大型煤化工項目常見煤氣化技術性能對比

王廣，張雪梅，顧軍

(1.寧夏百川新材料有限公司，寧夏銀川750409；2.延安大學化學與化工學院，陜西延安716000；3.南京沃譜瑞環境研究院有限公司，江蘇南京210000）

我國煤炭資源豐富，但是燃氣資源匱乏，因此導致煤炭能源消費結構占比超過60%。所以，確保煤炭資源應用的高效性，能夠維護能源長期安全供應。確保煤炭資源應用的集約化，實現煤炭轉化與應用，將其作為高附加值的清潔型技術，能夠有效發展多聯產系統、煤基化學產品、煤制氫與先進發電工藝。當前，我國大型煤化工項目多采用氣流床加壓氣化技術，本文將針對代表性技術進行分析。

1 工藝流程比較分析[1～5]

1.1 GE 氣化技術

利用煤儲運系統運輸原料煤，將其投入煤貯斗中。通過稱量給料機實施定量處理，能夠進入到磨機，適當添加定量水、添加劑，對水煤漿進行研磨。利用煤漿加壓泵實行加壓處理，與高壓氧氣進入到氣化爐內，以此完成氣化過程，生成氫氣與一氧化碳。高溫粗合成氣離開汽化爐反應段后，全面進入至激冷室水浴。經過激冷固化處理后，可以確保熔渣進入激冷室，采用鎖斗排除。出激冷室，進行洗滌、除塵操作，使溫度在245℃。通過碳洗塔、氣化爐，進入高、低壓閃蒸罐、兩級真空閃蒸罐，且水分閃蒸為蒸汽，從而回收到特定位置。針對溶解黑水的合成氣，進行解吸處理后，進入回收系統進行二次處理。對黑水進行壓縮處理，溫度下降約為45℃，進入沉降槽內。經過濾機的脫水處理后，可以將細渣漿運輸到場外，沉降槽內澄清灰水，進入到匯水槽內。利用低壓灰水漿泵加壓，進入氣化系統內，實現循環使用。

1.2 GSP 粉煤氣化

通過給煤機對原料煤進行稱量，進入至磨煤機，全面做好磨粉處理。利用熱風爐能夠對熱惰性氣體進行傳輸，同時進入磨煤機，將粒徑達標煤粉進行干燥處理后，可以吸入煤粉過濾器內，分離與收集后，排入至煤粉貯倉室。經過煤粉鎖斗，可以送入至煤粉給料倉內，經過高壓二氧化碳輸送，經過粉煤管線，進入到氣化爐頂部噴嘴位置。在1450℃、4.1MPa 條件下，產生氣化反應，生成氫氣和一氧化碳的粗組合氣。氣化爐內壁為水冷壁結構，為了避免粗合成氣進入到水冷壁環形空間內，對設備造成腐蝕影響，環形空間內充注高壓力惰性氣體。在氣化爐內充分反應，涉及到飛灰、高溫粗合成氣、液態熔渣，利用排渣口進入激冷室，實施冷卻處理，固化熔渣。對于水飽和合成氣體，在出激冷室后，會經過鼓泡塔、洗滌器、冷凝器、氣液分離器，進入下游系統。熔渣通過鎖斗，能夠進入渣池。對于粉煤顆粒、飛灰，能夠進入渣池泵，同時進入到渣水處理系統，在處理操作后，實現循環使用。氣化爐、洗滌裝置排出高溫廢水，經過閃蒸濃縮、澄清處理后，可以送回至循環系統。

1.3 Shell 粉煤氣化

為了滿足煤化工生產需求，通過Shell 技術，能夠對粉煤氣化流程進行開發，運行效果良好，指標達到優秀標準。Shell 粉煤氣化技術，接近GSP工藝。通過高壓煤粉倉，實現煤粉運輸，還可以通過高壓CO2，促使煤粉進入噴嘴中心。對空分高壓氧氣進行加熱，確保溫度為180℃，混合過熱蒸汽，進入到噴嘴外環隙，經過多個工藝噴嘴，進入到氣化爐。混合煤粉、氧氣，利用氧化反應，生成合成氣。利用噴嘴，能夠使煤粉噴出，通過氧氣流，當氣化爐產生反應后，能夠形成旋流。離心力會拋起液態熔渣，使其到達拋到水冷壁，沿著水冷壁，當進入激冷室。確保熔渣固化，就會形成碎玻璃體，通過鎖斗排出。針對氣化爐反應，可以形成高溫粗合成氣、飛灰，通過下降管，能夠進入激冷室，實現水浴、激冷處理。確保合成氣水飽和后，利用洗滌器、合成氣洗滌塔，實現洗滌處理。灰水處理系統、GE 工藝基本相同，通過閃蒸進行處理后，能夠進入沉降槽，從而實現沉降。

在開車初期，經過火炬燃燒后，可以使不合格煤氣放空。開車結束后，將粉煤燒嘴投入，開工燒嘴、點火燒嘴，則氣化爐退出。

2 對比煤種適應性

2.1 GE 煤質適應性

原料煤應用到氣化爐內，發熱量、固定碳含量中等，具備良好反應活性，及灰熔點、灰分角度。GE 水煤漿氣化，對于水煤漿的要求高：粘度低，濃度高，具備良好的流動性與穩定性。在氣化反應前，能夠促使水煤漿內部水蒸發，會增加濃度，水蒸發處理后，還會增加熱量需求度，相應降低比煤耗、比氧耗、煤炭水含量，對煤漿濃度。內水多由煤炭親水基、毛細孔吸附所致。煤炭中親水基、毛細孔吸附水張力，可以在煤炭顆粒周邊形成水膜。若原煤料內存在大量親水基、且毛細孔多，則會加大水膜厚度，降低煤漿濃度。GE 氣化爐內為耐火磚，特別為堿性的金屬氧化物，因具備較高組分，會侵蝕耐火磚，縮短服役壽命。液態灰渣沿著耐火磚流下，會產生強烈的沖刷作用，使磚體厚度減弱。實踐顯示，灰渣最佳粘度為15～40Pa，在爐磚表面，可以形成標準厚度。通過灰渣保護層，不但有助于延長爐磚壽命，能夠避免扎口堵塞。對于灰渣流動粘度，應確保其達到最佳溫度。如果氣化爐溫度低，會增加粗煤氣的甲烷含量。當溫度比較高，特別是＞1400℃，將會導致耐火磚熱時增加。當溫度＞1400℃，每提升20℃，會加大爐磚熔蝕速率，約為1 倍，因此原料煤灰熔點控制在1300℃以內。

圖1 為常見原料粘溫特性。按照圖示可知，煤種3：氣化操作溫度小，不能實現水煤氣氣化。煤種1:1390℃灰熔點，不能產生水煤漿氣化。煤種2:灰溶度中等，低灰分，操作溫度約為1255 ～1340℃，可以實現水煤漿氣化反應。

圖1 常見原料煤粘溫特性曲線圖

2.2 煤質適應性

粉煤氣化煤灰分應當高于8%，最佳灰分為12%～25%。原料煤灰熔點1250～1550℃。在粉煤氣化爐內，灰熔點較低時，碳轉化率較低，無法掛渣。當煤炭灰熔點較高時，則應當添加助溶劑，以此產生氣化反應。以免導致氣化爐鎖斗堵塞，爐渣結塊，影響氣化爐內件運行時長。

在應用粉煤氣化工藝時間，灰渣粘度為25～40Pa，這樣才可以確保掛渣、排渣的正常化。按照原料煤黏溫曲線，在進行粉煤氣化時，應當確保氣化溫度適宜。當溫度較低時，則碳轉化率低，相應增加灰渣粘度，對渣流動影響較大，還會導致渣口下降。在氣化反應中，如果溫度比較高，致使水冷壁掛渣變薄，加快液態渣的流動速度，還會加劇水冷壁沖刷磨損，影響水冷壁的使用壽命，加劇氣化爐熱損失、比煤耗、比氧耗。粉煤氣化裝置初始化運行時，水冷壁首次掛渣，應用高灰熔點、結渣性的原料煤，防止氣化爐運行期間，由于氣化爐溫度波動，造成水冷壁渣層減薄。

與水煤漿氣化相比，粉煤氣化可以有效適應原料煤，不僅可以應用無煙煤，也可以應用褐煤，特別是高灰熔點、高灰分、劣質煤，適應性非常強。由圖1 可知，按照煤種3 的黏溫特性曲線，操作溫度應當在1340～1495℃，溫度范圍比較寬，可以應用于粉煤氣化反應中。煤種1 與2 也可以應用到粉煤氣化中。相比于水煤漿氣化，粉煤氣化的能效綜合比、比氧耗、比煤耗、檢修工程量與成本的優勢顯著，可以確保運行穩定性，相應增加經濟效益。合理分析粉煤氣化裝置的運行狀態，加強經濟效益。

3 氣化性能參數比較

3.1 比較工藝操作參數

結果如表1 所示。通過表1 數據可知，相比于GE 水煤漿氣化工藝，Shell、GSP 粉煤氣化工藝的有效氣含量、碳轉化率比較接近，明顯高于GE水煤漿氣化工藝；Shell、GSP 粉煤氣化工藝的水冷壁，能夠產生蒸汽，特別是粉煤氣化工藝，可以生產中壓蒸汽，全面提升裝置能效，使能源消耗下降。雖然水煤漿氣化技術成熟度高，工藝操作簡便，得以廣泛應用；粉煤氣化工藝技術起步晚，工藝復雜，進料控制難度大，然而應用Shell、GSP 粉煤氣化工藝，具備多種應用優勢，技術認可度高。

表1 不同煤種氣化工藝操作參數

3.2 技術性能指標比較

表2 為三種煤氣化技術性能指標，通過表2 數據可知，GE 水煤漿氣化細渣、粗渣殘碳率高，且細渣與粗渣比例為2∶7。Shell 粉煤氣化技術渣滓中，殘碳率較低，碳轉化率比較高，粗渣多為玻璃體大顆粒，粗渣殘碳量小，細渣殘碳率為2%，細渣、粗渣比例為1∶6。GSP 粉煤氣化工藝，原料為二氧化碳輸送的有效氣，含量達到95%。細渣中的殘碳率非常高，且細渣、粗渣比例為3∶7。通過上述分析可知，粉煤氣化工藝能夠增加有效氣含量，在有效氣組分中，包含大量氫氣，因Shell 技術應用期間，激冷環下降管配置合理，在下降管內，優化雙水噴頭設置，確保高溫合成氣和水產生變換反應。同時保證煤粉均勻分布在氣化爐內，形成流場與氣化反應。在爐膛內，保證煤粉停留時間長達8s，可以充分氣化，全面提升碳轉化率與氣化效率，還可以使比氧耗、比煤耗降低。通過多個噴嘴結構，可以將氣化負荷分散，且粉煤會減少噴嘴磨損度，延長燒嘴運行壽命。此外，由由于爐膛內氣化狀態良好，粗渣比例大，會降低灰渣殘碳率，降低灰水系統負荷，提升水質，拉大氣化工藝裝置的差距。沉降槽內，灰水清澈，可以為環境予以保護，減少水資源浪費。

表2 比較3 種煤氣化工藝技術性能指標

4 關鍵設備比較

GE 進料多為泵送方式，簡化運輸流程圖，安全性高。但是，高壓煤漿泵發生故障，將會嚴重影響生產。通過應用此種工藝，會縮短燒嘴運行時間。通過三通道燒嘴，可以確保中心、外環隙通氧，煤漿經過環隙，會導致內、外噴管的磨損度，使燒嘴壓差下降，還會影響燒嘴給料穩定性，還會加大碳轉化率。燒嘴磨損后，會導致爐磚、內件燒壞。燒嘴冷卻水盤管、水夾套，極易受到高溫熱蝕影響，縮短燒嘴壽命。

GSP 氣化技術，需要將多個燒嘴組合在一起，通過螺栓緊固、法蘭連接方式，可以設置在氣化爐正方，包含主燒嘴、點火燒嘴。主燒嘴中間位置，防止點火燒嘴，外部為冷卻水夾套，應用冷卻點火燒嘴。對于燒嘴外表面、內表面，相互間存在環狀縫隙，可以作為輸氧通道。在輸氧通道、外部環狀輸煤通道之間，設置管壁，配置冷卻水夾套。在主燒嘴上，帶有兩個冷卻水夾套，能夠避免燃燒室內高溫，熱腐蝕主燒嘴外部。在主燒嘴煤粉通道出口位置，設置煤粉輸送管線，切線進入到環狀煤粉通道，保證煤粉分布的均勻性。氧氣在主燒嘴出口，表現為旋流狀，且為分散狀態，與外部煤粉接觸后，會出現氣化反應。GSP 技術中，燒嘴使用壽命為三個月。

Shell 燒嘴為雙通道，利用中心噴管環隙，噴出煤粉。外環管道為冷卻水夾套，能夠延長運行壽命。多水平噴嘴的合理設置，相比頂置式噴嘴，可以確保爐膛內部煤粉的均勻分布，提升碳轉化率、氣化效率，還能夠使水冷壁掛渣，避免出現爐壁超溫問題。在渣口渣屏背面，安裝Shell 激冷環，能夠將高溫合成氣隔離開，防止燒毀Shell 激冷環。在激冷環下方，存在環形縫隙，便于激冷水噴出均勻，并且形成水膜。將雙水噴頭設置在下降管道內，可以對下降管起到保護作用。

5 結束語

綜上所述，通過本文比較分析，在原料適用范圍、水耗、比煤耗、能效綜合應用、比氧耗等指標中，粉煤氣化技術具備顯著優勢，并且燒嘴運行時間長。應用水冷壁技術，可以消除水煤漿氣化爐的弊端，無需頻繁更換耐火磚與燒嘴，確保長期處于穩定運行狀態。