新型煤氣化工藝選擇探討

摘 要：我國的煤氣化爐眾多，其工藝也比較多。文章探討了幾種煤氣化工藝技術，希望能夠為相關工作提供借鑒。

關鍵詞：煤氣化技術；對比；探討

現代煤化工屬于資金密集型產業(yè)，氣化爐又是投資比例最大的單元，怎樣依托自身的原料結構、運輸、人員素質、水資源、資金、知識產權和環(huán)境容量等因素，準確選定適合自身的煤氣化工藝顯得尤為重要。

1 煤氣化技術概述

中國是擁有煤氣化爐最多的國家，但多數為常壓固定床煤氣發(fā)生爐（全國有約4500臺），單爐發(fā)氣量小，對環(huán)境污染較嚴重，且不能適應大型化的要求，因此這種氣化技術已在2006年7月7日的（發(fā)改工業(yè)[2006]1350號）中明確要求禁止。取而代之的大型加壓煤氣化技術，中國已實現工業(yè)運行的有10多種，引進國外技術的有6種。通常把氣化爐分為三種類型：固定床、流化床和氣流床。具體分類如下：

固定床：UGI、富氧連續(xù)氣化、Lurgi、BGL等。

流化床：恩德、KBR、灰融聚、溫克勒氣化爐、U-GAS、HRL等。

氣流床：GE、OMB、GSP、Shell、HT-L、TPRI等。

當前被廣泛接受的是氣流床氣化爐，下面著重介紹氣流床煤氣化工藝。

2 常用煤氣化技術簡介

2.1 GE德士古水煤漿氣化

德士古氣化法是一種以水煤漿為進料的加壓氣流床氣化工藝，水煤漿通過噴嘴在高速氧氣流的作用下，破碎、霧化噴入氣化爐。氧氣和霧狀水煤漿在爐內受到耐火襯里的高溫輻襯作用，迅速經歷預熱、水分蒸發(fā)、煤的干餾、揮發(fā)物的裂解燃燒以及碳的氣化等一系列復雜的物理、化學過程，最后生成以一氧化碳、氫氣、二氧化碳和水蒸氣為主要成分的濕煤氣、熔渣和未反應的碳，一起同流向下離開反應區(qū)，進入爐子底部激冷室水浴，熔渣經淬冷、固化后被截留在水中，落入渣罐，經排渣系統定時排放。煤氣和飽和蒸氣進入煤氣冷卻凈化系統。

2.2 多噴嘴對置式水煤漿氣化

工藝技術特點：（1）有效氣成分達84.9%，碳轉化率達98.8%，比氧耗為309Nm3/kNm3（CO+H2），比煤耗達535kg/kNm3（CO+H2），產氣率達2.3m3干氣/kg干煤。（2）該技術采用四噴嘴撞擊流，充分混合，熱質傳遞得到強化。相比單噴嘴的德士古技術，技術更加進步。（3）復合床洗滌冷卻使液位平穩(wěn)，通過控制液位波動，降低了帶水帶灰問題，粗合成氣與黑水溫差比Texaco小約10℃，表明其傳熱、傳質效果好。（4）產生的煤氣經過分級凈化，使含塵量降到1mg/Nm3以下，同時操作平穩(wěn)、能耗較低。（5）含渣水直接換熱，蒸發(fā)熱水塔出氣溫度與灰水溫差僅4℃，相對于Texaco工藝的60℃溫差，有效解決了換熱設備易結垢堵塞的問題，同時提高了換熱效率。（6）裝置沒有需要進口的專有設備；專利費為德士古水煤漿氣化的1/3～1/2；運行費用比德士古要低得多。（7）氣化裝置負荷調節(jié)靈活、穩(wěn)定，四個噴嘴之間負荷相互配合，可實現氣化微調操作。（8）可實現整套氣化裝置不停車解決故障，不泄壓投料，提高生產效率。兗礦國泰化工有限公司已累計進行了10次帶壓連投操作，節(jié)省費用近700萬。目前國內已運行裝置有12套29臺氣化爐，推廣應用的共有33個項目，共計92臺氣化爐。

2.3 Shell煤氣化技術

Shell煤氣化工藝以干粉煤為原料、純氧為氣化劑，濕法排渣。高溫（1400～1700℃）氣化確保煤中所含灰分熔渣沿氣化爐膜壁自由流下至氣化爐底部，變成一種玻璃狀不可瀝濾的爐渣而排出。氣化爐頂產出的煤氣用返回的粗合成氣激冷至850～900℃，然后進入合成氣冷卻器（廢鍋）作進一步冷卻，氣化爐內膜式水冷壁及廢鍋可同時生產高、中壓蒸汽。從廢鍋出來的合成氣中鎖攜帶的少量灰分顆粒，在組合式陶瓷過濾器中分離除去，干灰進入鎖斗，然后送往儲倉，可作為水泥的配料。

粉煤氣化的優(yōu)越性：粉煤進料，氣化熱效率高，氧耗、煤耗低；采用膜式水冷壁，壽命長達20年；氣化溫度高，可氣化灰熔點高的煤種，煤種適應性廣；碳轉化率高，有效氣成分較水煤漿氣化高8～10個百分點；噴嘴壽命可達8000小時。設有4～6個噴嘴，生產負荷可在50%～100%范圍內調整，操作彈性大。

2.4 兩段式干煤粉加壓氣化

工藝技術特點：（1）氣化反應溫度1400～1600℃，氣化壓力可達3.0～4.0MPa，碳轉化率高達99%以上，煤氣中有效氣高達90%以上。（2）高溫氣化不產生焦油、酚等凝聚物，不污染環(huán)境，煤氣質量好。（3）在氣化爐二段送入少量煤、N2和蒸汽、主要進行煤的干餾熱解、揮發(fā)分的二次裂解及水蒸氣的分解反應。能夠降低氣化爐二段出口的合成氣溫度，從而可以減少冷煤氣循環(huán)激冷系統，使得系統自耗功大幅降低，同時煤氣冷卻器及凈化系統的設備尺寸減少，造價降低。（4）氣化爐采用水冷壁結構，以渣抗渣，無耐火磚襯里，維護量少，運轉周期長，無需備爐。（5）與國外同類技術相比冷煤氣效率提高2～3%，比氧耗減少，與之配套的空分投資減少。

2.5 HT-L航天加壓粉煤氣化技術

工藝介紹如下：（1）磨煤與干燥系統的單套能力目前是35噸/小時，其目的是制造出粒度小于90微米的大于80%、水含量小于2%的煤粉。只是利用皮帶秤通過比值調節(jié)將粒狀石灰石加到輸煤皮帶上，一塊進入磨煤機研磨，不設立單獨的石灰石加入系統。（2）加壓輸送系統的不同是粉煤給料罐下面是三條腿，三條線輸送，到燒嘴處匯合從燒嘴環(huán)隙呈螺旋狀噴入爐膛。（3）燒嘴采用單噴頂燒設計，氣化爐升壓到1MPa時，煤粉及氧、蒸汽混合以一定的氧煤比進入氣化爐，穩(wěn)壓1小時掛渣，掛渣情況通過測溫點適時監(jiān)控。設計氣化溫度1400～1600℃，氣化壓力4.0MPa。熱的粗煤氣和熔渣一起在氣化爐下部被激冷，也由此分離，激冷過程中，激冷水蒸發(fā)，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，固體含量小于0.2mg/m3的194℃合成氣送出氣化島。（4）爐渣由破渣機處理，經鎖斗排入撈渣機。渣水分離后的水回用；灰水經高壓閃蒸、真空閃蒸后到沉降池，清水作為激冷水回用，漿水經真空抽濾后制成濾餅。

2.6 清華水冷壁爐

清華爐是我公司和清華大學共同開發(fā)的非熔渣-熔渣分級氣化技術，其獨特之處在于氧氣的分級供給：氣化爐主燒嘴和側壁氧氣噴嘴分別向氣化爐內加氧，使氣化爐主燒嘴的氧氣量可脫離爐內部分氧化反應所需的碳與氧的化學當量比約束，改變了主燒嘴局部區(qū)域氧化強度過高的狀態(tài)，使氣化爐軸向溫度均衡并有所提高，充分發(fā)揮氣化爐全容積的氣化功能。在主燒嘴中心通道采用氧含量從0到100%的不同氣體作為主燒嘴預混氣體，不僅調整了火焰中心的溫度，而且調整了火焰中心距主燒嘴端面的距離，有利于降低主燒嘴端部溫度，延長其使用壽命。

3 各工藝技術對比

3.1 OMB、GE和清華爐屬于水煤漿氣化，對煤質有一定的要求，適用于煙煤、無煙煤、石油焦的等，且國產化率高，在國內已有多家正在運行，特別是清華爐在臨猗分公司運行，且運行平穩(wěn)。在煤種的適合情況下：通常是甲醇、合成氨等項目的首選。

3.2 航天爐、二段爐及殼牌煤氣發(fā)生爐屬于干粉氣化爐，有效氣體成分高，氣化煤量大，碳轉化率高、氧耗和煤耗相對較低，除殼牌外，設備國產化強，投資低。

3.3 航天爐和清華爐比較，清華爐采用水煤漿進料，計量精確，爐溫波東較小，操作穩(wěn)定性好；航天爐曹勇干粉進料，干粉進料測量精確度差，爐溫波動大。清華爐只有一條進料系統，調節(jié)簡單穩(wěn)定；航天爐有三條煤粉進料管線，調節(jié)復雜。投資上清華爐的投資略低于航天爐，航天爐用煤需要烘干，原料煤場需要封閉，清華爐則不需要。

3.4 GE和二段爐都是采用四噴嘴，二段爐的特點顧名思義是采用兩段氣化，以四個對稱的燒嘴向氣化爐底部噴入干粉煤、過熱蒸汽和氧氣，進行一段氣化，熔融排渣。中部噴入占總煤量15～20%的煤粉和過熱蒸汽，利用下部上來的煤氣顯熱進行二段氣化，同時將下部上來的1400～1500℃高溫煤氣急冷至900～1000℃。該工藝可以大大節(jié)約固定投資，提高冷煤氣效率和熱效率；氣化爐采用水冷壁結構，其缺點是合成氣中CH4含量較高，而氫氣相對不足，不利于生產合成氨和甲醇的企業(yè)采用。

4 根據實際情況的爐型選擇

4.1 對氣流床煤氣化工藝的選擇，應首先從以下幾方面來考慮

（1）從技術的成熟程度看，水煤漿優(yōu)于干粉煤、激冷流程遠優(yōu)于廢鍋流程。（2）從技術的先進性看，干粉煤優(yōu)于水煤漿。（3）從投資角度比較：TPRI：Texaco（激冷）：Shell為1：1.2：1.8。（4）從國產化程度來看，Texaco、航天爐、清華爐、二段爐由于設備國產化率高，故投資相對較少。（5）對煤種的適應性看，干粉煤氣化優(yōu)于水煤漿氣化。（6）運行穩(wěn)定性和投資風險看，水煤漿優(yōu)于干粉煤。

4.2 根據目標產品考慮

如果產尿素，應該首選水煤漿氣化工藝，其中兗礦OMB水煤漿氣化合成氣中CO2含量低，甲烷含量小，合成氣占百分比小，變換處理能力可降低，適合制造合成氨、尿素，但由于其內襯為耐火磚，使用壽命短，檢修時間長。而清華爐同樣屬于水煤漿氣化爐，襯里結構為水冷壁，壽命長，檢修時間短，且在臨猗公司成功運行，選擇清華爐較好。

如果產品為乙二醇，CO僅需少量變換，就應該首先考慮干粉氣化技術。航天爐和二段爐屬于干粉氣化，合成氣占百分比大，氧耗低，煤耗低，煤種適應性寬。航天爐已在安徽臨泉、河南濮陽等地成功運行，技術比較成熟；但在性能上熱工院的兩段爐更勝一籌，如果能成功運用并推廣，還是應該選擇熱工院的兩段爐比較適合。

作者簡介：郭文龍（1982-），男，山西晉城人，碩士，工程師。