干煤粉氣化工藝煤粉輸送載氣的選擇

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

近幾十年來，第二代煤氣化技術飛速發展，尤其是干粉煤氣化技術在中國取得長足發展，1984年GSP首臺商業設備(200 MW)氣化爐使用褐煤，粉煤處理能力30t/h，1993年SHELL在荷蘭Buggenum建成投產的投煤量2 000t/d的大型干煤粉氣化裝置運行，開啟了干煤粉氣化技術新的篇章，隨著這些干粉煤氣化技術在中國的推廣，國內外陸續開發了近十種干煤粉氣化技術(見表1)。

上述干煤粉氣化技術均有運用的生產裝置，大多數已成功工業化。而干煤粉氣化工藝的一個重要特點，是干煤粉進氣化爐需要載氣輸送，目前，工業化運用成熟的是采用加壓N2或者CO2作為載氣輸送，其具有連續性好、氣化爐操作穩定的特點。本文重點分析、探討不同載氣的選擇。

表1 國內外干煤粉氣化技術對比

1 不同載氣輸送的煤氣化裝置差異

干煤粉氣化工藝的干煤粉需要采用惰性氣體進行輸送，原GSP煤氣化工藝和SHELL煤氣化工藝開發采用的是N2輸送煤粉，且合成氣用于發電，N2在粗合成氣中含量約8%(φ)，若將此合成氣用于生產甲醇或CO，N2為惰性組分，對于后續粗合成氣處理不利，因此，中國五環工程有限公司(以下簡稱中國五環)先后在貴州天福項目和神華寧煤項目中，分別在SHELL氣化爐工藝和神寧爐氣化工藝中采用CO2進行煤粉輸送的開發和工程化設計，兩個項目開車運行后均取得良好效益。

以下重點介紹投煤量2 000t/d、產12.5萬Nm3/h(CO+H2)神寧爐采用N2和CO2輸送煤氣化工藝的差異。

1.1 煤氣化裝置中關鍵設備差異

采用N2和CO2輸送煤粉，其煤氣化裝置配置的設備有顯著差異，考慮到N2和CO2的來源差異，在煤氣化裝置開車階段，N2輸送煤粉還需要保留，同時，因CO2特性的差異增加部分設備，其詳細差異見表2。

表2 煤氣化關鍵設備差異對比

1.2 煤氣化裝置工藝性能指標的差異

由于N2在煤氣化過程中為惰性組分，而CO2在煤氣化過程中為活性組分，兩種不同載氣輸送煤粉，對煤氣化裝置工藝性能指標產生一定差異，其主要差異對比(典型數據)見表3。

2 煤氣化裝置采用不同載氣輸送煤粉生產不同產品的差異

兩種不同載氣輸送煤粉的氣化裝置所產粗合成氣的差別、輸送煤粉載氣的來源差別，導致相配套工藝的配置和消耗差別較大，以下以投煤量2 000t/a、產12.5萬Nm3/h(CO+H2)神寧爐，采用N2輸送和CO2輸送煤氣化分別生產合成氨和甲醇(典型工藝)為例，對比說明其配置差異和原料及公用工程消耗差異。

表3 煤氣化裝置工藝性能指標差異對比

(1)采用N2輸送煤粉和CO2輸送煤粉生產合成氨，其原料及公用工程消耗對比見表4。

從表中看出，干煤粉氣化采用N2輸送煤粉生產合成氨的經濟性要優于CO2輸送煤粉。

(2)采用N2輸送煤粉和CO2輸送煤粉生產甲醇的原料及公用工程消耗對比見表5。

表4 N2和CO2輸送煤粉生產合成氨的原料及公用工程消耗對比

表5 N2和CO2輸送煤粉生產甲醇的原料及公用工程消耗對比

從上表看出，干煤粉氣化采用CO2輸送煤粉生產甲醇的經濟性要優于N2輸送煤粉。

3 干煤粉氣化裝置載氣輸送煤粉的分析

3.1 N2作為載氣輸送煤粉

用N2作為載氣輸送煤粉，空分裝置可以提供不同等級N2，相對空分裝置流程配置簡單，高中壓N2可以采用液氮泵來供給，如果煤氣化裝置為合成氨生產合成氣，氮氣用量較大，空分需采用氮氣循環流程，用于輸送煤粉的載氣N2就可以成為合成氨的一部分原料 N2的來源，合成氣中N2不夠，在液氮洗時進行配氮補充。因此，輸煤N2作為產品的原料氣，整個工藝裝置流程相對較為簡潔。

如果煤氣化裝置為甲醇生產合成氣，N2作為載氣輸送煤粉，煤氣化所產粗合成氣中N2含量將達到8%，去甲醇合成的新鮮合成氣中占比達9%，惰性氣含量太高，大大影響甲醇合成的效率，尤其是甲醇合成和循環氣壓縮機能耗大幅增加，甲醇合成單元的有效氣損失，導致投資增加。

另外，煤氣化裝置生產相同有效氣(CO+H2)量，在用N2作為載氣輸送煤粉時，總氣量比CO2輸煤大3.7%，相對投資和能耗要稍高些。

3.2 CO2作為載氣輸送煤粉

煤氣化裝置考慮用CO2作為載氣輸送煤粉時，N2作為載氣輸送煤粉的系統仍然要保留，只是這套系統作為開車使用，配置可以按臨時性來設計。空分裝置可以考慮按臨時性設計思路提供氮氣，全廠用氮量會大幅減少，空分可以采用空氣循環流程，能耗大幅減少。

如果煤氣化裝置為合成氨生產合成氣，CO2作為載氣輸送煤粉時，相較于N2作為載氣輸送煤粉，CO2壓縮功要高于空分增加的能耗，后續CO變換因CO和CO2濃度高，需要消耗的外加蒸汽多，CO2濃度高也會導致低溫甲醇洗冷量消耗也高，但是液氮洗的H2損失少。

4 結語

中國五環近三十年來完成了大量的干煤粉氣化裝置，在干煤粉輸送載氣的選擇上，需要根據后續產品來綜合考慮。

(1)干粉煤氣化工藝生產合成氨，從投資、消耗以及生產操作的角度看，選擇N2作為載氣是經濟、可靠的選擇。

(2)干粉煤氣化工藝生產甲醇或其他CO/H2等下游產品，選擇CO2作為載氣是較為經濟的選擇，同時要充分考慮開車期間N2載氣系統的設置和N2/CO2切換的問題。