煤氣化技術(shù)方案比較及選擇

2006, 16(3)何正兆等煤氣化技術(shù)方案比較及選擇綜述名煤氣化技術(shù)方案比較及選擇{評論多何正兆*宮經(jīng)德鄭振安汪壽建五環(huán)科技股份有限公司 武漢430079摘要介紹 GE水煤漿氣化工藝與SHELL干粉煤氣化工藝的差別，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟對比，闡述在目前經(jīng)濟條件下煤化工項目采用SHELL干粉煤氣化工藝的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞GE 水煤漿氣化SHELL 干粉煤氣化比較選擇藝(原稱(chēng)德士古(TEXACO)水煤漿氣化工藝)、1概述美國DYNEGY公司的DESTEC氣化工藝、德國以煤為原料生產(chǎn)合成氣，國內常用常壓固定KRUPP UHDE公司的PRENFLO工藝(加壓K層氣化爐，以無(wú)煙塊煤或焦炭為原料。該工藝雖-T法)及德國魯奇(LURGI) 工藝。其中然技術(shù)成熟可靠，設備全部國產(chǎn)化，投資較省，DESTEC 氣化工藝與GE工藝相近，但其業(yè)績(jì)及但能耗高、煤質(zhì)要求高，需用無(wú)煙塊煤或焦炭，經(jīng)驗不如 GE; PRENFLO工藝的工藝指標較好,資源利用率低，而且是常壓操作,生產(chǎn)強度小，但目前僅有 1套示范裝置,生產(chǎn)操作經(jīng)驗較少;操作時(shí)“三廢”排放量大，對環(huán)境污染比較嚴魯奇 (LURGI) 工藝雖然工業(yè)裝置較多,生產(chǎn)重，顯然與國外煤氣化技術(shù)相比，存在較大差操作經(jīng)驗也比較豐富, 但由于煤氣中CH4含量距。多年以前，國內研究部門(mén)也曾開(kāi)發(fā)過(guò)以粉煤高，有效成分(0O+H2)含量低，且煤氣中焦為原料的K - T爐和熔渣爐,并在常壓固定層氣油及酚含量高，污水處理復雜，不宜用來(lái)生產(chǎn)合化爐中采用富氧連續氣化的工藝，以及近年開(kāi)發(fā)成氨和甲醇的原料氣。的恩德粉煤氣化爐和灰熔聚氣化爐等,因種種原目前國際上技術(shù)比較成熟、工藝指標比較先因這些技術(shù)尚未達到大型工業(yè)化裝置推廣的程進(jìn)、業(yè)績(jì)較多的主要是SHELL公司干煤粉氣化度。工藝和GE公司水煤漿氣化工藝，兩者均為加壓煤氣化技術(shù)早在20世紀初在國外已實(shí)現工純氧氣流床液態(tài)排渣的氣化工藝。業(yè)化，50年代后因天然氣、石油大量開(kāi)發(fā),煤2 SHELL 和GE兩種煤氣化技術(shù)氣化技術(shù)發(fā)展-度停滯不前。20 世紀70年代,國際上出現能源危機,發(fā)達國家出于對石油天然(1) SHELL公司在渣油氣化技術(shù)取得工業(yè)氣供應緊張的擔憂(yōu)，紛紛把煤氣化技術(shù)作為替代化成功經(jīng)驗的基礎上， 于1972年開(kāi)始從事煤氣能源技術(shù)重新提到議事日程，并加快了對煤氣化化技術(shù)的研究。1978年第--套中試裝置在德國新工藝研究。近20年來(lái)，國外很多公司為了提漢堡建成并投入運行; 1987 年在美國休斯敦附高燃煤電廠(chǎng)熱效率，減少對環(huán)境污染，對煤氣化近建成的日投煤量(250~400) t的示范裝置投聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了大量的開(kāi)發(fā)研究工作，產(chǎn); 日投煤量2kt的大型氣化裝置于1993 年在促進(jìn)了煤氣化技術(shù)的發(fā)展。目前已成功開(kāi)發(fā)了對荷蘭 的Buggenum建成投產(chǎn)(Demkolec 電廠(chǎng)),煤種適應性廣、氣化壓力高、生產(chǎn)能力大、氣化用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，該氣化裝置為單系列操作,效率高、對環(huán)境污染少的新- -代煤氣化工藝。其.裝置的開(kāi)工率在95%以上。生產(chǎn)實(shí)踐證明,中具有代表性的有荷蘭殼牌(SHELL) 公司的SHEr中國煤化望可靠的。目前該干煤粉氣化工藝、美國GE公司的水煤漿氣化工技術(shù)HCNMHG●何正兆:高級工程師。1989年畢業(yè)于華東化工學(xué)院無(wú)機化工專(zhuān)業(yè)。長(cháng)期從事化工工藝設計工作。電話(huà): (027) 87501295。4CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工設計2006,16(3)(2) GE (TEXACO) 公司很早就開(kāi)發(fā)了以加至磨煤機， 過(guò)篩后制得高濃度水煤漿。制漿要天然氣和重油為原料生產(chǎn)合成氣技術(shù)，20世紀求煤粉的“粗”“細” 顆粒要有合理比例:一般70年代的石油危機促進(jìn)其尋找替代能源和潔凈420μ煤粉占90% ~95%，44μ 占25% ~ 35%較的煤氣化技術(shù)，經(jīng)多年研究以后,推出了水煤漿為適宜。研磨操作中加人穩定劑后，可使煤漿濃氣化工藝。該工藝技術(shù)已在山東魯南、上海焦度提高1%~2%，達到60% ~67%工業(yè)應用的化、陜西渭河、安徽淮化4套裝置投運，最長(cháng)的水平。已具有近8年生產(chǎn)操作經(jīng)驗。運行基本良好,顯2.3加煤方式示了水煤漿氣化的先進(jìn)性，但使用該項技術(shù)所建(1)在SHELL煤氣化工藝中，干燥后煤粉的生產(chǎn)裝置，要達到長(cháng)周期滿(mǎn)負荷運行，尚較困用氮氣(或二氧化碳氣)輸送至貯倉，經(jīng)煤鎖斗難，特別是對煤種的可選擇性限制了其發(fā)展。人加壓粉煤倉，再由高壓氮氣(或二氧化碳氣)SHELL煤氣化工藝與GE水煤漿氣化工藝,將煤粉均勻送至氣化爐燒嘴。由于整個(gè)過(guò)程用氮是當前先進(jìn)而又成熟的兩種煤氣化技術(shù)，已成功氣(或二氧化碳氣)密封輸送,并由程序控制自地在工業(yè)規模上應用多年。兩種氣化工藝對比分動(dòng)進(jìn)行。實(shí)踐證實(shí),這種加壓下輸送粉煤的進(jìn)料析如下:方式操作可靠，安全性有保證。但對系統的防爆2.1原料的適 應性和防泄漏要求嚴格，鎖斗系統操作相對比較復(1) SHELL煤氣化是潔凈的煤氣化工藝，雜?？梢允褂煤置?、次煙煤、煙煤、無(wú)煙煤等煤種以(2)在GE水煤漿氣化工藝中，制備的煤漿及石油焦為原料，也可使用兩種煤摻合的混煤，通過(guò)中間槽、低壓泵、煤漿篩人煤漿槽,再由高并成功地將高灰分(5.7% ~ 24.5%，最高壓煤漿泵送至氣化爐，因而輸送過(guò)程操作非常安35%)、高水分(4.5% ~ 30.7%)和高硫分的劣全。但是對重要設備如高壓煤漿泵的質(zhì)量要求較質(zhì)煤種進(jìn)行氣化。對于原料煤和燃料煤價(jià)差較大高，泵內隔膜襯里需定期更換，才能使該泵能長(cháng)地區有可能使其兩者合- -，既簡(jiǎn)化貯運系統又可期穩定運行。降低生產(chǎn)成本，可見(jiàn)該工藝在煤種應用上有很大2.4氣化系列配置靈活性。(1)在SHELL煤氣化工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中作了(2) GE水煤漿氣化工藝能使用較多煤種:大量基礎工作，在不同規模中試裝置中解決了各如煙煤、次煙煤、石油焦和煤液化殘渣。但是在種技術(shù)關(guān)鍵，因而在工業(yè)裝置中采用單系統配煤種選擇上需考慮以下兩點(diǎn):①應選用含水低，置,不設備用系列,并已在投煤量為2kt/d生產(chǎn)尤其是內水分低的煤種，否則不利于制取高濃度裝置中得到驗證，氣化裝置運轉率達到95%以水煤漿;②選用灰融點(diǎn)低和灰粘度適宜的煤種。上?；胰邳c(diǎn)FT (T3)宜低于1300C，否則會(huì )影響氣(2)GE水煤漿氣化裝置通常是多系列配化爐內耐火磚的使用壽命。置,且必須設有備用系列。根據生產(chǎn)規模要求,2.2煤的準備設有2~4臺氣化爐，無(wú)論是1開(kāi)1備(2X原煤通常需篩選和研磨破碎使其達到一定粒100%能力)，2開(kāi)1備(3x50% 能力)方式運度,以滿(mǎn)足輸送和氣化操作要求。行，裝置均有很高運轉率。(1)在SHELL煤氣化工藝中，將煤研磨至2.5氣化爐結構氣化合適粒度的同時(shí)，用惰性氣體的熱風(fēng)進(jìn)行干(1) SHELL 氣化爐為水冷壁結構，運行時(shí)燥。出磨機時(shí)90% (wt) 煤的粒度<100μ,煤熔融灰渣在壁面形成渣層，不僅提供氣化爐壁隔中含水量控制在2% (wt) 以下，以利于氣相輸熱功能而體執能增生減小到最低，因此冷煤送干粉進(jìn)料的要求。氣效YH中國煤化工督低;同時(shí)渣層(2)在GE水煤漿氣化工藝中,通常采用一-“以C N M H G化亦可保護氣化段濕磨工藝,小于10mm粉煤與水、添加劑同時(shí)爐壁免受熔渣的侵蝕，因此牢固可靠，設備維護2006, 16(3)何正兆等煤氣化技術(shù)方案比較及選擇5量小。但水冷壁結構比較復雜，制造難度高。室、文丘里洗滌器、高效洗滌塔組成的濕法洗滌(2) GE氣化爐結構比較簡(jiǎn)單。以耐火磚為操作來(lái)分離煤氣中固體顆粒。襯里，高溫合成氣與熔融灰渣直接侵蝕耐火襯2.9渣水分離里，因此襯里使用周期受到限制，一般為1~2煤氣在濕洗過(guò)程中排出含灰洗滌水，又稱(chēng)黑年需要更換。水。通常經(jīng)過(guò)減壓閃蒸、澄清增濃操作進(jìn)行灰水2.6燒嘴分離。兩種氣化工藝由于排水溫度及含灰量差(1) SHELL煤粉氣化爐通常使用多個(gè)燒嘴,異，致使渣水分離流程繁簡(jiǎn)程度有所不同。采用成雙對稱(chēng)布置。遇到負荷變動(dòng)時(shí)，可以增減(1)在SHELL煤氣化工藝中,煤氣夾帶的進(jìn)燒嘴的粉煤量，也可調整燒嘴運行個(gè)數來(lái)適應細灰大部分(~99%)在千法除塵中分離，因而生產(chǎn)要求。平時(shí)維護量極少，可連續使用濕法洗滌之排水含灰低，溫度也不高,大部分循8000h，目前最長(cháng)使用壽命已超過(guò)16000h。環(huán)使用。少量排水經(jīng)一級減壓放出溶解氣后，經(jīng)(2) GE水煤漿氣化爐僅有1個(gè)裝在氣化爐過(guò)汽提、澄清、沉降后排放去生化處理，分離出頂部的燒嘴。用于合成氣生產(chǎn)時(shí)，燒嘴通常是三細煤泥可返回至磨煤系統。流道型固定式非可調的，只能用燒嘴本身的彈性(2)在GE水煤漿氣化工藝中,夾帶在煤氣范圍來(lái)適應生產(chǎn)負荷變動(dòng)的工況。目前運行中所有灰分全部轉人激冷室排出之黑水中，溫度1500h左右就需要進(jìn)行檢查和維護，并需作預防高(~220C)、水量大,通常設置2~4級減壓性更換。閃蒸回收熱量，再經(jīng)澄清絮凝，灰漿經(jīng)真空過(guò)濾2.7合成氣冷 卻與熱量回收以濾餅形式排出。分離后的洗滌水返回氣化，少(1)在SHELL煤氣化工藝中，出氣化爐高量送污水處理。渣水系統流程較長(cháng)，對減壓閥、溫煤氣用粗煤氣冷激至900C，經(jīng)合成氣冷卻器部分管道磨損較為嚴重?；厥諢崃亢?，煤氣溫度降至350C左右。合成氣2.10爐渣與細灰冷卻器可根據需要，生產(chǎn)高壓蒸汽、中壓蒸汽或煤中的灰分經(jīng)氣化后，大部分以粒狀爐渣從過(guò)熱蒸汽。出合成氣冷卻器煤氣經(jīng)干法除塵后，渣 斗中排出，小部分成細灰從系統中分離?；以俳?jīng)熱水洗滌，作合成氣用時(shí)可控制煤氣中含中還含 有少量的碳。10% ~ 20%的水份。使高溫煤氣顯熱得到充分利(1)在SHELL煤氣化工藝中，因爐內氣化用。溫度高、反應速度快，碳的轉化率>99%，因而(2)在GE水煤漿氣化工藝中,煤氣顯熱回排出爐渣中含C<1%。干法除塵排出之細灰含收采用水激冷，在洗滌的同時(shí)將煤氣的顯熱直接C<5%，可直接用作水泥生產(chǎn)原料。轉化成蒸汽。出激冷室煤氣中水/氣比可達1.3(2)在GE水煤漿氣化工藝中，碳轉化率為~1.45，雖然熱利用率很高，但是對激冷室排出96% ~98%，由于碳轉化率隨氣化溫度上升而增黑水的熱量回收是影響回收效率高低的一個(gè)重要大,出于延長(cháng)氣化爐磚使用壽命考慮，實(shí)際碳轉因素?；式?jīng)常在94%~96%。因此排出爐渣含碳2%2.8煤氣除塵~5%，而在濾餅中含碳量達15%~30%。煤氣中含灰量應達約1ppm,以防止給后工2.11運行周期序帶來(lái)不良影響。由于氣化爐結構上的差異導致氣化爐運行周(1) 在SHELL煤氣化工藝中,采用干法 期有較大差別。(高溫高壓飛灰過(guò)濾器) +濕法洗滌(水洗塔)(1) SHELL煤氣化爐采用水冷壁結構，無(wú)的除灰流程。干法除下的細灰可以出售,亦可返耐溫度的要求比GE氣回磨煤系統。在濕法洗滌除灰的同時(shí)，也脫除了化爐中國煤化工周期長(cháng)，故能保證煤氣中NH、HCN、 CI~ 等有害微量組分。氣化CNMH G(2)在GE水煤漿氣化工藝中，通過(guò)激冷(2) GE氣化爐內砌耐火磚，目前國產(chǎn)耐火6CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工設計2006,16(3)磚使用壽命不到1年，國外耐火磚也只有1~2表3 GE煤氣化技術(shù)的工程應用(t/d)年。GE氣化裝置受耐火磚的壽命、氣化燒嘴運合同工廠(chǎng)公稱(chēng)投煤量行時(shí)間等的影響，連續運行周期受到限制。美國田納西州Eastman氣化廠(chǎng)820 (氣化爐1+1臺，6.5MPa)3兩種工藝的應用美國加利福尼亞州冷水工程910 (氣化妒1+1臺, 4.2MPa)以大同煤峪口礦煤為基準，兩種煤氣化工藝日本宇部氨廠(chǎng)1380 (氣化爐3+1臺，4.0MPa)的氣體成分見(jiàn)表1,工程應用見(jiàn)表2和表3。.美國TAMPA電廠(chǎng)2000 (氣化爐1+1臺，3.92MPa)表1氣體成分魯南化肥廠(chǎng)360 (氣化爐1+1臺，2.7MPa)成分SHELL工藝GE工藝備生渭河化肥廠(chǎng)1500 (氣化爐2+1臺，6.5MPa)Hh19.0431 .03上海焦化廠(chǎng)1500 (氣化爐3+1臺，4.0MPa)∞69.1749.1969.17/49. 19= 140%淮南化工總廠(chǎng)1000 (氣化爐2+1臺, 4.0MPa)0029.8318.5618.56/9.83= 189%浩良河化肥廠(chǎng)1000 (氣化爐2+1臺，4.0MPa)1.720.55金陵石化廠(chǎng)1000 (氣化爐2+1臺，4.0MPaAr0.120.50目前兩種煤氣化技術(shù)在國內外都有較好的應CH0.05用業(yè)繢，GE (TEXACO) 工藝推廣較早,應用H2S+ 00S業(yè)績(jì)較多，SHELL 工藝起步較晚，但是發(fā)展迅表2 SHELL 煤氣化技術(shù)的工程應用速，后來(lái)居上。4結語(yǔ)德國漢堡KVA氣化裝置150根據以上比較可知SHELL煤氣化工藝在以美國休斯敦SCGP-1氣化裝置250~ 400下幾方面都有明顯的優(yōu)越性:荷蘭Denkolee電廠(chǎng)2000(1)原料煤種的適應性?？梢圆皇苊悍N的限制，使用原料范圍更廣，屬潔凈煤技術(shù),為環(huán)保湖北雙環(huán)化工集團1000性新工藝。廣西柳州化肥廠(chǎng)(2)工藝特點(diǎn)。煤氣化工藝碳轉化率高、熱中石化洞庭氮肥廠(chǎng)效率高、氧耗低,氣化關(guān)鍵設備及控制系統安全可靠。中石化湖北化肥廠(chǎng)(3)投資、消耗及運行費用。雖然SHELL .中石化安慶化工總廠(chǎng)方案投資比GE方案略高，但從技術(shù)先進(jìn)性及操作費用上，采用SHELL干粉煤氣化工藝明顯優(yōu)云南沾化集團于GE水煤漿氣化工藝。(4)運轉周期。SHELL 煤氣化工藝煤燒嘴云南云天化集團可以連續運行8000h以上; GE水煤漿氣化工藝大連大化集團煤燒嘴運行1500h就需檢查更換。永城煤業(yè)集團(5)環(huán)保。SHELL 煤氣化工藝排出的爐渣含碳<1%、飛灰含碳<5%，可以再利用，同時(shí)中原大化集團中國煤化工工藝排出的爐渣河南開(kāi)祥公司含碳HCNMHG同時(shí)排出的廢水注:國內裝置均在建中，除神華集團為氣化爐2臺，4.0MPa也較多。外，其余均為氣化爐1臺，4.0MPa。(收稿日期2005-11-17)