廢鍋流程煤氣化技術綜述

于利紅，李彩艷，吳永國，趙梅梅，李 磊，閆鳳芹

(兗礦水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心有限公司，山東 滕州 277527)

1 概 述

煤氣化是潔凈、高效利用煤炭的主要途徑之一，是新型煤化工行業發展的基礎和關鍵，在一個具體項目中起龍頭作用。煤氣化技術經過100多年的發展，形成了幾十種不同類型的煤氣化技術。根據氣化爐中的流體力學特性，可分為固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化三大類方法。按氣化爐氣化室結構分為熱壁爐(耐火磚)和冷壁爐(水冷壁)。按照氣化爐熱量回收不同分為激冷、廢鍋及半廢鍋激冷三種流程，廢鍋流程較復雜，但可回收高等級蒸汽，激冷流程可將蒸汽潛熱用于后續的變換過程。

廢鍋流程氣化技術包括Shell、德士古、晉華爐、兩段式干煤粉加壓氣化技術等。

2 廢鍋流程煤氣化技術的應用及發展

2.1 Shell氣化技術

2.1.1 技術發展及應用

20世紀50年代，Shell公司開發了SGP氣化技術，以渣油為原料；20世紀70年代，研發了SCGP粉煤氣化技術。1978年，粉煤氣化技術中試裝置在德國漢堡投入運行；1987年，250～400 t/d級示范裝置在美國休斯敦建成投產。1993年，2 000 t級氣化裝置在荷蘭Buggenum建成投產。2001年，我國湖北雙環公司引進殼牌技術，于2006年成功開車。截至目前，我國已引進了29臺Shell氣化爐，分別用于生產合成氨、甲醇、烯烴和氫氣等化工產品，現均已順利投產運行，已投產單爐最大投煤量為大唐多倫煤化工項目，單爐日投煤2 800 t。Shell煤氣化技術大多為廢鍋流程，同時，Shell也開發了激冷流程的工藝技術，目前，單爐最大投煤量3 000 t/d的激冷流程也已開發成功，正處于工業化示范和推廣中[1]。

2.1.2 技術特點

Shell粉煤氣化工藝干法進料，爐膛為水冷壁結構，合成氣冷卻方式為廢鍋流程，液態排渣。煤粉、氧氣等在1 400～1 700 ℃、3.0～4.0 MPa條件下氣化，熔渣沿氣化爐膜壁下降，由氣化爐底部排出。高溫煤氣上行被返回的粗合成氣激冷至 850～900 ℃，進入廢鍋(合成氣冷卻器)冷卻。氣化爐爐膛水冷壁及廢鍋可生產高、中壓蒸汽。從氣化爐廢鍋排出的攜帶少量灰分的合成氣經組合式陶瓷過濾器，分離除去部分細灰，干灰進入鎖斗，然后送往儲倉，可作為水泥的配料。

Shell氣化技術碳轉化率可達98%～99%；冷煤氣效率81%左右，合成氣有效氣(CO+H2)成分高達90%左右，比煤耗比水煤漿低8%，比氧耗比水煤漿低10%，比蒸汽耗120～150 kg/km3；可副產蒸汽880～900 kg/km3[2]。

2.1.3 關鍵設備

Shell氣化爐外殼為膜式水冷壁結構，通過冷卻水強制循環吸收熱量，產生中壓蒸汽。Shell氣化爐由承壓殼體、內部氣化室及附屬設備構成，按工藝功能可分為氣化反應段、急冷段、輸氣管段、氣體返回段、冷卻段和輔助設備。

Shell氣化爐整體類似“n”形結構，氣化室、激冷管位于一側，合成氣冷卻器、氣體返回段位于一側，上部以輸氣管連接。

Shell氣化爐氣化室設4個噴嘴，位于爐子下部，沿水平圓周均布。氣化爐內壁為膜式水冷壁，用于保護外部殼體及換熱，產生4.5 MPa中壓蒸汽。膜式水冷壁向火面有耐火涂層保護水冷管，運行初期熔渣在水冷壁表面形成渣層“以渣抗渣”保護水冷管。氣化室頂部出口為激冷區，反應后高溫合成氣被返流250 ℃循環氣激冷后進入合成氣冷卻區域。

合成氣冷卻器由膜式水冷壁、環形水冷壁、環形空間和金屬外殼組成。三組多層環形水冷壁自上而下分為中壓蒸汽過熱器、二段中壓蒸發器和一段中壓蒸發器。

中壓蒸汽過熱器、一段中壓蒸發器、二段中壓蒸發器均由不同直徑筒體套在一起組成，中壓蒸汽過熱器、二段中壓蒸發器中壓蒸汽過熱器為6層環形水冷壁，一段中壓蒸發器為5層環形水冷壁筒。

輔助設備主要有敲擊器、煤燒嘴、火焰監測器、開工點火燒嘴等[1，3]。

2.2 德士古(Texaco)水煤漿氣化技術

2.2.1 技術發展及應用[4-5]

德士古(Texaco)水煤漿氣化技術是20世紀40年代美國德士古公司在重油氣化技術基礎上發展的氣化技術，70年代形成了水煤漿加壓氣化技術。1987年中國引進Texaco水煤漿加壓氣化技術，1993年第一套氣化裝置在魯南化肥廠投運。目前，我國已有180臺該技術氣化爐運行或在建。該技術目前工業化運行最大氣化爐單爐投煤量為2 000 t/d，最高運行壓力8.7 MPa，在國內已運行或在建的單爐規模有400 t/d、500 t/d、750 t/d、1 000 t/d、1 600 t/d和2 000 t/d。

全廢鍋流程德士古水煤漿氣化爐目前在世界上有5套，包括美國能源部的Tample電站、CoolWater電站，用于聯合循環發電(IGCC)。其他3套用于神華寧夏煤業集團煤化工分公司25萬t/a甲醇廠的氣化生產工段。

2.2.2 技術特點

德士古氣化技術氣化溫度1 250～l 600 ℃，對煤的適應性廣，要求灰熔點小于1 350 ℃，煤的可磨性和制漿性好，制漿濃度大于60%。單臺爐處理煤量大，生產能力高，氣化壓力范圍大(2.7 MPa、4.0 MPa、6.5 MPa、8.7 MPa)，合成氣壓縮功省，尤其是合成甲醇時，可實現等壓合成[2，6]。

2.2.3 關鍵設備

氣化爐是全廢鍋流程德士古氣化技術的核心裝置，上部燃燒室為耐火磚結構，燃燒室下部為輻射廢鍋，對流廢鍋位于氣化爐外部，與氣化爐以水平管連接，水平管為夾套式。輻射廢鍋為雙通道水冷壁結構，水冷壁設有徑向水冷屏加強換熱效果。高溫合成氣經內筒水冷壁冷卻后，經內筒與外筒水冷壁間環形通道向上流動，經水平管送入對流廢鍋中繼續冷卻。經對流廢鍋冷卻后合成氣送入合成氣洗滌單元，熔渣經輻射廢鍋下部水浴冷卻后排入渣池[7]。

2.3 清華爐

2.3.1 技術發展及應用

清華爐經歷了三個階段的發展，第一階段為“水煤漿+耐火磚+激冷”；第二代為“水煤漿+水冷壁+激冷”；第三代為“水煤漿+水冷壁+輻射蒸汽發生器”；非熔渣—熔渣分級煤氣化技術(第一代清華爐)由清華大學、北京達立科技公司和山西陽煤豐喜集團公司合作開發，水煤漿進料，兩段給氧。該技術于2006年在山西陽煤豐喜集團臨猗分公司投入運行，應用爐型為水煤漿耐火磚氣化爐(第一代清華爐)，單爐投煤量為500 t/d。2008年第二代清華爐—水煤漿水冷壁氣化技術研發成功，氣化爐氣化室由耐火磚變為水冷壁，于2011年在山西陽煤豐喜肥業集團臨猗分公司投入運行，單爐投煤量600 t/d。2016年4月，第三代清華爐—水煤漿+水冷壁+輻射式蒸汽發生器的氣化爐在山西陽煤豐喜集團臨猗分公司投入運行。

該技術目前簽約氣化爐型單爐最大投煤量約為1 800 t/d，截至目前，該技術在國內簽約項目約24個，簽約氣化爐約51臺，其中三代氣化爐11家，24臺。

2.3.2 技術特點

第一代清華爐采用分級供氧，爐內溫度均勻，平均溫度提高，有利于提高碳轉化率；降低了主燒嘴氧煤比，采用預混控制技術調整火焰中心的溫度，降低工藝燒嘴溫度，延長其使用壽命。

第二代清華爐采用水冷壁結構可適用高灰熔點煤，節省了更換耐火磚的費用；組合式工藝燒嘴縮短了氣化爐的啟動時間，點火投料一體化，氣化爐從冷態到滿負荷僅需5 h。

第三代清華爐是采用水煤漿+水冷壁+輻射式蒸汽發生器的氣化爐，核心設備為輻射式蒸汽發生器，設置于氣化爐內氣化室下部，用于吸收高溫合成氣的熱量，副產水蒸氣。

2.3.3 關鍵設備

清華爐氣化技術采用氣化爐氣化室、輻射式蒸汽發生器、激冷室直連共用一個整體外殼氣化爐。氣化爐廢鍋水力循環系統采用本質安全的自然循環設計，采用環形單筒水冷壁和徑向雙面水冷壁結構，減小輻射廢鍋體積，提高熱效率，減少氣液分層，保證補水均勻，降低管路燒壞風險。合成氣出氣管為多相流結構，能夠避免堵渣、積灰及磨損問題。

2.4 兩段式干煤粉加壓氣化技術

2.4.1 技術發展及應用[8]

中國華能集團清潔能源技術研究院自20世紀90年代開始進行干煤粉氣流床氣化技術的研究，開發了兩段式加壓氣流床氣化爐。經過建成0.7 t/d試驗裝置(1997年)、36～40 t/d的中試裝置(2004年)、2 000 t級工業示范裝置(2012年)等階段的研發與示范。目前，兩段式氣化爐已推廣6家企業共計15臺氣化爐，單爐最大投煤量為3 300 t/d。

2.4.2 技術特點

兩段式干煤粉加壓氣化爐技術特色為[9]：氣化溫度1 300～1 700 ℃，氣化壓力 0.5～4.0 MPa，碳轉化率達99%，有效氣(CO+H2)成分達90%；氣化爐采用水冷壁結構，維護量少，無需備爐。

2.4.3 關鍵設備

兩段式干煤粉加壓氣化爐爐膛采用水冷壁結構，氣化爐分為上下爐膛，下爐膛為第一反應區，噴入煤粉、水蒸氣和氧氣，上爐膛噴入煤粉及蒸汽。通過上爐膛利用下段爐的煤氣顯熱進行煤的裂解及氣化，降低出氣化爐煤氣溫度[10]。氣化爐出口合成氣(1 200 ℃)氣化爐與廢鍋連接的導管段被返回的低溫除塵后合成氣(150 ℃)激冷，溫度降為900 ℃。

廢熱鍋爐主要由承壓殼體、膜式盤管蒸發器、吹灰器、敲灰振打裝置等構成。廢熱鍋爐為膜式水冷壁結構，設3～4圈盤管水冷壁回收合成氣顯熱。粗煤氣經膜式壁與水冷盤管間的環形空間通道向下流動，經水冷管內物料冷卻，合成氣由900 ℃被冷卻至360 ℃左右送入下游系統，廢鍋副產6.8 MPa高壓蒸汽[8]。

3 應用中面臨的問題

國內先期投產的Shell煤氣化裝置在試車或運行過程出現的主要問題[11]有：氣化爐燒嘴隔焰罩泄露、氣化爐渣層和襯里大面積脫落、廢熱鍋爐激灰嚴重、激冷氣系統故障、陶瓷過濾器濾芯損壞等。德士古廢鍋流程水煤漿氣化爐應用過程中問題：對流廢鍋水冷壁漏、對流廢鍋至碳洗塔合成氣管線易堵塞、水平輸氣管線汽包壓力升高等。三代清華爐氣化技術、兩段式干煤粉加壓氣流床氣化技術投入運行時間較短，目前未見運行問題相關文獻報道。

4 總 結

國內煤氣化技術經過20 a的發展，形成了包括多噴嘴對置式水煤漿氣化技術、航天爐、清華爐、兩段干煤粉加壓氣化爐等多種煤氣化技術。隨著國家能源環保政策要求日益嚴格，開發廢鍋流程煤氣化技術對于節能降耗、降低企業運行成本具有重要意義。對于促進我國煤炭清潔高效利用、提高資源利用效率、滿足煤化工市場不同用戶需求具有現實意義。國內外廢鍋流程代表性氣化技術Shell氣化技術、德士古全廢鍋/半廢鍋氣化技術、兩段式干煤粉加壓氣流床氣化技術、第三代清華爐氣化技術等，應用中出現了廢鍋積灰嚴重、廢鍋水冷壁泄漏等問題，廢鍋流程氣化技術的長周期穩定運行仍需不斷進行技術創新與優化。