氣流床煤氣化工藝技術分析

朱玉芹 ，耿勝楚 ，李 彥 ，谷政權

（1．河南煤業化工集團鶴煤公司，河南 鶴壁 458000;2．河南煤業化工集團中原大化公司，河南 濮陽 457000）

氣流床煤氣化工藝技術分析

朱玉芹1，耿勝楚1，李 彥2，谷政權1

（1．河南煤業化工集團鶴煤公司，河南 鶴壁 458000;2．河南煤業化工集團中原大化公司，河南 濮陽 457000）

氣流床煤氣化是我國煤高效潔凈利用的關鍵技術。簡要總結了氣流床煤氣化技術的基本特點和主要影響因素，著重介紹了具有代表性的氣流床煤氣化技術:殼牌（shell）煤氣化技術、德士古水煤漿加壓氣化技術、GSP氣流床氣化技術、多噴嘴對置式水煤漿氣化技術以及航天爐（HT-L）粉煤加壓氣化技術，討論了各種技術各自的優勢及存在的問題。

煤氣化;氣流床;干煤粉氣化;水煤漿氣化

煤炭氣化在煤化工產業鏈中處于基礎地位，氣化所生產的氣體可以作為燃料 （作為工業燃氣、民用煤氣、冶金還原氣），化學合成的原料（合成氣），聯合循環發電燃氣、煤炭氣化制氫、煤炭氣化燃料電池、煤炭液化的氣源，是兼顧煤能源與資源價值的利用途徑。在煤炭氣化的諸多技術中，氣流床煤氣化技術具有生產能力大、較大的煤種與粒度適應性以及較高的碳轉換效率等技術優越性，因而被諸多廠家所選用。

1 氣流床煤氣化技術的主要特點

氣流床氣化是煤炭氣化的一種重要形式。原料煤以粉狀入爐，粉煤和氣化劑經由燒嘴或燃燒器一起夾帶、并流送入氣化爐，在氣化爐內進行充分的混合、燃燒和氣化反應。由于在氣化爐內氣固相對速度很低，氣體夾帶固體幾乎是以相同的方向運動，因此成為氣流床氣化或者夾帶床氣化。氣流床煤氣化技術主要有以下特點:煤種適應性強、氣化溫度高以及液態排渣。

2 氣流床煤氣化技術分類及典型工藝

現有的氣流床氣化技術按進料形式不同，可分成干煤粉進料和水煤漿進料兩大類;以爐內氣流方向分，可分為上行和下行兩類;以工藝流程可分為廢鍋型和直接水激冷型兩類;按噴嘴的數量和布置來分，又可分為單噴嘴直噴和多噴嘴對噴兩類;以氣化爐內是否襯有耐火保溫材料來分，又有熱爐壁和水冷壁兩種;以進料方式來分，又有一段和兩段兩種。

典型的氣流床煤氣化工藝有:殼牌（Shell）煤氣化技術、德士古水煤漿加壓氣化技術、GSP氣流床氣化技術、多噴嘴對置式水煤漿氣化技術、航天爐（HT-L）粉煤加壓氣化技術等。

2．1 殼牌（shell）煤氣化技術

殼牌煤氣化技術[1]，工藝流程主要包括原料煤的預處理、煤的加壓和投料、煤的氣化、除灰、煤氣凈化、脫硫以及配套的水處理、空分、氮氣系統等。 裝置的造氣壓力為 2．0～4．0MPa，操作溫度1400～1600℃，采用液態排渣技術，渣中含碳量＜1%，干煤粉進料，碳轉化率達99%，煤氣中有效氣含量約 90%， 有效氣比氧耗約340m3·km－3（CO＋H2），比煤耗約 590kg·km－3（CO＋H2）[2]。

綜合目前多家已投產裝置的運行情況，Shell粉煤氣化工藝特點如下:

（1）對煤種適應性強，從褐煤、次煙煤、煙煤到無煙煤、石油焦均可使用，對煤的灰熔點、灰分、硫含量等煤種適應范圍比其他氣化工藝相對寬。

（2）單系列氣化爐生產能力大，投煤量可達2000t·d－1以上，單臺氣化爐投煤量最大的達2800 t·d－1，為正在建設中的鶴壁 60萬 t甲醇項目煤氣化裝置。

（3）碳轉化率高，產品氣體質量好。氣化溫度高，一般在1400～1600℃，碳轉化率高達99%以上。產品氣體潔凈，CO＋H2達到90%，煤氣中甲烷含量極少，不含重烴。

（4）氣化氧耗低，熱效率高。與水煤漿氣化工藝相比，氧耗低15%～25%，可降低配套空分裝置投資和運行費用。殼牌煤氣化技術顯熱利用率高，煤氣化的冷煤氣熱效率達到80%～83%，其余約15%副產高壓或中壓蒸汽，總熱效率高達98%。

（5）殼牌煤氣化技術控制系統自動化程度高，聯鎖控制保護系統完善。

（6）運轉周期長。氣化爐采用水冷壁結構，牢固可靠，無耐火磚襯里。正常使用維護量小，運行周期長，無需設置備用爐。煤燒嘴設計壽命長達8000h。

（7）環境效益好。系統排出的爐渣和飛灰含碳低，可作為水泥添加劑或其他建筑材料，堆放時也無污染物滲出。氣化污水量小且不含焦油、酚等，容易處理。

Shell煤氣化技術也存在著一些不足:

（1）流程及控制系統復雜。煤氣化裝置流程復雜，包括磨煤及干燥、煤粉加壓及進料、煤氣化、除渣、除灰、濕洗、初步水處理7大工序和公用系統。煤氣化裝置的控制系統比較復雜，I／O點多達3000多個，通過分散型控制系統（DCS）、緊急停車系統（ESD）、可編程邏輯控制（PLC）實現生產過程的集中監控和管理，無論從規模還是復雜程度方面在國內化工行業單套裝置中均為少見，因此對生產控制人員素質要求較高。

（2）設備結構復雜和受力情況復雜，對材料要求高，內件組裝對外殼接管標高及方位要求極為嚴格，設計、制造、組裝、運輸和吊裝難度大。疲勞設備多，煤氣化裝置共有13臺疲勞設備，對設備制造也提出了更高的要求。

（3）國產化程度低。煤氣化關鍵設備中氣化爐、輸氣管、合成氣冷卻器的內件，飛灰過濾器的內件，以及點火燒嘴、開工燒嘴、煤燒嘴、煤流量控制閥、煤三通閥、煤粉流量測量儀表、煤粉閥、煤灰渣閥、硬密封儀表球閥、鍋爐給水循環泵（大流量）、恒力吊、激冷氣壓縮機等大多需要進口。目前，其中部分設備如煤燒嘴等可以實現國產化。

（4）施工復雜。煤氣化框架高超過90 m，為鋼筋混凝土和鋼結構混合結構，其中安裝設備不僅數量多，且質量大，與框架的連接形式復雜。結構施工和安裝工作量較大。

（5）相對來講，殼牌煤氣化項目的建設周期較其他煤氣化工藝長，投資也較高。

2．2 德士古（Texaco）水煤漿加壓氣化技術

德士古（Texaco）水煤漿[3]加壓氣化技術，工藝流程主要包括煤的研磨和煤漿制備、煤漿儲運、煤氣化及合成氣洗滌、渣水處理系統以及配套的空分等部分。氣化爐熱量利用有激冷、廢鍋、激冷和廢鍋結合3種流程，可以根據產品選擇合適的流程。生產合成氨和甲醇的生產裝置一般采用激冷流程，所得煤氣的汽氣比和氫碳比均較高。氣化爐采用濕法進料，液體排渣技術，煤漿含水量約 30%～40%[4]。

Texaco水煤漿氣化工藝具有如下特點:

（1）對煤種有一定適應性，常選用灰熔點溫度低于1350℃、灰分含量不超過15%、煤的熱值高于 26000kJ·kg－1，并有較好的成漿性，能制成 60%～65%濃度水煤漿的煤種。

（2）可根據使用煤氣的需要來選擇氣化壓力。工業裝置使用壓力在 2．8～6．5MPa 之間。

（3）熱回收可根據煤氣用途選擇激冷和廢鍋兩種類型。氣化爐燃燒室內壁由多層特種耐火磚砌筑，氣化爐操作溫度為1300～1400℃，比原料煤的灰熔點高50～100℃。

（4）合成氣質量較好，有效組分（CO＋H2）含量占80%，甲烷量＜0．1%。碳轉化率 95%～98%。冷煤氣效率70%～76%。

（5）由于水煤漿中含有35%～40%水分，因而氧氣用量較大。

（6）氣化過程不產生焦油、萘、酚等污染物，故廢水治理簡單，易達到排放指標。高溫排出的融渣，冷卻固化后可用于建筑材料，填埋時對環境也無影響。

（7）國內已經完全掌握了Texaco氣化工藝，主要設備都可以國產化，只引進燒嘴、煤漿泵等少量設備，可節省大量投資。國內已經積累了大量的Texaco氣化工藝建設、運行經驗，因此設備制造、安裝和工程實施周期短，開車運行經驗豐富。

目前影響德士古氣化裝置長周期穩定運行的關鍵因素是氣化爐燒嘴運行周期短。氣化爐燒嘴運行周期一般不超過60d，燒嘴即因為噴頭磨損、裂紋等問題而需要更換。這是造成德士古氣化裝置必須有備爐的主要原因，從而導致裝置投資增加，運行費用增加。當前，國外向火面耐火磚使用壽命達2年，國內耐火磚使用壽命約1年，耐火磚更換費用占整個裝置維修費用的1／2以上，更換時間超過1個月。該工藝存在黑水系統結垢、氣化爐帶水等問題，影響了裝置的連續穩定運行。而且該技術的煤氣化爐僅有1個燒嘴，因此操作彈性相對較低。

2．3 GSP氣流床氣化技術

GSP氣流床氣化技術是由原民主德國的德意志燃料研究所（DBI）于1975年開發的煤氣化技術，可用于處理固體燃料，尤其是低品位褐煤。1991年，該技術被德國的諾爾公司獲得，并對其進行了系統性的改進。該技術屬于氣流床加壓氣化技術，以干煤粉為原料，采用單燒嘴下行制氣，氣化爐內有水冷壁內件，操作壓力2．8MPa，操作溫度1450～1600℃。碳轉化率達99%以上，煤氣中甲烷含量極少（＜0．1%）。 不含重烴，CO＋H2達 90%以上[5]。

反應器呈圓柱型，為水夾套包裹，分為反應室和激冷室上下2個室。在反應室的最上部為燃燒燒嘴，GSP氣流床氣化技術的運行燒嘴與開工燒嘴為一組合結構，反應物粉煤通過氮氣攜帶加壓與高壓氧氣、蒸汽經氣化爐反應室上部工藝燒嘴噴入氣化爐。顆粒在高溫中快速發生熱裂解反應，裂解產物在高濃度的氧中迅速燃燒。反應室和激冷室通過氣化器的特殊的排除口連接:激冷水在排除口處供給;合成氣在激冷室的中部引出。在激冷室的下部為錐型集渣室，激冷水從渣室上部溢流出氣化爐[6]。

GSP氣流床氣化技術具有氣流床氣化的突出優點:煤種適應廣、處理能力大、氣化效率高、碳轉化率高、環境友好等。氣化爐的結構較為復雜，國產化程度較低，需引進，因而投資較高，而且GSP技術工業化運行裝置太少，實際經驗淺薄。

2．4 四噴嘴對置式水煤漿氣化技術

由華東理工大學、兗礦集團等合作開發的四噴嘴對置式[7]水煤漿氣化技術屬氣流床加壓氣化裝置，濕法進料，液態排渣。煤氣化系統主要由水煤漿制備裝置、四噴嘴對置煤氣化裝置、煤氣初步凈化裝置、含渣水處理裝置及配套空分裝置等部分組成。對置式四噴嘴氣化裝置氣化壓力為3．0～6．5MPa， 操作溫度 1200～1300℃， 殘渣含碳量≤5%，有效氣含量≥83%，碳轉化率≥97%，有效氣（CO＋H2）≥80%，比氧耗≤380m3·km－3，比煤耗≤550kg·km－3[8]。

四噴嘴對置式水煤漿氣化技術具有如下優點:比煤耗低、產氣量大、渣中含碳量低、運行周期長、負荷調節靈活，并且擁有自主知識產權。但是，由于采用四噴嘴技術，煤氣化裝置投資較高，超過德士古技術的20%～30%。裝置運行過程中出現的氣化爐拱頂磚沖刷嚴重和拱頂超溫等問題，影響了裝置的運行穩定性。

2．5 航天爐（HT-L）粉煤加壓氣化技術

航天爐（HT-L）粉煤加壓氣化技術（以下簡稱航天爐技術）屬于加壓氣流床工藝，是在借鑒殼牌、德士古及GSP加壓氣化工藝設計理念的基礎上，由北京航天萬源煤化工工程技術有限公司自主開發、具有獨特創新的新型粉煤加壓氣化技術。2008年先后在安徽臨泉、河南龍宇建成2套單爐日投煤量720 t的示范裝置。從目前運行情況看，基本達到設計要求，最長連續運行時間已達到128d[9]。

航天爐由燒嘴、氣化爐燃燒室、激冷室及承壓外殼組成，其中燒嘴為點火燒嘴、開工燒嘴和粉煤燒嘴組成的組合式燒嘴，設計氣化溫度1400～1600℃，氣化壓力 4．0MPa。激冷室為一承壓空殼，外徑與氣化爐燃燒室的直徑相同，上部設有激冷環，激冷水由此噴入氣化爐內。下降管將合成氣導入激冷水中進行水浴，并設有破泡條及旋風分離裝置，這種結構可有效解決氣化爐帶水問題。激冷過程中，激冷水蒸發，煤氣被水蒸汽飽和，出氣化爐為199℃，經文丘里洗滌器、洗滌塔洗滌后，194℃、固體含量小于 0．2mg·m－3的合成氣送去變換。

航天爐技術有著諸多優點:煤種適應范圍廣，煤的灰熔點可選范圍寬（1250～1650℃），氣化原料可選范圍廣;碳轉化率高，粗合成氣品質好，CH4含量低碳轉化率設計值≥99．5%，出口合成氣有效氣體 （CO＋H2） 體積≥90%，CH4體積≤130×10－6。控制系統自動化程度高，有完善的安保聯鎖系統;環保性能好，排放的污染物少;具有自主知識產權，工藝成熟可靠，主要設備完全國產化，投資少，比同規模Shell工藝投資要少1／3。由于工藝原因，大部分的熱量都由粗煤氣及熔渣帶入激冷水中，造成熱量損失。

3 結語

氣流床煤氣化技術具有較大的煤種與粒度適應性以及較高的碳轉換效率等技術優越性，因而成為以煤為原料生產大容量、高效潔凈、運行可靠的燃氣與合成氣的首選技術。當前幾種氣流床煤氣化技術在實際生產中得到較多的工業示范運行，個別的已經進行了商業運營，取得了較理想的成績，但同時也有不完善之處。我國目前已具有自主知識產權的大規模高效氣流床煤氣化技術，但我國必須從深層次上開展氣流床煤氣化領域的基礎研究工作，建立解決關鍵科學問題的理論體系，解決氣流床煤氣化技術目前存在的問題，用可靠的基礎研究成果支撐我國的煤氣化技術盡快實現大規模、高效化的跨越，以滿足國民經濟發展對煤炭清潔利用的迫切需求。

[1] 汪家銘．殼牌煤氣化技術在我國的應用 [J]．化肥設計，2007，45（4）:19-22．

[2] 李亞東．Shell粉煤氣化技術應用綜述 [J]．大氮肥，2010，33（1）:46-49．

[3] 黎軍．德士古水煤漿氣化工藝概況 [J]．安徽化工，2001，27（1）:46-49．

[4] 唐迎春．德士古水煤漿加壓氣化工藝裝置問題探討及對大化集團引進技術的借鑒意義[J].大化科技，2007，（1）:9-14．

[5] 王德山．GSP煤氣化技術設備概況[J]．煤化工，2007，（3）:38-40．

[6] 趙瑞同、李磊，等．未來能源公司的GSP氣化技術[J]．煤化工，2005，（6）:19-22．

[7] 李偉峰，于廣鎖，龔欣，王輔臣，等．多噴嘴對置式煤氣化技術[J]．氮肥技術，2008，29（6）:1-5．

[8] 劉樂利．多噴嘴水煤漿氣化技術在我國的發展[J]．煤炭加工與綜合利用，2005，（3）:44-45．

[9] 孫永才，劉偉．航天爐粉煤加壓氣化技術淺析[J]．化肥工業，2010，37（1）:55-57．

Technology Analysis of Entrained-bed Coal Gasification

ZHUYu-qin1， GENGSheng-chu1， LIYan2， GUZheng-quan1
（1．Hebi Coal Co．，Ltd．， Henan Coal Industry and Chemical Group Co．， Hebi458000， China;2．Zhongyuan Dahua Group Co．， Ltd．， Henan Coal Chemical Industry Group， Pu yang 457000， China）

Absrtact:Entrained-bed coal gasification was the key technology of high efficiency and clean utilization of coal in China．Its basic characteristic and main affecting factors were briefly introduced．Representative entrained-bed coal gasification technologies， such as Shell of dry pulverized-coal gasification， Texaco of coal water slurry gasification， GSP gasification technology，multi-nozzle opposing coal-water slurry gasification and pulverized coal gasification of Hangtian Gasifier were focused， and their advantages and existed problems were also discussed．

coal gasification;entrained-bed;dry pulverized-coal gasification;coal water slurry gasification

TQ 546

A

1671-9905（2011）10-0079-04

朱玉芹（1983-），女，河南濮陽人，助理工程師，從事煤化工生產相關工作，電話:15839238832，E-mail:chuxgyq＠163．com，地址:河南省鶴壁市山城區西環路涼水井村南，鶴壁煤電股份有限公司煤化工籌建處空分廠，郵政編碼:458000

2011-06-30