煤氣化技術(shù)及氣化爐的應(yīng)用

趙麥玲 上海寰球石油化學(xué)工程有限公司 上海 200032

煤氣化技術(shù)及氣化爐的應(yīng)用

趙麥玲＊上海寰球石油化學(xué)工程有限公司 上海 200032

介紹煤氣化工藝技術(shù)、氣化爐的特點(diǎn)、適用煤種以及國內(nèi)應(yīng)用情況。

煤氣化技術(shù) 氣化爐 煤種 應(yīng)用

能源短缺和環(huán)境污染制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展,我國有豐富的煤炭資源,以煤為主要能源,煤炭資源消費(fèi)約占總能源消費(fèi)的75%。

煤氣化是潔凈、高效利用煤炭的主要途徑之一,在將煤炭轉(zhuǎn)變?yōu)楦憷哪茉春彤a(chǎn)品形式的各種技術(shù)中,煤氣化是優(yōu)先考慮的加工方法。城市煤氣、化工合成用原料氣、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電用燃?xì)夂途C合利用系統(tǒng)是煤氣化發(fā)展和應(yīng)用的主要方向。

煤的氣化技術(shù)有幾十種,但可歸納為三大類:固定床氣化、流化床氣化和氣流床煤氣化技術(shù)。

現(xiàn)從氣化爐爐型、技術(shù)參數(shù)、原料煤的要求、應(yīng)用情況等方面對三類技術(shù)分述如下。

1 固定床氣化技術(shù)

1.1 氣化爐

固定床煤氣化技術(shù)主要有間歇固定床氣化爐(UGI)、魯奇(Lurgi)爐和BGL(魯奇改進(jìn))氣化爐。

(1)UGI常壓固定床氣化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、投資少,但技術(shù)落后,能力和效率低,污染嚴(yán)重,以常壓Φ2650的氣化爐為例,單臺爐投煤量僅為60t/d,且原料為25～80mm的無煙塊煤或焦炭。

(2)魯奇(Lurgi)固定床氣化工藝成熟可靠,氣化溫度900～1050℃,包括焦油在內(nèi)的氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率、氣化熱效率都較高,氧耗是各類氣化工藝中最低的,原料制備、排渣處理成熟。煤氣熱值是各類氣化工藝中最高的,它最適合生產(chǎn)城市煤氣。若選擇制合成氣存在以下問題:①煤氣成分復(fù)雜,合成氣中含有甲烷7%～10%,如果將這些甲烷轉(zhuǎn)化為H2和CO,勢必增大投資,成本高;②有大量污水需要處理。污水中含大量焦油、酚、氨、脂肪酸、氰化物等,因此要建焦油、酚、氨回收裝置和生化處理裝置,會增加投資和原材料消耗;③該氣化技術(shù)需15～50mm的塊煤。塊煤價格高,將增加成本。

(3)BGL爐是在魯奇(Lurgi)爐基礎(chǔ)上的改進(jìn)型,由固態(tài)排渣改為液態(tài)排渣,該氣化爐可直接氣化含水量大于20%的煤,在1400～1600℃高溫氣化條件下,蒸汽用量可大幅下降,90%～95%的蒸汽在氣化過程中分解,不僅提高了氣化效率,而且使氣化廢水量減少80%以上,可降低脫酚、脫氨裝置的規(guī)模,減少廢水的排放量。該爐體結(jié)構(gòu)簡單,采用常規(guī)壓力容器材料和常規(guī)耐高溫爐襯及循環(huán)冷卻水夾套。

1.2 技術(shù)參數(shù)

3種固定床氣化爐技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 3種固定床氣化爐的技術(shù)參數(shù)

1.3 原料煤要求

3種固定床氣化爐對原料煤的要求和適合煤種見表2。

表2 3種固定床氣化爐對原料煤的要求和適合煤種

1.4 國內(nèi)應(yīng)用情況

采用固定床Lurgi氣化爐的有山西天脊集團(tuán)化肥廠和哈爾濱氣化廠等13個廠家共254臺;采用BGL氣化爐的有內(nèi)蒙古金新化工股份有限公司和云南解化集團(tuán)等共5臺;采用UGI氣化爐的有晉煤集團(tuán)晉豐煤化工公司和豐喜集團(tuán)華潤煤化工公司等4個廠家共66臺。

如今國家原則上已不允許新建固定床氣化爐。

2 流化床氣化技術(shù)

2.1 氣化爐

流化床氣化技術(shù)主要有恩德氣化爐、U-GAS氣化爐和灰熔聚氣化爐等。

(1)恩德爐由溫克勒氣化爐演變而來,來自朝鮮,目前主要用于生產(chǎn)燃料氣和合成氨等。適應(yīng)于褐煤、長焰煤等,對煤的灰分不是特別敏感,使用含水12%以下的≤10mm的粉煤,氣化爐溫度控制在1000～1050℃,氣化爐底部為特殊形狀的錐形,以布風(fēng)噴嘴取代了爐蓖,在氣化爐出口有旋風(fēng)除塵器和返料裝置,旋風(fēng)除塵器后是廢熱鍋爐,減少了煤氣中帶出飛灰對廢熱鍋爐爐管受熱面的磨損。不足之處是常壓氣化,氣化效率和碳轉(zhuǎn)化率有待提高。

(2)U-GAS技術(shù)來源于美國SES公司,主要定位于劣質(zhì)煤的氣化,對高灰煤、高硫煤和高水份煤的氣化有較大的優(yōu)勢。氣化壓力0.25～1.0MPa,單臺爐處理煤量300～1200 t/d,原料煤粒度為≤6mm,氣化溫度控制在950～1050℃。原料煤在二氧化碳?xì)怏w的壓力下進(jìn)氣化爐,與從爐底部進(jìn)的氧氣和水蒸汽等氣化劑進(jìn)行反應(yīng),生產(chǎn)合成氣,并從爐頂出來。反應(yīng)后的渣從爐底的分級器排出,并經(jīng)灰冷器冷卻卸壓排放。爐頂出來的合成氣經(jīng)兩級旋風(fēng)除塵器,分離出來的塵粒返回氣化爐再次氣化,以提高碳的轉(zhuǎn)化率。合成氣經(jīng)廢鍋回收熱量后,經(jīng)高效旋風(fēng)除塵器進(jìn)一步除塵,減少合成氣中的粉塵含量。

(3)灰熔聚流化床技術(shù)是中科院山西煤化所開發(fā)的煤氣化技術(shù),氣化壓力分別為0.3MPa、0.5MPa、1.0MPa,單臺氣化爐處理煤的能力為100～500t/d,目前有企業(yè)采用該技術(shù)。

2.2 技術(shù)參數(shù)

3種流化床氣化爐的技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 3種流化床氣化爐的技術(shù)參數(shù)

2.3 原料煤要求

流化床氣化爐對原料煤的要求和適合的煤種見表4。

2.4 國內(nèi)應(yīng)用情況

表4 流化床氣化爐對原料煤的要求和適合的煤種

采用U-GAS流化床氣化爐的有埃新斯(棗莊)新氣體有限公司和義馬煤業(yè)綜能新能源有限公司等兩個廠家共5臺;采用恩德流化床氣化爐的有吉林長山化肥廠和黑龍江黑化集團(tuán)等10個廠家共14臺;采用灰熔聚流化床氣化爐的有陜西城固化肥廠和天津堿廠等7個廠家共16臺。

3 氣流床氣化技術(shù)

3.1 氣化爐

典型的氣流床氣化技術(shù),國外有美國德士古(現(xiàn)屬于GE)公司水煤漿氣化(Texaco)爐、荷蘭殼牌(Shell)粉煤氣化爐和德國西門子公司的GSP粉煤氣化爐,國內(nèi)有多噴嘴對置式水煤漿氣化爐、兩段干煤粉加壓氣化爐、國產(chǎn)新型四噴嘴干煤粉加壓氣化爐、多料漿單噴嘴頂置氣化爐(MCSG)和HT-L航天爐。

(1)水煤漿氣化技術(shù)是美國德士古(Texaco)公司開發(fā)的。該技術(shù)的特點(diǎn)是:氣化溫度1250～1600℃,對煤的適應(yīng)性廣,灰熔點(diǎn)要求低于1350℃,煤的可磨性和制漿性好,制得漿濃度高于60%。單臺爐處理煤量大,生產(chǎn)能力高,氣化壓力范圍大(4.0MPa、6.5MPa、8.7MPa),合成氣壓縮功省。

(2)殼牌氣化技術(shù)是荷蘭殼牌公司開發(fā)的氣化技術(shù)。該技術(shù)采用純氧、蒸汽氣化,干粉進(jìn)料,原料煤適應(yīng)性廣,氣化溫度達(dá)到1400-1600℃,氣化壓力4.0MPa,碳轉(zhuǎn)化率高,有效氣成分(CO +H2)高,采用特殊的水冷壁氣化爐,使用壽命長,缺點(diǎn)是氣化壓力不能太高,設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,專利費(fèi)高。

自1976年以來,殼牌公司先后在荷蘭阿姆斯特丹、德國漢堡和美國休斯敦建成3套煤氣化中試和示范裝置,在取得大量的數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗(yàn)后,首次應(yīng)用于荷蘭布根倫250MW整體煤氣化燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工廠,氣化裝置的設(shè)計能力為單臺爐投煤量2000t/d,氣化壓力2.8MPa,于1993年開始投入運(yùn)行。

(3)GSP是德國西門子公司的粉煤加壓氣化技術(shù),采用干粉煤進(jìn)料,純氧、蒸汽作為氣化劑,氣化溫度可達(dá)1350～1750℃,碳轉(zhuǎn)化率99%,有效氣體成分與Shell類似,采用液態(tài)排渣,氣化爐采用水冷壁,內(nèi)部沒有耐火磚。水冷壁使用壽命達(dá)到10年,氣化爐下部采用激冷流程,比Shell爐造價低,煤種適應(yīng)廣。國外在20世紀(jì)80年代曾運(yùn)行一套處理煤量750t/d的工業(yè)裝置。

(4)多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)是華東理工大學(xué)與山東兗礦合作開發(fā),屬國家863計劃開發(fā)項(xiàng)目,已于2005年在兗礦國泰工業(yè)示范裝置成功運(yùn)行4年,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。該技術(shù)采用水煤漿進(jìn)料,氣化溫度與德士古相同。

(5)兩段干煤粉加壓氣化爐是西安熱工院研究開發(fā)的煤氣化技術(shù),該氣化爐爐膛采用水冷壁結(jié)構(gòu),分為上爐膛和下爐膛兩段。下爐膛是第一反應(yīng)區(qū),用于輸入煤粉、水蒸汽和氧氣的噴嘴設(shè)在下爐膛的兩側(cè)壁上,渣口位于下爐膛底部,采用液態(tài)排渣。上爐膛為第二反應(yīng)區(qū),高度較高,在上爐膛的側(cè)壁上設(shè)有二次煤粉和水蒸汽噴嘴。運(yùn)行時,由氣化爐下段噴入干煤粉、氧氣以及蒸汽,所噴入的煤粉量占總煤量的80%～85%,在上爐膛噴入水蒸汽和煤粉,所噴入煤粉占總的15%～20%。上爐膛的作用:其一是替代循環(huán)合成氣使溫度達(dá)到1400℃的煤氣降溫至約900℃;其二是利用下爐膛的煤氣顯熱進(jìn)行煤的熱裂解和部分氣化,以提高總的冷煤氣效率和熱效率。

(6)國產(chǎn)新型四噴嘴干煤粉加壓氣化爐是華東理工大學(xué)開發(fā)的煤氣化技術(shù),與水煤漿相比,粉煤加壓氣化系統(tǒng)對儀表有更特殊的要求,其安全連鎖控制指標(biāo)更高。氣化溫度1300～1600℃,壓力3.0MPa、4.0MPa,有效氣成分為89%～93%,

(7)多料漿單噴嘴頂置氣化技術(shù)(MCSG)是由西北化工研究院開發(fā)的大型煤氣化技術(shù),在完成中間試驗(yàn)和工業(yè)化示范試驗(yàn)基礎(chǔ)上,于2001年實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。該技術(shù)采用濕法氣流床氣化概念,以煤、石油焦、石油瀝青等含碳物質(zhì)和油(原油、重油、渣油等)、水等經(jīng)優(yōu)化混配形成多元料漿,料漿與氧通過噴嘴混合后瞬間氣化,具有原料適應(yīng)性廣、氣化指標(biāo)先進(jìn)、技術(shù)成熟可靠、投資費(fèi)用低等特點(diǎn),整套工藝以及料漿制備、添加劑技術(shù)、噴嘴、氣化爐、煤氣后續(xù)處理系統(tǒng)等已獲得8項(xiàng)國家專利。目前,多料漿氣化技術(shù)已在十多套工業(yè)裝置上應(yīng)用,包括300kt/a合成氨、200～600kt/a甲醇和500kt/a煤制油裝置,已有3套工業(yè)裝置平穩(wěn)運(yùn)行。

(8)HT-L航天爐是原航天十一所借鑒荷蘭Shell、德國GSP、美國Texaco煤氣化工藝先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),配置自己研發(fā)的盤管式水冷壁氣化爐而形成的一套結(jié)構(gòu)簡單、有效實(shí)用的煤氣化工藝。該工藝煤種適應(yīng)性廣,從褐煤、煙煤到無煙煤均可氣化,對于高灰份、高水分、高硫的煤種同樣適用。燒嘴設(shè)計同GSP,采用單燒嘴頂燒式氣化,氣化爐采用Texaco激冷工藝,氣化溫度1400～1600℃,氣化壓力2.0～4.0MPa。該爐的燒嘴是原航天十一所自己制造,與德國GSP氣化燒嘴相似,只是煤粉噴入的方向有一些改變。目前的技術(shù)所有者為北京航天萬源煤化工工程公司。

3.2 技術(shù)參數(shù)

氣流床氣化爐的技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 氣流床氣化爐的技術(shù)參數(shù)

3.3 原料煤要求

氣化爐對原料煤的要求和適合的煤種見表6。

表6 氣化爐對原料煤的要求和適合的煤種

3.4 國內(nèi)應(yīng)用情況

采用GE-Texaco氣流床的有山東兗礦集團(tuán)魯南化肥廠和上海焦化廠三聯(lián)供等28個廠家共74臺;采用Shell氣流床氣化爐的有中石化岳陽殼牌煤氣化股份公司和河南永煤集團(tuán)龍宇煤化工公司等19個廠家共27臺;采用GSP西門子氣流床氣化爐的有神華寧煤集團(tuán)有限責(zé)任公司等3個廠家共9臺;采用新型四噴嘴水煤漿氣化爐的有安徽華誼化工有限公司和兗礦國泰化工有限公司等13個廠家共33臺;采用多料漿單噴嘴頂置氣化爐的有華亭中煦煤化工有限公司和重慶萬盛煤化工有限公司等26個廠家共38臺;采用國產(chǎn)四噴嘴干煤粉加壓氣化爐的有貴州開陽化工有限公司1個廠家共1臺;采用HT-L航天爐的有永煤集團(tuán)龍宇化工有限公司和安徽臨泉化工有限公司等兩個廠家共2臺;采用兩段干煤粉加壓氣化爐的有上海申能集團(tuán)和內(nèi)蒙古世林化工公司等兩個廠家共4臺。

4 結(jié)語

面對國內(nèi)煤化工行業(yè)眾多的煤氣化技術(shù),企業(yè)如何選擇是一個關(guān)鍵的問題。各企業(yè)應(yīng)該根據(jù)本企業(yè)的實(shí)際情況:包括所處資源區(qū)域、原料煤種類、運(yùn)輸情況、合成氣的用途、產(chǎn)品定位及資金狀況來選擇適合自己的煤氣化方式,這樣才能既有明顯的經(jīng)濟(jì)效益,又能滿足國家環(huán)保政策要求。

Introduce the coal gasification process technologies,the characteristics of the gasifier,suitable types of coal and their applications in China.

Coal Gasification Technology and Application of Gasifier

ZhaoMailing
(China Huanqiu Contracting&Engineering Corp.(Shanghai), Shanghai200032)

coal gasification technology gasifier application

＊趙麥玲:高級工程師。1986年畢業(yè)于太原理工大學(xué)無機(jī)化工專業(yè)。一直從事化工工藝設(shè)計工作。聯(lián)系電話:(021)64164200-8063,15001705693。

2010-11-22)