氣流床煤氣化技術分析

陳 寅

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西西安 710075）

我國擁有豐富的煤炭資源，目前煤炭在我國能源結構中仍占有主導地位，怎樣合理使用煤炭資源成為我國煤炭資源處理的首要問題。在煤炭利用技術中，煤氣化技術作為煤炭能源轉化的基礎技術，在煤炭能源使用方面占有重要的地位。

按照燃料在氣化爐內的運動狀態，煤氣化工藝技術一般分為三種類型：移動床（也被稱為固定床）、流化床和氣流 床。其中，氣流床氣化爐是最清潔，也是效率最高的煤氣化類型。氣流床技術中，粉煤或水煤漿在1 200~1 700℃時被氧化，高溫保證了煤的完全氣化，煤中的礦物質成為熔渣后離開氣化爐。氣流床可用煤種要比移動床和流化床的范圍更廣泛。使用純氧氣化可以使煤的氣化過程更有效，并可避免合成氣被氮氣稀釋，所產合成氣的熱值也將高于空氣氧化爐所產生的合成氣的熱值。

目前以煤為原料生產合成氣的氣流床氣化工藝中較為成熟的有水煤漿加壓氣化工藝和干粉煤加壓氣化工藝。

1 水煤漿加壓氣化工藝

水煤漿加壓氣化工藝，國外有GEGP（原TEXACO工藝、單噴嘴、以下簡稱為GEGP工藝）；國內有華東理工大學的多噴嘴水煤漿氣化工藝以及清華大學的晉華爐。

1.1 GEGP工藝

GEGP工藝為目前世界上先進的氣化技術之一，屬氣流床加壓氣化法。其特點是該工藝對煤的適應范圍較寬，可利用粉煤，單臺氣化爐生產能力較大，氣化操作溫度高，液態排渣，碳轉化率高，煤氣質量好，甲烷含量低，不產生焦油、萘、酚等污染物。排出粗灰渣可以用作水泥的原料和建筑材料。三廢處理簡單，易于達到環境保護的要求。生產控制水平高，易于實現過程自動化及計算機控制。

GEGP工藝技術特點如下：

①煤種適應性廣；②氣化壓力范圍大；③爐內無傳動裝置，結構比較簡單；④產氣量大；⑤熱量利用率高，冷煤氣效率可達70%~75%；⑥有效氣成分高，干基有效氣中（CO+H2）≥ 80%（φ）[1]；⑦碳轉化率高，最高可達96%。

1.2 新型（對置式多噴嘴）水煤漿加壓氣化

新型（對置式多噴嘴）水煤漿加壓氣化技術是華東理工大學開發的目前最先進的水煤漿氣化技術之一。多噴嘴對置式水煤漿氣化技術中試裝置（22t煤/d）結果表明：有效氣成分83%，比相同條件下的GEGP技術高1.5%~2%；碳轉化率> 98%，比GEGP高2%~3%；比煤耗、比氧耗均比GEGP技術低7%。

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術以純氧和水煤漿為原料制合成氣，該技術包括磨煤單元、氣化及初步凈化單元及含渣水處理單元，具有以下特點：

①煤種適用范圍較粉煤氣化窄；②氣化壓力范圍大； ③具有帶壓連投設計；④投入運行最大單爐投煤量可達到4 000t/d；⑤多噴嘴對置式設計，實現煤漿在爐內對撞流，提高碳轉化率；⑥預混式燒嘴結構設計，延長燒嘴使用壽命；⑦旋風+水洗的工藝，減少合成氣的含塵量；⑧渣水處理流程，減少灰渣對設備管道的堵塞和磨蝕；⑨獨特的激冷室除霧裝置，減少合成氣帶水量。

1.3 晉華爐

晉華爐是在原清華爐（水冷壁結構）基礎上發展形成的一種新型煤氣化技術，上部氣化燃燒室采用水冷壁結構，在氣化燃燒室和激冷室之間增加廢鍋段以便于回收大量的合成氣顯熱，回收熱量后的合成氣進入氣化爐下段激冷室。該技術主要是針對三高煤、成漿性差的褐煤研究開發的氣化技術，通過輻射廢鍋回收高溫合成氣的熱能并轉化為高壓飽和蒸汽，提高煤的利用率，降低生產成本。

晉華爐工藝技術特點：①穩定性好，不需設置備爐；煤種適應性強；②無須停爐檢修耐火磚，裝置連續運轉率高；③水冷壁廢鍋結構合理，安全性強；④生產過程中通過廢鍋回收粗合成氣中的顯熱，可副產高壓蒸汽，能量利用率高；⑤氣化爐系統啟動快；⑥流程設計更優化；⑦經濟效益好；⑧冷煤氣效率可達74%[4]；碳轉化率＞98%[4]。

2 干粉煤加壓氣化工藝

干粉煤加壓氣化工藝代表性技術有荷蘭殼牌干粉煤加壓氣化工藝（以下簡稱Shell工藝）、航天爐HT-L粉煤加壓氣化技術等。

2.1 Shell工藝

Shell 粉煤氣化所用氣化爐為立式圓筒形氣化爐，爐膛周圍安裝有由沸水冷卻管組成的膜式水冷壁，其內壁襯有耐熱涂層，氣化時熔融灰渣在水冷壁內壁涂層上形成液膜，沿壁順流而下進行分離，采用以渣改渣的防腐辦法，基本解決了高溫耐火材料損壞嚴重和檢修頻繁的難題。水冷壁與簡體外殼之間留有環形空間，便于輸入集水管和輸出集汽管的布置，便于水冷壁的檢查和維修；環形空間內充滿250~300℃的有壓合成氣。爐體設有對稱的四個煤粉燒嘴，燒嘴使用壽命保證期為一年。

Shell工藝技術特點如下：

（1）原料煤適用范圍較寬，煤種適應性強，如褐煤、煙煤、無煙煤等各種煤均可使用；對煤的性質，如粒度、結焦性、灰分、水分、硫分、氧分等含量均不敏感。

（2）氣化爐為水冷壁式，基本消除頻繁檢修、爐內耐火襯里更換頻繁和耗費昂貴的弊端。單臺氣化爐產氣能力大，具有高效、大型化和長周期運行的顯著特點。

（3）具有較高的熱效率，碳轉化率可高達99%，原料煤能量回收率高，冷煤氣效率可達86%，比煤耗可達600kg/ 1 000m3（CO+H2），比氧耗為365m3O2/1 000m3（CO+H2），粗煤氣成分中，CO+H2的比例可達86%[2]。

2.2 航天爐HT-L粉煤加壓氣化技術

國內氣流床粉煤氣化技術的代表為航天萬源的航天爐（HT-L），航天爐與西門子GSP氣化技術十分接近，該技術熱效率可達95%，碳轉化率可高達99%；氣化爐為水冷壁結構，氣化溫度能到1 500~1 700℃，對煤種要求低，可實現原料本地化。與西門子GSP氣化爐的最大區別在于激冷室不同，航天爐的激冷室與通用德士古水煤漿氣化的激冷室相似，其他部分較為通用，幾乎所有設備及備品備件全部國產化。

航天爐HT-L工藝技術特點如下：煤種適應范圍較寬；關鍵設備全部實現國產化，有利于減少投資，并縮短采購周期；關鍵設備結構不同于傳統設備，利于現場安裝并方便維護；氣化爐激冷管結構優化，利于減少合成氣的帶水帶灰；最大單爐處理量為3 000t/d，規模較大；現有業績多。

3 煤氣化技術的比較

水煤漿加壓氣化法、干粉煤加壓氣化工藝均為目前世界上較先進的氣化技術，同屬氣流床加壓氣化法。其共同特點是對煤的適應范圍較寬，可利用原煤，單臺氣化爐生產能力較大，氣化操作溫度高，液態排渣。碳轉化率高，煤氣質量好，甲烷含量低，不產生焦油、萘、酚等污染物，所產灰渣可用做水泥原料和建筑材料，三廢處理簡單，易于達到環境保護的要求、生產控制水平高，易于實現過程自動化及計算機控制。

3.1 進料方式

GEGP工藝：水煤漿進料，安全、操作方便，簡單，對煤的含水量要求比較寬松。

晉華爐工藝：水煤漿進料，安全、操作方便，簡單，對煤的含水量要求比較寬松。

航天爐HT-L工藝：干煤粉進料，用高壓氮氣或CO2氣送入氣化爐，煤需干燥并磨成細粉，煤的含水量越小越好，干燥過程需消耗不少的熱量。

3.2 氣化爐結構

GEGP工藝：采用耐磨耐高溫耐火磚襯里，一般檢修周期為1a。

晉華爐工藝：氣化爐上段燃料室采用盤管式水冷壁結構，中間采用輻射廢鍋換熱器、整體氣化爐壽命30a。

HT-L工藝：氣化爐上段燃料室采用盤管式水冷壁結構。激冷室結構與GEGP工藝較為相似。

3.3 有效氣（CO+H2）含量

GEGP工藝：合成氣有效氣（CO+H2）≥76%；

晉華爐工藝：合成氣中有效氣（CO+H2）≥80%[4]；

HT-L工藝：合成氣中有效氣（CO+H2）為86%~92%[3]。

3.4 耗煤量和耗氧量

不同氣化技術的原料（煤、氧氣）消耗指標（如比煤耗和比氧耗）主要取決于原料煤的進料形式和氣化爐結構，對于GEGP和晉華爐同屬于水煤漿濕法進料，氣化爐均為氣流床和單燒嘴頂噴形式，因此，其原料煤和氧氣消耗量接近，比煤耗約610kg/km3（CO+H2），比氧耗約390~405m3/km3（CO+H2）。

航天爐HT-L采用粉煤氣力輸送進料，省去水煤漿加壓氣化技術中水氣化所需負荷，降低比氧耗和比煤耗，比煤耗約550kg/km3（CO+H2），比氧耗約310m3/km3（CO+H2）。

3.5 對下游裝置的影響

GEGP工藝：氣化裝置出口CO干基含量約52%，H2干基含量約31%，由于采用全激冷流程，水氣比約為1.3~1.4，足以滿足下游變換反應對水蒸氣的需要，且流程設置按耐硫中溫變換串低溫變換比較順暢。

晉華爐工藝：氣化裝置出口CO干基含量約52%，H2干基含量約31%，由于采用廢鍋+激冷流程，水氣比可調控范圍0.5~1.0，具體可根據下游變換對合成氣水氣比的要求來調整，實現在滿足下游化工合成的基礎上最大限度地回收合成氣中的高品位熱量。

航天爐HT-L工藝：氣化裝置出口合成氣中CO高達60%， 由于是4.0MPaG氣化，則合成氣中水氣比約0.9，基于高CO含量和中等比例水氣比的特點，對于本項目下游合成氣H2/CO要求，變換裝置在設計和運行時需要特別注意防止超溫的問題，針對該工況，變換裝置多采用多級變換爐串聯工藝（雙等溫、等溫+絕熱等流程），同時還需要可靠的變換爐急冷氣措施。

3.6 熱量回收方法

GEGP工藝：可選用激冷流程和廢鍋+激冷兩種流程，其中絕大多數采用激冷流程。

晉華爐工藝：可采用廢鍋+激冷流程，廢鍋回收的高品位顯熱約相當于原料煤低溫熱值15%，同時副產10.0~12.0MPaG高壓飽和蒸汽，過熱后可用于驅動空分透平。

航天爐HT-L工藝：可采用激冷流程和廢鍋+激冷流程兩種，其中絕大部分為激冷流程。

3.7 裝置投資

GEGP工藝：由于GEGP工藝燒嘴有效周期短，故需考慮備爐。

晉華爐工藝：氣化爐為可靠的水冷壁結構+組合式燒嘴，可考慮不留備爐，減少裝置投資。

HT-L工藝：氣化爐為可靠的水冷壁結構+組合式燒嘴，可考慮不留備爐，減少裝置投資。

4 煤氣化技術選擇原則

1）煤資源的可利用性、適應性：原料煤的性質，如煤化程度、灰熔點（和T4溫度）、煤灰黏溫特性、成漿性等指標直接決定了煤氣化技術的選型。

2）技術的可靠性：目前干粉煤氣化技術（如航天爐HT-L）技術雖然絕大部分設備和儀表均已經實現國產化，但部分設備及儀表閥門仍然需要進口；而氣流床水煤漿加壓技術如GEGP技術、晉華爐技術在國內煤氣化市場上占據大部分比例，所有設備、儀表等均已完全實現國產化，這對項目建設進度、后續運行過程中的維修更換都非常有利。

3）項目投資：干粉煤氣化技術由于在磨煤干燥、煤粉密相輸送、氣化爐水冷壁結構、較高的氣化框架等方面的特點，在相同產氣規模下單系列氣化爐投資高于比濕法水煤漿氣化技術。

4）技術的成熟度：目前氣流床氣化技術（含干法粉煤和濕法水煤漿）在國內均有多套成熟的商業化業績，技術成熟性方面均不存在問題。

5）項目規模及產品方案：結合項目規模和下游裝置對于上游氣化運行可靠性的要求，應重點考慮氣化裝置有無備臺對下游的影響。

5 結束語

通過簡述水煤漿加壓氣化技術及干粉煤加壓氣化技術，比較各煤氣化技術的特點，并從原料煤特性、煤氣化技術可靠性、項目投資、技術成熟度及總項目規模及產品方案安排五個方面，闡述了煤氣化技術的選擇原則。煤氣化工藝技術是煤化工的關鍵技術，在選擇煤氣化工藝技術時，應針對各種爐型的主要特點，并結合煤種、技術成熟度、投資成本和環保等方面的因素來選擇適合的煤氣化工藝。