中國(guó)氣流床氣化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

付偉賢(新奧科技發(fā)展有限公司，煤基低碳能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065001)

1 水煤漿氣化

水煤漿進(jìn)料氣化爐具有進(jìn)料可靠，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，流程簡(jiǎn)單，過(guò)程控制安全可靠的優(yōu)勢(shì)，但采用水煤漿為原料，能耗較高，且對(duì)煤種要求較高，難以進(jìn)一步提高水煤漿濃度和冷煤氣氣化效率。

1.1 德士古氣化

德士古水煤漿氣化爐的技術(shù)特點(diǎn)如下：

(1)原料適應(yīng)性廣。對(duì)原料的性狀要求不敏感，煙煤、次煙煤、加氫半焦等能制成高濃度可輸送漿料的含碳固體均可適用，有利于就近選煤，節(jié)約成本。

(2)氣化效率高。含碳?xì)饣线M(jìn)入氣化爐后在高溫高壓下于瞬間內(nèi)轉(zhuǎn)化為合成氣，有效氣含量最高可達(dá)80%，氣化效率高達(dá)96%以上。

(3)污水少易于處理。氣化反應(yīng)溫度高，無(wú)焦油、酚等副產(chǎn)物，污水易于處理，且生產(chǎn)過(guò)程可回收部分灰水作為制漿原料水，減少一次水的消耗量。

(4)氧耗高。因氣化過(guò)程需要蒸發(fā)煤漿中多余的水分因此所需的氧耗較高，約為370～420Nm3O2/kNm3(CO+H2)。

(5)單爐生產(chǎn)連續(xù)性差、需熱備爐。氣化爐耐火磚的壽命短、價(jià)格高、更換時(shí)間長(zhǎng)，煤漿泵和噴嘴易磨損，更換頻次高，影響氣化爐的運(yùn)行周期；除故障檢修外氣化爐還需定期檢修，備用爐溫度需在1000℃以上才能投料，為保證生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定，備用爐需隨時(shí)處于熱備用狀態(tài)，能耗較大。

1.2 多噴嘴對(duì)置式氣化

多噴嘴氣化爐與德士古氣化爐相比，氣化爐進(jìn)料方式由單噴嘴頂噴改為多噴嘴對(duì)置，有效氣成分由78%～80%提高至80%～83%，停留時(shí)間的延遲反應(yīng)更為充分，碳轉(zhuǎn)化率提高3個(gè)百分點(diǎn)以上，比煤耗可降低約2%，比氧耗可降低約8%。同時(shí)該技術(shù)調(diào)節(jié)負(fù)荷比單燒嘴氣化爐更為靈活，當(dāng)一對(duì)燒嘴或一個(gè)燒嘴出現(xiàn)故障時(shí)，另一對(duì)燒嘴可維持氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。該技術(shù)同樣存在燒嘴易磨蝕使用壽命短的問(wèn)題，且由于撞擊流的影響，氣化爐頂部溫度較高導(dǎo)致耐火磚磨蝕較快，更換燒嘴及耐火磚勢(shì)必會(huì)影響氣化爐的運(yùn)行周期。但多噴嘴對(duì)置式氣化技術(shù)是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)，技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)用低，關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中優(yōu)勢(shì)明顯。

1.3 非熔渣-熔渣氧氣分級(jí)氣化

清華爐氣化技術(shù)特點(diǎn)有以下幾方面：

(1)單爐運(yùn)行周期長(zhǎng)，可不設(shè)置備爐。第二代清華爐技術(shù)使用水冷壁結(jié)構(gòu)，不必每年更換耐火磚，單爐年運(yùn)轉(zhuǎn)可達(dá)8000 小時(shí)以上。

(2)煤種適應(yīng)性廣，水冷壁結(jié)構(gòu)解決了現(xiàn)有耐火磚氣化爐的煤種灰熔點(diǎn)限制問(wèn)題，可氣化高灰熔點(diǎn)的煤種。

(3)煤氣指標(biāo)好，分級(jí)給氧技術(shù)可有效改變爐內(nèi)的流場(chǎng)分布情況，確保爐內(nèi)的溫度更為均勻，加速氣化反應(yīng)；此外清華爐燒嘴在加入了CO2氣體之后，燒嘴的溫度至少可以下降 200℃，而內(nèi)部的有效氣體成分會(huì)出現(xiàn)明顯提高。

(4)燒嘴使用壽命長(zhǎng)，二次氧的加入出燒嘴的流速會(huì)出現(xiàn)明顯的降低，燒嘴的運(yùn)行情況會(huì)更好。

2 干粉煤氣化

2.1 殼牌氣化

殼牌粉煤氣化工藝具有如下特點(diǎn)：

(1)該煤種適應(yīng)性較強(qiáng)，不論是較差褐煤、次煙煤、煙煤到石油焦均都可以進(jìn)行使用，可以說(shuō)是應(yīng)用范圍比較廣泛。而且該煤種灰熔點(diǎn)適應(yīng)范圍更是較其它氣化工藝更為寬泛。高灰分、高水分甚至是高硫的煤種也可以得到應(yīng)用。

(2)流程復(fù)雜、操作簡(jiǎn)單，流程包含磨煤和粉煤干燥、粉煤加壓輸送、粉煤氣化、氣化爐排渣、除灰排灰、合成氣初凈化、污水處理八個(gè)步驟，設(shè)備及工藝較為復(fù)雜，但生產(chǎn)過(guò)程中可通過(guò)聯(lián)鎖邏輯順控實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、操作簡(jiǎn)單。

(3)氣化效率高，能耗低。殼牌氣化爐碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%，其煤氣的甲烷含量極低，更不含重?zé)N等物質(zhì)，使得CO+H2高達(dá)到90%以上，同時(shí)工藝中不需要將煤中原有水分進(jìn)行蒸發(fā)，與水煤漿氣化工藝相比，殼牌粉煤氣化工藝的氧氣消耗量可在降低15%～25%左右，相關(guān)配套空分裝置與設(shè)備運(yùn)行投資費(fèi)用也可相應(yīng)的到降低。其工藝?yán)涿簹庑矢歉哌_(dá)80%以上，剩余副產(chǎn)高壓或中壓蒸汽占比在16%左右，不難推算出殼牌煤氣化工藝總熱效率在97%以上。

(4)調(diào)節(jié)負(fù)荷操作簡(jiǎn)單。每臺(tái)氣化爐設(shè)有4～6個(gè)燒嘴，不僅有利于粉煤的氣化，同時(shí)生產(chǎn)負(fù)荷的調(diào)節(jié)更為靈活，范圍也更寬。負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍為40%～100%，每分鐘可調(diào)節(jié)5%。

(5)運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，無(wú)備爐。氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，具有以渣抗渣的特點(diǎn)，不需要經(jīng)常維護(hù)，正常使用維護(hù)量很小，可不配置備用爐。

(6)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(wú)污染物滲出。氣化污水量小且不含焦油、酚等，容易處理，需要時(shí)可實(shí)現(xiàn)零排放。

2.2 GSP粉煤加壓氣化

GSP 氣化工藝的特點(diǎn)：

(1)煤種適應(yīng)性強(qiáng)：該技術(shù)采用干煤粉作氣化原料，不受成漿性的影響；由于氣化溫度高，可以氣化高灰熔點(diǎn)的煤。

(2)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)越：氣化溫度一般在1350～1750℃，碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%，煤氣中甲烷含量極少(CH4<0.1%)，且不含重?zé)N，合成氣中CO+H2高達(dá)90%以上，冷煤氣效率高達(dá)80%以上。

(3)氧耗低：可降低配套空分裝置投資和運(yùn)行費(fèi)用。

(4)設(shè)備壽命長(zhǎng)，維護(hù)量小，連續(xù)運(yùn)行周期長(zhǎng)。

(5)開(kāi)、停車(chē)操作方便，且時(shí)間短(從冷態(tài)達(dá)到滿負(fù)荷僅需1h)。

(6)操作彈性大：?jiǎn)螤t操作負(fù)荷為70%～110%。

(7)粗煤氣的高溫顯熱回收利用不充分。GSP 氣化爐與殼牌氣化爐一樣都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和制造難度大，主要設(shè)備需從國(guó)外進(jìn)口，投資大的問(wèn)題。

2.3 HT-L粉煤加壓氣化

HT-L 爐結(jié)構(gòu)形式與GSP 煤氣化技術(shù)基本相同，具有以下特點(diǎn)：

(1)煤種適應(yīng)性廣，HT-L 氣化對(duì)煤的特性如煤的粒度、揮發(fā)分、粘結(jié)性、水分、硫分、含氧量及灰分等均無(wú)要求。

(2)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)：氣化爐為水冷壁結(jié)構(gòu)，可對(duì)粉煤進(jìn)行高溫氣化，最高能到1800℃，碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%以上，冷煤氣效率可達(dá)83%，產(chǎn)品氣體潔凈，煤氣中有效氣體(CO+H2)達(dá)到90%左右。

(3)氧耗低：與水煤漿氣化相比，氧耗低15%～25%，因而為之配套的空分裝置投資可減少。

(4)無(wú)需備爐：水冷壁結(jié)構(gòu)無(wú)需頻繁更換耐火磚，燒嘴等關(guān)鍵設(shè)備壽命長(zhǎng)，維護(hù)量小，連續(xù)運(yùn)行周期長(zhǎng)。

(5)具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，很多設(shè)備實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行檢驗(yàn)，其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低，生產(chǎn)工藝操作穩(wěn)定，非常適應(yīng)我國(guó)對(duì)煤炭利用技術(shù)的要求。

3 粉漿氣化

粉漿氣化技術(shù)實(shí)質(zhì)是在氣化爐同時(shí)噴入煤粉和水煤漿，進(jìn)而提高整體煤漿濃度，實(shí)現(xiàn)煤粉和煤漿的共氣化。該技術(shù)以成熟的水煤漿氣化和粉煤加壓密相輸送技術(shù)耦合集成。相比水煤漿氣化技術(shù)，該技術(shù)降低了氣化過(guò)程的氧耗和煤耗，提高了冷煤氣效率和有效氣組分含量，增加了氣化爐產(chǎn)氣能力，同時(shí)拓寬了原料煤種的適用范圍，實(shí)現(xiàn)了煤炭清潔、高效轉(zhuǎn)化利用。

其先進(jìn)性體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)煤種適應(yīng)性方面，降低煤成漿性能要求，擴(kuò)大原料選擇范圍，甚至可以使用褐煤。

(2)氣化指標(biāo)方面，干粉投入量達(dá)1/3 時(shí)煤漿有效濃度可提高至68%以上，相比現(xiàn)有水煤漿氣化技術(shù)，有效氣含量和冷煤氣效率提高4%～6%，同時(shí)比氧耗下降約15%、比煤耗下降約11%。

(3)以成熟的水煤漿氣化和相對(duì)成熟粉煤加壓密相輸送技術(shù)耦合開(kāi)發(fā)，放大風(fēng)險(xiǎn)小。

(4)氣化爐結(jié)構(gòu)方面，降低對(duì)拱頂?shù)臎_刷，提高氣化爐的緊湊性，有利于氣化爐大型化。

(5)與水煤漿氣化技術(shù)相比，粉漿氣化技術(shù)有較好技術(shù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用于甲醇生產(chǎn)時(shí)，綜合能耗約1.6tce/噸甲醇(優(yōu)于國(guó)家先進(jìn)值)；同時(shí)循環(huán)使用部分CO2輸送粉煤，進(jìn)一步使噸甲醇的CO2排放降低約8%。

4 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)在氣流床煤氣化技術(shù)的研究上已處于國(guó)際領(lǐng)先地位，目前具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對(duì)置式氣化和HT-L 粉煤氣化已在國(guó)內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用并成功走向了世界。為實(shí)現(xiàn)煤碳的高效、潔凈利用，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。