GSP氣化技術的發展與優化

范為鵬

（神華寧煤集團煤制油項目建設指揮部，寧夏銀川 750000）

GSP氣化技術的發展與優化

范為鵬

（神華寧煤集團煤制油項目建設指揮部，寧夏銀川 750000）

GSP氣化技術是一種先進粉煤加壓氣化技術，其500 MW氣化爐已經在國內得到工業化應用。文章主要介紹其技術的起源、國內外的應用發展情況、技術優勢，并探討分析500 MW工業裝置試車及試生產過程中暴露的重大問題及技改優化措施。對GSP氣化工藝技術的進一步完善和發展有一定的借鑒意義。

GSP；氣化技術；烯烴；優化

1 GSP氣化技術在國外工業應用

（1）GSP氣化技術是20世紀70年代末，由前民主德國的德意志燃料研究所（DBI）開發并投入商業化運行的大型粉煤氣化技術。1984年，在德國黑水泵建成了200 MW氣化裝置（投褐煤量720～750 t/d，產氣量為50000 m3/h）。該裝置在1984年至1990年間，成功對普通褐煤及含鹽褐煤進行了氣化，生產民用煤氣。東西德合并后，德國政府引進天然氣取代了城市煤氣，且對垃圾處理有補貼政策，所以1990年后，該裝置分別氣化過天然氣、焦油、廢油、漿料和固體污泥等原料，生產出的合成氣用于甲醇生產及聯合循環發電（IGCC）。

（2）2001年，巴斯夫（BASF）在英國的塑料廠建成30 MW工業裝置，用于氣化塑料生產過程中所產生的廢料，產品為燃料氣。

（3）2003年捷克Vresove工廠采用GSP氣化技術建設的140 MW工業裝置開車運轉，其氣化原料為煤焦油，用于聯合循環發電項目（IGCC），2010年對此工廠考察時，氣化裝置運行平穩。

2 GSP氣化技術在國內的發展應用

2.1 神華寧煤50萬t/a煤制烯烴項目

該項目是世界上規模最大的煤基烯烴項目，每年可生產50萬噸聚丙烯。項目氣化裝置采用5臺（4開1備）日投煤量約2000 t（500 MW）西門子GSP氣化爐，氣化爐工作壓力4.2 MPa，有效氣產量為130000 m3/h，氣化爐反應室內徑2.46 m。

寧煤烯烴氣化裝置的試車成功，標志著GSP氣化爐由日投煤750 t到日投煤2000 t的工業化放大獲得了成功。

2.2 山西蘭花3052項目

2007年9月，山西蘭花煤化工有限責任公司的“晉城3052項目”西門子GSP氣化技術許可與專有設備采購和設計合同正式生效。其產品為30萬噸合成氨、52萬噸尿素和10萬噸甲醇，此項目使用2臺日投煤量約2000噸（500 MW）西門子GSP氣化爐。這是先進的大型粉煤氣流床氣化技術第一次應用于山西省大型煤化工項目，為充分利用高灰熔點、高硫的無煙粉煤提供了一種清潔環保高效的解決方案。

2.3 中電投新疆伊犁60億m3/a煤制天然氣項目

2011年7月，中國電力投資集團新疆伊南60億m3/a煤制天然氣項目一期20億m3/a工程總體院及氣化專利商合同正式生效。該項目一期工程采用8臺套日投煤量約2000 t（500 MW）西門子GSP氣化爐。這是繼已經投產的神華寧煤煤制烯烴項目采用5臺套西門子GSP 500MW氣化爐之后，再次成為世界上規模最大的干煤粉氣流床氣化裝置。目前該項目已進入工藝包設計階段。

2.4 神華寧煤400萬t/a煤間接液化項目

由于西門子GSP氣化工藝已在神華寧煤烯烴項目試車成功，系統長周期運行的可靠性得到了初步驗證，神華寧煤400萬t/a煤間接液化項目是國家示范性項目，為了確保項目可靠性和技術先進性，在氣化工藝的選擇上，項目同西門子展開了廣泛的接觸和交流，為后續GSP氣化技術在煤間接液化項目的應用奠定了一定的基礎。

3 GSP氣化技術的優點

（1）煤種適應性強，該技術采用干煤粉作為氣化原料，不受煤成漿性能影響，由于氣化溫度高，可氣化高灰熔點煤，故對煤種的適應性更為廣泛，從較差的褐煤、次煙煤、煙煤、無煙煤到石焦油均可使用，也可兩種煤摻混使用，即使是高水分、高灰分、高硫含量和高灰熔點的煤種都能進行氣化。

（2）技術指標優越，從表1數據可以看出，GSP氣化爐在氧耗、單爐有效氣量、有效氣含量及爐渣殘炭含量方面有明顯優勢，特別是較低的耗氧量在降低空分裝置建設投資和運行成本方面與水煤漿氣化工藝比較有著很大優勢，同時原煤消耗方面優勢明顯。

（3）開、停車操作方便，且時間短，GSP氣化爐從冷備到投煤僅需2 h，主燒嘴停車后30 min內可實現連投。

（4）操作彈性大，單爐操作負荷在70%～110%。

（5）自動化水平高，主燒嘴開停車過程全部在中控室操作完成，整個系統操作簡單，安全可靠。

表1 三種氣化工藝技術指標對比

4 GSP氣化技術存在的問題及優化措施

4.1 煤粉流量波動大

GSP原設計煤粉流量是通過煤粉給料容器與氣化爐壓差來控制，壓差控制范圍為0.14～0.3 MPa，對應煤粉流量30～80 t/h。但在主燒嘴實際投料過程中，由于壓差控制范圍太小，氣化爐或給料容器壓力的微小波動，都會引起兩者壓差的變化，直接造成煤粉流量的大波動，GSP裝置試車過程中煤粉總量波動一般達到10～20 t，主燒嘴頻繁因煤粉流量偏差跳車，在通過對氣化爐壓力控制系統、氣化爐與給料容器壓差控制系統多次調整后都未取得明顯改善，氣化爐壓力始終無法維持恒定不變，導致壓差控制煤粉流量的控制方式無法在工業裝置上很好應用。

通過對SHELL、航天爐等相似煤粉密相輸送系統的考察，同時結合GSP工藝路線的特點，對GSP裝置煤粉輸送系統做出以下改進：1）在煤粉輸送線上增加煤粉流量控制閥，煤粉流量通過調節煤粉流量控制閥的開度實現。同時提高給料容器和氣化爐壓差，減小因系統壓力小幅波動對煤粉流量的巨大影響；2）增加煤粉循環管線，主燒嘴投煤之前，通過增設的煤粉回流管線建立煤粉循環，確保投料前煤粉輸送系統的可靠和煤粉流量的穩定。

改進后，GSP氣化爐主燒嘴運行過程中煤粉流量穩定性得到明顯改善，正常運行時煤粉總量波動值≤4 t/h，完全滿足正常生產要求。

4.2 投煤程序不合理

GSP氣化技術煤粉進料方式為三根煤粉管線依次投煤，每根管線的投煤量為12 t/h，第一根煤粉線投煤后且流量基本穩定后第二根管線開始投煤，然后是第三根，正常情況投煤過程大概需要半個多小時，投煤過程中煤粉流量極易較大波動，造成主燒嘴停車。在裝置試車初期的頻繁開、停車后對爐內檢查發現水冷壁內壁局部出現搗打料被沖刷、抓釘燒損的現象。然而同樣的燒損位置也出現在其它氣化爐。通過對以上現象的深入分析，認為造成水冷壁局部燒損是由于煤粉的偏噴造成的。GSP組合燒嘴的三根煤粉管線在燒嘴出口處120度平均分布，單根管線依次投煤過程中，煤粉不能形成很均勻的分布，從而形成了偏噴現象。為解決此問題，對GSP氣化裝置煤粉進料方式進行調整，將三根煤粉管線依次投煤的投料方式改為三根煤粉管線同時投煤，從后期運行一定時間后對水冷壁檢查來看，此優化措施基本解決搗打料、抓釘局部沖刷燒損的問題。

4.3 水冷壁掛渣不理想

GSP氣化爐水冷壁結構依靠“以渣抗渣”的原理來保護高溫環境下的水冷壁，水冷壁如果不能達到良好的掛渣，會直接對水冷壁造成損壞。

GSP 500 MW裝置在試車初期由于缺少相應操作經驗，掛渣效果非常不理想，水冷壁表面SiC2搗打料被嚴重沖刷，系統長時間運行后最終造成多臺氣化爐水冷壁燒損，掛渣。

經過試車過程中不斷的摸索和總結，認為掛渣效果差主要是由于火焰狀態及燃燒流場不好造成的，同時作出以下針對性改進：（1）調整優化氧氣旋風罩角度，使火焰燃燒的形狀得到改變，從而獲得較好的燃燒流場；（2）提高投煤量、迅速提高負荷，在較短時間內將煤粉負荷提高至設計值，盡量縮短低負荷狀態下火焰短、燃燒流場差的時間，避免此過程沖刷水冷壁搗打料；（3）適當添加蒸氣，在投煤過程中低負荷狀況下給氧氣中適當加入SI蒸汽，以此來增大氧氣流速，改善低負荷過程中的火焰形狀；（4）增大水冷壁循環水量，以此來增強水冷壁表面冷卻效果，使水冷壁表面液態渣得到較好的凝固；（5）調整原煤品質、適當增加原煤灰分，將含灰13%左右原料煤調整至含灰16%～20%，增加燃燒過程中的液態渣量。通過以上改進措施，水冷壁掛渣取得了明顯效果，確保了后期系統可靠運行。

4.4 點火燒嘴壽命短

GSP氣化爐只設一臺頂置式組合燒嘴（點火燒嘴和投煤燒嘴組合為一），西門子提出組合燒嘴設計壽命10年，組合燒嘴每2年檢維修一次，點火燒嘴每3個月檢維修一次。然而從GSP裝置試運行情況來看，組合燒嘴運行時間遠遠達不到設計運行時間，特別是點火燒嘴，一般情況下主燒嘴投煤運行15天后，點火燒嘴頭部冷卻水夾套便出現滲漏現象，同時點火燒嘴頭部點火氧通道出現燒損（見圖2）。通過對各種相關工藝運行參數分析后認為點火燒嘴燃料氣（LPG）在點火燒嘴頭部冷凝，使點火燒嘴頭部高溫區受熱不均勻。同時點火燒嘴頭部過氧燃燒可能是造成燒損的主要原因，同時制定以下措施：（1）降低點火燒嘴耗氧量，通過調整氧氣/LPG的比值設定值，確保點火燒嘴不會過氧燃燒；（2）提高燃料氣（LPG）溫度，增加燃LPG管線伴熱，提高伴熱溫度大于80℃，避免LPG在管線中冷凝；（3）提高點火燒嘴冷卻水溫度，將水溫由35℃提高至70℃，避免燒嘴冷卻水對點火燒嘴冷卻過程中造成LPG在點火燒嘴頭部冷凝；（4）增加進點火燒嘴燃料的流速，使點火燒嘴火焰拉長，避免火焰高溫區距離點火燒嘴頭部太近。

優化后經過一段時間的運行發現點火燒嘴燒損的問題得到了明顯的改觀，但是還不能解決根本問題。對此，認為專利商西門子也應該對點火燒嘴設計結構和材質進行改進和優化，使得此問題能夠得到盡快解決。

4.5 粗煤氣含塵量大

GSP粗煤氣洗滌流程為激冷噴頭+兩級文丘里+部分冷凝器，由于洗滌效果差，粗煤氣含灰量較大，這樣的設計在系統運行過程中頻繁造成洗滌系統管道磨損、變換設備堵塞等問題，最終導致系統停車。通過對出氣化界區粗煤氣的取樣分析發現含塵量高達9.6～16.5 mg/m3，遠遠高于設計值1.5 mg/m3。

針對此問題做出如下優化：（1）文丘里分離罐增加折流擋板，讓氣液固三相在分離罐中進行旋風分離；（2）在出氣化界區前的分離罐中臨時增加塔板，實現塔盤洗滌效果；（3）氣化爐合成氣出口增加折流擋板，通過折流板的阻擋盡量減少出氣化爐粗煤氣攜帶的固體顆粒。優化后的粗煤氣洗滌效果得到一定的改善，出氣化界區的粗煤氣含灰量維持在3～6 mg/m3左右。雖然灰含量有所下降，但是這樣的結果仍不能解決洗滌系統管道磨損和變換設備堵塞的問題，系統仍不具備長周期運行的條件。

由此，不免對GSP氣化技術的粗煤氣洗滌工藝的洗滌效果提出質疑，從國內其他煤氣化裝置洗滌系統的運行效果來看，傳統的水浴+文丘里+洗滌塔的工藝流程更值得采納。

5 結論

首套GSP 500 MW工業裝置在試車、試生產階段中暴露出的投煤不穩定、水冷壁燒損、點火燒嘴壽命短、粗煤氣含灰量高等諸多問題嚴重制約了工廠的長周期穩定運行，在針對性的改進和優化措施實施后，看到GSP氣化爐運行狀況得到了很大的改進，已經初步實現了GSP氣化系統的穩定運行。但是粗煤氣帶灰嚴重的問題還是沒有得到徹底的解決，大量的細灰對后續系統會造成嚴重影響，如果GSP氣化專利商能吸取粗煤氣洗滌的成功經驗，盡快解決洗滌效果差問題，GSP氣化爐才能實現真正意義上的長周期穩定運行。

[1] 北京索斯泰克煤氣化技術有限公司.GSP煤氣化技術的應用[G] .2006.

[2] 賀永德.現代煤化工技術手冊[M] .北京：化學工業出版社，2003.

[3] 許世森，張東亮，任永強.大規模煤氣化技術[M] .北京：化學工業出版社，2006.

F426.72

A

1673-5285（2012）07-0077-04

2012－03-16

范為鵬，男（1984-），2006年畢業于西安科技大學化學工程與工藝專業，助理工程師，目前工作于神華寧煤集團煤制油項目建設指揮部，主要從事煤氣化生產及管理工作。