40 萬t/a 煤制乙二醇項目氣流床氣化技術比較研究

朱世明

（內蒙古開灤化工有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 030100）

煤的氣化技術是煤炭資源清潔高效利用的核心技術[1]。氣流床煤氣化技術因生產能力大、氣化效率高等優勢，在現代大型煤化工項目中應用廣泛[2]。氣流床煤氣化爐按照進料方式可以分為水煤漿氣化爐和粉煤氣化爐[3]；按氣化爐爐壁保護方式可分為水冷壁氣化爐和耐火磚氣化爐[4]；按合成氣的冷卻和熱量的回收流程可分為激冷流程氣化爐、全廢鍋流程氣化爐和半廢鍋流程氣化爐[5]；按氣化爐燒嘴布置可分為單燒嘴氣化爐和多燒嘴氣化爐。

煤化工裝置中，煤氣化工藝的選擇將決定后續工藝的流程與投資規模，對項目穩定運行和經濟效益有重大影響。本文以某40 萬t/a 煤制乙二醇項目為例，選取某干煤粉氣流床煤氣化技術（投煤量1 000 t/d）和某水煤漿氣流床煤氣化技術（投煤量1 100 t/d），分析對比主要工藝單元，探討兩種氣化技術各自的優勢與不足，為同類項目氣化技術的選擇提供參考。

煤制乙二醇裝置分為氣化工段、變換工段、凈化工段、PSA 工段、乙二醇工段。無論采用哪種氣化技術，變換工段后的流程基本一致，因此本文只針對氣化工段及變換工段進行對比。

1 原料制備系統比較

某40 萬t/a 煤制乙二醇項目采用當地長焰煤為原料，原料煤煤質分析數據如表1 所示。

表1 原料煤煤質分析數據

1.1 煤粉制備

某干煤粉氣化技術采用輥磨機制備煤粉，磨煤機在微負壓條件下運行，原料煤磨粉和干燥在磨煤機中進行，熱風爐中燃料氣燃燒產生的熱煙氣作為干燥介質。煤粉制備干燥系統流程示意圖見圖1。

一般制備1 t 干煤粉的電耗約為30 kWh，燃料氣消耗與煤的含水量有關，該項目需將原料煤的水分由13.40%降低至2.00%，則1 t 原煤干燥消耗的熱量為1 000×（0.134-0.020）×2 640÷0.7=430 MJ（燃料氣能量利用率按70%計，水的蒸發焓按2 640 kJ/kg計）。燃料氣按天然氣計算，生產1 000 m3有效氣耗煤約671 kg（干基），其磨粉耗能為 671÷（1 000-134）×430=333MJ，消耗天然氣約10.1m（3天然氣熱值按33MJ/m3計）。

圖1 煤粉制備干燥系統流程示意圖

1.2 水煤漿制備

某水煤漿氣化技術的煤漿由入爐原料煤、制漿用水、制漿添加劑等共同制成，制備過程在棒磨機中完成，水煤漿制備系統流程示意圖見圖2。

圖2 水煤漿制備系統流程示意圖

煤的成漿性與煤的含水量（內水）有關，一般認為煤的成漿性和成漿濃度與其內水含量成反向關系，該項目提供的煤種為褐煤，其煤漿質量分數為52%左右；添加劑的用量一般為煤漿質量的0.1%～0.3%；正常情況下，制備1 t 水煤漿需要耗電10 kWh。制漿用水可以采用工廠難以處理的廢水。

兩種煤氣化技術原料制備系統比較見表2。

表2 干煤粉、煤漿制備系統比較

2 原料輸送系統比較

2.1 干煤粉的加壓和輸送

干煤粉氣化的粉煤加壓輸送系統示意圖見圖3，整個系統比較復雜，操作繁瑣，易損部件多，檢修多。煤粉送入低壓粉倉（儲倉）后，通過程序控制間歇地進入煤粉鎖斗，在煤粉鎖斗中，煤粉由惰性氣加壓后間歇地進入高壓粉倉（煤粉給料倉），煤粉鎖斗、煤粉給料倉的泄壓排放氣入粉煤袋式過濾器后，氣體直接放空，煤粉則收集起來后再返回粉煤儲倉。在煤粉給料倉的底部設計錐形的充氣錐，充氣錐由高壓惰性氣（N2或CO2）進行充氣、流化，以保證粉煤能穩定進入粉煤管線，所以需要嚴格控制高壓N2或CO2的流量和壓力。干煤粉氣化爐的煤粉輸送過程中主要消耗高壓N2或CO2和低壓N2等物料，高壓N2或CO2由壓縮機提供。為防止煤粉中水汽由于低溫而發生冷凝，導致系統堵塞，煤粉輸送系統需采用低壓蒸汽伴熱。

目前干煤粉氣化爐的最高氣化操作壓力4.0 MPa，實際運行中采用高壓N2或CO2輸送煤粉，輸送的煤粉密度通常為 350 kg/m3～400 kg/m3，惰性氣壓力 8.1 MPa，1 000 m3有效氣的原料輸送電耗約36.36 kWh。

圖3 干煤粉加壓及輸送系統流程示意圖

2.2 水煤漿的加壓和輸送

水煤漿輸送系統流程示意圖見圖4。由煤漿制備系統制備得到的水煤漿首先進入煤漿槽，為了保證水煤漿的均一性，煤漿槽中布置了煤漿攪拌器進行連續攪拌，使煤漿顆粒保持懸浮狀態，然后煤漿經加壓泵送入氣化爐燒嘴進行氣化。

圖4 水煤漿輸送系統流程示意圖

某水煤漿氣化技術的水煤漿輸送是依靠高壓煤漿泵完成的，假如氣化壓力采用4.5 MPa，那么水煤漿的泵送壓力一般設計為6.5 MPa，1 000 m3有效氣的原料輸送電耗一般為1.36 kWh。

兩種煤氣化技術的煤漿（煤粉）輸送系統比較見表3。

表3 干煤粉、煤漿輸送系統比較

3 進入氣化爐的氧氣和蒸汽比較

3.1 干煤粉煤氣化技術的氧氣和蒸汽

粉煤氣化一般需要將壓力為5.1 MPa 的過熱蒸汽和氧氣按一定比例混合后，與粉煤一起導入氣化爐，過熱蒸汽必須經過過濾，防止蒸汽管線中的銹皮顆粒進入氧氣管線引發事故。

一般每1 000 m3有效氣的蒸汽加入量為48 kg。為了避免蒸汽冷凝影響氣化，必須對氧氣也進行預熱，通常采用氣化爐的鍋爐水給氧氣預熱。

3.2 水煤漿氣化技術的氧氣和蒸汽

水煤漿氣化技術氣化時不需要導入蒸汽，氧氣由空分送來，通過燒嘴導入氣化爐。兩種氣化技術的氧氣和蒸汽消耗、操作性對比見表4。

4 氣化系統和灰水處理系統比較

4.1 干煤粉氣化流程

干煤粉氣化采用粉煤加壓氣化配激冷流程工藝，其流程示意圖見圖5。氣化爐水冷壁采用盤管結構且外部有承壓鋼殼，在氣化爐頂部布置單獨燒嘴。在水冷壁圍成的反應室內，粉煤和氣化劑在高溫高壓條件下燃燒、反應生成合成氣和灰渣。工作時爐內的溫度通常比灰渣流動所需的溫度高100 ℃～150 ℃。鍋爐水循環泵使盤管式水冷壁內的鍋爐水實現強制循環，水冷壁內的鍋爐水吸收熱量后轉變為中壓蒸汽，同時降低了承壓殼體的溫度，確保承壓殼體的安全。氣化爐水冷壁副產的中壓飽和蒸汽一部分經過電加熱器的過熱約升溫至420 ℃，再送進氣化爐充當工藝蒸汽，另一部分進入廠內蒸汽管網使用。

表4 兩種氣化技術的氧氣和蒸汽消耗、操作性對比

圖5 干煤粉氣化爐氣化流程示意圖

干煤粉氣化爐的反應室導出的高溫、高壓合成氣與熔渣一起經過激冷環和下降管經水激冷，然后沿著下降管入激冷室進行水浴，合成氣再經過文丘里洗滌器以及合成氣洗滌塔的進一步洗滌、除灰，進入后工段煤氣變換系統。激冷后固化的粗渣經渣鎖斗系統排至撈渣機中外送。洗滌塔與氣化爐的黑水排入灰水處理系統處理。

4.2 水煤漿氣化流程

水煤漿氣化采用水煤漿加壓氣化+ 水冷壁+ 輻射式半廢鍋流程，其流程示意圖見圖6。水冷壁采用垂直懸掛膜式壁結構，在氣化爐頂部布置單獨燒嘴。水煤漿和氧氣均通過燒嘴進入氣化爐反應室。水煤漿流出燒嘴后，首先受高速氧氣射流的剪切作用而被霧化成細漿滴，細漿滴在氣化爐中被迅速加熱并和氧氣發生劇烈的燃燒和氣化反應，最終生成粗煤氣。高溫粗煤氣和高溫爐渣由渣口排出燃燒室，然后進入輻射式廢熱鍋爐進行冷卻降溫，輻射廢熱鍋爐中的冷卻水得到熱量后產生高壓飽和蒸汽，粗煤氣經過與輻射廢熱鍋爐中的水分換熱后，溫度顯著降低，同廢熱鍋爐底部的激冷水混合后再進入洗滌塔，經過洗滌塔的洗滌、除塵后，送入后工段。

水煤漿氣化爐煤氣化反應生成的熔渣和粗煤氣溫度為1 300 ℃～1 400 ℃，具有大量顯熱，因此由燃燒室排出后需進入廢鍋進行熱量回收，此后粗煤氣和爐渣溫度降低至700 ℃～800 ℃，再經過水浴激冷至200 ℃～250 ℃。激冷后的灰渣經灰渣鎖斗系統間歇排進渣池，渣池中的灰渣經撈渣機撈出后外送。洗滌塔黑水排入灰水處理系統處理。

4.3 兩種氣化系統和灰水處理系統對比分析

圖6 水煤漿氣化爐氣化流程示意圖

水煤漿氣化爐燃燒室和激冷室之間有輻射廢鍋，出燃燒室的高溫粗煤氣進入輻射廢鍋后回收大部分熱量，副產高壓飽和蒸汽，針對該項目，每1 000 m3有效氣可副產5.0 MPa 飽和蒸汽1.02 t。干粉煤氣化爐采用激冷流程，出氣化室的高溫粗煤氣直接用水激冷，浪費了高品位的熱能。

干煤粉氣化爐的灰渣比（質量比）通常是5∶5，水煤漿氣化爐的灰渣比（質量比）通常是3∶7，在投煤量相同的情況下，干煤粉氣化爐的灰水處理系統中所含的細灰量比較多。

綜上，不同氣化方式以及不同熱量回收方式的耗能也不同。在干煤粉氣化爐和水煤漿氣化爐的操作壓力分別為4.0 MPa 和4.5 MPa 的條件下，兩種氣化技術[1 000 m3(CO+H2)]氣化系統和灰水處理系統的消耗、成本對比見表5。由表5 可知，生產1 000 m3(CO+H2)，干煤粉氣化爐的成本為357.67 元，水煤漿氣化爐的成本為378.43 元。

表5 兩種氣化技術[1 000 m3(CO+H2)]氣化和灰水處理系統的消耗、成本對比

5 變換工藝的比較

乙二醇生產中，變換工段一般都采用粗煤氣一股全變換、提取H2，一股不變換、冷卻、分離后，提取CO的配氣流程設置。對全變換流程而言，干煤粉氣化粗煤氣中CO 體積分數占65%左右，水煤漿氣化粗煤氣中CO 體積分數占45%左右，且干煤粉氣化粗煤氣的水氣比比水煤漿氣化的低，一般干煤粉氣化變換工段需要加入蒸汽來提高水氣比。水煤漿氣化變換工段設置兩級變換即可，而干煤粉氣化變換工段需要設置三級變換，增加了變換裝置的投資，也增加了下游低溫甲醇洗的負荷。

采用干煤粉氣化和水煤漿氣化技術，出氣化界區合成氣的水氣比不同，但都能滿足變換工段的要求，干煤粉氣化所出氣化界區合成氣的水氣比（摩爾比）為0.96，H2O/CO（摩爾比）為1.5，水煤漿氣化出氣化界區合成氣的水氣比（摩爾比）為0.99，H2O/CO（摩爾比）為 2.95。

變換工段的流程示意圖見圖7。

圖7 變換工段流程示意圖

氣化粗煤氣進入1#氣液分離器分離夾帶的液態水后，進入煤氣預熱器，與1#可控移熱變換爐來的變換氣換熱后，進入脫毒槽脫除灰塵、重金屬等雜質，然后進入1#可控移熱變換爐內反應，并通過配套的1#汽包副產3.8 MPa（G）飽和蒸汽。出1#變換爐的變換氣經煤氣預熱器預熱水煤氣后，進入2#變換爐內進一步反應，并使CO（干基）體積分數降至0.5%以下。

2#變換爐出來的變換氣依次進入除氧水加熱器、脫鹽水加熱器換熱并冷卻，再經2#氣液分離器分離冷凝液后，進入循環水冷卻器，將變換氣冷卻至40 ℃以下，最后進入3#氣液分離器，分離冷凝液后出變換界區。

變換系統中，不同的氣化技術能量回收率不同（主要體現在蒸汽產量上），兩種氣化技術[1 000 m3(CO+H2)]變換系統副產蒸汽產量對比見表6。由表6 可知，處理1 000 m3(CO+H2)，干煤粉氣化技術變換系統副產蒸汽成本為-33.21 元，水煤漿氣化技術為-42.40 元。

表6 兩種氣化技術[1 000 m3(CO+H2)]變換系統副產蒸汽情況對比

6 生產成本對比分析

兩種氣化技術（1 000 m3有效氣）從原料（干煤粉、水煤漿）制備到變換系統的成本對比見表7。

表7 兩種氣化技術[1 000 m3(CO+H2)]的成本對比

由表7 可知，生產1 000 m3有效氣，干煤粉氣化的運行成本為365.23 元，高于水煤漿氣化的353.16 元。

7 結 語

以年產40 萬t 煤制乙二醇項目為例，對比了某水煤漿氣流床氣化技術和某干煤粉氣流床氣化技術，水煤漿氣化技術的原料制備和輸送環節能耗較低、操作安全環保，雖然氣化工段煤耗、氧耗較高，但是通過回收高溫粗煤氣的顯熱副產大量高壓飽和蒸汽，能量利用率高，氣化過程不需要加入蒸汽。綜合來看，水煤漿氣化技術生產成本低于干煤粉氣流床氣化技術。