GE水煤漿氣化技術(shù)現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

李 健，陳魯園，閆 龍，亢玉紅，馬亞軍，尚軍飛

（1. 榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院， 陜西 榆林 719000；2. 兗州煤業(yè)榆林能化有限公司，陜西 榆林 719000； 3. 榆林凱越煤化有限公司，陜西 榆林 719000）

GE水煤漿氣化技術(shù)現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

李 健1，陳魯園2，閆 龍1，亢玉紅1，馬亞軍1，尚軍飛3

（1. 榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院， 陜西 榆林 719000；2. 兗州煤業(yè)榆林能化有限公司，陜西 榆林 719000； 3. 榆林凱越煤化有限公司，陜西 榆林 719000）

GE水煤漿氣化技術(shù)是第二代煤氣化技術(shù)中發(fā)展最迅速、成就最顯著的生產(chǎn)技術(shù)之一，是美國(guó)通用電氣能源集團(tuán)推廣的具有世界領(lǐng)先的煤氣化技術(shù)，我國(guó)對(duì)于GE水煤漿氣化技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛。討論了GE水煤漿氣化技術(shù)原理、特點(diǎn)、現(xiàn)狀，并對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析、總結(jié)。

GE；水煤漿；煤氣化；應(yīng)用

潔凈煤技術(shù)是高效清潔地利用我國(guó)豐富煤炭資源的重要手段，對(duì)于滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定發(fā)展，改善能源利用與環(huán)境污染之間的對(duì)立關(guān)系等方面有著重要意義，現(xiàn)已經(jīng)成為我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展的重要領(lǐng)域[1]。煤氣化作為潔凈煤技術(shù)的重要組成部分，具有主導(dǎo)性地位，而GE水煤漿氣化（德士古水煤漿氣化技術(shù)）又是煤炭氣化技術(shù)的典型代表。它是一種以水煤漿為進(jìn)料的加壓氣流床氣化工藝[2-3]。本文介紹了GE水煤漿加壓氣化技術(shù)，論述了其應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。

1 GE水煤漿加壓氣化技術(shù)介紹

GE煤氣化技術(shù)屬于氣流床氣化技術(shù)，是美國(guó)德士古（Texaco）公司根據(jù)油氣化技術(shù)的思路開發(fā)出來的。它是在原煤中加入添加劑、助熔劑和水，磨制出合格水煤漿，經(jīng)加壓后噴入氣化爐，與氧氣或富氧在加壓及高溫狀態(tài)下發(fā)生不完全燃燒反應(yīng)制得高溫合成氣，高溫合成氣經(jīng)輻射鍋爐與對(duì)流鍋爐間接換熱回收熱量（廢鍋流程），或直接在水中冷卻（激冷流程）后經(jīng)洗滌、除塵進(jìn)入下一工序。氣化溫度1 300～1 400 ℃，氣化爐無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，對(duì)于生產(chǎn)合成氣的氣化爐，現(xiàn)大多采用激冷流程。

1.1 氣化工藝

GE水煤漿加壓氣化爐過程屬于氣流床疏相并流反應(yīng)。水煤漿與純氧通過氣化爐的工藝噴嘴混合，高速進(jìn)入氣化爐反應(yīng)室，水煤漿被高速氧氣破碎、霧化，二者受到耐火襯里的高溫輻射作用，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)反應(yīng)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)的碳一起并流向下，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，落入集渣容器，經(jīng)鎖斗排渣系統(tǒng)定時(shí)排放。煤氣和飽和蒸汽進(jìn)入煤氣冷卻、凈化系統(tǒng)。GE水煤漿制合成氣工藝見圖1。

1.2 氣化原理

氣化爐是一直立圓筒形鋼制受壓容器，爐膛內(nèi)壁襯以高質(zhì)量的耐火材料，以防止熱渣和熱粗煤氣的侵蝕。氣化爐近于絕熱容器，其熱損失非常低。目前氣化壓力范圍為2.5～8.5 MPa, 氣化壓力的高低根據(jù)煤氣用途而定。在反應(yīng)室中，碳、水蒸汽和氧氣在1 400 ℃溫度及一定壓力下進(jìn)行不完全燃燒反應(yīng)，其主要反應(yīng)為：

CnHm+ n/2O2→ nCO + m/2H2

CnHm+ nH2O → nCO + (n + m/2)H2

CnHm+ (n + m/4)O2→ nCO2+ m/2H2O

C + CO2→ 2CO

CO + H2O→ CO2+ H2

圖1 GE水煤漿氣化工藝流程及裝置（激冷流程）Fig.1 The technological process and equipment of GE coal-water slurry gasification（quenching process）

上述反應(yīng)在氣化爐內(nèi)進(jìn)行迅速，煤漿在反應(yīng)區(qū)停留時(shí)間為3～5 s，最終得到的粗煤氣中主要?dú)怏w成份有H2、CO和CO2，另有少量H2S、CH4和N2，其中有效氣成份（CO＋H2）＞80%（體積分?jǐn)?shù)）。

1.3 工藝特點(diǎn)

與傳統(tǒng)煤氣化技術(shù)相比，GE水煤漿加壓氣化技術(shù)具有以下特點(diǎn)[4-6]：

布魯桿菌?。ú疾。┦怯刹剪敆U菌（布菌）感染引起的動(dòng)物疫源性疾病，經(jīng)破損的皮膚或黏膜接觸感染動(dòng)物的分泌物或排泄物，進(jìn)食受污染的食物或飲水等途徑感染。人感染布菌后，常表現(xiàn)為發(fā)熱（多為波狀熱）、寒戰(zhàn)、多汗、頭暈、頭疼、乏力、關(guān)節(jié)疼痛及肝脾腫大等，亦可發(fā)生骨關(guān)節(jié)炎、腦膜腦炎、亞急性甲狀腺炎、感染性心內(nèi)膜炎、腎小球腎炎等并發(fā)癥。近年來，布病發(fā)病率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，部分患者臨床表現(xiàn)不典型，常以其他系統(tǒng)表現(xiàn)為首發(fā)癥狀，加之臨床醫(yī)師對(duì)其認(rèn)識(shí)不足，易造成誤診、誤治，因此，本文對(duì)布病并發(fā)癥的臨床表現(xiàn)、診斷及治療進(jìn)行介紹。

（1）對(duì)原料煤煤種適應(yīng)性較寬。氣煤、煙煤、次煙煤、無煙煤、高硫煤及低灰熔點(diǎn)的劣質(zhì)煤、石油焦等均能用作氣化原料。一般要求原料煤含灰量較低、灰熔點(diǎn)低于1 300 ℃，灰渣粘溫特性好，以保證液態(tài)排渣效果。氣化壓力從2.5、4.0、6.5到8.5 MPa，由于氣化壓力高，新鮮氣可不需增壓，且合成氣壓縮功耗省，尤其是生產(chǎn)甲醇時(shí)，可實(shí)現(xiàn)等壓合成。

（2）碳轉(zhuǎn)化率高。該技術(shù)碳轉(zhuǎn)化率達(dá)96%～98%，有效氣成分（CO+H2）約為（80%～83%），有效氣（CO+H2）比氧耗為336～410 m3/km3，有效氣（CO+H2）比煤耗為550～620 kg/km3。

（3）氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。氣化爐內(nèi)無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，制造方便，國(guó)產(chǎn)氣化爐應(yīng)用廣泛，可節(jié)省大量投資費(fèi)用。

（4）單爐處理煤量大，生產(chǎn)能力高。當(dāng)前國(guó)際上最大的氣化爐日投煤量為2 000 t，而且有30%的增產(chǎn)能力。

（5）合成氣質(zhì)量好。CO+H2＞80%，且 H2與CO量之比約為0.77，可以對(duì)CO全部或部分進(jìn)行變換，以調(diào)整其比例，且后系統(tǒng)氣體的凈化處理方便。

（6）“三廢”量小，屬環(huán)境友好型工藝。該工藝由于氣化爐內(nèi)溫度達(dá)到1 300～1 400 ℃, 所以不生成焦油、酚等污染環(huán)境的副產(chǎn)物, 外排廢水易處理，部分廢水可循環(huán)利用作為水煤漿磨制原料。氣化爐渣為固態(tài)排放物, 可用于制作水泥等建筑材料。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展歷程

GE水煤漿加壓氣化工藝是由美國(guó)德士古石油公司開發(fā)的。第一套處理15 t/d煤的中試裝置于1948年在美國(guó)洛杉磯附近的 MONTEBELLO建成。1958年在美國(guó)圣弗吉里MONGANTOWN建立了處理100 t/d煤的原形爐，操作壓力2.8 MPa，氣化劑為空氣，生產(chǎn)的合成氣用于合成氨，1979年在聯(lián)邦德國(guó)完成工業(yè)操作試驗(yàn)。20世紀(jì)80年代該技術(shù)投入工業(yè)化生產(chǎn),成為具有代表性的第二代煤氣化技術(shù)。中國(guó)從20世紀(jì)90年代初開始大量引進(jìn)該技術(shù)，山東魯南化肥廠、上海焦化廠、陜西渭河化肥廠、淮化有限公司等均采用該工藝流程。目前我國(guó)采用該技術(shù)的在運(yùn)行裝置有約20多套（見表1）。

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

GE水煤漿加壓氣化技術(shù)應(yīng)用廣泛[7]，主要可用于制取氨、甲醇、醋酸、烯烴等的合成氣、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等。

（1）制氨合成氣

用激冷流程制得的合成氣，飽和了大量水蒸汽，不需配蒸汽即可進(jìn)行直接變換，具有很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，它是替代以渣油、天然氣為原料的氨合成原料路線、改造傳統(tǒng)煤頭氣化工藝最現(xiàn)實(shí)可行的方法。國(guó)內(nèi)大型化肥廠均采用此法制取氨合成氣。

（2）制取甲醇、醋酸、烯烴的合成氣

GE水煤漿加壓氣化技術(shù)生產(chǎn)原料氣合成甲醇，是以煤為原料最經(jīng)濟(jì)、最實(shí)用的甲醇生產(chǎn)途徑。甲醇是一種重要的基本有機(jī)化工原料，利用其還可以生產(chǎn)醋酸、烯烴等下游產(chǎn)品。我國(guó)目前利用GE煤氣化制甲醇的企業(yè)達(dá)十幾家，僅榆林的煤制甲醇就有三家（兗礦榆林、神木化工、延長(zhǎng)石油），從這企業(yè)的運(yùn)行情況看，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都比較明顯。該技術(shù)由于是水煤漿進(jìn)料，大量水份要進(jìn)行氣化，因而以單位體積的(CO+H2)計(jì)的煤耗和氧耗比較高，但其粗水煤氣中惰性氣體含量很少，因而在甲醇合成時(shí)不僅循環(huán)氣量小、省壓縮功，而且弛放氣量小，可以不設(shè)弛放氣氫回收裝置。在不設(shè)弛放氣氫回收裝置時(shí)每噸甲醇消耗原煤為1.356 t，如同樣設(shè)氫回收裝置時(shí)每噸甲醇消耗原煤可降至1.25 t。

表 1 GE水煤漿氣化的應(yīng)用狀況Table 1 Application of GE coal-water slurry gasification

（3）用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）是目前最潔凈、最有效的潔凈煤技術(shù)之一[8]，它是將煤氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)。IGCC技術(shù)相比傳統(tǒng)的火力發(fā)電，既能提高發(fā)電效率，由能對(duì)煤實(shí)現(xiàn)潔凈利用，是一種有廣闊發(fā)展前景的煤發(fā)電技術(shù)。在目前技術(shù)水平下，IGCC發(fā)電的凈效率可達(dá)43%～45%，污染物的排放量?jī)H為常規(guī)燃煤電站的1/10，脫硫效率可達(dá)99%，二氧化硫排放在25 mg/Nm3左右。氮氧化物排放只有常規(guī)電15%～20%，耗水只有常規(guī)電站的1/2～1/3，利于環(huán)境保護(hù)。目前采用GE水煤漿加壓氣化技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的企業(yè)有德國(guó)魯爾化學(xué)公司及美國(guó)冷水工程聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，我國(guó)也有多家大型IGCC發(fā)電示范項(xiàng)目均采用此法制備燃?xì)狻?/p>

3 應(yīng)用前景

美國(guó)GE水煤漿氣化技術(shù)是目前世界上最先進(jìn)的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)之一，它將煤炭資源轉(zhuǎn)換為潔凈的氣態(tài)能源，有效地解決了在煤炭利用過程中造成的環(huán)境污染問題[9]。該技術(shù)目前主要用于甲醇、尿素制造的前端工藝和供熱、供電的能源轉(zhuǎn)換。

GE公司自2004年6月收購雪佛龍-德士古氣化技術(shù)和業(yè)務(wù)之后，把先進(jìn)的煤氣化技術(shù)與GE強(qiáng)大的發(fā)電業(yè)務(wù)、水處理業(yè)務(wù)結(jié)合起來，至今中國(guó)以成為GE能源氣化業(yè)務(wù)的重要市場(chǎng)。由于其工藝簡(jiǎn)單、安全、清潔、廢水循環(huán)處理、低成本等特點(diǎn)，GE煤氣化技術(shù)在中國(guó)得到了迅猛的發(fā)展，處于世界領(lǐng)先地位。目前國(guó)內(nèi)大甲醇、大化肥項(xiàng)目多采用GE氣化技術(shù)，且在世界范圍內(nèi)IGCC電站多采用此種氣化技術(shù)。另外，煤制天然氣項(xiàng)目也已得到論證正快步向前推進(jìn)，相信對(duì)于GE水煤漿氣化技術(shù)在中國(guó)的煤化工企業(yè)中將具有更大的吸引力。而且其發(fā)展觸角可延伸至下游產(chǎn)品醋酸、二甲醚、MTO（甲醇制烯烴）等新型煤化工產(chǎn)業(yè)，今后多年，這種煤氣化技術(shù)仍將作為氣化技術(shù)的領(lǐng)軍者得到進(jìn)一步優(yōu)化和發(fā)展。

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Present Situation and Application Prospect of GE Coal-water Slurry Gasification Technology

LI Jian1，CHEN Lu-yuan2，YAN Long1，KANG Yu-hong1，MA Ya-Jun1，SHANG Jun-fei3
（1. College of Chemistry & Chemical Engineering ,Yulin University, Shaanxi Yulin 719000，China；2. Yanzhou Coal Mining Co., Ltd. Yulin Energy & Chemical Branch, Shaanxi Yulin 719000，China；3. Yulin Kaiyue Coal Chemical Co., Ltd., Shaanxi Yulin 719000，China）

GE coal-water slurry gasification is a second generation coal-water slurry gasification technology that gained quick development and great success in past decades; it is popularized by American GE Energy Corporation and is widely used in our country. In this article, the principle, characteristics and present situation of GE coal-water slurry gasification technology were discussed; application prospect of this technology was analyzed and summarized.

GE; Coal-water slurry; Coal gasification; Application

TQ 546.2

A

1671-0460（2014）11-2374-04

陜西省教育廳研究項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：2013JK0686；榆林學(xué)院研究項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：11GK34, JG1304。

2013-12-23

李?。?980-），男，陜西神木人，講師，碩士，2008年畢業(yè)于延安大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)，研究方向：從事化工教學(xué)及煤化工研究工作。E-mail：lijian5220@163.com。