大規模煤氣化技術(shù)的開(kāi)發(fā)與進(jìn)展

大規模煤氣化技術(shù)的開(kāi)發(fā)與進(jìn)展韓啟元',許世森21.中國石油化工股份有限公司安慶分公司,安徽安慶2460032.西安熱工研究院有限公司,陜西西安710032[摘要]煤氣化技術(shù)是 發(fā)展煤基化學(xué)品、煤基液體燃料、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、多聯(lián)產(chǎn)系統、制氫、燃料電池等工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù),其中氣流床氣化具有易大規?；?、煤種適應范圍廣、碳轉化率高等特點(diǎn)。近年來(lái)得到規模應用。介紹以水煤漿為原料的GE Texaco (德士古)、Global E-Gas(原Destec)技術(shù),以及國內開(kāi)發(fā)的水煤漿氣化技術(shù)和以干煤粉為原料的Shell、 PRENFLO、Si-mens GSP技術(shù)及西安熱工院有限公司的兩段式氣化技術(shù)。對這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比。[關(guān)鍵詞]煤氣化;氣流床;水煤漿氣化;干煤粉氣化[中圖分類(lèi)號] TQ545[文獻標識碼] A[文章編號] 1002 -3364(2008>01 - 0004 - 05爐在荷蘭Buggenum 250 MW IGCC電站投人運行,日1各 類(lèi)氣流床氣化技術(shù)現狀處理煤量為2 500 t,氣化壓力為2.8 MPa。該電站的運行表明,Shell氣化爐可靠性和可用率都已達到了商.1干煤粉進(jìn)料業(yè)化的水平(1]。1.1.1 Shell和PRENFLO氣化技術(shù)德國Krupp-Koppers公司在K-T爐基礎上開(kāi)干煤粉氣化工藝的前身是常壓K-T爐,起源于發(fā)出 PRENFLO干煤粉氣化工藝,于1986年在德國德國Koppers公司(1938年),K-T爐最大單爐投煤薩布呂肯郊區建成了規模為48 t/d、氣化壓力為3.0量為500 t/d,主要用于生產(chǎn)合成氨。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，MPa的中試裝置。1997 年P(guān)RENFLO煤氣化工藝在常壓K-T爐逐步被加壓操作的干粉爐所取代。西班牙Puertollano 300 MW IGCC電站投人運行，日.技荷蘭Shell公司與德國Krupp-Koppers公司在.處理煤量為2 600 t,氣化壓力為2. 8 MPa.荷蘭聯(lián)合開(kāi)發(fā)出6 t/d的試驗裝置,并在此基礎上，Shell 和PRENFLO氣化工藝十分相似,都是下1978年在德國漢堡附近建成第一座干煤粉加壓氣化置多噴嘴式干煤粉氣化工藝。為了讓高溫煤氣中的熔中試裝置,容量為150 t/d,操作壓力3.0 MPa,其主要融態(tài)灰渣凝固以免使煤氣冷卻器(廢熱鍋爐,簡(jiǎn)稱(chēng)廢述工藝特點(diǎn)是采用密封料斗加煤裝置和粉煤濃相輸送。鍋)堵塞,后續工藝中采用大量的冷煤氣對高溫煤氣進(jìn)1987年,Shell公司在美國休斯頓建成并投運了一座行急冷,其可使高溫煤氣由1400 C冷卻到900 C.目名為SCGP-1的干煤粉加壓氣化示范裝置,氣化壓力前這兩種爐型均為，廢鍋流程,其主要差別在于廢鍋的(2~4)MPa,日處理煤量為(250~400)t,累計運行設置上,Shell氣化技術(shù)在經(jīng)過(guò)導氣管后于側面設置了4 400 h,最長(cháng)連續運行1 528 h。1994 年,Shell煤氣化中國煤化工鍋設置在頂部。CNMHG收稿日期: 2007-09-261.1.2 GSP 氣化技術(shù)煤氣出口，GSP氣化技術(shù)由原民主德國燃料研究所開(kāi)發(fā)。1979年在德國弗來(lái)貝格(Freiburg)建立了W100和中路中.W5000(冷壁爐Colling Screen 和冷墻爐Cooling水汽去氣包wall)兩套中試裝置,完成了一系列基礎研究和工藝驗證。1984年,又在德國黑水泵市的勞柏格電廠(chǎng)建立了夾層充氟氣”1套130MW冷壁爐裝置，該裝置運行了十多年而無(wú)需更換氣化爐的燃燒器主體和水冷壁。有專(zhuān)家認為,GSP氣化技術(shù)存在的主要問(wèn)題是，在單爐能力和長(cháng)期生產(chǎn)運行考驗方面還存在不足,目前已運行過(guò)的裝置單爐能力只有日投褐煤720 t的規二次煤粉+水燕氣. 二次煤粉:水蒸氣.. ..模,運行時(shí)間也不很長(cháng);GSP爐燃燒室的高徑比偏小，可能會(huì )出現煤粉燃燒不完全就排到激冷室的現象,此外還應考慮爐子在放大時(shí)單噴嘴容易受到限制。煤粉(氨氣攜帶)+水蒸氣+氧氣水熬氣+氧氣'1.1.3 兩段式氣化5]荷蘭Shell和德國PRENFLO氣化爐均為以干煤鍋爐水進(jìn)口粉形式進(jìn)料的氣化裝置,但它們只有一級氣化反應,為渣池水進(jìn)口了讓高溫煤氣中的熔融態(tài)灰渣凝固以免使煤氣冷卻器堵塞,不得不在后續工藝中采用大量的冷煤氣對高溫渣池水出口煤氣進(jìn)行急冷,其熱量損失很大,氣化爐的碳轉化率、圈1兩段式氣化爐結構示意冷煤氣效率和總熱效率等指標均比較低,并且由于煤氣流量較大,造成煤氣冷卻器、除塵和水洗滌裝置的尺裂解和部分氣化,提高總的冷煤氣效率和熱效率。寸過(guò)大。為了解決這一問(wèn)題，西安熱工研究院有限公為了滿(mǎn)足發(fā)電行業(yè)和化工行業(yè)對于煤氣化工藝的司(TPRI)開(kāi)發(fā)出了一種新型的兩段式干煤粉加壓氣不同要求,兩段式干煤粉 加壓氣流床氣化爐根據下游流床氣化爐(圖2)。工藝的不同要求,可以采用有廢鍋和無(wú)廢鍋兩種形式，該氣化爐的外殼為一直立圓筒,爐膛采用水冷壁即適合于煤化工工藝的煤氣激冷流程和適合于發(fā)電工結構,爐膛分為上爐膛和下?tīng)t膛兩段,下?tīng)t膛是第一反藝的廢鍋流程。在激冷流程中,用激冷水將煤氣直接應區,用于輸入煤粉、水蒸氣和氧氣的噴嘴設在下?tīng)t膛冷卻至300 C以下,這種工藝方式的系統比較簡(jiǎn)單,投的兩側壁上,渣口設在下?tīng)t膛底部高溫段,采用液態(tài)排渣。上爐氨氣來(lái)自空自麻煤機氣分離裝置膛為第二反應區，其內徑較下?tīng)t蒸汽膛的內徑小,且較高,在上爐膛的技側壁上開(kāi)有2個(gè)對稱(chēng)的二次煤粉包回←上除氧水和水蒸氣進(jìn)口。運行時(shí),由氣化濟) ot出氣化*亡 煤氣凈煤氣爐下段噴入干煤粉、氧氣(純氧或氣化爐爐水冷壁還③|富氧)、蒸汽,所噴人的煤粉量占中激冷嶠總煤量的80%~85%;在上爐膛水泵進(jìn)口處噴人過(guò)熱蒸汽和煤粉,所每氣來(lái)有至一四+爐水冷壁氣化發(fā)噴煤粉量占總煤量的15%~排污電20%。該裝置中上段爐的作用一.渣◆中國煤化工是代替循環(huán)合成氣使溫度高達MHCNMHG1400C的煤氣急冷至約900C,圖2激冷氣化工藝流程八二是利用下段爐煤氣顯熱進(jìn)行熱5德士古氣化技術(shù)是上置噴氦氣來(lái)自空磨煤機嘴式水煤漿氣化技術(shù),在用于化燕汽工合成時(shí),Texaco氣化爐采用(汽包2) +除氧水激冷工藝,但在用于IGCC發(fā)電排污項目時(shí)(如Cool Water電站和出氣化爐凈堞氣Tampa電站),則采用廢鍋流程。氣化爐水冷壁出廢鍋③④|單爐容量目前最大可達2000 t/蒸汽中水冷壁煤氣冷干法除洗深d,操作壓力大都采用4.0 MPa執鍋爐塵器|水泵和6.5 MPa。氧氣來(lái)自空一四進(jìn)氣化進(jìn)度鍋粗煤氣器1.2.2 E-Gas氣化技術(shù)爐水冷壁R冷康Destec氣化爐是1個(gè)十字渣型的壓力簡(jiǎn)體,爐膛用耐火磚砌成,也采用水煤漿。在十字型筒圉3廢鍋工藝流程體的水平方向上,安裝2個(gè)相互資較少(圖3)。此工藝流程適用于化工領(lǐng)域及多聯(lián)對噴的水煤漿噴嘴。由這2個(gè)噴嘴噴入一次反應區的產(chǎn)。如果使用廢鍋流程(圖3),則粗煤氣中15%~ 水煤漿數量是總量的80%。一次反應區的溫度大約20%熱能被回收為中壓或高壓蒸汽,氣化工藝總體的為1 371 C~1 427 C。二段反應區位于十字型筒體熱效率可以達到98%。此工藝過(guò)程比較適合于IGCC垂直部位的上方。 在這個(gè)區段上通過(guò)1個(gè)噴嘴噴入剩項目。下的20%的水煤漿,該反應區的溫度控制在1038 CTPRI于1997年建成了國內第1套干煤粉加壓氣左右。利用一段反應區內生成的高溫煤氣的熱量,促化特性試驗裝置,該裝置的氣化能力為(0.7~1.0)t/d使水煤漿中煤的揮發(fā)物(CH,等輕質(zhì)碳氫化合物)釋煤粉,壓力為3.0 MPa。利用該裝置完成了14 種中國放出來(lái),并使一部分碳元素發(fā)生氣化反應(在二段反應典型動(dòng)力煤種的干煤粉加壓氣化試驗研究。2004 年，區中 ,碳的轉化率可達50%)。最后,使排出氣化爐的建成日處理(36~40)t煤的兩段式干煤粉加壓氣化中煤 氣溫度降至900 C. Destec 氣化爐是兩段氣化反應試裝置,在該裝置上完成了若干種煤的氣化試驗研究，爐。取得了充分的煤氣化過(guò)程數據。試驗煤種的灰分試驗采用兩段氣化反應有以下優(yōu)點(diǎn):范圍為5%~30% ,揮發(fā)分試驗范圍為8%~40%,灰(1)冷煤氣的效率較高,一般可以達到78%左右。熔點(diǎn)試驗范圍為1 100 C~1600 C,覆蓋了從褐煤、這是由于在兩段反應區,二段噴人的水煤漿在高溫下煙煤、貧煤到無(wú)煙煤的各種煤種。繼續發(fā)生煤的熱解和氣化反應,產(chǎn)生了更多的有效氣體;1.2水煤漿進(jìn)料(2)可以不用價(jià)格昂貴、結構龐大的輻射冷卻器就技1.2.1 德士古氣化技術(shù)能把粗煤氣的溫度降到1900C。美國Texaco公司開(kāi)發(fā)的水煤漿氣化工藝是將煤1.2.3國內開(kāi)發(fā) 的水煤漿氣化技術(shù)濟加水磨成濃度為 60%~65 %的水煤漿,用純氧作氣化九五期間，華東理工大學(xué)、水煤漿氣化及煤化工國深劑,在高溫高壓下進(jìn)行氣化反應，氣化壓力在(3.0~家工程研究中心(兗礦 魯南化肥廠(chǎng))、中國天辰化學(xué)工8. 5)MPa之間,氣化溫度約1400 C,煤氣成分C0+程公 司合作開(kāi)發(fā)了多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù),十H2為80%左右,碳轉化率96% ~99%,氣化強度大，五期間,該技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化示范階段。在兗礦國泰化門(mén)爐子結構簡(jiǎn)單”。德士古氣化爐有直接激冷式和廢鍋工有限公司建成2套日處理煤1 150 t氣化爐(4.08式兩種。MPa),于2005年10月投人運行。另外,在山東華魯目前Texaco技術(shù)最大商業(yè)裝置是美國能源部的中國煤化工1臺750 t/d的氣化爐6 Tampa電站,1996年7月投運,12月宣布進(jìn)人驗證運YHC N MH G日正式投入工業(yè)運行。行。該裝置為廢鍋式，單爐日處理煤(2000~2 400)t,由于多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)仍采用水煤漿氣化壓力為2.8 MPa,煤漿濃度68%,凈功率250 MW。進(jìn)料 ,故只能采用耐火磚。水煤漿氣化自身的缺點(diǎn)如:6效率低下、氧耗高、對煤質(zhì)要求高、噴嘴壽命短、耐火磚GSP工藝、德士古工藝等,屬于下置噴嘴式的有Shell壽命短需要設置備用爐等,不會(huì )有根本性的改變,此爐、PRENFLO爐、Destec爐、兩段式氣化爐等。外,多噴嘴多路控制系統還增加了設備投資和維修工由圖4可以看出,對于上置噴嘴式氣化爐,排渣口作量(2)。為爐內溫度最低點(diǎn),為保證排渣順利,必須保證T溫度時(shí)灰粘度<25 Paos,因而要求操作溫度T2達到更.2水煤漿氣化與干煤粉氣化比較高的溫度;對于下置噴嘴式氣化爐,排渣口位于爐內溫度最高點(diǎn),只需保證在T2溫度下灰粘度<25 Pa.s即典型干煤粉氣化與水煤漿氣化性能指標見(jiàn)表1?？?。值得注意的是:德士古公司在研究開(kāi)發(fā)氣化技術(shù)之初,從氣化的比氧耗和比煤耗來(lái)說(shuō)，與下置噴嘴式流也打算采用干煤粉進(jìn)料,即打算將水煤漿先加人,再送程比較,上置噴嘴式流程需要更高的氣化反應溫度,因人1個(gè)快速加熱器,將煤漿快速干燥成干煤粉和水蒸而比氧耗較高;同時(shí),由于生成了更多的CO2,將使比氣,將蒸汽分離后的煤粉加人爐內氣化。這項工藝的煤耗增加。另外,由于氣化反應溫度的提高,將影響氣實(shí)質(zhì)還是干煤粉氣化工藝,只是把水煤漿作為一種較化爐水冷壁的壽命。為方便的加壓給煤的手段。德士古公司采用了水煤漿粉煤⊥氧燕汽氣化技術(shù)。表1典型干煤粉 氣化與水煤漿氣化性能指標比較項目干煤粉氣化水煤漿氣化.①含水低(尤其是內水無(wú)煙煤、煙堞、褐煤到分低)的煤種。②選用反應室-煤種適應性石油焦,局限性小.灰融點(diǎn)低和灰粘度適宜的煤種?；胰邳c(diǎn)FT管網(wǎng)-宜低于1 350 C.氣化溫度/C1 400~1 8001 300~1 450周化渣一冷煤氣效率79~850~78液態(tài)渣[p護氣比氧耗(O: (C+0.310.4T1H))/m3 .m-8溫度C .比煤耗_粗煤氣液渣排料口L冷流體(煤:(0O+H)) 0.5/kg. m-t煤氣液渣碳轉化率/%>9990~96(a)上置噴嘴式氣化爐負荷調節范圍/%50~12070~100煤氣出甘噴嘴壽命1年以上60~90天水汽去汽包運行壓力/MPa≤4.0.2.8~6.5,最商8.5氣化爐內襯水冷壁+涂層耐火磚夾層充氮氣內襯壽命/年>101~2單爐最大出力.>3 0002 400/t.d-二次煤粉+水熬氣二次煤粉+水蒸氣國內對干煤粉氣化操?lài)娮炷突鸫u壽命短，煤粉(氨氣攙帶)+煤粉(氟氣攜帶)+堞 I伏述存在問(wèn)題作還未完全掌握,處需設置備用爐水蒸氣+氧氣。.水蒸氣+氧氣于摸索階段-鍋爐水進(jìn)口渣池水進(jìn)口T; T,T:溫度C3進(jìn)料方 式對煤種的適應性比較渣池水出口發(fā)電中國煤化工氣化爐進(jìn)料分為下置噴嘴式和上置噴嘴式兩種。圍.MYHCNMHG高度的變化下置噴嘴式為煤粉從氣化爐下部進(jìn)入,上置噴嘴式為煤粉從氣化爐上部進(jìn)入。屬于上置噴嘴式氣化的有八4氣化后工藝比較"]5討論氣化后工藝是指氣化爐出口的高溫氣體經(jīng)過(guò)回收(1)應根據煤種的變化選擇合適的氣化技術(shù),如果熱量、除塵和增濕后變成水煤氣,以滿(mǎn)足下一-工序的需所氣化煤灰熔點(diǎn)較低(FT小于1 350 C),且成漿性能要。氣化后工藝通常有激冷流程和廢鍋流程兩種。較好,則既可以選擇水煤漿氣化,也可以選擇干煤粉氣激冷流程一般由激冷室(罐)、文丘里.洗滌塔組化;如果所氣化煤灰熔點(diǎn)較高(FT大于1 350 C),則成。氣體的熱量被水汽化吸收,灰渣混于水中,氣相中只能選擇干煤粉氣化;如果要求較高的氣化指標,則選包含有大量的水蒸氣,可以滿(mǎn)足變換工藝的需要。擇下置噴嘴式干煤粉氣化比較合適。廢鍋流程一般由一級或多級廢熱鍋爐、干洗和水(2)應根據產(chǎn)品的種類(lèi)選擇氣化后工藝設置。在洗除塵裝置組成。氣體的熱量用于產(chǎn)生高壓和中壓蒸進(jìn)行Texaco工藝、E-Gas工藝、Shell工藝、兩段式氣.汽,灰渣混于水中,氣相中包含有少量的水蒸氣?；に嚤容^時(shí),應該針對同一種產(chǎn)品,將氣化后工藝設目前國內運行的Texaco工藝只有激冷流程,在最置相同,也即應在同一基點(diǎn)上進(jìn)行幾種投資方式的比近引進(jìn)的Shell工藝中,也只有廢鍋流程- -種。較。研究認為,氣化后工藝的選擇,應視后續產(chǎn)品需要(3)水煤漿氣化在我國應用已近20年,盡管在引而定。甲醇合成時(shí)需要H2/CO在2.0左右。這就要進(jìn)之初也出現了各種問(wèn)題,但目前從技術(shù)的掌握、操作求氣化后的煤氣中含有相當多的CO,它與水蒸氣反的熟練程度和設備的國產(chǎn)化方面都有較大的優(yōu)勢。同應轉化成H2 ,其需要大量的水蒸氣。激冷流程既脫除時(shí)認為,隨著(zhù)國內引進(jìn)的Shell氣化技術(shù)的投產(chǎn),一定了塵渣,又起到了增濕的作用,使氣化后氣體中的汽氣能夠掌握好千煤粉氣化技術(shù)。比滿(mǎn)足變換工藝的需要。因此,針對甲醇合成而言,激.(4)我國具有自主知識產(chǎn)權的氣流床氣化技術(shù),如冷流程是一種比較合適的工藝。如果采用廢鍋流程，TPRI的兩段式氣化為代表的干煤粉氣化和華東理工雖然可以回收- -部分熱量,但廢鍋出口的水蒸氣含量大學(xué)為代表的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù),都已經(jīng)比較低,氣體溫度較低,經(jīng)水洗的增濕作用有限。因具備產(chǎn)業(yè)化條件。此,仍然要補充一部分水蒸氣到水煤氣中,這不僅在工藝上比較復雜,能量利用也不合理。由此可見(jiàn),廢鍋流[參考文獻]程對甲醇合成并不十分合理。例如，目前Shell工藝;[1] 許世森,張東亮,任永強.大規模煤氣化技術(shù)[M].北京:應用于中國的20套裝置,均采用廢鍋流程,既增加了化學(xué)工業(yè)出版社,2006.大量的投資,也使工藝復雜化。較為適宜的煤氣化工[2]陳家仁. 加壓氣流床煤氣化工藝的發(fā)展現狀存在的工程化問(wèn)題及對策[C].2007年中國煤炭加工與綜合利用技藝流程如圖5所示。術(shù)、市場(chǎng)、產(chǎn)業(yè)化信息交流會(huì )暨煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會(huì )，2007:70-77.Eas ]計遭}[3] 夏鯤鸝,陳漢平,等氣流床煤氣化技術(shù)的現狀及發(fā)展技[J].煤炭轉化,2005 ,28(4):69-73.選[備煤一醫電[4]汪壽建.Shell煤氣化技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].煤化工，2004,32(1):18-21.干煤粉+RENFLO[5] 張東亮,許世森,任永強,等.兩段式加壓粉煤氣化技術(shù)術(shù)一廠(chǎng) GSP?兩段爐圃[J].煤化工,2005,33(1);19-21.一團5較為適宜的煤氣化工藝流程(下轉第12頁(yè))中國煤化工MYHCNMHG八[5] 曾瑞良,徐秀清.直流燃燒器的穩燃原理及應用[J].中31th International Combustion Symposium, Heidelberg,國電力,1999 ,32(3):29- 31.Germany, 2006, in publishing.[6] 張海,呂俊復,岳光溪,等.若干煤粉燃燒器的設計思想[11]畢玉森.我國電站鍋爐低NO,燃燒器的應用狀況及運行分析[J].鍋爐技術(shù),2006,(12).實(shí)績(jì)[J].熱力發(fā)電,1998,(1):4-11.[7] 黃竹青,湯盛萍.煤粉濃縮燃燒技術(shù)的應用及其利弊分[12]陳長(cháng)棟,錢(qián)壬章。旋流燃燒器對低揮發(fā)分煤的適應性析[J].鍋爐技術(shù),2003,34(6);39 - 43.[J].中國電力,1997 ,30:45 -47 ,65.8] 張海,呂俊復,曾瑞良,等，多重富集低NO,型燃燒器及[13] 馬東森.德巴660 MW鍋爐結焦原因探討[J],電站系統其在65 t/h鍋爐上的應用實(shí)踐[J].熱力發(fā)電,2005,(6);工程,2004, 20(5):51-5225 -27.[14]陳智超,李爭起,孫銳,等.適用于1 025 t/h燃煤鍋爐的[9]楊宗恒. 濃縮型DRB雙調風(fēng)旋流燃燒器及其應用[J].巴.濃淡旋流煤粉燃燒技術(shù)的研究[J].中國電機工程學(xué)報，威鍋爐,2004,(3):21 -26.2004,24(4):189- 194.[10] Zhang Hai, Yue Guangxi, Lu Junfu, et al. 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(上接第8頁(yè))DEVELOPMENT AND PROGRESS IN LARGE - SCALECOAL GASSIFICATION TECHNOLOGY技術(shù)HAN Qi - yuan' ,XU Shi - sen2濟1. Anqing Branch Company of China Petro - chemical Co Ltd, Anqing 246003，Anhui Province, PRC2. Xi'an Thermal Power Research Institute Co Ltd, Xi'an 710032, Shaanxi Province, PRC述Abstract:Coal gassification is a key technology for developing coal-based industries, such as chemical products, liquid fuel, combinedcycle power generation, multiple co - generation system, hydrogen production, and fuel cell etc.. The dry - fed gassification in an airflow bed has advantages of high throughput per gssifier, wide adaptibility of coal sort, and high carbon conversion eficiency, so it .發(fā)is easily to be used in large - scale gssification. Moreover, the dry - fed coal gssification techology, such as Shell, Prenflo, GSP andTPRI two - stage gssfication, as well as slurry - fed technology, suct中國煤化工° dvlped col 8ssf.tinhave been presented, and these two kinds of technology being comparQKey words:coal gssification; air flow bed; slurry - fed gssification;TYHCNMHG八12