新型煤氣化工藝選擇探討

摘 要：我國的煤氣化爐眾多，其工藝也比較多。文章探討了幾種煤氣化工藝技術(shù)，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：煤氣化技術(shù)；對比；探討

現(xiàn)代煤化工屬于資金密集型產(chǎn)業(yè)，氣化爐又是投資比例最大的單元，怎樣依托自身的原料結(jié)構(gòu)、運(yùn)輸、人員素質(zhì)、水資源、資金、知識產(chǎn)權(quán)和環(huán)境容量等因素，準(zhǔn)確選定適合自身的煤氣化工藝顯得尤為重要。

1 煤氣化技術(shù)概述

中國是擁有煤氣化爐最多的國家，但多數(shù)為常壓固定床煤氣發(fā)生爐（全國有約4500臺），單爐發(fā)氣量小，對環(huán)境污染較嚴(yán)重，且不能適應(yīng)大型化的要求，因此這種氣化技術(shù)已在2006年7月7日的（發(fā)改工業(yè)[2006]1350號）中明確要求禁止。取而代之的大型加壓煤氣化技術(shù)，中國已實(shí)現(xiàn)工業(yè)運(yùn)行的有10多種，引進(jìn)國外技術(shù)的有6種。通常把氣化爐分為三種類型：固定床、流化床和氣流床。具體分類如下：

固定床：UGI、富氧連續(xù)氣化、Lurgi、BGL等。

流化床：恩德、KBR、灰融聚、溫克勒氣化爐、U-GAS、HRL等。

氣流床：GE、OMB、GSP、Shell、HT-L、TPRI等。

當(dāng)前被廣泛接受的是氣流床氣化爐，下面著重介紹氣流床煤氣化工藝。

2 常用煤氣化技術(shù)簡介

2.1 GE德士古水煤漿氣化

德士古氣化法是一種以水煤漿為進(jìn)料的加壓氣流床氣化工藝，水煤漿通過噴嘴在高速氧氣流的作用下，破碎、霧化噴入氣化爐。氧氣和霧狀水煤漿在爐內(nèi)受到耐火襯里的高溫輻襯作用，迅速經(jīng)歷預(yù)熱、水分蒸發(fā)、煤的干餾、揮發(fā)物的裂解燃燒以及碳的氣化等一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，最后生成以一氧化碳、氫氣、二氧化碳和水蒸氣為主要成分的濕煤氣、熔渣和未反應(yīng)的碳，一起同流向下離開反應(yīng)區(qū)，進(jìn)入爐子底部激冷室水浴，熔渣經(jīng)淬冷、固化后被截留在水中，落入渣罐，經(jīng)排渣系統(tǒng)定時排放。煤氣和飽和蒸氣進(jìn)入煤氣冷卻凈化系統(tǒng)。

2.2 多噴嘴對置式水煤漿氣化

工藝技術(shù)特點(diǎn)：（1）有效氣成分達(dá)84.9%，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)98.8%，比氧耗為309Nm3/kNm3（CO+H2），比煤耗達(dá)535kg/kNm3（CO+H2），產(chǎn)氣率達(dá)2.3m3干氣/kg干煤。（2）該技術(shù)采用四噴嘴撞擊流，充分混合，熱質(zhì)傳遞得到強(qiáng)化。相比單噴嘴的德士古技術(shù)，技術(shù)更加進(jìn)步。（3）復(fù)合床洗滌冷卻使液位平穩(wěn)，通過控制液位波動，降低了帶水帶灰問題，粗合成氣與黑水溫差比Texaco小約10℃，表明其傳熱、傳質(zhì)效果好。（4）產(chǎn)生的煤氣經(jīng)過分級凈化，使含塵量降到1mg/Nm3以下，同時操作平穩(wěn)、能耗較低。（5）含渣水直接換熱，蒸發(fā)熱水塔出氣溫度與灰水溫差僅4℃，相對于Texaco工藝的60℃溫差，有效解決了換熱設(shè)備易結(jié)垢堵塞的問題，同時提高了換熱效率。（6）裝置沒有需要進(jìn)口的專有設(shè)備；專利費(fèi)為德士古水煤漿氣化的1/3～1/2；運(yùn)行費(fèi)用比德士古要低得多。（7）氣化裝置負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活、穩(wěn)定，四個噴嘴之間負(fù)荷相互配合，可實(shí)現(xiàn)氣化微調(diào)操作。（8）可實(shí)現(xiàn)整套氣化裝置不停車解決故障，不泄壓投料，提高生產(chǎn)效率。兗礦國泰化工有限公司已累計進(jìn)行了10次帶壓連投操作，節(jié)省費(fèi)用近700萬。目前國內(nèi)已運(yùn)行裝置有12套29臺氣化爐，推廣應(yīng)用的共有33個項(xiàng)目，共計92臺氣化爐。

2.3 Shell煤氣化技術(shù)

Shell煤氣化工藝以干粉煤為原料、純氧為氣化劑，濕法排渣。高溫（1400～1700℃）氣化確保煤中所含灰分熔渣沿氣化爐膜壁自由流下至氣化爐底部，變成一種玻璃狀不可瀝濾的爐渣而排出。氣化爐頂產(chǎn)出的煤氣用返回的粗合成氣激冷至850～900℃，然后進(jìn)入合成氣冷卻器（廢鍋）作進(jìn)一步冷卻，氣化爐內(nèi)膜式水冷壁及廢鍋可同時生產(chǎn)高、中壓蒸汽。從廢鍋出來的合成氣中鎖攜帶的少量灰分顆粒，在組合式陶瓷過濾器中分離除去，干灰進(jìn)入鎖斗，然后送往儲倉，可作為水泥的配料。

粉煤氣化的優(yōu)越性：粉煤進(jìn)料，氣化熱效率高，氧耗、煤耗低；采用膜式水冷壁，壽命長達(dá)20年；氣化溫度高，可氣化灰熔點(diǎn)高的煤種，煤種適應(yīng)性廣；碳轉(zhuǎn)化率高，有效氣成分較水煤漿氣化高8～10個百分點(diǎn)；噴嘴壽命可達(dá)8000小時。設(shè)有4～6個噴嘴，生產(chǎn)負(fù)荷可在50%～100%范圍內(nèi)調(diào)整，操作彈性大。

2.4 兩段式干煤粉加壓氣化

工藝技術(shù)特點(diǎn)：（1）氣化反應(yīng)溫度1400～1600℃，氣化壓力可達(dá)3.0～4.0MPa，碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%以上，煤氣中有效氣高達(dá)90%以上。（2）高溫氣化不產(chǎn)生焦油、酚等凝聚物，不污染環(huán)境，煤氣質(zhì)量好。（3）在氣化爐二段送入少量煤、N2和蒸汽、主要進(jìn)行煤的干餾熱解、揮發(fā)分的二次裂解及水蒸氣的分解反應(yīng)。能夠降低氣化爐二段出口的合成氣溫度，從而可以減少冷煤氣循環(huán)激冷系統(tǒng)，使得系統(tǒng)自耗功大幅降低，同時煤氣冷卻器及凈化系統(tǒng)的設(shè)備尺寸減少，造價降低。（4）氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，以渣抗渣，無耐火磚襯里，維護(hù)量少，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長，無需備爐。（5）與國外同類技術(shù)相比冷煤氣效率提高2～3%，比氧耗減少，與之配套的空分投資減少。

2.5 HT-L航天加壓粉煤氣化技術(shù)

工藝介紹如下：（1）磨煤與干燥系統(tǒng)的單套能力目前是35噸/小時，其目的是制造出粒度小于90微米的大于80%、水含量小于2%的煤粉。只是利用皮帶秤通過比值調(diào)節(jié)將粒狀石灰石加到輸煤皮帶上，一塊進(jìn)入磨煤機(jī)研磨，不設(shè)立單獨(dú)的石灰石加入系統(tǒng)。（2）加壓輸送系統(tǒng)的不同是粉煤給料罐下面是三條腿，三條線輸送，到燒嘴處匯合從燒嘴環(huán)隙呈螺旋狀噴入爐膛。（3）燒嘴采用單噴頂燒設(shè)計，氣化爐升壓到1MPa時，煤粉及氧、蒸汽混合以一定的氧煤比進(jìn)入氣化爐，穩(wěn)壓1小時掛渣，掛渣情況通過測溫點(diǎn)適時監(jiān)控。設(shè)計氣化溫度1400～1600℃，氣化壓力4.0MPa。熱的粗煤氣和熔渣一起在氣化爐下部被激冷，也由此分離，激冷過程中，激冷水蒸發(fā)，煤氣被水蒸汽飽和，出氣化爐為199℃，經(jīng)文丘里洗滌器、洗滌塔洗滌后，固體含量小于0.2mg/m3的194℃合成氣送出氣化島。（4）爐渣由破渣機(jī)處理，經(jīng)鎖斗排入撈渣機(jī)。渣水分離后的水回用；灰水經(jīng)高壓閃蒸、真空閃蒸后到沉降池，清水作為激冷水回用，漿水經(jīng)真空抽濾后制成濾餅。

2.6 清華水冷壁爐

清華爐是我公司和清華大學(xué)共同開發(fā)的非熔渣-熔渣分級氣化技術(shù)，其獨(dú)特之處在于氧氣的分級供給：氣化爐主燒嘴和側(cè)壁氧氣噴嘴分別向氣化爐內(nèi)加氧，使氣化爐主燒嘴的氧氣量可脫離爐內(nèi)部分氧化反應(yīng)所需的碳與氧的化學(xué)當(dāng)量比約束，改變了主燒嘴局部區(qū)域氧化強(qiáng)度過高的狀態(tài)，使氣化爐軸向溫度均衡并有所提高，充分發(fā)揮氣化爐全容積的氣化功能。在主燒嘴中心通道采用氧含量從0到100%的不同氣體作為主燒嘴預(yù)混氣體，不僅調(diào)整了火焰中心的溫度，而且調(diào)整了火焰中心距主燒嘴端面的距離，有利于降低主燒嘴端部溫度，延長其使用壽命。

3 各工藝技術(shù)對比

3.1 OMB、GE和清華爐屬于水煤漿氣化，對煤質(zhì)有一定的要求，適用于煙煤、無煙煤、石油焦的等，且國產(chǎn)化率高，在國內(nèi)已有多家正在運(yùn)行，特別是清華爐在臨猗分公司運(yùn)行，且運(yùn)行平穩(wěn)。在煤種的適合情況下：通常是甲醇、合成氨等項(xiàng)目的首選。

3.2 航天爐、二段爐及殼牌煤氣發(fā)生爐屬于干粉氣化爐，有效氣體成分高，氣化煤量大，碳轉(zhuǎn)化率高、氧耗和煤耗相對較低，除殼牌外，設(shè)備國產(chǎn)化強(qiáng)，投資低。

3.3 航天爐和清華爐比較，清華爐采用水煤漿進(jìn)料，計量精確，爐溫波東較小，操作穩(wěn)定性好；航天爐曹勇干粉進(jìn)料，干粉進(jìn)料測量精確度差，爐溫波動大。清華爐只有一條進(jìn)料系統(tǒng)，調(diào)節(jié)簡單穩(wěn)定；航天爐有三條煤粉進(jìn)料管線，調(diào)節(jié)復(fù)雜。投資上清華爐的投資略低于航天爐，航天爐用煤需要烘干，原料煤場需要封閉，清華爐則不需要。

3.4 GE和二段爐都是采用四噴嘴，二段爐的特點(diǎn)顧名思義是采用兩段氣化，以四個對稱的燒嘴向氣化爐底部噴入干粉煤、過熱蒸汽和氧氣，進(jìn)行一段氣化，熔融排渣。中部噴入占總煤量15～20%的煤粉和過熱蒸汽，利用下部上來的煤氣顯熱進(jìn)行二段氣化，同時將下部上來的1400～1500℃高溫煤氣急冷至900～1000℃。該工藝可以大大節(jié)約固定投資，提高冷煤氣效率和熱效率；氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)是合成氣中CH4含量較高，而氫氣相對不足，不利于生產(chǎn)合成氨和甲醇的企業(yè)采用。

4 根據(jù)實(shí)際情況的爐型選擇

4.1 對氣流床煤氣化工藝的選擇，應(yīng)首先從以下幾方面來考慮

（1）從技術(shù)的成熟程度看，水煤漿優(yōu)于干粉煤、激冷流程遠(yuǎn)優(yōu)于廢鍋流程。（2）從技術(shù)的先進(jìn)性看，干粉煤優(yōu)于水煤漿。（3）從投資角度比較：TPRI：Texaco（激冷）：Shell為1：1.2：1.8。（4）從國產(chǎn)化程度來看，Texaco、航天爐、清華爐、二段爐由于設(shè)備國產(chǎn)化率高，故投資相對較少。（5）對煤種的適應(yīng)性看，干粉煤氣化優(yōu)于水煤漿氣化。（6）運(yùn)行穩(wěn)定性和投資風(fēng)險看，水煤漿優(yōu)于干粉煤。

4.2 根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品考慮

如果產(chǎn)尿素，應(yīng)該首選水煤漿氣化工藝，其中兗礦OMB水煤漿氣化合成氣中CO2含量低，甲烷含量小，合成氣占百分比小，變換處理能力可降低，適合制造合成氨、尿素，但由于其內(nèi)襯為耐火磚，使用壽命短，檢修時間長。而清華爐同樣屬于水煤漿氣化爐，襯里結(jié)構(gòu)為水冷壁，壽命長，檢修時間短，且在臨猗公司成功運(yùn)行，選擇清華爐較好。

如果產(chǎn)品為乙二醇，CO僅需少量變換，就應(yīng)該首先考慮干粉氣化技術(shù)。航天爐和二段爐屬于干粉氣化，合成氣占百分比大，氧耗低，煤耗低，煤種適應(yīng)性寬。航天爐已在安徽臨泉、河南濮陽等地成功運(yùn)行，技術(shù)比較成熟；但在性能上熱工院的兩段爐更勝一籌，如果能成功運(yùn)用并推廣，還是應(yīng)該選擇熱工院的兩段爐比較適合。

作者簡介：郭文龍（1982-），男，山西晉城人，碩士，工程師。