德士古煤氣化與科林煤氣化技術開發現狀

賀竹林

（陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西榆林 719000）

煤炭作為我國最為豐富的資源，對確保我國能源安全供應至關重要。而煤氣化技術作為實現煤炭高效利用的一種手段，在我國被廣泛應用。根據進料方式不同，可分為水煤漿和干粉煤兩種氣化技術。而德士古作為一種典型的濕法進料方式，自20世紀80年代起在我國就被廣泛應用，經過不斷的升級改造，形成了一套成熟的氣化工藝；干粉煤氣化技術主要代表有航天爐、Shell、GSP等。近年來，科林爐作為另外一種干法進料氣化工藝，因其獨特優勢開始被廣大廠家青睞。

1 德士古煤氣化與科林煤氣化技術經濟比較

1.1 工藝流程對比

德士古氣化的工藝流程主要分為磨煤、氣化和渣水3個環節。將10 mm以下一定質量的原煤與一定比例的水和添加劑送入磨機中進行研磨，制成濃度為60%左右的水煤漿。若煤種灰熔點高，則需加入一定量的助溶劑。制成的合格煤漿經過低壓煤漿泵送入煤漿槽內，再經過高壓煤漿泵加壓送入氣化爐內與氣化劑在1 250～1 400 ℃下進行氧化反應，進而產生粗煤氣，然后經過激冷流程進行氣、固分離和冷卻，經過水浴后的煤氣再依次經過文丘里洗滌器、洗滌塔進行洗滌，得到含塵量小于1 mg/Nm3的水煤氣。在此過程中產生的灰水一部分循環使用，大部分送往渣水處理系統進行處理；產生的渣通過鎖斗系統排至渣池內。

科林煤氣化工藝流程分為粉煤制備、輸送、氣化和渣水4個環節。原煤經輸送機送入原煤倉，原煤通過稱重給料設備計量后送入磨機磨細和干燥。在磨煤干燥系統中，為保證煤在氣化爐內能迅速完成氣化反應，需要將原煤碾磨成一定粒度要求的煤粉，經一次風將研磨好的煤粉帶到磨煤機上部的旋轉分離器中進行篩選，不符合要求的粗煤粉將落回到磨盤上再次碾磨，合格的煤粉隨一次風經輸送管進入袋式收粉器后依次進入粉煤倉、煤粉鎖斗、煤粉加料罐，在氣力輸送的作用下，將煤粉送入氣化爐中，在氣化爐內與氣化劑在1 400～1 700 ℃下進行氧化反應，進而產生粗煤氣，后續洗氣與德士古流程一樣。

1.2 能耗對比

不同煤氣化技術對物料的消耗是不同的。以神府煤為例，參照相關物料衡算，對采用水煤漿氣化與干煤粉氣化生產合成氣所消耗氧耗及煤耗進行相關計算[1]。結果表明，采用同一種煤種生產粗煤氣，干煤粉氣化生成的有效氣比水煤漿氣化生成的有效氣含量高，比煤耗降低，比氧耗降低，冷煤氣效率提高[2]。因此在煤種允許的條件下，采用干煤粉氣化技術生成的煤化工產品效率相對較高。在原料煤可同時使用的前提下，綜合對比，水煤漿氣化技術生產成本低于干煤粉氣流床氣化技術。

1.2.1 原料制備系統比較

一般制備1 t干煤粉的電耗約為30 kW·h，燃料氣消耗與煤的含水量有關，要求原料煤的水分控制在15.00%以內，經干燥后降低至2.00%，那么1 t原煤干燥至所需的要求需要的熱量最大為1 000×（0.150-0.020）×2 640÷0.7=490 MJ（燃料氣能量利用率按70%計，水的蒸發焓按2 640 kJ/kg計）[3]。

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負相關，以提供的煤種為褐煤計算，其煤漿質量分數為60%左右；煤漿制備需要加入添加劑以改善煤漿成漿性能，其加入量一般為煤漿質量的0.1%～0.3%；正常情況下，制備1 t水煤漿需要耗電約10 kW·h[3]。制漿用水可采用工廠難以處理的廢水。水煤漿氣化與干煤粉氣化原料制備系統比較見表1。

表1 水煤漿氣化與干煤粉氣化原料制備系統比較

1.2.2 原料輸送系統比較

科林干煤粉氣化爐的操作壓力為4.5 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250～400 kg/m3，壓力8.1 MPa，1 000 m3的惰性氣輸送干煤粉需耗電約36.3 kW·h[3]。而水煤漿輸送是依靠高壓煤漿泵，氣化壓力采用6.5 MPa，水煤漿的泵送壓力一般設計為8.5 MPa，每產生1 000 m3的有效氣原料輸送系統所耗電量大約為1.36 kW·h[3]。

1.2.3 入爐的蒸汽和氧氣比較

干煤粉氣化需要將壓力為4.9 MPa，溫度為300 ℃的過熱蒸汽與氧氣按一定比例混合，與粉煤一起送入氣化爐，每產生1 000 Nm3的有效氣需加入蒸汽的量約為48 kg[3]。為了避免蒸汽冷凝影響氣化，必須對氧氣進行預熱，科林爐采用氣化爐的盤管水給氧氣預熱。水煤漿氣化技術氣化時不需要導入蒸汽，氧氣由空分車間送來，不需要預熱，通過燒嘴導入氣化爐[4]。

1.2.4 氣化系統和灰水處理系統比較

科林煤氣化采用盤管水冷壁結構，每產生1 000 m3的有效氣可副產0.5 MPa 低壓蒸汽約0.42 t；德士古氣化爐采用耐火磚，熱量沒有進行有效的回收利用，造成了能耗的大量浪費。德士古煤氣化和科林煤氣化對高溫合成氣均采用激冷流程。灰水處理系統均采用三級閃蒸。干煤粉氣化爐的灰/渣（質量比）通常是6∶4～7∶3，水煤漿氣化爐的灰渣比（質量比）通常是3∶7，因此在投煤量相同的情況下，干煤粉氣化技術所產生的細灰量較多[4]。

2 德士古煤氣化與科林煤氣化工藝對比

2.1 燒嘴結構不同

德士古煤氣化燒嘴有2個，分別為點火燒嘴和工藝燒嘴，置于拱頂正中心，其中工藝燒嘴為三通道式，中心及外環為氧氣，中間為水煤漿。科林煤氣化的點火燒嘴（長明燈）設置在氣化爐的中心軸線位置，3個工藝燒嘴以120°的角度分布在點火燒嘴（長明燈）的周圍，每個工藝燒嘴都有自己獨立的煤粉輸送管道和氧氣管道以及與之相對應的獨立的控制系統。

2.2 反應混合特征不同

德士古水煤漿氣化爐內燃燒室內流場按流動過程可分為射流區、回流區和管流區，見圖1[2]。德士古氣化爐的燒嘴與灰、渣出口在同一中心上，流場呈直噴狀，停留時間短，氣流高速沖刷筒體下部及錐底耐火磚，下筒體下部及錐底耐火磚更換頻繁。

圖1 燃燒室內流場分布

從圖2中可以清晰看出，科林氣化爐多噴嘴頂置下噴結構的特點與優勢。（1）燃燒室溫度流場更加均勻，由于氣流不是直對渣口，因此顆粒的停留時間較德士古氣化長，碳轉化率更高。（2）科林氣化的反混效果更為均勻，確保從上而下的溫度均勻，實現均勻的掛渣。

圖2 科林煤氣化爐的燒嘴設計的三燒嘴流場示意圖

2.3 氣化爐燃燒室結構不同

德士古水煤漿氣化爐內結構一般分為燃燒室、激冷室，其中燃燒室又分為錐部、筒體部和拱頂3部分。耐火襯里主要分布在燃燒室，錐部由耐火面磚及澆注料構成，筒體部由耐火面磚、絕熱層、保溫層構成，拱頂部由耐火面磚、背襯澆注料、纖維壓縮料構成。拱頂部主要結構形式有錐形頂和球形頂，其中的錐頂成角約36°，以圓弧形狀與筒體部連接；球型頂整體為圓弧形狀與筒體部連接。爐腔直筒部為筒體部。爐腔下部落渣口和錐底構成錐底部，錐底部坡度角度多為45°。細部結構方面，在筒體部的頂端和拱頂部連接處，保留膨脹縫；拱頂部的所有耐火面磚上下砌筑面都帶有鉚楔，主要是為了在砌筑時可以相互咬合；不同材質耐火襯里間留2～3 mm膨脹縫，用可燃材料填充。而且采用耐火磚使用的壽命短，一般1.0～1.5年就需更換，并且檢修周期長。拱頂爐磚使用前后對比圖見圖3，筒體爐磚沖刷情況見圖4，錐部磚沖刷情況圖5。

圖3 拱頂爐磚使用前后對比

圖4 筒體爐磚沖刷情況

圖5 錐部磚沖刷情況

科林氣化爐的燃燒室內采用盤管水冷壁結構，在高溫氣化反應的同時煤灰融化，碰到溫度較低的水冷壁發生沉淀并固化。隨著渣層厚度的增加，固態渣層熱阻增大，最終固態渣層表面與水冷壁冷卻水溫差加大，使渣層表面的固化和熔化形成動態平衡狀態，從而實現“以渣抗渣”的目的，同時配合科林三噴嘴頂置下噴形成的良好的流場和溫度分布，能夠實現氣化爐爐膛內更為穩定的掛渣（尤其是爐膛頂部），氣化爐內拱頂掛渣圖如圖6所示。

圖6 水冷壁拱頂掛渣圖

盤管結構通過“以渣抗渣”的方式，氣化室的水冷壁無需暴露在高溫環境下，固態渣保護層也可以在運行過程中實現自我修復，水冷壁的使用壽命長、維護簡單方便、避免了耐火磚式氣化爐定期更換耐火磚帶來的投資和停車。

3 結語

通過水煤漿與干粉煤技術經濟及工藝對比得出：（1）科林煤氣化較德士古水煤漿氣化，煤耗、氧耗更低；（2）科林爐燃燒室溫度流場更加均勻，由于氣流不是直對渣口，因此顆粒的停留時間較德士古氣化長，碳轉化率更高；（3）科林爐水冷壁的使用壽命長、維護簡單方便、避免了耐火磚式氣化爐定期更換耐火磚帶來的投資和停車。