40 萬t/a 煤制乙二醇項目氣流床氣化技術(shù)比較研究

朱世明

（內(nèi)蒙古開灤化工有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 030100）

煤的氣化技術(shù)是煤炭資源清潔高效利用的核心技術(shù)[1]。氣流床煤氣化技術(shù)因生產(chǎn)能力大、氣化效率高等優(yōu)勢，在現(xiàn)代大型煤化工項目中應(yīng)用廣泛[2]。氣流床煤氣化爐按照進料方式可以分為水煤漿氣化爐和粉煤氣化爐[3]；按氣化爐爐壁保護方式可分為水冷壁氣化爐和耐火磚氣化爐[4]；按合成氣的冷卻和熱量的回收流程可分為激冷流程氣化爐、全廢鍋流程氣化爐和半廢鍋流程氣化爐[5]；按氣化爐燒嘴布置可分為單燒嘴氣化爐和多燒嘴氣化爐。

煤化工裝置中，煤氣化工藝的選擇將決定后續(xù)工藝的流程與投資規(guī)模，對項目穩(wěn)定運行和經(jīng)濟效益有重大影響。本文以某40 萬t/a 煤制乙二醇項目為例，選取某干煤粉氣流床煤氣化技術(shù)（投煤量1 000 t/d）和某水煤漿氣流床煤氣化技術(shù)（投煤量1 100 t/d），分析對比主要工藝單元，探討兩種氣化技術(shù)各自的優(yōu)勢與不足，為同類項目氣化技術(shù)的選擇提供參考。

煤制乙二醇裝置分為氣化工段、變換工段、凈化工段、PSA 工段、乙二醇工段。無論采用哪種氣化技術(shù)，變換工段后的流程基本一致，因此本文只針對氣化工段及變換工段進行對比。

1 原料制備系統(tǒng)比較

某40 萬t/a 煤制乙二醇項目采用當(dāng)?shù)亻L焰煤為原料，原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

1.1 煤粉制備

某干煤粉氣化技術(shù)采用輥磨機制備煤粉，磨煤機在微負壓條件下運行，原料煤磨粉和干燥在磨煤機中進行，熱風(fēng)爐中燃料氣燃燒產(chǎn)生的熱煙氣作為干燥介質(zhì)。煤粉制備干燥系統(tǒng)流程示意圖見圖1。

一般制備1 t 干煤粉的電耗約為30 kWh，燃料氣消耗與煤的含水量有關(guān)，該項目需將原料煤的水分由13.40%降低至2.00%，則1 t 原煤干燥消耗的熱量為1 000×（0.134-0.020）×2 640÷0.7=430 MJ（燃料氣能量利用率按70%計，水的蒸發(fā)焓按2 640 kJ/kg計）。燃料氣按天然氣計算，生產(chǎn)1 000 m3有效氣耗煤約671 kg（干基），其磨粉耗能為 671÷（1 000-134）×430=333MJ，消耗天然氣約10.1m（3天然氣熱值按33MJ/m3計）。

圖1 煤粉制備干燥系統(tǒng)流程示意圖

1.2 水煤漿制備

某水煤漿氣化技術(shù)的煤漿由入爐原料煤、制漿用水、制漿添加劑等共同制成，制備過程在棒磨機中完成，水煤漿制備系統(tǒng)流程示意圖見圖2。

圖2 水煤漿制備系統(tǒng)流程示意圖

煤的成漿性與煤的含水量（內(nèi)水）有關(guān)，一般認為煤的成漿性和成漿濃度與其內(nèi)水含量成反向關(guān)系，該項目提供的煤種為褐煤，其煤漿質(zhì)量分數(shù)為52%左右；添加劑的用量一般為煤漿質(zhì)量的0.1%～0.3%；正常情況下，制備1 t 水煤漿需要耗電10 kWh。制漿用水可以采用工廠難以處理的廢水。

兩種煤氣化技術(shù)原料制備系統(tǒng)比較見表2。

表2 干煤粉、煤漿制備系統(tǒng)比較

2 原料輸送系統(tǒng)比較

2.1 干煤粉的加壓和輸送

干煤粉氣化的粉煤加壓輸送系統(tǒng)示意圖見圖3，整個系統(tǒng)比較復(fù)雜，操作繁瑣，易損部件多，檢修多。煤粉送入低壓粉倉（儲倉）后，通過程序控制間歇地進入煤粉鎖斗，在煤粉鎖斗中，煤粉由惰性氣加壓后間歇地進入高壓粉倉（煤粉給料倉），煤粉鎖斗、煤粉給料倉的泄壓排放氣入粉煤袋式過濾器后，氣體直接放空，煤粉則收集起來后再返回粉煤儲倉。在煤粉給料倉的底部設(shè)計錐形的充氣錐，充氣錐由高壓惰性氣（N2或CO2）進行充氣、流化，以保證粉煤能穩(wěn)定進入粉煤管線，所以需要嚴格控制高壓N2或CO2的流量和壓力。干煤粉氣化爐的煤粉輸送過程中主要消耗高壓N2或CO2和低壓N2等物料，高壓N2或CO2由壓縮機提供。為防止煤粉中水汽由于低溫而發(fā)生冷凝，導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞，煤粉輸送系統(tǒng)需采用低壓蒸汽伴熱。

目前干煤粉氣化爐的最高氣化操作壓力4.0 MPa，實際運行中采用高壓N2或CO2輸送煤粉，輸送的煤粉密度通常為 350 kg/m3～400 kg/m3，惰性氣壓力 8.1 MPa，1 000 m3有效氣的原料輸送電耗約36.36 kWh。

圖3 干煤粉加壓及輸送系統(tǒng)流程示意圖

2.2 水煤漿的加壓和輸送

水煤漿輸送系統(tǒng)流程示意圖見圖4。由煤漿制備系統(tǒng)制備得到的水煤漿首先進入煤漿槽，為了保證水煤漿的均一性，煤漿槽中布置了煤漿攪拌器進行連續(xù)攪拌，使煤漿顆粒保持懸浮狀態(tài)，然后煤漿經(jīng)加壓泵送入氣化爐燒嘴進行氣化。

圖4 水煤漿輸送系統(tǒng)流程示意圖

某水煤漿氣化技術(shù)的水煤漿輸送是依靠高壓煤漿泵完成的，假如氣化壓力采用4.5 MPa，那么水煤漿的泵送壓力一般設(shè)計為6.5 MPa，1 000 m3有效氣的原料輸送電耗一般為1.36 kWh。

兩種煤氣化技術(shù)的煤漿（煤粉）輸送系統(tǒng)比較見表3。

表3 干煤粉、煤漿輸送系統(tǒng)比較

3 進入氣化爐的氧氣和蒸汽比較

3.1 干煤粉煤氣化技術(shù)的氧氣和蒸汽

粉煤氣化一般需要將壓力為5.1 MPa 的過熱蒸汽和氧氣按一定比例混合后，與粉煤一起導(dǎo)入氣化爐，過熱蒸汽必須經(jīng)過過濾，防止蒸汽管線中的銹皮顆粒進入氧氣管線引發(fā)事故。

一般每1 000 m3有效氣的蒸汽加入量為48 kg。為了避免蒸汽冷凝影響氣化，必須對氧氣也進行預(yù)熱，通常采用氣化爐的鍋爐水給氧氣預(yù)熱。

3.2 水煤漿氣化技術(shù)的氧氣和蒸汽

水煤漿氣化技術(shù)氣化時不需要導(dǎo)入蒸汽，氧氣由空分送來，通過燒嘴導(dǎo)入氣化爐。兩種氣化技術(shù)的氧氣和蒸汽消耗、操作性對比見表4。

4 氣化系統(tǒng)和灰水處理系統(tǒng)比較

4.1 干煤粉氣化流程

干煤粉氣化采用粉煤加壓氣化配激冷流程工藝，其流程示意圖見圖5。氣化爐水冷壁采用盤管結(jié)構(gòu)且外部有承壓鋼殼，在氣化爐頂部布置單獨燒嘴。在水冷壁圍成的反應(yīng)室內(nèi)，粉煤和氣化劑在高溫高壓條件下燃燒、反應(yīng)生成合成氣和灰渣。工作時爐內(nèi)的溫度通常比灰渣流動所需的溫度高100 ℃～150 ℃。鍋爐水循環(huán)泵使盤管式水冷壁內(nèi)的鍋爐水實現(xiàn)強制循環(huán)，水冷壁內(nèi)的鍋爐水吸收熱量后轉(zhuǎn)變?yōu)橹袎赫羝?，同時降低了承壓殼體的溫度，確保承壓殼體的安全。氣化爐水冷壁副產(chǎn)的中壓飽和蒸汽一部分經(jīng)過電加熱器的過熱約升溫至420 ℃，再送進氣化爐充當(dāng)工藝蒸汽，另一部分進入廠內(nèi)蒸汽管網(wǎng)使用。

表4 兩種氣化技術(shù)的氧氣和蒸汽消耗、操作性對比

圖5 干煤粉氣化爐氣化流程示意圖

干煤粉氣化爐的反應(yīng)室導(dǎo)出的高溫、高壓合成氣與熔渣一起經(jīng)過激冷環(huán)和下降管經(jīng)水激冷，然后沿著下降管入激冷室進行水浴，合成氣再經(jīng)過文丘里洗滌器以及合成氣洗滌塔的進一步洗滌、除灰，進入后工段煤氣變換系統(tǒng)。激冷后固化的粗渣經(jīng)渣鎖斗系統(tǒng)排至撈渣機中外送。洗滌塔與氣化爐的黑水排入灰水處理系統(tǒng)處理。

4.2 水煤漿氣化流程

水煤漿氣化采用水煤漿加壓氣化+ 水冷壁+ 輻射式半廢鍋流程，其流程示意圖見圖6。水冷壁采用垂直懸掛膜式壁結(jié)構(gòu)，在氣化爐頂部布置單獨燒嘴。水煤漿和氧氣均通過燒嘴進入氣化爐反應(yīng)室。水煤漿流出燒嘴后，首先受高速氧氣射流的剪切作用而被霧化成細漿滴，細漿滴在氣化爐中被迅速加熱并和氧氣發(fā)生劇烈的燃燒和氣化反應(yīng)，最終生成粗煤氣。高溫粗煤氣和高溫爐渣由渣口排出燃燒室，然后進入輻射式廢熱鍋爐進行冷卻降溫，輻射廢熱鍋爐中的冷卻水得到熱量后產(chǎn)生高壓飽和蒸汽，粗煤氣經(jīng)過與輻射廢熱鍋爐中的水分換熱后，溫度顯著降低，同廢熱鍋爐底部的激冷水混合后再進入洗滌塔，經(jīng)過洗滌塔的洗滌、除塵后，送入后工段。

水煤漿氣化爐煤氣化反應(yīng)生成的熔渣和粗煤氣溫度為1 300 ℃～1 400 ℃，具有大量顯熱，因此由燃燒室排出后需進入廢鍋進行熱量回收，此后粗煤氣和爐渣溫度降低至700 ℃～800 ℃，再經(jīng)過水浴激冷至200 ℃～250 ℃。激冷后的灰渣經(jīng)灰渣鎖斗系統(tǒng)間歇排進渣池，渣池中的灰渣經(jīng)撈渣機撈出后外送。洗滌塔黑水排入灰水處理系統(tǒng)處理。

4.3 兩種氣化系統(tǒng)和灰水處理系統(tǒng)對比分析

圖6 水煤漿氣化爐氣化流程示意圖

水煤漿氣化爐燃燒室和激冷室之間有輻射廢鍋，出燃燒室的高溫粗煤氣進入輻射廢鍋后回收大部分熱量，副產(chǎn)高壓飽和蒸汽，針對該項目，每1 000 m3有效氣可副產(chǎn)5.0 MPa 飽和蒸汽1.02 t。干粉煤氣化爐采用激冷流程，出氣化室的高溫粗煤氣直接用水激冷，浪費了高品位的熱能。

干煤粉氣化爐的灰渣比（質(zhì)量比）通常是5∶5，水煤漿氣化爐的灰渣比（質(zhì)量比）通常是3∶7，在投煤量相同的情況下，干煤粉氣化爐的灰水處理系統(tǒng)中所含的細灰量比較多。

綜上，不同氣化方式以及不同熱量回收方式的耗能也不同。在干煤粉氣化爐和水煤漿氣化爐的操作壓力分別為4.0 MPa 和4.5 MPa 的條件下，兩種氣化技術(shù)[1 000 m3(CO+H2)]氣化系統(tǒng)和灰水處理系統(tǒng)的消耗、成本對比見表5。由表5 可知，生產(chǎn)1 000 m3(CO+H2)，干煤粉氣化爐的成本為357.67 元，水煤漿氣化爐的成本為378.43 元。

表5 兩種氣化技術(shù)[1 000 m3(CO+H2)]氣化和灰水處理系統(tǒng)的消耗、成本對比

5 變換工藝的比較

乙二醇生產(chǎn)中，變換工段一般都采用粗煤氣一股全變換、提取H2，一股不變換、冷卻、分離后，提取CO的配氣流程設(shè)置。對全變換流程而言，干煤粉氣化粗煤氣中CO 體積分數(shù)占65%左右，水煤漿氣化粗煤氣中CO 體積分數(shù)占45%左右，且干煤粉氣化粗煤氣的水氣比比水煤漿氣化的低，一般干煤粉氣化變換工段需要加入蒸汽來提高水氣比。水煤漿氣化變換工段設(shè)置兩級變換即可，而干煤粉氣化變換工段需要設(shè)置三級變換，增加了變換裝置的投資，也增加了下游低溫甲醇洗的負荷。

采用干煤粉氣化和水煤漿氣化技術(shù)，出氣化界區(qū)合成氣的水氣比不同，但都能滿足變換工段的要求，干煤粉氣化所出氣化界區(qū)合成氣的水氣比（摩爾比）為0.96，H2O/CO（摩爾比）為1.5，水煤漿氣化出氣化界區(qū)合成氣的水氣比（摩爾比）為0.99，H2O/CO（摩爾比）為 2.95。

變換工段的流程示意圖見圖7。

圖7 變換工段流程示意圖

氣化粗煤氣進入1#氣液分離器分離夾帶的液態(tài)水后，進入煤氣預(yù)熱器，與1#可控移熱變換爐來的變換氣換熱后，進入脫毒槽脫除灰塵、重金屬等雜質(zhì)，然后進入1#可控移熱變換爐內(nèi)反應(yīng)，并通過配套的1#汽包副產(chǎn)3.8 MPa（G）飽和蒸汽。出1#變換爐的變換氣經(jīng)煤氣預(yù)熱器預(yù)熱水煤氣后，進入2#變換爐內(nèi)進一步反應(yīng)，并使CO（干基）體積分數(shù)降至0.5%以下。

2#變換爐出來的變換氣依次進入除氧水加熱器、脫鹽水加熱器換熱并冷卻，再經(jīng)2#氣液分離器分離冷凝液后，進入循環(huán)水冷卻器，將變換氣冷卻至40 ℃以下，最后進入3#氣液分離器，分離冷凝液后出變換界區(qū)。

變換系統(tǒng)中，不同的氣化技術(shù)能量回收率不同（主要體現(xiàn)在蒸汽產(chǎn)量上），兩種氣化技術(shù)[1 000 m3(CO+H2)]變換系統(tǒng)副產(chǎn)蒸汽產(chǎn)量對比見表6。由表6 可知，處理1 000 m3(CO+H2)，干煤粉氣化技術(shù)變換系統(tǒng)副產(chǎn)蒸汽成本為-33.21 元，水煤漿氣化技術(shù)為-42.40 元。

表6 兩種氣化技術(shù)[1 000 m3(CO+H2)]變換系統(tǒng)副產(chǎn)蒸汽情況對比

6 生產(chǎn)成本對比分析

兩種氣化技術(shù)（1 000 m3有效氣）從原料（干煤粉、水煤漿）制備到變換系統(tǒng)的成本對比見表7。

表7 兩種氣化技術(shù)[1 000 m3(CO+H2)]的成本對比

由表7 可知，生產(chǎn)1 000 m3有效氣，干煤粉氣化的運行成本為365.23 元，高于水煤漿氣化的353.16 元。

7 結(jié) 語

以年產(chǎn)40 萬t 煤制乙二醇項目為例，對比了某水煤漿氣流床氣化技術(shù)和某干煤粉氣流床氣化技術(shù)，水煤漿氣化技術(shù)的原料制備和輸送環(huán)節(jié)能耗較低、操作安全環(huán)保，雖然氣化工段煤耗、氧耗較高，但是通過回收高溫粗煤氣的顯熱副產(chǎn)大量高壓飽和蒸汽，能量利用率高，氣化過程不需要加入蒸汽。綜合來看，水煤漿氣化技術(shù)生產(chǎn)成本低于干煤粉氣流床氣化技術(shù)。