煤气化技术进展评述

煤气化技术进展评述内容摘要：

中含量分别接近20％； 15％左右的煤浆从气化炉第二段加入，与一段的高温气体进行热质交换，煤在高温下蒸发、热解，残碳与 CO2和 H2O 进行吸热反应，可以使上段出口温度降低到 1040℃左右。 1040℃的合成气通过一个火管锅炉（合成气走管内）进行降温，降温后的合成气进入陶瓷过滤器，分离灰渣，过滤器分离出的灰渣循环进入气化炉一段。 相对 Texaco 气化， EGas 气化还有其它优越之处，如：采用火管式对流冷却器，造价和安装费较低，检修和清洗方便；采用压力螺旋式连续排渣系统，泄压和 碎渣设备的造价较低；二段炉可用普通耐火砖；煤耗和氧耗均比 Texaco 气化炉低；采用耐火砖石油化工生产技术 煤气化技术进展评述 8 为炉衬，其寿命已达到 3 年；喷嘴寿命为 3～ 6 个月。 但该气化炉不足之处是炉型结构难于承受高压，随着二氧化碳排放标准的日趋严格，炉型的应用受到限制 [5]。 图 22 EGas 气化炉示意图 干粉进料 (1) KT 炉气化 KT 炉气化是最早实现工业化的气流床气化工艺，属于干粉进料的常压气化工艺。 早期的 KT 常压气化炉只有两个炉头，后 来发展为呈十字形排列的四炉头气化炉。 由氧气和水蒸气组成的气化剂与煤粉混合，从燃烧喷嘴高速喷入炉内。 气化炉采用全冷壁的耐火衬里，炉壁为水夹套，起到以渣抗渣的作用，同时能回收炉壁散失的热量，产生的低压蒸汽（ MPa）可作气化剂使用。 气化压力稍高于常压，约为 MPa，炉内温度高达 1500 ℃以上，采用液态排渣， 60%的灰分以熔渣形式沉降到淬冷槽中，其余飞灰被煤气夹带出炉。 气化煤气先通过余热锅炉回收显热，后进入煤气净化系统。 KT 常压气化工艺主要用于生产合成氨原料气和燃料气。 KT 炉气化作为 第一代成熟的气流床气化工艺，早于 1952 年在芬兰实现了工业化。 具有煤种适应性强，气化强度高、生产能力大的特点，但存在的缺点也较为突出，广东石油化工学院专科毕业论文 9 如采用煤粉气力输送耗能大，且管路和设备的磨损比较严重；制得的粗煤气中的飞灰含量较高，补渣率和负荷调节幅度较低等。 (2) Shell 气化 Shell 煤气化工艺简称 SCGP，是由荷兰 Shell 国际石油公司开发的一种加压气流床粉煤气化工艺。 以干煤粉进料，纯氧作气化剂，液态排渣。 气化炉由内筒和外筒两部分组成，内筒上部为燃烧室，下部为激冷室。 Shell 煤气化炉采用膜式水 冷壁形式，向火侧敷有一层比较薄的耐火材料，减少热损失的同时可以挂渣，充分利用渣层的隔热作用，以渣层保护炉壁。 气化炉烧嘴是 Shell 煤气化工艺的关键设备之一。 采用侧壁烧嘴进料，在气化高温区对称布置，可根据气化能力有 4～ 8 个烧嘴中心对称布置，使气化炉操作符合具有很强的可调幅能力。 Shell 煤气化过程与 KT 煤气化过程相比：采用加压气化，单炉生产能力增强同时碳转化效果明显提高；炉内操作温度比 KT 炉略高，保证了气化炉内熔融灰的团聚、分离和顺利排渣；采用飞灰循环，提高了气化的补渣率，使碳转化率提高 至 99%；采用冷煤气激冷工艺，冷煤气循环冷却可使气化炉煤气冷却到 900 ℃，更有利于废热的回收。 Shell 煤气化工艺的优点较为突出：采用干煤粉进料，可气化烟煤、褐煤、石油焦等原料；单台生产能力大，气化压力为 3 MPa，日处理量达 2020 t；碳转化高，一般达 99%，冷煤气效率 80%～ 85%，热煤气效率超过 95%；采用干煤粉进料，无需蒸发水分，与水煤浆进料相比氧气用量可减少 15%～ 20%；采用水冷壁结构，无耐火衬里，检修周期长；气化过程无废气排放，融渣等废物可作为建筑材料再利用，对环境几乎 没有影响。 图 23 Shell 煤气化工艺流程 图 虽然 Shell 煤气化技术是目前国际上最先进的煤气化技术之一，但也存在一些突出问题，如 Shell 煤气化的指标数据是在发电上得到的；气化炉结构复杂，制造难度大，石油化工生产技术 煤气化技术进展评述 10 要求高；粉煤的加压进料的安全操作性能不如湿法气化；对水冷壁管的水质有要求，同时对水汽系统配管、设备安装及试车要求也很高；高压氮气结合超高压氮气的用量过大，部分抵消了其节能的优势；对煤种有一定的要求，并非所有的煤种都适合 Shell 气化，选用低灰熔点、活性好、灰分含量较低的煤种能够确保工 艺长周期安全稳定运行，灰分质量分数在 8%～ 15%为佳。 图 2－ 3 为 Shell 煤气化工艺流程图。 (3) Prenflo 气化 Prenflo 气化炉继承了原 KT 炉顶优点。 在结构原理上与 Shell 气化炉相似。 与 Shell 相比较，在炉墙结构上 Prenflo 气化炉水冷壁为盘管，而 Shell 气化炉是立管管排；在煤气冷却设备上， Prenflo 采用辐射回收设备，用回流冷煤气或水进行激冷， Shell采用冷煤气激冷工艺。 除此之外， Prenflo 采用 85%的氧气取代 95%的氧气为气化剂，减少制氧 的用电消耗。 对于高灰分煤种而言 Prenflo 不如 Shell，但其总体热效率和气化效率也较高，冷煤气率达 80%以上。 采用 Prenflo 气化技术在西班牙建成的 IGCC发电示范装置，以 50%当地高灰煤和 50%高硫石油焦混合原料，单炉日处理量 2600 t，运行良好。 (4)GSP 粉煤气化 为了进一步开发褐煤及其它煤种的气化，原民主德国的黑水泵公司于 1976 年开发了 GSP 粉煤气化工艺。 GSP 粉煤气化以煤为原料，也可用化学残渣和生物质为原料。 气化炉由组合烧嘴、水冷壁气化室和激冷室组成的加压 气流床，整个反应器呈圆筒结构。 与同类其它技术相比， GSP 粉煤气化采用气化炉顶部干粉进料，气化室周围水冷壁结构。 气化过程中，水冷壁上形成固态熔渣层，固态熔渣层的增厚和减薄能够自动调节气化过程的稳定。 值得注意的是， GSP 工艺采用内冷式多通道烧嘴，共有 6 层通道，进料气体和原料物料分内中外三层，冷却水也有三层，这种烧嘴的寿命预计在十年以上。 GSP 气化技术气化原料来源广泛，气化效率高，可达 %，投资及运行成本较低，兼备 Texaco 和 Shell 气化炉的优点，自上而下的喷射和内水冷壁结构，六通道的 烧嘴也比较合理。 是一种有广阔发展前景的气化技术 [6]。 广东石油化工学院专科毕业论文 11 第三章 国内煤气化技术的发展 国内煤气化技术的引进 1978 年后，随着经济的发展，国外不同的煤气化技术先后引进到国内，目前有 60台 GE（ Texaco）气化技术在运转或建设，有 20 套 Shell 气化装置在建设（其中 7 套在试运转），与 GSP 签订引进合同的有两家企业。 煤气化技术早期的引进的确对我国经济的发展起 到了推动作用，但由于引进的煤气化技术并不都是完善的技术，而且重复引进严重，已使我国成为国外气化技术的“试验场”。 目前，世界上只有我国使用如此众多种类的煤气化技术，许多盲目和不成熟的引进令我国付出了惨重代价。 有许多的经验教训值得科技界和工程界总结和吸取。 国内 煤气化技术的研究与开发历程 国内煤气化技术的研发始于 20 世纪 50 年代末，“文革”期间因动乱而中止。 近 30年来，在国家的支持下，国内在研究与开发、消化引进技术方面进行了 大量工作，有代表性的是： 70 年代起西北化工研究院研究开发水煤浆气化技术并建设了中试装置，为此后鲁南、渭河、上海焦化、淮化等 4 家厂引进 Texaco 水煤浆气化技术提供了丰富的经验；“九五”期间就“整体煤气化联合循环（ IGCC）关键技术（含高温净化）”立项，有十余个单位参加攻关； 1999 年科技部立项的国家 973 项目“煤的热解、气化及高温净化过程的基础研究”已完成； 2020 年科技部立项 973 项目“大规模高效气流床煤气化技术的基础研究”。 “九五”期间华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程公司承担了国家重点科技 攻关项目“新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉开发”（ 22 吨煤 /天装置）， 2020 年完成了中试装置的运转，通过国家验收和鉴定。 华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程公司等共同承担国家“十五”科技攻关计划课题“粉煤加压气化制备合成气新技术研究与开发”。 2020 年完成了热壁式气化炉中试装置运行考核。 2020 年完成了水冷壁式气化炉中试装置的运行考核。 该技术填补了国内空白，中试工艺指标达到国际先进水平。 目前该技术的产业化已列入国家“十一五” 863 计划重点项目，将在贵州建设单炉 1000 t/d 的工业示范装置。 “十五 ”期间，国电热工研究院等承担 863石油化工生产技术 煤气化技术进展评述 12 计划课题，进行具有自主知识产权的干煤粉气化工艺的开发，建设中试装置，并通过了科技部验收，在国家“十一五” 863 计划重大项目支持下正在建设单炉 2020 t/d 的工业示范装置，配套 200 MW IG CC 发电。 中国科学院山西煤炭化学研究所在中试的基础上进行了流化床氧气 /蒸汽鼓风制合成气的工业示范装置开发，烟煤处理能力为 100 t/d、常压，目前已投入生产运转。 清华大学建立了富氧气流床分级煤气化实验装置 [7]。 多喷嘴对置式水煤浆气化技术的研究开发与产业化 工艺原理 多喷嘴对置式水煤浆气化技术是对 Texaco 气化的重大改进，主要表现在：煤浆经过隔膜泵加压，通过 4 个对称布置在气化炉中上部同一个水平的工艺喷嘴，与氧气一起喷入气化炉内进行气化作用；煤耗降低约 9%； H2含量优势明显；碳转化率大于 98%；采用混合气器、旋风分离器、泡罩塔组合方案，分级净化；采用直接换热式含渣水处理工艺；采用蒸汽进入热水室与循环灰水直接 接触换热，蒸发热水塔实现热量的回收。 该气化炉最大优势之一是整个炉膛温度分布均匀，最高与最低温度差一般为 50～ 150 ℃，最高温度也不超过 1300 ℃。 不足之处是出现气化炉拱顶砖冲刷严重和拱顶超温问题，气化炉内向下的撞击流有可能直接冲向气化炉出口，形成“短路”现象；从而影响装置的运行稳定性和气化效率。 为多喷嘴对置式水煤浆气化工艺流程示意 如 图 3－ 1。 包括 4个工序，即磨煤制浆工序、多喷嘴对置式水煤浆气化工序、合成气初步净化工序、含渣水处理工序。 鉴于水煤浆制备为成熟的工艺技术，研究开发工作及主要的创新点主要集中 在后面 3 个工序。 广东石油化工学院专科毕业论文 13 图 3－ 1 多喷嘴对喷水煤浆气化工艺流程 中试装置 华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程公司承担了国家重点科技攻关项目“新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉开发”（ 22 t/d 装置）， 2020 年完成了中试装置的运转与考核，运行结果表明：有效气成分约 83%，比相同条件下的 Texaco 生产装置高 ～ 2 个百分点；碳转化率＞ 98%，比 Texaco 高 2～ 3 个百分点；比煤耗、比氧耗均比 Texaco 降低 7%。 商业示范装置的建设和运行 从 2020 年开始，先后在山东华鲁恒升化工有限公司和兖矿集团国泰化工有限公司建设了两套多喷嘴对置水煤浆气化技术的商业性示范装置，示范装置的建设得到了国家863 计划和其它科技计划的支持。 （ 1）华鲁恒升公司示范装置 山东华鲁恒升化工有限公司示范装置气化压力 MPa、单炉日处理煤量 750 t，配套每年生产 30 万吨合成氨，气化装置由中国华 陆工程公司设计， 装置于 2020 年底建成，石油化工生产技术 煤气化技术进展评述 14 于 2020 年 1。