德士古煤氣化與科林煤氣化技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀

賀竹林

（陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西榆林 719000）

煤炭作為我國最為豐富的資源，對(duì)確保我國能源安全供應(yīng)至關(guān)重要。而煤氣化技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)煤炭高效利用的一種手段，在我國被廣泛應(yīng)用。根據(jù)進(jìn)料方式不同，可分為水煤漿和干粉煤兩種氣化技術(shù)。而德士古作為一種典型的濕法進(jìn)料方式，自20世紀(jì)80年代起在我國就被廣泛應(yīng)用，經(jīng)過不斷的升級(jí)改造，形成了一套成熟的氣化工藝；干粉煤氣化技術(shù)主要代表有航天爐、Shell、GSP等。近年來，科林爐作為另外一種干法進(jìn)料氣化工藝，因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)開始被廣大廠家青睞。

1 德士古煤氣化與科林煤氣化技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

1.1 工藝流程對(duì)比

德士古氣化的工藝流程主要分為磨煤、氣化和渣水3個(gè)環(huán)節(jié)。將10 mm以下一定質(zhì)量的原煤與一定比例的水和添加劑送入磨機(jī)中進(jìn)行研磨，制成濃度為60%左右的水煤漿。若煤種灰熔點(diǎn)高，則需加入一定量的助溶劑。制成的合格煤漿經(jīng)過低壓煤漿泵送入煤漿槽內(nèi)，再經(jīng)過高壓煤漿泵加壓送入氣化爐內(nèi)與氣化劑在1 250～1 400 ℃下進(jìn)行氧化反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生粗煤氣，然后經(jīng)過激冷流程進(jìn)行氣、固分離和冷卻，經(jīng)過水浴后的煤氣再依次經(jīng)過文丘里洗滌器、洗滌塔進(jìn)行洗滌，得到含塵量小于1 mg/Nm3的水煤氣。在此過程中產(chǎn)生的灰水一部分循環(huán)使用，大部分送往渣水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理；產(chǎn)生的渣通過鎖斗系統(tǒng)排至渣池內(nèi)。

科林煤氣化工藝流程分為粉煤制備、輸送、氣化和渣水4個(gè)環(huán)節(jié)。原煤經(jīng)輸送機(jī)送入原煤倉，原煤通過稱重給料設(shè)備計(jì)量后送入磨機(jī)磨細(xì)和干燥。在磨煤干燥系統(tǒng)中，為保證煤在氣化爐內(nèi)能迅速完成氣化反應(yīng)，需要將原煤碾磨成一定粒度要求的煤粉，經(jīng)一次風(fēng)將研磨好的煤粉帶到磨煤機(jī)上部的旋轉(zhuǎn)分離器中進(jìn)行篩選，不符合要求的粗煤粉將落回到磨盤上再次碾磨，合格的煤粉隨一次風(fēng)經(jīng)輸送管進(jìn)入袋式收粉器后依次進(jìn)入粉煤倉、煤粉鎖斗、煤粉加料罐，在氣力輸送的作用下，將煤粉送入氣化爐中，在氣化爐內(nèi)與氣化劑在1 400～1 700 ℃下進(jìn)行氧化反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生粗煤氣，后續(xù)洗氣與德士古流程一樣。

1.2 能耗對(duì)比

不同煤氣化技術(shù)對(duì)物料的消耗是不同的。以神府煤為例，參照相關(guān)物料衡算，對(duì)采用水煤漿氣化與干煤粉氣化生產(chǎn)合成氣所消耗氧耗及煤耗進(jìn)行相關(guān)計(jì)算[1]。結(jié)果表明，采用同一種煤種生產(chǎn)粗煤氣，干煤粉氣化生成的有效氣比水煤漿氣化生成的有效氣含量高，比煤耗降低，比氧耗降低，冷煤氣效率提高[2]。因此在煤種允許的條件下，采用干煤粉氣化技術(shù)生成的煤化工產(chǎn)品效率相對(duì)較高。在原料煤可同時(shí)使用的前提下，綜合對(duì)比，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)。

1.2.1 原料制備系統(tǒng)比較

一般制備1 t干煤粉的電耗約為30 kW·h，燃料氣消耗與煤的含水量有關(guān)，要求原料煤的水分控制在15.00%以內(nèi)，經(jīng)干燥后降低至2.00%，那么1 t原煤干燥至所需的要求需要的熱量最大為1 000×（0.150-0.020）×2 640÷0.7=490 MJ（燃料氣能量利用率按70%計(jì)，水的蒸發(fā)焓按2 640 kJ/kg計(jì)）[3]。

煤的成漿性與煤的含水量（內(nèi)水）有關(guān)，一般認(rèn)為煤的成漿性和成漿濃度與其內(nèi)水含量成負(fù)相關(guān)，以提供的煤種為褐煤計(jì)算，其煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%左右；煤漿制備需要加入添加劑以改善煤漿成漿性能，其加入量一般為煤漿質(zhì)量的0.1%～0.3%；正常情況下，制備1 t水煤漿需要耗電約10 kW·h[3]。制漿用水可采用工廠難以處理的廢水。水煤漿氣化與干煤粉氣化原料制備系統(tǒng)比較見表1。

表1 水煤漿氣化與干煤粉氣化原料制備系統(tǒng)比較

1.2.2 原料輸送系統(tǒng)比較

科林干煤粉氣化爐的操作壓力為4.5 MPa，實(shí)際運(yùn)行中采用高壓N2或CO2輸送煤粉，輸送的煤粉密度通常為250～400 kg/m3，壓力8.1 MPa，1 000 m3的惰性氣輸送干煤粉需耗電約36.3 kW·h[3]。而水煤漿輸送是依靠高壓煤漿泵，氣化壓力采用6.5 MPa，水煤漿的泵送壓力一般設(shè)計(jì)為8.5 MPa，每產(chǎn)生1 000 m3的有效氣原料輸送系統(tǒng)所耗電量大約為1.36 kW·h[3]。

1.2.3 入爐的蒸汽和氧氣比較

干煤粉氣化需要將壓力為4.9 MPa，溫度為300 ℃的過熱蒸汽與氧氣按一定比例混合，與粉煤一起送入氣化爐，每產(chǎn)生1 000 Nm3的有效氣需加入蒸汽的量約為48 kg[3]。為了避免蒸汽冷凝影響氣化，必須對(duì)氧氣進(jìn)行預(yù)熱，科林爐采用氣化爐的盤管水給氧氣預(yù)熱。水煤漿氣化技術(shù)氣化時(shí)不需要導(dǎo)入蒸汽，氧氣由空分車間送來，不需要預(yù)熱，通過燒嘴導(dǎo)入氣化爐[4]。

1.2.4 氣化系統(tǒng)和灰水處理系統(tǒng)比較

科林煤氣化采用盤管水冷壁結(jié)構(gòu)，每產(chǎn)生1 000 m3的有效氣可副產(chǎn)0.5 MPa 低壓蒸汽約0.42 t；德士古氣化爐采用耐火磚，熱量沒有進(jìn)行有效的回收利用，造成了能耗的大量浪費(fèi)。德士古煤氣化和科林煤氣化對(duì)高溫合成氣均采用激冷流程?；宜幚硐到y(tǒng)均采用三級(jí)閃蒸。干煤粉氣化爐的灰/渣（質(zhì)量比）通常是6∶4～7∶3，水煤漿氣化爐的灰渣比（質(zhì)量比）通常是3∶7，因此在投煤量相同的情況下，干煤粉氣化技術(shù)所產(chǎn)生的細(xì)灰量較多[4]。

2 德士古煤氣化與科林煤氣化工藝對(duì)比

2.1 燒嘴結(jié)構(gòu)不同

德士古煤氣化燒嘴有2個(gè)，分別為點(diǎn)火燒嘴和工藝燒嘴，置于拱頂正中心，其中工藝燒嘴為三通道式，中心及外環(huán)為氧氣，中間為水煤漿?？屏置簹饣狞c(diǎn)火燒嘴（長明燈）設(shè)置在氣化爐的中心軸線位置，3個(gè)工藝燒嘴以120°的角度分布在點(diǎn)火燒嘴（長明燈）的周圍，每個(gè)工藝燒嘴都有自己獨(dú)立的煤粉輸送管道和氧氣管道以及與之相對(duì)應(yīng)的獨(dú)立的控制系統(tǒng)。

2.2 反應(yīng)混合特征不同

德士古水煤漿氣化爐內(nèi)燃燒室內(nèi)流場按流動(dòng)過程可分為射流區(qū)、回流區(qū)和管流區(qū)，見圖1[2]。德士古氣化爐的燒嘴與灰、渣出口在同一中心上，流場呈直噴狀，停留時(shí)間短，氣流高速?zèng)_刷筒體下部及錐底耐火磚，下筒體下部及錐底耐火磚更換頻繁。

圖1 燃燒室內(nèi)流場分布

從圖2中可以清晰看出，科林氣化爐多噴嘴頂置下噴結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。（1）燃燒室溫度流場更加均勻，由于氣流不是直對(duì)渣口，因此顆粒的停留時(shí)間較德士古氣化長，碳轉(zhuǎn)化率更高。（2）科林氣化的反混效果更為均勻，確保從上而下的溫度均勻，實(shí)現(xiàn)均勻的掛渣。

圖2 科林煤氣化爐的燒嘴設(shè)計(jì)的三燒嘴流場示意圖

2.3 氣化爐燃燒室結(jié)構(gòu)不同

德士古水煤漿氣化爐內(nèi)結(jié)構(gòu)一般分為燃燒室、激冷室，其中燃燒室又分為錐部、筒體部和拱頂3部分。耐火襯里主要分布在燃燒室，錐部由耐火面磚及澆注料構(gòu)成，筒體部由耐火面磚、絕熱層、保溫層構(gòu)成，拱頂部由耐火面磚、背襯澆注料、纖維壓縮料構(gòu)成。拱頂部主要結(jié)構(gòu)形式有錐形頂和球形頂，其中的錐頂成角約36°，以圓弧形狀與筒體部連接；球型頂整體為圓弧形狀與筒體部連接。爐腔直筒部為筒體部。爐腔下部落渣口和錐底構(gòu)成錐底部，錐底部坡度角度多為45°。細(xì)部結(jié)構(gòu)方面，在筒體部的頂端和拱頂部連接處，保留膨脹縫；拱頂部的所有耐火面磚上下砌筑面都帶有鉚楔，主要是為了在砌筑時(shí)可以相互咬合；不同材質(zhì)耐火襯里間留2～3 mm膨脹縫，用可燃材料填充。而且采用耐火磚使用的壽命短，一般1.0～1.5年就需更換，并且檢修周期長。拱頂爐磚使用前后對(duì)比圖見圖3，筒體爐磚沖刷情況見圖4，錐部磚沖刷情況圖5。

圖3 拱頂爐磚使用前后對(duì)比

圖4 筒體爐磚沖刷情況

圖5 錐部磚沖刷情況

科林氣化爐的燃燒室內(nèi)采用盤管水冷壁結(jié)構(gòu)，在高溫氣化反應(yīng)的同時(shí)煤灰融化，碰到溫度較低的水冷壁發(fā)生沉淀并固化。隨著渣層厚度的增加，固態(tài)渣層熱阻增大，最終固態(tài)渣層表面與水冷壁冷卻水溫差加大，使渣層表面的固化和熔化形成動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)“以渣抗渣”的目的，同時(shí)配合科林三噴嘴頂置下噴形成的良好的流場和溫度分布，能夠?qū)崿F(xiàn)氣化爐爐膛內(nèi)更為穩(wěn)定的掛渣（尤其是爐膛頂部），氣化爐內(nèi)拱頂掛渣圖如圖6所示。

圖6 水冷壁拱頂掛渣圖

盤管結(jié)構(gòu)通過“以渣抗渣”的方式，氣化室的水冷壁無需暴露在高溫環(huán)境下，固態(tài)渣保護(hù)層也可以在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，水冷壁的使用壽命長、維護(hù)簡單方便、避免了耐火磚式氣化爐定期更換耐火磚帶來的投資和停車。

3 結(jié)語

通過水煤漿與干粉煤技術(shù)經(jīng)濟(jì)及工藝對(duì)比得出：（1）科林煤氣化較德士古水煤漿氣化，煤耗、氧耗更低；（2）科林爐燃燒室溫度流場更加均勻，由于氣流不是直對(duì)渣口，因此顆粒的停留時(shí)間較德士古氣化長，碳轉(zhuǎn)化率更高；（3）科林爐水冷壁的使用壽命長、維護(hù)簡單方便、避免了耐火磚式氣化爐定期更換耐火磚帶來的投資和停車。