国内外各种先进煤气化技术

国内外各种先进煤气化技术内容摘要：

气中有效气体 (CO+H)高达 90％以上。 (3)氧耗低，与水煤浆气化相比，氧气消耗低 20％左右。 (4)单炉生产能力大，目前已投入运转的单炉气化压力 ，日处理煤 2020吨。 但目前国内无投运装置。 (5)气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖衬里，维护量少，运转周期长，无需备用炉。 (6)热效率高，煤中约 83％的热能转化为合成气，约 15％的热能被回收为高压或中压蒸汽，总的热效率为 98％左右。 (7)气化炉高温排出的熔渣经激冷后成玻璃状颗粒，性质稳定，对环境几乎没有影响。 气化污水中含氰化物少，容易处理，必要时做到零排放。 (8)Shell 公司专利气化烧嘴设计保证寿命为 8 000 h，荷兰 Demkolec 电厂使用的烧嘴运行近 4 年尚未更换，仍在使用，这是气化装置长周期运行的一个重要验证。 (9)气化操作采用先进的控制系统，其中包括 Shell 公司专有的工艺计算机控制技术，设有必要的安全联锁及控制系统，使气化操作在最佳状态下进行。 GSP 煤气化技术 GSP 工艺介绍 GSP 工艺 技术由前民主德国的德意志燃料研究所 (German Fuel Institute) 开发 , 始于上世纪 70 年代末。 最初的目的是用高灰分褐煤生产民用煤气。 1979 年在弗来堡 (Freiburg) 分别建立了一套 3MW 冷壁炉 (Cooling Screen) 和5MW 冷墙炉 (Cooling Wall) 中试装置 , 完成了一系列基础研究和工艺验证工作。 试验的煤种来自德国、中国、波兰、前苏联、南非、西班牙、保加利亚、澳大利亚、捷克等国家。 1984 年 , 又在黑水泵市 (Schwar Ze Pumpe) 的劳柏格 (Laubag) 电厂建立了一套 130MW 冷壁炉的商业化装置 , 原料处理能力为 30t/h, 该装置运行了 10 多年 , 未更换过气化炉烧嘴的主体和水冷壁。 GSP 工艺技术适用于各种原料 , 可用于处理城市废料等在内的各种碳氢化合物。 因此 , 将其用于发电、城市煤气的生产也是很好的出路。 上图为 GSP 加压气流床气化工艺流程简图。 与其他煤气化工艺一样 , GSP 气化工艺过程也主要是由给料系统、气化炉、粗煤气洗涤系统组成 , 即备煤、气化、除渣三部分组成。 固体气化原料被碾磨为不大于 mm 的粒度后 , 经过干燥 , 通过浓相气流输入系统送至烧嘴。 对于液态或污泥状的气化原料则可用泵送至烧嘴。 气化原料与其他气化剂 (氧气、水蒸气 ) 经烧嘴同时喷入气化炉内的反应室 , 然后在高温 (1400～ 1600℃ )、高压 (～ Pa) 下发生快速气化反应 , 产生以 CO 和H2 为主要成分的热粗煤气。 气化原料中的矿物部分形成熔渣。 热粗煤气和熔渣一起通过反应室底部的排渣口进入下部的激冷室。 冷却后的粗煤气去洗涤系统；渣粒固化成玻璃状 , 通过锁斗系统排出；溢流出的激冷水送污水处理系统。 气化温度的选择是由原料煤的物理化学性质决定的 , 气化压力的确定主要取决于产品煤气的利用工艺。 GSP 主要设备结构 GSP 气化炉是由烧嘴、冷壁气化室和激冷室组成的加压气流床。 GSP 工艺气化炉结构图： GSP 工艺气化炉的水冷壁结构图： GSP 加压气化床气化炉水冷壁结构见图。 冷壁气化室的冷壁是一个多层结构 , 由液体熔渣、固体熔渣、屏壁、填充物、齿形蛇管卷、加压冷却水管组成 , 置于外部压力容器内 , 为气密膜墙结构 , 且内衬有起保护作用的耐火材料。 气化过程中 , 反应温度比较高 , 产生的熔渣被烧嘴以小渣滴的形式甩至水冷壁 , 然后在 水冷壁上形成固化熔渣层。 该固化熔渣层的厚度取决于反应室内的火焰温度和熔渣的粘温特性。 水冷壁可以通过固化熔渣层厚度的变化自动调节气化炉的运行工况。 当固化熔渣层加厚时 , 则传给水冷壁的热流量减小 , 从而使得排出反应室的熔渣量增多。 如果因系统故障使反应室内热负荷突然增加 , 则传给水冷壁的热流量会随之增大而使水冷壁上的部分固体熔渣熔化。 随着通过水冷壁从气化反应室移走热量的增多 , 水冷壁上的固化熔渣层又会逐渐加厚。 这就是气化过程自动调节的原理 , 从而保证气化过程的稳定进行。 反应室是由水冷壁围成的圆柱形空间 , 上部 为烧嘴 , 下部为排渣口 , 原料与氧气、水蒸气的气化反应就在此空腔内进行。 炉体内温度为 1 400 ℃以上 , 经过 515 mm 厚的液体熔渣和固体熔渣以后 , 温度降低到 500℃左右 , 再经过 13 mm 厚的屏壁和填充物 , 温度降低到 270 ℃左右 , 加压冷却水的温度为 250 ℃左右。 冷壁气化炉体的优点是外层壳体内壁的温度比较低 ( 250 ℃ ) , 不容易损坏。 齿形蛇管卷在使用 10 a 以后 , 没有破坏性的损坏。 GSP 工艺气化炉烧嘴的结构图： GSP 的烧嘴是一种内冷式多通道的多用途烧嘴 , 共有 6 层通 道 , 结构见图。 进料气体和原料物料共分内中外三层。 烧嘴外层是主燃料 (3 个进口 ) , 例如煤粉。 中层是氧气和高压蒸汽；内层进料为燃料气 , 作为持续点火用。 该烧嘴还配有闭路循环水冷却系统 , 为安全起见 , 该冷却系统的循环水压高于气化炉的操作压力。 冷却水也有三层 , 分别在物料的内中、中外层之间和外层之外 , 这种冷却方式传热比较均匀 , 可以使烧嘴的温度保持在较低的水平 , 特别是烧嘴头部的温度不至于太高 , 以免将烧嘴的头部烧坏。 烧嘴头部的材料较好 , 其使用寿命预计可以在 10 a 以上 , 但是 , 烧嘴头部金属材料的 要求比较高 , 且每年都要维修。 GSP 煤气技术特点 (1)采用干粉煤 (水份含量 2％ )作为气化原料，根据后续化工产品的要求，煤粉可用氮气或二氧化碳输送，故操作十分安全由于气化温度高，故对煤种的适应性更为广泛，从较差的揭煤、次烟煤、烟煤到石油焦均可使用，也可以两种煤掺混使用。 对煤的灰熔点的适用范围比其他气化工艺更宽，即使是高水份、高灰分、高硫含量和高灰熔点的煤种也能使用。 (2)气化温度高，一般在 1450～ 1600℃ ,煤气中甲烷体积分数小于 ％ , (CO+H2)体积分数高达 90％以上。 (3)氧耗较低，与水煤浆加压气化工艺相比，氧耗低约 15％ 20％ , 可降低配套空分装置投资和运行费用。 (4)气化炉采用水冷壁结构，无耐火材料衬坦水冷壁设计寿命按 25 年考虑。 常使用时维护量很少，运行周期长。 (5)只有一个联合喷嘴 (开工喷嘴与生产喷嘴合二为一 )，喷嘴使用寿命长，为气化装置长周期运行提供了可靠保障。 (6)碳转化率高达 99％以上，冷煤气效率高达 80％以上。 (7)对环境影响小，气化过程无废气排放。 GSP气化技术是成熟技术的组合，装置投资与 Texaco 方法相似，而技术指标与 Shell方法相 似。 Dow 煤气化工艺 工艺简介 Destec(Dow)煤气化工艺原称 Dow 煤气化工艺，是由美国 Dow 化学公司于 1973 年开发的， 1987 年成功应用于商业性的热电厂。 该工艺与 Texaco 煤气化工艺齐名，同样是水煤浆进料，加压纯氧气流床气化工艺，因此 Destec(Dow)不仅具有 Texaco 工艺的优点，同时因其气化炉结构及工艺过程的特点，工艺性能和技术经济指标比 Texaco工艺略胜一筹。 Destec(Dow)气化炉如下图所示，两段氧气气化、连续排渣、内衬耐火砖。 第 1段在 13201430℃的熔渣条件下操作，准确的温度取决于熔渣的粘滞特性。 第 1 段为水平圆柱体，每端各有 1个水煤浆和氧气的进料烧嘴。 80％的水煤浆和氧气混合后喷人第 1段。 在圆柱体中央为熔渣的排出口，经过淬水段流出。 第 1段反应产生的热煤气由顶部进人第 2段。 第 2 段为直立在第 1段上的垂直圆柱体，为向上流动型的气化段，在此设置 1个烧嘴， 20％水煤浆射人热气体，不加氧气，利用气体的显热把水煤浆的水分气化，煤被加热、高温分解进行部分氧化反应，这对于煤的有效能转化为化学能是有利的。 由于吸热过程使混合煤气温度大幅度降低到 1050℃左右。 Destec 煤气化工艺过程 Destec 煤气化工艺特点 (1) Destec(Dow)是一种洁净的煤气化工艺，已应用在美国建成并投运的 2座 IGCC电站，单炉投煤量为 2 500 t/d 左右，各项技术经济指标具备与其他先进煤气化工艺竞争的能力。 (2)从 Destec(Dow)煤气化装置生产的合成气品质的评价，不仅适用于 IGCC，也适用作为化工产品的原料气，如合成氨、甲醇、碳一化学品等。 (3)由于 Destec(Dow)气化炉采用两段气化反应，其比氧耗、煤气热值、冷煤气效率及 碳转化率等指标比 Texaco 优越；由于气化炉出口温度较低，只需要对流式煤气冷却器回收热量，不需设置昂贵的辐射式锅炉，因而造价比 Texaco低；由于气体处理工序采用先干洗除尘后水洗，故灰水循环量较小，湿灰量少，对环保有利。 (4)采用水煤浆进料方式，其原料制备和加压进料工序相对简单，安全可靠，但因原料中含水分 35％～ 40％，因而氧耗比以干粉煤为原料的气化工艺 15％～25％。 (5)气化炉内衬耐火砖，没有水冷系统，结构简单，初投资较小，但由于炉内温度较高，以及磨损及腐蚀等因素，耐火砖寿命仅 2～ 3a。 为保证耐火砖 寿命，气化区温度不宜过高，适合于气化灰熔点 (煤灰流动温度 FT)在 1350℃以下的煤种，因此对煤种的选用范围有一定局限性。 (6)根据已投运的商业性气化装置的经验，为保证年可用率在 85％以上 .气化炉需考虑备用。 Texaco、 Shell、 GSP三种气化技术对比 Texaco、 Shell、 GSP气化工艺比较 名称 Texaco Shell GSP 原料要求 (1)烟煤、无烟煤、油渣； (2)粒经 40%～ 45%200 目； (3)水煤浆质量分数 60%； (4)灰熔融性温度 1350℃； (5)灰份 15% (1)褐煤 无烟煤全部煤种；(2)粒经 90%100 目含水 2%干粉煤 (褐煤 8%)； (3)灰熔融性温度1500℃； (4)灰份 8%～ 20% (1)褐煤 无烟煤全部煤种、石油焦、油渣、生物质； (2)粒经250μ m～ 500μ m 含水 2%干粉煤(褐煤 8%)； (3)灰熔融性温度1500℃； (4)灰份 1%～ 20% 气化温度 /℃ 1450～ 1600 1450～ 1600 1450～ 1600 气化压力 /MPa ～ 气化炉特点 水煤浆供料，顶部单喷嘴。 热壁 Al2O3Cr2O3ZrO2 耐火衬里，冷激流程 (用于 IGCC时有废锅流程 )，除喷嘴外全为碳钢 干煤粉供料，下部多喷嘴对喷。 承压外壳内有水冷壁，废锅流程，充分回收废热产蒸汽。 材质碳钢、合金钢、不锈钢。 干粉煤供料，顶部单喷嘴。 承压外壳内有水冷壁，激冷流程。 由水冷壁回收少量蒸汽，除喷嘴外材质全为碳钢。 投煤 2020t/d 单台气化炉尺寸/mm φ内＝ 4500 标准炉：φ外＝ 2794 和 φ外＝ 3175(投煤 800t/d) H＝ 11500 φ内＝ 4600 (投煤 2300t/d) H＝ 31640 φ内＝ 3500 H＝ 17000 耐火砖或水冷壁寿命 /a 1 20 20 喷嘴寿命 60d 1a～ 10a前端部分 1a 60万 t/a甲醇 气化炉台数 4＋ 1 1(φ内约为 5000mm) 2 冷激室或废锅尺寸 /mm 2794 2500 冷激室φ内 =3500 除尘冷却方式 洗涤 干式过滤、洗涤 分离＋洗涤 出变换温度 /℃ 210 40 220 建筑物 (不包括变换 ) 装置占地： 9100m2 高约 55m(气化部分 ) 装置占地： 9000m2 高约 85m～ 90m(气化部分 ) 装置占地： 9000m2 高约 55m(气化部分 ) Texaco、 Shell、 GSP气化工艺投资比较 (价格：万元 ) 名称 Texaco Shell GSP 备注 煤粉制备与输送 (包括干燥 ) ―― 10800 10800 关键阀门引进 水煤浆制备与制送 15000 ―― ―― 煤浆泵引进 煤气化 (包括排渣、洗涤除尘 ) 28000 59393 (其中陶瓷过滤器 7100) 28800 引进陶瓷过滤器、水冷壁喷嘴、废锅等 高压 CO2输送压缩机 ―― 2257 1100 低压 N2输送压缩机 ―― 550 550 变换、冷却装置 4000 5800 5800 合 计 47000 78800 47050 Texaco、 Shell、 GSP气化指标比较 Texaco、 Shell、 GSP每立方米 (CO＋ H2)成本初步测算 通过以上数据得出以下结论（ 但在实际操作中受环境影响，最终结果可能有偏差 ）： (1) GSP 与 She11 煤制合成气的比较； a、 GSP 与 She11 煤制合成气相比：流程简单、操作简便、投资省。 GSP 煤气化技术开发时，其目。