)煤漿在爐內(nèi)對(duì)撞流，提高碳轉(zhuǎn)化率；⑥預(yù)混式燒嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)燒嘴使用壽命；⑦旋風(fēng)+水洗的工藝，減少合成氣的含塵量；⑧渣水處理流程，減少灰渣對(duì)設(shè)備管道的堵塞和磨蝕；⑨獨(dú)特的激冷室除霧裝置，減少合成氣帶水量。

1.3 晉華爐

晉華爐是在原清華爐（水冷壁結(jié)構(gòu)）基礎(chǔ)上發(fā)展形成的一種新型煤氣化技術(shù)，上部氣化燃燒室采用水冷壁結(jié)構(gòu)，在氣化燃燒室和激冷室之間增加廢鍋段以便于回收大量的合成氣顯熱，回收熱量后的合成氣進(jìn)入氣化爐下段激冷室。該技術(shù)主要是針對(duì)三高煤、成漿性差的褐煤研究開發(fā)的氣化技術(shù)，通過(guò)輻射廢鍋回收高溫合成氣的熱能并轉(zhuǎn)化為高壓飽和蒸汽，提高煤的利用率，降低生產(chǎn)成本。

晉華爐工藝技術(shù)特點(diǎn)：①穩(wěn)定性好，不需設(shè)置備爐；煤種適應(yīng)性強(qiáng)；②無(wú)須停爐檢修耐火磚，裝置連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率高；③水冷壁廢鍋結(jié)構(gòu)合理，安全性強(qiáng)；④生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)廢鍋回收粗合成氣中的顯熱，可副產(chǎn)高壓蒸汽，能量利用率高；⑤氣化爐系統(tǒng)啟動(dòng)快；⑥流程設(shè)計(jì)更優(yōu)化；⑦經(jīng)濟(jì)效益好；⑧冷煤氣效率可達(dá)74%[4]；碳轉(zhuǎn)化率＞98%[4]。

2 干粉煤加壓氣化工藝

干粉煤加壓氣化工藝代表性技術(shù)有荷蘭殼牌干粉煤加壓氣化工藝（以下簡(jiǎn)稱Shell工藝）、航天爐HT-L粉煤加壓氣化技術(shù)等。

2.1 Shell工藝

Shell 粉煤氣化所用氣化爐為立式圓筒形氣化爐，爐膛周圍安裝有由沸水冷卻管組成的膜式水冷壁，其內(nèi)壁襯有耐熱涂層，氣化時(shí)熔融灰渣在水冷壁內(nèi)壁涂層上形成液膜，沿壁順流而下進(jìn)行分離，采用以渣改渣的防腐辦法，基本解決了高溫耐火材料損壞嚴(yán)重和檢修頻繁的難題。水冷壁與簡(jiǎn)體外殼之間留有環(huán)形空間，便于輸入集水管和輸出集汽管的布置，便于水冷壁的檢查和維修；環(huán)形空間內(nèi)充滿250~300℃的有壓合成氣。爐體設(shè)有對(duì)稱的四個(gè)煤粉燒嘴，燒嘴使用壽命保證期為一年。

Shell工藝技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）原料煤適用范圍較寬，煤種適應(yīng)性強(qiáng)，如褐煤、煙煤、無(wú)煙煤等各種煤均可使用；對(duì)煤的性質(zhì)，如粒度、結(jié)焦性、灰分、水分、硫分、氧分等含量均不敏感。

（2）氣化爐為水冷壁式，基本消除頻繁檢修、爐內(nèi)耐火襯里更換頻繁和耗費(fèi)昂貴的弊端。單臺(tái)氣化爐產(chǎn)氣能力大，具有高效、大型化和長(zhǎng)周期運(yùn)行的顯著特點(diǎn)。

（3）具有較高的熱效率，碳轉(zhuǎn)化率可高達(dá)99%，原料煤能量回收率高，冷煤氣效率可達(dá)86%，比煤耗可達(dá)600kg/ 1 000m3（CO+H2），比氧耗為365m3O2/1 000m3（CO+H2），粗煤氣成分中，CO+H2的比例可達(dá)86%[2]。

2.2 航天爐HT-L粉煤加壓氣化技術(shù)

國(guó)內(nèi)氣流床粉煤氣化技術(shù)的代表為航天萬(wàn)源的航天爐（HT-L），航天爐與西門子GSP氣化技術(shù)十分接近，該技術(shù)熱效率可達(dá)95%，碳轉(zhuǎn)化率可高達(dá)99%；氣化爐為水冷壁結(jié)構(gòu)，氣化溫度能到1 500~1 700℃，對(duì)煤種要求低，可實(shí)現(xiàn)原料本地化。與西門子GSP氣化爐的最大區(qū)別在于激冷室不同，航天爐的激冷室與通用德士古水煤漿氣化的激冷室相似，其他部分較為通用，幾乎所有設(shè)備及備品備件全部國(guó)產(chǎn)化。

航天爐HT-L工藝技術(shù)特點(diǎn)如下：煤種適應(yīng)范圍較寬；關(guān)鍵設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，有利于減少投資，并縮短采購(gòu)周期；關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)設(shè)備，利于現(xiàn)場(chǎng)安裝并方便維護(hù)；氣化爐激冷管結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利于減少合成氣的帶水帶灰；最大單爐處理量為3 000t/d，規(guī)模較大；現(xiàn)有業(yè)績(jī)多。

3 煤氣化技術(shù)的比較

水煤漿加壓氣化法、干粉煤加壓氣化工藝均為目前世界上較先進(jìn)的氣化技術(shù)，同屬氣流床加壓氣化法。其共同特點(diǎn)是對(duì)煤的適應(yīng)范圍較寬，可利用原煤，單臺(tái)氣化爐生產(chǎn)能力較大，氣化操作溫度高，液態(tài)排渣。碳轉(zhuǎn)化率高，煤氣質(zhì)量好，甲烷含量低，不產(chǎn)生焦油、萘、酚等污染物，所產(chǎn)灰渣可用做水泥原料和建筑材料，三廢處理簡(jiǎn)單，易于達(dá)到環(huán)境保護(hù)的要求、生產(chǎn)控制水平高，易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化及計(jì)算機(jī)控制。

3.1 進(jìn)料方式

GEGP工藝：水煤漿進(jìn)料，安全、操作方便，簡(jiǎn)單，對(duì)煤的含水量要求比較寬松。

晉華爐工藝：水煤漿進(jìn)料，安全、操作方便，簡(jiǎn)單，對(duì)煤的含水量要求比較寬松。

航天爐HT-L工藝：干煤粉進(jìn)料，用高壓氮?dú)饣駽O2氣送入氣化爐，煤需干燥并磨成細(xì)粉，煤的含水量越小越好，干燥過(guò)程需消耗不少的熱量。

3.2 氣化爐結(jié)構(gòu)

GEGP工藝：采用耐磨耐高溫耐火磚襯里，一般檢修周期為1a。

晉華爐工藝：氣化爐上段燃料室采用盤管式水冷壁結(jié)構(gòu)，中間采用輻射廢鍋換熱器、整體氣化爐壽命30a。

HT-L工藝：氣化爐上段燃料室采用盤管式水冷壁結(jié)構(gòu)。激冷室結(jié)構(gòu)與GEGP工藝較為相似。

3.3 有效氣（CO+H2）含量

GEGP工藝：合成氣有效氣（CO+H2）≥76%；

晉華爐工藝：合成氣中有效氣（CO+H2）≥80%[4]；

HT-L工藝：合成氣中有效氣（CO+H2）為86%~92%[3]。

3.4 耗煤量和耗氧量

不同氣化技術(shù)的原料（煤、氧氣）消耗指標(biāo)（如比煤耗和比氧耗）主要取決于原料煤的進(jìn)料形式和氣化爐結(jié)構(gòu)，對(duì)于GEGP和晉華爐同屬于水煤漿濕法進(jìn)料，氣化爐均為氣流床和單燒嘴頂噴形式，因此，其原料煤和氧氣消耗量接近，比煤耗約610kg/km3（CO+H2），比氧耗約390~405m3/km3（CO+H2）。

航天爐HT-L采用粉煤氣力輸送進(jìn)料，省去水煤漿加壓氣化技術(shù)中水氣化所需負(fù)荷，降低比氧耗和比煤耗，比煤耗約550kg/km3（CO+H2），比氧耗約310m3/km3（CO+H2）。

3.5 對(duì)下游裝置的影響

GEGP工藝：氣化裝置出口CO干基含量約52%，H2干基含量約31%，由于采用全激冷流程，水氣比約為1.3~1.4，足以滿足下游變換反應(yīng)對(duì)水蒸氣的需要，且流程設(shè)置按耐硫中溫變換串低溫變換比較順暢。

晉華爐工藝：氣化裝置出口CO干基含量約52%，H2干基含量約31%，由于采用廢鍋+激冷流程，水氣比可調(diào)控范圍0.5~1.0，具體可根據(jù)下游變換對(duì)合成氣水氣比的要求來(lái)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在滿足下游化工合成的基礎(chǔ)上最大限度地回收合成氣中的高品位熱量。

航天爐HT-L工藝：氣化裝置出口合成氣中CO高達(dá)60%， 由于是4.0MPaG氣化，則合成氣中水氣比約0.9，基于高CO含量和中等比例水氣比的特點(diǎn)，對(duì)于本項(xiàng)目下游合成氣H2/CO要求，變換裝置在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)需要特別注意防止超溫的問(wèn)題，針對(duì)該工況，變換裝置多采用多級(jí)變換爐串聯(lián)工藝（雙等溫、等溫+絕熱等流程），同時(shí)還需要可靠的變換爐急冷氣措施。

3.6 熱量回收方法

GEGP工藝：可選用激冷流程和廢鍋+激冷兩種流程，其中絕大多數(shù)采用激冷流程。

晉華爐工藝：可采用廢鍋+激冷流程，廢鍋回收的高品位顯熱約相當(dāng)于原料煤低溫?zé)嶂?5%，同時(shí)副產(chǎn)10.0~12.0MPaG高壓飽和蒸汽，過(guò)熱后可用于驅(qū)動(dòng)空分透平。

航天爐HT-L工藝：可采用激冷流程和廢鍋+激冷流程兩種，其中絕大部分為激冷流程。

3.7 裝置投資

GEGP工藝：由于GEGP工藝燒嘴有效周期短，故需考慮備爐。

晉華爐工藝：氣化爐為可靠的水冷壁結(jié)構(gòu)+組合式燒嘴，可考慮不留備爐，減少裝置投資。

HT-L工藝：氣化爐為可靠的水冷壁結(jié)構(gòu)+組合式燒嘴，可考慮不留備爐，減少裝置投資。

4 煤氣化技術(shù)選擇原則

1）煤資源的可利用性、適應(yīng)性：原料煤的性質(zhì)，如煤化程度、灰熔點(diǎn)（和T4溫度）、煤灰黏溫特性、成漿性等指標(biāo)直接決定了煤氣化技術(shù)的選型。

2）技術(shù)的可靠性：目前干粉煤氣化技術(shù)（如航天爐HT-L）技術(shù)雖然絕大部分設(shè)備和儀表均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但部分設(shè)備及儀表閥門仍然需要進(jìn)口；而氣流床水煤漿加壓技術(shù)如GEGP技術(shù)、晉華爐技術(shù)在國(guó)內(nèi)煤氣化市場(chǎng)上占據(jù)大部分比例，所有設(shè)備、儀表等均已完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，這對(duì)項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度、后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中的維修更換都非常有利。

3）項(xiàng)目投資：干粉煤氣化技術(shù)由于在磨煤干燥、煤粉密相輸送、氣化爐水冷壁結(jié)構(gòu)、較高的氣化框架等方面的特點(diǎn)，在相同產(chǎn)氣規(guī)模下單系列氣化爐投資高于比濕法水煤漿氣化技術(shù)。

4）技術(shù)的成熟度：目前氣流床氣化技術(shù)（含干法粉煤和濕法水煤漿）在國(guó)內(nèi)均有多套成熟的商業(yè)化業(yè)績(jī)，技術(shù)成熟性方面均不存在問(wèn)題。

5）項(xiàng)目規(guī)模及產(chǎn)品方案：結(jié)合項(xiàng)目規(guī)模和下游裝置對(duì)于上游氣化運(yùn)行可靠性的要求，應(yīng)重點(diǎn)考慮氣化裝置有無(wú)備臺(tái)對(duì)下游的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)簡(jiǎn)述水煤漿加壓氣化技術(shù)及干粉煤加壓氣化技術(shù)，比較各煤氣化技術(shù)的特點(diǎn)，并從原料煤特性、煤氣化技術(shù)可靠性、項(xiàng)目投資、技術(shù)成熟度及總項(xiàng)目規(guī)模及產(chǎn)品方案安排五個(gè)方面，闡述了煤氣化技術(shù)的選擇原則。煤氣化工藝技術(shù)是煤化工的關(guān)鍵技術(shù)，在選擇煤氣化工藝技術(shù)時(shí)，應(yīng)針對(duì)各種爐型的主要特點(diǎn)，并結(jié)合煤種、技術(shù)成熟度、投資成本和環(huán)保等方面的因素來(lái)選擇適合的煤氣化工藝。