顯熱回收技術(shù)在煤氣化領(lǐng)域的應(yīng)用

李金洲

（山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西晉城 048006）

近十幾年來，我國煤氣化技術(shù)突飛猛進(jìn)，由以傳統(tǒng)UGI為主的固定床氣化技術(shù)逐步發(fā)展成為以HT-L粉煤加壓氣化技術(shù)、多噴嘴對置水煤漿氣化技術(shù)、單噴嘴冷壁式粉煤氣化爐等為代表的先進(jìn)氣流床氣化技術(shù)、煤氣化技術(shù)呈現(xiàn)百花齊放百家爭鳴之勢。但這些技術(shù)無一例外都是激冷流程，沒有將煤氣化高溫合成氣的顯熱充分利用，造成部分能源的浪費(fèi)。隨著國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，節(jié)能降耗和清潔環(huán)保的要求越來越高，現(xiàn)有以水激冷流程為主的氣流床煤氣化技術(shù)已不能滿足今后發(fā)展需求，帶有顯熱回收的煤氣化技術(shù)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

1 技術(shù)背景

1.1 國家政策的影響

在國家全面實(shí)施燃煤電廠超低排放后，火電行業(yè)污染物排放大幅削減。相比之下，工業(yè)鍋爐特別是燃煤工業(yè)鍋爐量大、面廣、布局分散、平均容量小、熱效率較低、鍋爐煙囪低矮、排煙溫度高，且大多數(shù)除塵脫硫設(shè)備工藝落后，幾乎無脫硝裝置，污染物排放濃度甚至是大型火電廠的十幾倍。燃煤工業(yè)鍋爐環(huán)境污染大、管控難，在采暖季節(jié)尤其嚴(yán)重，是當(dāng)前我國顆粒物、硫氧化物、氮氧化物等多種大氣污染物的重要排放源。

為了最大限度地控制燃煤工業(yè)鍋爐所帶來的污染，從2014年至今，國家及各地政府陸續(xù)出臺了多項(xiàng)鍋爐的整改措施，以不斷提高工業(yè)鍋爐節(jié)能降耗及環(huán)保水平。這些政策對已有工業(yè)鍋爐的企業(yè)而言，需要對現(xiàn)有除塵、脫硫進(jìn)行改造升級，并增加脫硝設(shè)備。對新建工業(yè)鍋爐的企業(yè)，需要申請相應(yīng)指標(biāo)，由當(dāng)?shù)卣畬徟蠓侥苓M(jìn)行建設(shè)運(yùn)行。政府頒布的各項(xiàng)政策造成目前工業(yè)鍋爐審批難度越來越大，建設(shè)運(yùn)行成本也不斷提高。對于蒸汽消耗量大的煤化工企業(yè)，壓力也不斷增加。因此，如何有效利用熱能回收高品位蒸汽、降低鍋爐噸位及排量是當(dāng)前煤化工企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。

1.2 技術(shù)裝備水平提升

多年來，盡管我國煤氣化技術(shù)取得了長足進(jìn)步，但對氣化高溫合成氣的顯熱回收技術(shù)研究一直是業(yè)內(nèi)難題。典型代表是從國外引進(jìn)的殼牌爐廢鍋技術(shù)和德士古半輻射廢鍋技術(shù)。這兩種技術(shù)引進(jìn)之初，均出現(xiàn) “水土不服”、運(yùn)行不穩(wěn)定等情況。究其原因，主要是由于輻射廢鍋內(nèi)部積灰、磨損和高溫腐蝕等問題導(dǎo)致設(shè)備無法長周期穩(wěn)定運(yùn)行［1-5]。

經(jīng)過多年摸索以及我國在高溫廢鍋領(lǐng)域技術(shù)裝備水平的不斷提升，在國外顯熱回收技術(shù)基礎(chǔ)上，吸收和借鑒其經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，西安熱工院、陽煤集團(tuán)、延長石油等單位成功開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多項(xiàng)煤氣化顯熱回收新技術(shù)［6-9]。這些技術(shù)的成功應(yīng)用一方面彌補(bǔ)了我國煤氣化顯熱回收技術(shù)空白，大幅降低了該技術(shù)從國外引進(jìn)的高昂專利費(fèi)用；另一方面對企業(yè)節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

2 煤氣冷卻方式的分類及對比

當(dāng)前以氣流床為代表的先進(jìn)煤氣化技術(shù)按照粗煤氣的冷卻方式可分為直接激冷流程和間接換熱流程兩種［10-11]。

2.1 直接激冷流程

直接激冷流程主要技術(shù)有國外的GSP爐、科林爐、GE德士古爐，國內(nèi)的四噴嘴、晉華爐、航天爐、神寧爐、東方爐等。激冷流程工藝簡單，煤與氣化劑（O2和水蒸氣）在高溫氣化爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，最終生成以CO、H2、CO2為主的粗煤氣，高溫粗煤氣經(jīng)過氣化爐下部渣口后進(jìn)入洗滌冷卻室內(nèi)降溫冷卻。粗煤氣中大部分灰渣經(jīng)過冷卻后，落入洗滌冷卻室底部，粗煤氣經(jīng)過洗滌冷卻室降溫至220℃左右，再進(jìn)入下游裝置進(jìn)一步洗滌。該流程具有裝置簡單、設(shè)備投資少、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但熱能效率低、副產(chǎn)的中壓蒸汽量少。

2.2 間接換熱流程

間接換熱流程起初大規(guī)模應(yīng)用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）電站，采用IGCC的供電效率可達(dá)42%～45%，且在資源利用和污染控制上具有較大優(yōu)勢。近年來，在國家倡導(dǎo)節(jié)能減排的大背景下，特別是煤化工行業(yè)對能源轉(zhuǎn)化效率，減少污染物排放的要求越來越高的情況下，能夠提高煤炭轉(zhuǎn)化的能量利用效率的間接換熱流程的優(yōu)勢越來越明顯。

與直接激冷流程相比，間接換熱廢鍋流程雖然建設(shè)投資高，但其具有熱效率高、副產(chǎn)的中／高壓蒸汽用途廣、能有效降低操作運(yùn)行成本等優(yōu)點(diǎn)，從能效指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)效益上來說，廢鍋流程大幅度優(yōu)于激冷流程。據(jù)測算，氣流床水煤漿氣化技術(shù)的冷煤氣效率約70%～76%，煤中20%以上的熱值以煤氣的顯熱存在；氣流床干煤粉氣化技術(shù)的冷煤氣效率約83%，煤中約14%的熱值以煤氣的顯熱存在［5]。因此，如何充分、有效地利用高溫煤氣的顯熱，對于氣化技術(shù)升級具有重要意義。

3 國內(nèi)幾種典型煤氣顯熱回收技術(shù)

目前已經(jīng)工業(yè)化運(yùn)行的煤氣化高溫顯熱回收技術(shù)主要有國外的殼牌干煤粉氣化技術(shù)、GE水煤漿氣化技術(shù)和E-Gas二段式水煤漿氣化技術(shù)等。這些技術(shù)多用于IGCC發(fā)電項(xiàng)目。我國近幾年開發(fā)的顯熱回收煤氣化技術(shù)主要有兩段式干粉煤氣化爐、三代晉華爐以及輸運(yùn)床氣化爐，以下就這3種技術(shù)進(jìn)行分析。

3.1 兩段式干粉煤氣化爐顯熱回收技術(shù)

兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)（如圖1）是西安熱工研究院有限公司開發(fā)的。首套2000 t／d投煤量的全熱回收示范裝置應(yīng)用于天津IGCC項(xiàng)目中，其特點(diǎn)是采用兩段氣化，以4個(gè)對稱的燒嘴向氣化爐底部噴入干煤粉（占總煤量的80%～85%）、過熱蒸汽和O2，進(jìn)行一段氣化；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(shí)將下部上來的1400～1500℃高溫煤氣急冷至900～1000℃；合成氣和部分細(xì)灰進(jìn)入直徑約3 m，高約31.7 m的廢熱鍋爐。在廢熱鍋爐內(nèi)，通過膜式水冷壁以及3～4圈膜式壁內(nèi)芯對高溫含灰合成氣進(jìn)行顯熱回收。含灰粗煤氣由上而下在膜式壁內(nèi)芯之間以及膜式壁內(nèi)芯與水冷壁之間的環(huán)形空間內(nèi)高速流動，與管內(nèi)的飽和水進(jìn)行高強(qiáng)度換熱，溫度由900℃進(jìn)一步冷卻到365℃左右，同時(shí)產(chǎn)生6.8 MPa的中壓蒸汽100 t／h以上，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，為了防止廢熱鍋爐內(nèi)積灰，在每層膜式壁內(nèi)芯及膜式水冷壁上都設(shè)置有氣動錘振打敲灰裝置和N2吹灰裝置，用于清除換熱壁面的松散積灰，合成氣中的灰渣在廢鍋底部進(jìn)行收集和排除。

兩段爐顯熱回收技術(shù)目前僅有1個(gè)示范項(xiàng)目在運(yùn)行，雖然沒有在煤化工領(lǐng)域應(yīng)用，但也對我國煤氣化顯熱回收技術(shù)的開發(fā)有一定借鑒和指導(dǎo)意義。該技術(shù)主要通過對流鍋爐水管吸收熱量，廢鍋構(gòu)造簡單，成本較低，粗合成氣與鍋爐換熱管接觸充分、換熱效率高。然而，粗合成氣從氣化爐出口管直接進(jìn)入對流鍋爐，容易使粗合成氣中的灰渣在鍋爐入口積灰結(jié)渣，長期會腐蝕換熱管；同時(shí)，水冷管在高速氣體的沖刷作用下磨損嚴(yán)重；該鍋爐主要的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是膜式水冷壁內(nèi)芯，此內(nèi)件受熱應(yīng)力影響極其敏感，前后溫差過大易造成內(nèi)件變形損壞、泄漏。

圖1 兩段爐示意

3.2 三代晉華爐顯熱回收技術(shù)

三代晉華爐（如圖2）是在前兩代清華爐基礎(chǔ)上開發(fā)的水煤漿水冷壁廢鍋顯熱回收技術(shù)，該技術(shù)由清華大學(xué)山西清潔能源研究院開發(fā)。其原理為原料煤與水及少量添加劑在棒磨機(jī)內(nèi)經(jīng)研磨制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61%左右的煤漿，在高壓煤漿泵的作用下通過工藝燒嘴進(jìn)入水冷壁氣化爐；從空分來的氧氣通過工藝燒嘴進(jìn)入氣化爐，煤漿、O2在氣化燃燒室內(nèi)完成氣化反應(yīng)過程，氣化室采用水冷壁結(jié)構(gòu)，可以提高氣化溫度。生成的1000℃以上高溫粗煤氣、熔渣等經(jīng)過氣化爐下部通道進(jìn)入輻射廢鍋，回收高溫合成氣的顯熱，副產(chǎn)10 MPa的高壓水蒸氣，降溫至700℃左右進(jìn)入廢鍋下部的激冷水浴完成冷卻洗滌過程。降溫后的粗煤氣約220℃。由煤氣管道進(jìn)入洗滌塔，冷卻后的熔渣通過鎖斗定期排入渣池，攜帶細(xì)渣的黑水進(jìn)入渣水處理系統(tǒng)，經(jīng)處理后返回系統(tǒng)循環(huán)利用。

圖2 晉華爐示意

該技術(shù)為國內(nèi)首套在煤化工領(lǐng)域應(yīng)用的顯熱回收煤氣化技術(shù)，其示范項(xiàng)目位于陽煤豐喜臨猗分公司。該技術(shù)在原二代水煤漿水冷壁清華爐基礎(chǔ)上增加了輻射式廢鍋，改造后提高了氣化系統(tǒng)熱效率。據(jù)報(bào)道［6-7]，改造后的晉華爐投煤量600 t／d，壓力4.0 MPa，副產(chǎn)5.4 MPa飽和蒸汽23 t／h， 若蒸汽按110元／t計(jì)， 約有2000萬元／a的效益。如將投煤量提升至1500 t／d，壓力提升至6.5 MPa，每小時(shí)可副產(chǎn)10 MPa的高壓蒸汽50 t以上，經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。目前，三代晉華爐已簽約26臺，市場前景廣闊。該技術(shù)的顯熱回收裝置為輻射式蒸汽發(fā)生器，高溫粗合成氣直接進(jìn)入輻射鍋爐，鍋爐大面積的輻射面可高效回收熱量，減少損失。輻射廢鍋采用環(huán)形單筒體和徑向雙面水冷壁結(jié)構(gòu)，能夠減小輻射廢鍋體積，提高熱效率，同時(shí)增加通道面積，降低設(shè)備投資。但是，高溫粗合成氣直接進(jìn)入輻射鍋爐容易在輻射鍋爐內(nèi)部掛壁，長期運(yùn)行會對鍋爐造成腐蝕。同時(shí)，高溫粗合成氣僅經(jīng)過輻射廢鍋一步回收顯熱，降至700℃后由水激冷降溫，仍有部分能量未完全利用。

3.3 輸運(yùn)床氣化爐顯熱回收技術(shù)

陜西延長石油碳?xì)浼夹g(shù)研究中心基于TRIG氣化技術(shù)開發(fā)的超大型輸運(yùn)床氣化技術(shù)（KSY）也成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)試驗(yàn)裝置投料試車（如圖3），該技術(shù)采用干法進(jìn)料，二段爐的出口溫度可達(dá)1200℃。氣化爐出口的合成氣直接從對流廢熱鍋爐底部進(jìn)入，廢熱鍋爐內(nèi)部由耐熱材料襯里和換熱管束組成，廢熱鍋爐底部填充砂子作為合成氣的傳熱介質(zhì)，與管程中的循環(huán)水進(jìn)行換熱，產(chǎn)生4.0 MPa蒸汽，合成氣被冷卻至315℃左右，進(jìn)入除塵裝置［6，9]。砂子也可以將合成氣中可能攜帶的部分焦油，灰分洗刷下來，避免合成氣走管程可能出現(xiàn)的焦油冷凝及灰分堵塞管程，同時(shí)避免了粗合成氣直接與管程的換熱管接觸造成換熱管的腐蝕和磨損。

該技術(shù)采用砂子作為對流廢熱鍋爐的傳熱介質(zhì)，可保證固體顆?？焖俸途鶆驌Q熱。但在實(shí)際操作運(yùn)行過程中，可能具有以下缺點(diǎn)：一是為防止合成氣將部分砂子帶出廢鍋，需要增加在線加砂程序，影響下游系統(tǒng)運(yùn)行；二是雖然砂子相較合成氣的流速低，對廢鍋內(nèi)件的沖蝕會減小，但也無法避免；三是砂子作為換熱介質(zhì)降低了換熱效果，蒸汽品位下降。

圖3 輸運(yùn)床氣化爐示意

4 存在問題及發(fā)展方向

從以上分析可以看出，目前我國煤氣化顯熱回收技術(shù)已經(jīng)取得了長足進(jìn)步與發(fā)展，但目前在煤化工項(xiàng)目中的應(yīng)用還較少。主要原因：① 國家對工業(yè)鍋爐的限制政策近兩年才陸續(xù)出臺；②顯熱回收流程相較激冷流程投資偏高；③ 由于高溫合成氣對廢鍋的沖蝕比較嚴(yán)重，可能導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定狀況發(fā)生；④現(xiàn)有的技術(shù)對熱量回收還不夠充分。

因此，顯熱回收流程要想更加廣泛地應(yīng)用于煤氣化技術(shù)中，一方面需要在廢鍋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材質(zhì)選型方面繼續(xù)進(jìn)行深入研究，在降低投資的同時(shí)提高設(shè)備的抗沖刷和抗腐蝕性能；另一方面在流程設(shè)計(jì)上考慮采用更加充分的能量回收方案。如正在開發(fā)的四代晉華爐和航天爐顯熱回收技術(shù)，均考慮在現(xiàn)有輻射廢鍋流程后增加對流廢鍋，進(jìn)一步提高合成氣熱量回收效率，預(yù)計(jì)回收蒸汽量將提高40%。

5 結(jié) 語

在國家倡導(dǎo)節(jié)能減排的大背景下，能夠提高煤炭轉(zhuǎn)化的能量利用效率，減少污染物排放的顯熱回收流程的煤氣化技術(shù)相比傳統(tǒng)激冷流程的優(yōu)勢越來越明顯。

當(dāng)前國內(nèi)自主研發(fā)的顯熱回收煤氣化技術(shù)主要有兩段式干粉煤氣化爐、三代晉華爐以及輸運(yùn)床氣化爐3種。其中兩段式氣化爐僅應(yīng)用在IGCC發(fā)電項(xiàng)目中，其結(jié)構(gòu)形式與國外殼牌廢鍋流程類似，雖然降低了部分投資，但仍無法擺脫積灰腐蝕問題；三代晉華爐在煤化工項(xiàng)目已簽約多臺，但目前僅1臺示范項(xiàng)目在運(yùn)行，其廢鍋穩(wěn)定性還有待考察；輸運(yùn)床氣化爐開創(chuàng)性應(yīng)用砂子作為廢鍋傳熱介質(zhì)，可降低對設(shè)備的沖刷和腐蝕問題，但該技術(shù)目前仍在示范研究階段。

下一步顯熱回收技術(shù)發(fā)展方向：一是提高設(shè)備抗沖蝕性能；二是降低設(shè)備投資；三是進(jìn)一步提高能量回收效率。