氣流床煤氣化工藝技術(shù)分析

朱玉芹 ，耿勝楚 ，李 彥 ，谷政權(quán)

（1．河南煤業(yè)化工集團(tuán)鶴煤公司，河南 鶴壁 458000;2．河南煤業(yè)化工集團(tuán)中原大化公司，河南 濮陽 457000）

氣流床煤氣化工藝技術(shù)分析

朱玉芹1，耿勝楚1，李 彥2，谷政權(quán)1

（1．河南煤業(yè)化工集團(tuán)鶴煤公司，河南 鶴壁 458000;2．河南煤業(yè)化工集團(tuán)中原大化公司，河南 濮陽 457000）

氣流床煤氣化是我國煤高效潔凈利用的關(guān)鍵技術(shù)。簡要總結(jié)了氣流床煤氣化技術(shù)的基本特點(diǎn)和主要影響因素，著重介紹了具有代表性的氣流床煤氣化技術(shù):殼牌（shell）煤氣化技術(shù)、德士古水煤漿加壓氣化技術(shù)、GSP氣流床氣化技術(shù)、多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)以及航天爐（HT-L）粉煤加壓氣化技術(shù)，討論了各種技術(shù)各自的優(yōu)勢及存在的問題。

煤氣化;氣流床;干煤粉氣化;水煤漿氣化

煤炭氣化在煤化工產(chǎn)業(yè)鏈中處于基礎(chǔ)地位，氣化所生產(chǎn)的氣體可以作為燃料 （作為工業(yè)燃?xì)狻⒚裼妹簹?、冶金還原氣），化學(xué)合成的原料（合成氣），聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃?xì)?、煤炭氣化制氫、煤炭氣化燃料電池、煤炭液化的氣源，是兼顧煤能源與資源價(jià)值的利用途徑。在煤炭氣化的諸多技術(shù)中，氣流床煤氣化技術(shù)具有生產(chǎn)能力大、較大的煤種與粒度適應(yīng)性以及較高的碳轉(zhuǎn)換效率等技術(shù)優(yōu)越性，因而被諸多廠家所選用。

1 氣流床煤氣化技術(shù)的主要特點(diǎn)

氣流床氣化是煤炭氣化的一種重要形式。原料煤以粉狀入爐，粉煤和氣化劑經(jīng)由燒嘴或燃燒器一起夾帶、并流送入氣化爐，在氣化爐內(nèi)進(jìn)行充分的混合、燃燒和氣化反應(yīng)。由于在氣化爐內(nèi)氣固相對(duì)速度很低，氣體夾帶固體幾乎是以相同的方向運(yùn)動(dòng)，因此成為氣流床氣化或者夾帶床氣化。氣流床煤氣化技術(shù)主要有以下特點(diǎn):煤種適應(yīng)性強(qiáng)、氣化溫度高以及液態(tài)排渣。

2 氣流床煤氣化技術(shù)分類及典型工藝

現(xiàn)有的氣流床氣化技術(shù)按進(jìn)料形式不同，可分成干煤粉進(jìn)料和水煤漿進(jìn)料兩大類;以爐內(nèi)氣流方向分，可分為上行和下行兩類;以工藝流程可分為廢鍋型和直接水激冷型兩類;按噴嘴的數(shù)量和布置來分，又可分為單噴嘴直噴和多噴嘴對(duì)噴兩類;以氣化爐內(nèi)是否襯有耐火保溫材料來分，又有熱爐壁和水冷壁兩種;以進(jìn)料方式來分，又有一段和兩段兩種。

典型的氣流床煤氣化工藝有:殼牌（Shell）煤氣化技術(shù)、德士古水煤漿加壓氣化技術(shù)、GSP氣流床氣化技術(shù)、多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)、航天爐（HT-L）粉煤加壓氣化技術(shù)等。

2．1 殼牌（shell）煤氣化技術(shù)

殼牌煤氣化技術(shù)[1]，工藝流程主要包括原料煤的預(yù)處理、煤的加壓和投料、煤的氣化、除灰、煤氣凈化、脫硫以及配套的水處理、空分、氮?dú)庀到y(tǒng)等。 裝置的造氣壓力為 2．0～4．0MPa，操作溫度1400～1600℃，采用液態(tài)排渣技術(shù)，渣中含碳量＜1%，干煤粉進(jìn)料，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)99%，煤氣中有效氣含量約 90%， 有效氣比氧耗約340m3·km－3（CO＋H2），比煤耗約 590kg·km－3（CO＋H2）[2]。

綜合目前多家已投產(chǎn)裝置的運(yùn)行情況，Shell粉煤氣化工藝特點(diǎn)如下:

（1）對(duì)煤種適應(yīng)性強(qiáng)，從褐煤、次煙煤、煙煤到無煙煤、石油焦均可使用，對(duì)煤的灰熔點(diǎn)、灰分、硫含量等煤種適應(yīng)范圍比其他氣化工藝相對(duì)寬。

（2）單系列氣化爐生產(chǎn)能力大，投煤量可達(dá)2000t·d－1以上，單臺(tái)氣化爐投煤量最大的達(dá)2800 t·d－1，為正在建設(shè)中的鶴壁 60萬 t甲醇項(xiàng)目煤氣化裝置。

（3）碳轉(zhuǎn)化率高，產(chǎn)品氣體質(zhì)量好。氣化溫度高，一般在1400～1600℃，碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%以上。產(chǎn)品氣體潔凈，CO＋H2達(dá)到90%，煤氣中甲烷含量極少，不含重?zé)N。

（4）氣化氧耗低，熱效率高。與水煤漿氣化工藝相比，氧耗低15%～25%，可降低配套空分裝置投資和運(yùn)行費(fèi)用。殼牌煤氣化技術(shù)顯熱利用率高，煤氣化的冷煤氣熱效率達(dá)到80%～83%，其余約15%副產(chǎn)高壓或中壓蒸汽，總熱效率高達(dá)98%。

（5）殼牌煤氣化技術(shù)控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，聯(lián)鎖控制保護(hù)系統(tǒng)完善。

（6）運(yùn)轉(zhuǎn)周期長。氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，牢固可靠，無耐火磚襯里。正常使用維護(hù)量小，運(yùn)行周期長，無需設(shè)置備用爐。煤燒嘴設(shè)計(jì)壽命長達(dá)8000h。

（7）環(huán)境效益好。系統(tǒng)排出的爐渣和飛灰含碳低，可作為水泥添加劑或其他建筑材料，堆放時(shí)也無污染物滲出。氣化污水量小且不含焦油、酚等，容易處理。

Shell煤氣化技術(shù)也存在著一些不足:

（1）流程及控制系統(tǒng)復(fù)雜。煤氣化裝置流程復(fù)雜，包括磨煤及干燥、煤粉加壓及進(jìn)料、煤氣化、除渣、除灰、濕洗、初步水處理7大工序和公用系統(tǒng)。煤氣化裝置的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，I／O點(diǎn)多達(dá)3000多個(gè)，通過分散型控制系統(tǒng)（DCS）、緊急停車系統(tǒng)（ESD）、可編程邏輯控制（PLC）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的集中監(jiān)控和管理，無論從規(guī)模還是復(fù)雜程度方面在國內(nèi)化工行業(yè)單套裝置中均為少見，因此對(duì)生產(chǎn)控制人員素質(zhì)要求較高。

（2）設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜和受力情況復(fù)雜，對(duì)材料要求高，內(nèi)件組裝對(duì)外殼接管標(biāo)高及方位要求極為嚴(yán)格，設(shè)計(jì)、制造、組裝、運(yùn)輸和吊裝難度大。疲勞設(shè)備多，煤氣化裝置共有13臺(tái)疲勞設(shè)備，對(duì)設(shè)備制造也提出了更高的要求。

（3）國產(chǎn)化程度低。煤氣化關(guān)鍵設(shè)備中氣化爐、輸氣管、合成氣冷卻器的內(nèi)件，飛灰過濾器的內(nèi)件，以及點(diǎn)火燒嘴、開工燒嘴、煤燒嘴、煤流量控制閥、煤三通閥、煤粉流量測量儀表、煤粉閥、煤灰渣閥、硬密封儀表球閥、鍋爐給水循環(huán)泵（大流量）、恒力吊、激冷氣壓縮機(jī)等大多需要進(jìn)口。目前，其中部分設(shè)備如煤燒嘴等可以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

（4）施工復(fù)雜。煤氣化框架高超過90 m，為鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)，其中安裝設(shè)備不僅數(shù)量多，且質(zhì)量大，與框架的連接形式復(fù)雜。結(jié)構(gòu)施工和安裝工作量較大。

（5）相對(duì)來講，殼牌煤氣化項(xiàng)目的建設(shè)周期較其他煤氣化工藝長，投資也較高。

2．2 德士古（Texaco）水煤漿加壓氣化技術(shù)

德士古（Texaco）水煤漿[3]加壓氣化技術(shù)，工藝流程主要包括煤的研磨和煤漿制備、煤漿儲(chǔ)運(yùn)、煤氣化及合成氣洗滌、渣水處理系統(tǒng)以及配套的空分等部分。氣化爐熱量利用有激冷、廢鍋、激冷和廢鍋結(jié)合3種流程，可以根據(jù)產(chǎn)品選擇合適的流程。生產(chǎn)合成氨和甲醇的生產(chǎn)裝置一般采用激冷流程，所得煤氣的汽氣比和氫碳比均較高。氣化爐采用濕法進(jìn)料，液體排渣技術(shù)，煤漿含水量約 30%～40%[4]。

Texaco水煤漿氣化工藝具有如下特點(diǎn):

（1）對(duì)煤種有一定適應(yīng)性，常選用灰熔點(diǎn)溫度低于1350℃、灰分含量不超過15%、煤的熱值高于 26000kJ·kg－1，并有較好的成漿性，能制成 60%～65%濃度水煤漿的煤種。

（2）可根據(jù)使用煤氣的需要來選擇氣化壓力。工業(yè)裝置使用壓力在 2．8～6．5MPa 之間。

（3）熱回收可根據(jù)煤氣用途選擇激冷和廢鍋兩種類型。氣化爐燃燒室內(nèi)壁由多層特種耐火磚砌筑，氣化爐操作溫度為1300～1400℃，比原料煤的灰熔點(diǎn)高50～100℃。

（4）合成氣質(zhì)量較好，有效組分（CO＋H2）含量占80%，甲烷量＜0．1%。碳轉(zhuǎn)化率 95%～98%。冷煤氣效率70%～76%。

（5）由于水煤漿中含有35%～40%水分，因而氧氣用量較大。

（6）氣化過程不產(chǎn)生焦油、萘、酚等污染物，故廢水治理簡單，易達(dá)到排放指標(biāo)。高溫排出的融渣，冷卻固化后可用于建筑材料，填埋時(shí)對(duì)環(huán)境也無影響。

（7）國內(nèi)已經(jīng)完全掌握了Texaco氣化工藝，主要設(shè)備都可以國產(chǎn)化，只引進(jìn)燒嘴、煤漿泵等少量設(shè)備，可節(jié)省大量投資。國內(nèi)已經(jīng)積累了大量的Texaco氣化工藝建設(shè)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，因此設(shè)備制造、安裝和工程實(shí)施周期短，開車運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富。

目前影響德士古氣化裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素是氣化爐燒嘴運(yùn)行周期短。氣化爐燒嘴運(yùn)行周期一般不超過60d，燒嘴即因?yàn)閲婎^磨損、裂紋等問題而需要更換。這是造成德士古氣化裝置必須有備爐的主要原因，從而導(dǎo)致裝置投資增加，運(yùn)行費(fèi)用增加。當(dāng)前，國外向火面耐火磚使用壽命達(dá)2年，國內(nèi)耐火磚使用壽命約1年，耐火磚更換費(fèi)用占整個(gè)裝置維修費(fèi)用的1／2以上，更換時(shí)間超過1個(gè)月。該工藝存在黑水系統(tǒng)結(jié)垢、氣化爐帶水等問題，影響了裝置的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。而且該技術(shù)的煤氣化爐僅有1個(gè)燒嘴，因此操作彈性相對(duì)較低。

2．3 GSP氣流床氣化技術(shù)

GSP氣流床氣化技術(shù)是由原民主德國的德意志燃料研究所（DBI）于1975年開發(fā)的煤氣化技術(shù)，可用于處理固體燃料，尤其是低品位褐煤。1991年，該技術(shù)被德國的諾爾公司獲得，并對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)性的改進(jìn)。該技術(shù)屬于氣流床加壓氣化技術(shù)，以干煤粉為原料，采用單燒嘴下行制氣，氣化爐內(nèi)有水冷壁內(nèi)件，操作壓力2．8MPa，操作溫度1450～1600℃。碳轉(zhuǎn)化率達(dá)99%以上，煤氣中甲烷含量極少（＜0．1%）。 不含重?zé)N，CO＋H2達(dá) 90%以上[5]。

反應(yīng)器呈圓柱型，為水夾套包裹，分為反應(yīng)室和激冷室上下2個(gè)室。在反應(yīng)室的最上部為燃燒燒嘴，GSP氣流床氣化技術(shù)的運(yùn)行燒嘴與開工燒嘴為一組合結(jié)構(gòu)，反應(yīng)物粉煤通過氮?dú)鈹y帶加壓與高壓氧氣、蒸汽經(jīng)氣化爐反應(yīng)室上部工藝燒嘴噴入氣化爐。顆粒在高溫中快速發(fā)生熱裂解反應(yīng)，裂解產(chǎn)物在高濃度的氧中迅速燃燒。反應(yīng)室和激冷室通過氣化器的特殊的排除口連接:激冷水在排除口處供給;合成氣在激冷室的中部引出。在激冷室的下部為錐型集渣室，激冷水從渣室上部溢流出氣化爐[6]。

GSP氣流床氣化技術(shù)具有氣流床氣化的突出優(yōu)點(diǎn):煤種適應(yīng)廣、處理能力大、氣化效率高、碳轉(zhuǎn)化率高、環(huán)境友好等。氣化爐的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，國產(chǎn)化程度較低，需引進(jìn)，因而投資較高，而且GSP技術(shù)工業(yè)化運(yùn)行裝置太少，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)淺薄。

2．4 四噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)

由華東理工大學(xué)、兗礦集團(tuán)等合作開發(fā)的四噴嘴對(duì)置式[7]水煤漿氣化技術(shù)屬氣流床加壓氣化裝置，濕法進(jìn)料，液態(tài)排渣。煤氣化系統(tǒng)主要由水煤漿制備裝置、四噴嘴對(duì)置煤氣化裝置、煤氣初步凈化裝置、含渣水處理裝置及配套空分裝置等部分組成。對(duì)置式四噴嘴氣化裝置氣化壓力為3．0～6．5MPa， 操作溫度 1200～1300℃， 殘?jiān)剂俊?%，有效氣含量≥83%，碳轉(zhuǎn)化率≥97%，有效氣（CO＋H2）≥80%，比氧耗≤380m3·km－3，比煤耗≤550kg·km－3[8]。

四噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):比煤耗低、產(chǎn)氣量大、渣中含碳量低、運(yùn)行周期長、負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活，并且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。但是，由于采用四噴嘴技術(shù)，煤氣化裝置投資較高，超過德士古技術(shù)的20%～30%。裝置運(yùn)行過程中出現(xiàn)的氣化爐拱頂磚沖刷嚴(yán)重和拱頂超溫等問題，影響了裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性。

2．5 航天爐（HT-L）粉煤加壓氣化技術(shù)

航天爐（HT-L）粉煤加壓氣化技術(shù)（以下簡稱航天爐技術(shù)）屬于加壓氣流床工藝，是在借鑒殼牌、德士古及GSP加壓氣化工藝設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，由北京航天萬源煤化工工程技術(shù)有限公司自主開發(fā)、具有獨(dú)特創(chuàng)新的新型粉煤加壓氣化技術(shù)。2008年先后在安徽臨泉、河南龍宇建成2套單爐日投煤量720 t的示范裝置。從目前運(yùn)行情況看，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，最長連續(xù)運(yùn)行時(shí)間已達(dá)到128d[9]。

航天爐由燒嘴、氣化爐燃燒室、激冷室及承壓外殼組成，其中燒嘴為點(diǎn)火燒嘴、開工燒嘴和粉煤燒嘴組成的組合式燒嘴，設(shè)計(jì)氣化溫度1400～1600℃，氣化壓力 4．0MPa。激冷室為一承壓空殼，外徑與氣化爐燃燒室的直徑相同，上部設(shè)有激冷環(huán)，激冷水由此噴入氣化爐內(nèi)。下降管將合成氣導(dǎo)入激冷水中進(jìn)行水浴，并設(shè)有破泡條及旋風(fēng)分離裝置，這種結(jié)構(gòu)可有效解決氣化爐帶水問題。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，194℃、固體含量小于 0．2mg·m－3的合成氣送去變換。

航天爐技術(shù)有著諸多優(yōu)點(diǎn):煤種適應(yīng)范圍廣，煤的灰熔點(diǎn)可選范圍寬（1250～1650℃），氣化原料可選范圍廣;碳轉(zhuǎn)化率高，粗合成氣品質(zhì)好，CH4含量低碳轉(zhuǎn)化率設(shè)計(jì)值≥99．5%，出口合成氣有效氣體 （CO＋H2） 體積≥90%，CH4體積≤130×10－6?？刂葡到y(tǒng)自動(dòng)化程度高，有完善的安保聯(lián)鎖系統(tǒng);環(huán)保性能好，排放的污染物少;具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，工藝成熟可靠，主要設(shè)備完全國產(chǎn)化，投資少，比同規(guī)模Shell工藝投資要少1／3。由于工藝原因，大部分的熱量都由粗煤氣及熔渣帶入激冷水中，造成熱量損失。

3 結(jié)語

氣流床煤氣化技術(shù)具有較大的煤種與粒度適應(yīng)性以及較高的碳轉(zhuǎn)換效率等技術(shù)優(yōu)越性，因而成為以煤為原料生產(chǎn)大容量、高效潔凈、運(yùn)行可靠的燃?xì)馀c合成氣的首選技術(shù)。當(dāng)前幾種氣流床煤氣化技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中得到較多的工業(yè)示范運(yùn)行，個(gè)別的已經(jīng)進(jìn)行了商業(yè)運(yùn)營，取得了較理想的成績，但同時(shí)也有不完善之處。我國目前已具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大規(guī)模高效氣流床煤氣化技術(shù)，但我國必須從深層次上開展氣流床煤氣化領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究工作，建立解決關(guān)鍵科學(xué)問題的理論體系，解決氣流床煤氣化技術(shù)目前存在的問題，用可靠的基礎(chǔ)研究成果支撐我國的煤氣化技術(shù)盡快實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效化的跨越，以滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)煤炭清潔利用的迫切需求。

[1] 汪家銘．殼牌煤氣化技術(shù)在我國的應(yīng)用 [J]．化肥設(shè)計(jì)，2007，45（4）:19-22．

[2] 李亞東．Shell粉煤氣化技術(shù)應(yīng)用綜述 [J]．大氮肥，2010，33（1）:46-49．

[3] 黎軍．德士古水煤漿氣化工藝概況 [J]．安徽化工，2001，27（1）:46-49．

[4] 唐迎春．德士古水煤漿加壓氣化工藝裝置問題探討及對(duì)大化集團(tuán)引進(jìn)技術(shù)的借鑒意義[J].大化科技，2007，（1）:9-14．

[5] 王德山．GSP煤氣化技術(shù)設(shè)備概況[J]．煤化工，2007，（3）:38-40．

[6] 趙瑞同、李磊，等．未來能源公司的GSP氣化技術(shù)[J]．煤化工，2005，（6）:19-22．

[7] 李偉峰，于廣鎖，龔欣，王輔臣，等．多噴嘴對(duì)置式煤氣化技術(shù)[J]．氮肥技術(shù)，2008，29（6）:1-5．

[8] 劉樂利．多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)在我國的發(fā)展[J]．煤炭加工與綜合利用，2005，（3）:44-45．

[9] 孫永才，劉偉．航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)淺析[J]．化肥工業(yè)，2010，37（1）:55-57．

Technology Analysis of Entrained-bed Coal Gasification

ZHUYu-qin1， GENGSheng-chu1， LIYan2， GUZheng-quan1
（1．Hebi Coal Co．，Ltd．， Henan Coal Industry and Chemical Group Co．， Hebi458000， China;2．Zhongyuan Dahua Group Co．， Ltd．， Henan Coal Chemical Industry Group， Pu yang 457000， China）

Absrtact:Entrained-bed coal gasification was the key technology of high efficiency and clean utilization of coal in China．Its basic characteristic and main affecting factors were briefly introduced．Representative entrained-bed coal gasification technologies， such as Shell of dry pulverized-coal gasification， Texaco of coal water slurry gasification， GSP gasification technology，multi-nozzle opposing coal-water slurry gasification and pulverized coal gasification of Hangtian Gasifier were focused， and their advantages and existed problems were also discussed．

coal gasification;entrained-bed;dry pulverized-coal gasification;coal water slurry gasification

TQ 546

A

1671-9905（2011）10-0079-04

朱玉芹（1983-），女，河南濮陽人，助理工程師，從事煤化工生產(chǎn)相關(guān)工作，電話:15839238832，E-mail:chuxgyq＠163．com，地址:河南省鶴壁市山城區(qū)西環(huán)路涼水井村南，鶴壁煤電股份有限公司煤化工籌建處空分廠，郵政編碼:458000

2011-06-30