最新国内外先进煤气化技术比选-章荣林
国内外先进煤气化技术比选-章荣林
国内外先进煤气化技术比选
章荣林
（设计大师中国天辰化学工程公司原副总工程师）我国是一个缺油、少气、煤炭资源相对而言比较丰富的国家，如何利用我国煤炭资源相对丰富的优势发展煤化工已成为大家关心的问题。发展煤化工离不开合成气的制备，煤气化就是制备合成气的必要手段。
近年来，我国掀起了一股煤制甲醇热、煤制油热、煤制天然气热、煤制烯烃热。有煤炭资源的地方都在规划以煤炭为原料的建设项目，以期籍煤炭资源的优势，发展煤化工、煤制油、煤制烯烃。这些项目都碰到亟待解决原料选择问题和煤炭气化工艺技术方案的选择问题。
1．各种煤气化工艺的优缺点
我国已经工业化的、已建立示范装置的和已经中试装置考验的、从国外引进技术的、属于国内具有自主知识产权的煤气化装置和技术，有常压固定层间歇式无烟煤（或焦炭）气化技术、常压固定层无烟煤（或焦炭）富氧连续气化技术、鲁奇固定层煤加压气化技术、灰熔聚流化床粉煤气化技术、恩德沸腾层（温克勒）粉煤气化技术、GE德士古（Texaco）水煤浆加压气化技术、多元料浆加压气化技术、多喷嘴（四烧嘴）水煤浆加压气化技术、壳牌（Shell）干煤粉加压气化技术、GSP干煤粉加压气化技术、两段式干煤粉加压气化技术、四喷嘴对置式干粉煤加压气化技术，几乎是国外有的煤气化技术我国都有，国外没有的煤气化技术我国也有。煤气化工艺技术很多，使选择煤气化工艺技术无从着手。首先我们不能只轻信专利商的宣传，现在世界上还没有万能气化炉，各种气化工艺技术都有其特点和优缺点，有其适应范围。对专利商的宣传要去
粗取精、去伪存真，只有通过生产实践长期稳产高产考验过的，经济上合理、环境上符合国家和当地环保规定和要求的，才是最可靠的。下面分别介绍这些技术的优缺点。
（1）常压固定层间歇式无烟煤（或焦炭）气化技术
这是目前我国生产氮肥的主力军之一，其特点是采用常压固定层空气、蒸汽间歇制气，要求原料为25-75mm的块状无烟煤或焦炭，进厂原料利用率低，单耗高、操作繁杂、单炉发气量低、吹风放空气对大气污染严重。从发展看，属于将逐步淘汰的工艺。
（2）常压固定层无烟煤（或焦炭）富氧连续气化技术
这是从间歇式气化技术发展过来的，其特点是采用富氧为气化剂、连续气化、原料可采用8-10mm粒度的无烟煤或焦炭，提高了进厂原料利用率，对大气无污染、设备维修工作量小、维修费用低、适合于有无烟煤的地方，对已有常压固定层间歇式气化技术的改进。
（3）鲁奇固定层煤加压气化技术
主要用于气化褐煤、不粘结性或弱粘结性的煤，要求原料煤热稳定性高、化学活性好、灰熔点高、机械强度高、不粘结性或弱粘结性，适用于生产城市煤气和燃料气。因为其产生的煤气中含有焦油、高碳氢化合物含量约1%左右，甲烷含量约10%左右，同时，焦油分离、含酚污水处理都比较复杂，所以不推荐用以生产合成气。
（4）灰熔聚流化床粉煤气化技术
中国科学院山西煤炭化学研究所在上世纪80年代，就开始研究这项技术，2001年单炉配套20Kt合成氨/a工业性示范装置成功运行，实现了工业化，其
特点是煤种适应性宽，可以用＜6-8mm碎煤，属流化床气化炉，床层温度达11000C左右，中心射流形成床内局部高温区温度达到1200-13000C，煤灰不发生熔融，而只是使灰渣熔聚成球状或块状灰渣排出。床层温度比恩德气化炉高100-2000C，可以气化褐煤、低化学活性的烟煤和无烟煤，以及石油焦，投资比较少，生产成本低。缺点是气化压力为常压和低压、2007年12月完成了
1.0MPa压力下的长周期运行试验，积累了运行经验，Φ2400气化炉，投煤量500-600t/d。操作压力尚偏低，有待进一步做提高气化压力的试验。现在单炉气化能力较低、产品气中CH4含量较高（1.5-2%），虽然采取了飞灰循环入炉气化措施，但第二旋风分离器排出细灰量还是比较大，对环境污染及飞灰堆存和综合利用问题有待进一步解决。此技术适合于中小型氮肥厂利用就地或就近的煤炭资源改变原料路线。
（5）恩德粉煤气化技术
恩德炉实际上属于改进后的温克勒沸腾层煤气化炉，适用于气化褐煤和长焰煤，要求原料煤属不粘结或弱粘结性、灰分小于25-30%，灰熔点高（ST大于12500C）、低温化学活性好（在9500C时，应＞85%，10000C时，应＞95%）。至今在国内已建和在建的装置共有13套22台气化炉，已投产的有16台。属流化床气化炉，床层中部温度在1000-10500C左右。目前最大的气化炉，用富氧气化，产气量为40000M3/h半水煤气。缺点是气化压力为常压，单炉气化能力还比较低，产品气中CH4含量高达1.5-2%，飞灰量大、对环境污染及飞灰堆存和综合利用问题有待解决。希望不要走吉林化肥厂和兰州化肥厂污染环境的老路，此技术适合于就近有褐煤的中小型氮肥厂改变原料路线。
（6）GE德士古（Texaco）水煤浆加压气化技术
GE德士古（Texaco）水煤浆加压气化技术，属气流床加压气化技术，原料煤经磨制成水煤浆后泵送进气化炉顶部单烧嘴下行制气，原料煤运输、制浆、泵送入炉系统比Shell和GSP等干粉煤加压气化要简单得多，安全可靠、投资省。单炉生产能力大，目前国际上最大的气化炉日投煤量为2000t，国内已投产的气化炉能力最大为1000t/d。设计中的气化炉能力最大为1600t/d。对原料煤适应性较广，气煤、烟煤、次烟煤、无烟煤、高硫煤及低灰熔点的劣质煤、石油焦等均能用作气化原料。但要求原料煤含灰量较低、还原性气氛下的灰熔点低于13000C，灰渣粘温特性好。气化压力从2.5、4.0、6.5到8.5MPa皆有工业性生产装置在稳定长周期运行，装置建成投产后即可正常稳定生产。气化系统的热利用有两种形式，一种是废热锅炉型，可回收煤气中的显热副产高压蒸汽，适用于联合循环发电；另一种是水激冷型，制得的合成气的水气比高达1.4，适用于制氢、制合成氨、制甲醇等化工产品。气化系统不需要外供过热蒸汽及输送气化用原料煤的N2或CO2。气化系统总热效率高达94-96%，高于Shell干粉煤气化（为91-93%）和GSP干粉煤气化（为88-92%）。气化炉结构简单，为耐火砖衬里。气化炉内无转动装置或复杂的膜式水冷壁内件，所以制造方便、造价低，在开停车和正常生产时无需连续燃烧一部分液化气或燃料气（合成气）。煤气除尘比较简单，无需价格昂贵的高温高压飞灰过滤器，投资省。碳转化率达96-98%；有效气成分（CO+H2）约为（80-83%）；有效气（CO+H2）比氧耗为336-410M3/ Km3，有效气（CO+H2）比煤耗为550-
620Kg/Km3。国外已建成投产的装置有6套，15台气化炉，国内已建成投产的装置有7套，21台气化炉，正在建设、设计的装置还有4套，13台气化炉，已建成投产的装置最终产品有合成氨、甲醇、醋酸、醋酐、氢气、一氧化碳、燃
料气、联合循环发电，各装置建成投产后，一直连续稳定，长周期运行。装备国产化率已达90%以上，由于国产化率高、装置投资较其他加压气化装置都低，有备用气化炉的水煤浆加压气化与不设备用气化炉的干煤粉加压气化装置建设费用的比例大致为Shell法：GSP法：多喷嘴水煤浆加压气化法：GE水煤浆法=（2-2.5）：（1.4-1.6）： 1.2：1。国内已掌握了丰富的工程技术经验，已培养出一大批掌握该技术的设计、设备制造、建筑安装、煤种评价、试烧和工程总承包的单位及工程技术人员，所以建设、建成投产到正常连续运行的周期比较短，这是业主所期望的。缺点是气化用原料煤受气化炉耐火砖衬里的限制，适宜于气化低灰熔点的煤。碳转化率较低。比氧耗和比煤耗较高。气化炉耐火砖使用寿命较短，一般为1-2年，国产砖寿命为一年左右，有待改进。气化炉烧嘴使用寿命较短，一般使用2个月后，需停车进行检查、维修或更换喷嘴头部，有待改进提高。
（7）多元料浆加压气化技术
多元料浆加压气化技术是西北化工研究院提出的，具有自主知识产权。其基本生产装置与水煤浆加压气化技术相仿，属气流床单烧嘴下行制气。典型的多元料浆组成为含煤60-65%，油料10-15%，水20-30%。但是作者认为在制备多元料浆时掺入油类的办法与当前我国氮肥工业以煤代油改变原料路线的方针不符合，是不可取的，有待改进。
（8）多喷嘴（四烧嘴）水煤浆加压气化技术
在“九五”期间华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程公司承担了国家重点科技攻关课题“新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉开发”。属气流床多烧嘴下行制气，气化炉内用耐火砖衬里。开发成功后，相继在山东德州华
鲁恒生化工股份有限公司建设了一套气化压力为6.5MPa，日处理煤750t的气化炉系统，于2005年6月正式投入运行，至今运转良好。在山东滕州兖矿国泰化工有限公司建设了两套气化压力为4.0MPa，日处理煤1150t的气化炉系统，于2005年7月21日一次投料成功，运行至今。经考核验收，结论是同样以北宿洗精煤为原料气化，多喷嘴水煤浆加压气化与单烧嘴加压气化相比，气化技术指标见表1
表1 多喷嘴气化与单烧嘴气化结果对比表
项目有效气成分碳转化率有效气比煤耗有效气比氧耗
（CO+H2）% % Kg/Km3 m3/Km3
多喷嘴气化 84.9 98.8 535 314
单烧嘴气化 82-83 96-98 ～547 ～336
(Texaco)
注：气化用煤种分析见表2
表2 气化用煤质分析表
工业分析：
水分（Mad） 2.18%
灰分(Ad) 7.32%
挥发分(Vdaf) 45.44%
固定碳(FC) 49.46%
元素分析：
全硫(Stad) 2.84%
碳(Cad) 74.73%