煤气化技术的选择与对比

收稿日期:2009-01-04

作者简介:邵洪兴,吉林长山化肥集团长达有限公司技改处工程师。联系电话:0438-*******;手机136********

煤气化技术的选择与对比

邵洪兴

(吉林长山化肥集团长达有限公司,吉林松原　131109)

摘　要:分析了我国为原料生产合成氨、甲醇气化方法的选择、对比及煤气化技术的广阔前景。

关键词:煤气化方法;气化特点;气化方法比较;前景

中图分类号:TQ546111 文献标识码:A 文章编号:1003-6490(2009)01-0014-04

0　引　言

我国是以煤炭为主要一次能源的国家,煤炭的转化利用是国家经济发展的重要支柱。而以煤为原料生产合成氨、甲醇最重要的是气化技术的选择。目前国内外以煤为原料生产化工产品的工厂中,采用了各种煤气化工艺,如常压固定床间歇气化、鲁奇碎煤加压气化、粉煤流化床气化、粉煤气流床气化,包括Shell 炉、GSP 、Texaco 炉等等,各种气化方法均有其

各自的优缺点,对原料煤的品质均有一定的要求,其工艺的先进性、技术成熟程度互有差异。选择哪种煤气化技术,至关重要。

1　气化技术的选择

气化工艺发展到今天,可以作为大型化工企业选择的气化方法主要有以下几种类型:粉煤流化床气化工艺、气流床气化工艺、固定床加压气化技术、碎煤加压熔渣气化液态排渣技术。

111　粉煤流化床加压气化

粉煤流化床加压气化又称之为沸腾床气化,这是一种成熟的气化工艺,在国外应用较多,该工艺可直接使用0～6mm 或0～10mm 的碎煤作为原料,但亦不希望1mm 以下的细粉过多,备煤工艺简单,气化剂同时作为流化介质,炉内气化温度均匀,但气化温度较低小于1000℃左右,碳反应不完全,渣和飞灰中碳含量高,煤气中有效成份较低,近年来流化床气化技术已有较大发展,开发了如德国的高温温克勒(HTW ),美国的U -G as 等加压流化床气化新工艺,

在一定程度上解决了常压流化床气化存在的带出物过多等问题,但仍然存在带出物含量高、碳含量高且又难分离、碳转化率偏低、煤气中有效成分低、而且要求煤高活性、高灰熔点等多方面问题。该气化工艺操作压力偏低,煤气污水中有少量焦油、酚等。因此流化床气化比较适合中、小化工企业采用。112　气流床气化

成熟的粉煤气流床气化工艺主要以SHELL 、GSP 干粉煤加压气化和德士古水煤浆加压气化为代

表,这几种气化工艺都是以纯氧作为气化剂,在高温

第35卷第1期2009年3月

化工设计通讯

Chemical Engineering Design Communications

Vol 135No 11Mar 12009

高压下进行熔渣气化,粗煤气中有效组分含量高,仅有微量的甲烷,不产生焦油、萘和酚水,煤气质量好,最适合作合成气。

11211　德士古(Texaco)气化技术

德士古气化属于气流床气化,是德士古公司根据油气化技术的思路开发出来的。它是将煤磨成水煤浆,加入添加剂、助熔剂等形成粘度为800-1000厘泊,煤浆浓度为60%以上的浆状物加压后喷入炉内,与纯氧进行燃烧和部分氧化反应,在1300～1400℃以下气化,生产合成原料气。

相比之下,水煤浆气化技术经过我国有关科研、设计、生产、制造部门的多年研究,已基本掌握德士古水煤浆气化技术,并能设计大型工业化装置,国产化率可达90%以上,技术支撑率高,生产管理经验多、风险少。

德士古(Texaco)气化技术特点:

(1)利用水煤浆便于高压泵送的特点,可以制备压力很高的粗煤气,便于化式产品的后续生产过程的衔接,因而Texaco气化炉对于化工厂更具有吸引力。

(2)能充分利用厂区周围的一切污水源来制作水煤浆,有利于解决污水的处理问题。

(3)气化炉运行费用较低,不像干法供煤那样,需要花费能量去干燥湿煤。

(4)碳的转化率不是很高,一般只有96%～98%,影响气化效率的提高。

(5)湿煤气中的水蒸汽含量较多,热煤气效率的提高要靠较复杂的显热回收设备。

(6)气化所需的氧耗较多,大约是1kg O2/kg干煤。

(7)炉堂耐火砖的寿命短、价格高、更换时间长,水煤浆泵和喷嘴易于磨损,更换频次高,影响气化炉运行周期。

11212　壳牌(Shell)气化技术

壳牌煤气化工艺是由壳牌国际石油公司开发的干法粉煤加压气流床气化技术,壳牌公司从50年代开始开发油气化技术,已积累了丰富油气化经验。近年来,我国引进十几套Shell气化装置用于合成氨和合成甲醇,到今年上半年湖北双环气化装置投入运行,其它的装置均在建设中。

壳牌(Shell)气化技术特点:

(1)Shell干粉气化技术是将原料煤干磨粉碎后,煤粒度80%(重量)≤012mm,粉煤在气化炉中用氧和高压蒸汽在高温下以气流床形式气化,对原料煤种的适应性较广泛,但仍然对煤质有一定的要求,灰熔点易在1300～1350℃,煤的可磨系数应为易磨或中等难磨,煤中灰含量不能太高。

(2)气化炉为钢制外壳,内壁为熔渣挂壁形成耐火层,不需专门的耐火砖。

(3)气化炉操作温度高,干粉煤在数秒内全部气化,可以使用褐煤、烟煤等多种煤,碳转化率高达99%,煤气中甲烷含量低,在0105%(体积)左右,有效气体(CO+H2)达90%以上,适宜作合成气;由于气化温度高(1400～1500℃),符合环保要求,粗煤气中不含焦油、萘、酚等杂质,煤气净化及污水处理流程简单。

(4)采用液态熔渣排放,灰渣成玻璃状固体,没有污染,易堆放,可作为建筑材料。

(5)操作弹性大,可以迅速改变生产负荷。

(6)操作压力相对来说不高,为310～410MPa。

总的来说壳牌气化技术是比较先进的气化技术,但是由于其气化炉的结构特点,使得该气化技术一次投资较大。一台套2000t/d投煤量的气化装置需10亿元人民币,采用该气化技术给企业带来非常大的投资压力。

11213　GSP气化技术

GSP气化技术是德国未来能源公司开发的气化技术,是一下喷式加压气流床液态排渣气化炉,操作压力210～410MPa,用粉煤、氧气鼓风,其结构及工作原理与德士古气化炉相似。未来能源公司的前身是原东德的德意志燃料研究所Deutsches Brennstoffinstitut Freiberg(DB I),是当时东德从事与煤有关的各种技术研发最高研究机构,未来能源公司在不同煤种、废渣、裂解木炭、石油焦以及各种化学废料方面有GSP气化技术的经验。GSP气化技术不仅可使矿物燃料或类似原料转化为合成气,还可以使有些常规燃料如有足够高热值的废渣和废料转化为合成气。因此,采用水冷壁气化反应器有很大的优势。

随着全球煤化工产业、特别是我国煤化工需求的

51

第1期邵洪兴:煤气化技术的选择与对比

快速增长,最近被西门子收购的上述未来能源公司计划在近几年将黑水泵厂这台气化炉改回燃煤运行,利用该气化炉进行煤的气化工业试验,以适应更多的煤气化需求。

GSP煤气化技术特点:

(1)原料煤适应范围宽,GSP气化对煤质要求不苛刻,粒度250～500μm,灰份1～20%(wt%),灰熔点1100～1500℃,灰熔点高于1500℃的煤,从经济角度考虑应加入助熔剂。130MW的工业装置实现了灰熔点高达1450℃的褐煤气化工业应用。

(2)水冷壁结构,即所谓的“以渣抗渣”的结构。采用四根(130MW)螺旋盘管,其外径仅比气化炉(受压筒体内径)小约50mm,水冷管的直径约～90mm,水冷壁上焊有抓钉,水冷壁内壁涂有SiC耐火材料,水冷壁与筒体之间间隙用惰性气体或冷煤气填充。水冷壁管及外壳材料均为碳钢。

GSP气化炉采用水冷壁结构,避免了因高温、熔渣腐蚀及开停车产生应力对耐火材料的破坏而导致气化炉无法长周期运行。由于不需要耐火砖绝热层,而且炉内没有转动设备,所以运转周期长,可靠性高。

(3)喷嘴火焰温度约1800～2200℃,平均停留时间约10s,反应速率高,因而气化装置的生产能力大。有效气体(CO+H2)含量高达91%以上,碳转化率～99%。

(4)气化炉原料从炉顶部喷入,采用单喷嘴,四层喷料结构(130MW的工业装置),每层之间用水冷。喷头尖端部分为特殊材料,其余部分为普通不锈钢。用100m/s的高速氧+蒸汽旋转式将10m/s左右粉煤喷入炉内,使煤均匀混合、燃烧、气化,碳转化率达99%。

(5)GSP供料系统采用400kg/m3惰性气体密相气流输送,合格粉煤经煤锁仓三管并流进料,每根进料管都设有固体物料(固-气混合)的流量计、密度计。用通过的粉煤供入量调节入炉氧气和蒸汽量。供料系统安全可靠。气化炉温度主要根据气化室与激冷室的压差变化来调节控制。正常情况下其压差为20～30mbar(200～300H2O)。

(6)气化炉点火升温迅速,负荷弹性可在50%～110%运行。气化炉设有专门的点火喷嘴,采用电点火。该喷嘴在正常操作时以低负荷保持点燃状态,可用气化炉自产煤气。

(7)采用激冷流程,高温煤气在激冷室上部用若干水喷头将煤气激冷至200℃左右,然后用文丘里除尘器将煤气含尘量降低到1mg/m3以下。这种工艺技术简单,设备及运行费用较低。除喷嘴和水冷壁、部分阀门、特殊仪表外绝大部分设备可国产化。

与壳牌气化技术相比,GSP气化技术由于其气化炉的结构简单,使得项目一次投资较较小。一台套2000t/d投煤量的气化装置不足4亿元人民币,采用该气化技术是一种比较经济、现实的考虑。

113　固定床加压气化工艺

鲁奇炉加压气化是加压固定床气化的代表,在30年代已工业化,属第一代煤气化工艺,技术成熟可靠,是目前世界上建厂数量最多的煤气化技术。八十年代以来,我国已引进四套现代化鲁奇气化装置,其中三套用于生产城市煤气,一套用于生产合成氨,在设计、安装和运行方面均已取得丰富经验。鲁奇炉采用固态排渣,炉温偏低,煤与气化剂逆向运动,煤气中甲烷含量高,特别适合于作为城市煤气;另外粗煤气中含有一定量的焦油、酚、氨等有害物,需脱除这些有害物质。化学工业第二设计院经过几十年的摸索,近几年开发了废水污循环的工艺,成功的解决了鲁奇气化工艺的难点。

鲁奇炉煤气化技术特点:

(1)鲁奇炉碎煤气化技术系固定床气化,固态排渣,对煤种有一定的要求,适宜弱粘结性、较高灰熔点的5～50mm的碎煤。

(2)生产能力大。自工业化以来,单炉生产能力持续增长。这种增加主要是靠操作的不断改进。

(3)气化炉结复杂,炉内设有破粘和煤分布器、炉箅等转动设备,制造和维修费用大。

(4)入炉必须是块煤,原料来源受一定限制。

(5)出炉煤气中含焦油、酚等,污水处理和煤气净化工艺复杂、流程长、设备多,炉查含碳5%左右。

鲁奇炉加压固定床加压气化工艺技术的特点是工艺技术成熟、先进、可靠,在大型煤气化技术中投资相对较少。

61化工设计通讯第35卷

114　碎煤加压熔渣气化液态排渣技术

碎煤加压液态排渣气化技术是传统固态排渣气化炉的进一步发展,气化炉内衬耐火衬里,其特点是气化温度高,气化后灰渣呈熔融态排出,因而使气化炉的热效率与单炉生产能力提高,煤气成本降低。液态排渣气化炉上部设有布煤搅拌器,可气化较强粘结性的烟煤。气化剂从气化炉下部喷嘴喷入,气化时,灰渣在高于灰熔点T2温度下呈熔融状态排出,熔渣快速通过气化炉底部出渣口流入激冷器,在此被水激冷而成固态炉渣,然后通过灰锁排出。

化学工业第二设计院和云南煤化集团有限公司目前正在与ADVAN TICA公司合作熔渣气化技术对原有的一台<2800鲁奇气化炉进行改造,在2006年五月已经投入运行,目前运行状况良好。目前,该公司建设15万t/a二甲醚项目,气化装置将开发<3600气化炉,目前已进入详细设计阶段。

碎煤融渣加压气化与鲁奇固定床气化方法相比,具有以下特点与优势:

(1)从炉顶进入的原料煤与产品气逆流接触,受热后被干燥、干馏,因此冷煤气效率可以达到90%。

(2)气化强度大。由于液态排渣气化煤气中的水蒸汽量很少,气化单位质量的煤所生成的湿粗煤气体积远小于固态排渣,因而煤气气流速度低,带出物减少,因此在相同带出物条件下,液态排渣气化强度可以有较大提高。

(3)较高的气化效率使得熔渣气化工艺的蒸汽消耗及氧气消耗与其他气化方法相比均较低。

(4)由于出炉煤气的温度较低(～500℃),煤气中含有的焦油会附着在设备及管道表面,因此整个装置大部分设备及管道都可以采用碳钢材料,从而降低投资。

(5)因水蒸汽耗量大为降低,且配入的水蒸汽仅满足于气化反应,蒸汽分解率高,煤气中的剩余水蒸汽很少,故而产生的废水远小于固态排渣。

(6)由于液态排渣气化剂的汽氧比远低于固态排渣,所以气化层的反应温度高,碳的转化率增大,可以达到99%,煤气中CO含量较高。熔渣气化产生的玻璃状炉渣含污染物极少,对环境和人类影响极其轻微,可以作为水泥填料、制砖材料或用作筑路。与固定床碎煤加压气化相比,碎煤融渣加压气化技术也是一种适当先进、经济实惠、切实可行的气化技术,但是该技术尚在开发阶段,待云南解化集团有限公司采用碎煤融渣加压气化改造技术运行一段时间后,随着工程的进展该技术也可以作为可选择的一种气化技术。

2　几种气化方法比较

几种气化方法比较

序号项目

壳牌粉

煤气化

德国GSP

碎煤加

压气化

碎煤熔

渣气化

1气化工艺

干法气流床

液态排渣

干法气流床

液态排渣

固定床

固态排渣

固定床

液态排渣

2适用煤种

次烟煤、烟

煤、褐煤、

无烟煤、

油渣等

次烟煤、烟

煤、褐煤、

无烟煤、

油渣等

褐煤、

次烟煤、

无烟煤等

褐煤、次烟

煤、无烟

煤、垃圾等

3气化压力/MP a210～410210～410211～310211～310

4气化温度/℃1400～15001400～1600900～12001300～1350 5

单炉最大投

煤量(t/d)

300020001000～15001000～1500 6

1000m3(标)

有效气体耗

氧量(Nm3)

330～360330～360200～250200～260

7碳转化率/%≥99≥999899

8冷煤气效率/%～828080～8590

9有效气含量/%90%90～9265～7084

11操作弹性/%50～13030～110

12技术成熟度

已投入运

行出现

一些问题

国外有一

台运行经

验国内尚

未商业运行

成熟

有一台运

行技术

开发阶段

3　结　论

煤的气化技术煤气化是一种较为成熟的加工工艺,我国非常重视煤气化技术的研究与开发,特别是以煤为原料的合成氨和甲醇等生产工艺,配套的煤气化技术基本上是靠自己的力量发展起来的。

各种气化方法均有其各自的优缺点,对原料煤的品质均有一定的要求,其工艺的先进性、技术成熟程度互有差异。因此要根据煤种、用途、技术成熟可靠度及投资等来选择气化方法。个人认为气化技术的选择应考虑的因素如下,按重要性排序:煤种,造价,应用场合,国内技术基础,可用率,效率,配套单元(空分、给料、渣水处理),净化技术,大型化潜力等等。

(下转第30页)

71

第1期邵洪兴:煤气化技术的选择与对比

调整。

915　入口缓冲槽拉空

由于废水升压泵P3201/P6201/P8201的入口缓冲槽V3117/V6117/8117的体积较小,约为212m3,极易被废水泵拉空,从而使泵损坏,为此,我们在该槽设置了液位低报警和液位低联锁,一旦槽的液位低于联锁值,联锁动作,废水升压泵将会自动跳车,从而既可以防止槽被拉空影响后系统又可以防止泵发生汽化而损坏泵。

916　废水升压泵损坏

废水升压泵的参数为转速:23700r/min,操作压力:最高1210MPa,操作温度:165℃,轴温:正常90℃,所以其操作条件非常苛刻,当主控室的DCS操作盘上却只能看到泵的运行信号而显示不出泵正常运行时的油温和油压,导致废水泵故障频发。针对这种情况,我们对泵进行了改造,将现场的油温油压信号引到主控DCS操作盘上,这样主控操作人员可以随时进行监控,同时,又增加了油温高报和油压低联锁,并把泵的机械密封由单击改为串联双级,从而有效的保证了废水泵的安全运行。

10　结　语

通过对三聚氰胺装置生产废水处理系统的工艺技术的有关介绍及对其在运行中出现的问题的分析和解决,使我们对三聚氰胺装置生产废水处理工艺技术有了一个全面的了解,同时积累了一定的操作经验,从而为我们在日常生产过程中稳定操作生产废水处理系统,保证该系统安稳长期运行奠定了基础,为三聚氰胺装置的长久、安全、高产运行创造了条件!

(上接第17页)

目前煤化工如火如荼,大型化的气化炉似乎挺火,但小的化肥厂更需要百吨级的炉子,造价要低,技术要成熟。这个市场比大型化的气化炉要大的多。还有,气化技术应用于煤化工的市场实际上是有限的,更大的市场可能会在IGCC发电、钢铁、工业燃料气等行业等等。

(上接第22页)

要更换检漏试剂。

(4)进高压设备的检漏氮气总管压力应控制在012MPa以下。

(5)用于配制检漏试剂的脱盐水应是干净的,不得含有氨,否则会引起误判断。

(6)用于检漏的氮气应不含氨及其它杂质。

(7)监测用检漏试剂中的酸浓度不能太高,否则微量泄漏不会使试剂变色,达不到检漏的目的。

(8)运行中应时常关注洗气瓶中溶液是否鼓泡,确保样气连续地通入试剂中。

(9)洗气瓶中的样气应与溶液充分接触,保证有氨就能发生反应。

4　结　语

我公司三套尿素装置的高压设备检漏改为氮气检漏一年多以来,运行效果很好,曾经因为氮气中含有微量的氨使检漏试剂变色,由于发现及时,很快就查明了引起变色的原因。

(上接第24页)

应器泄压。高压氨系统改造后,氨冲洗夹套泄漏的次数明显减少,处理起来也方便了许多。2008年8月底,三聚氰胺装置的高压氨夹套总管段突然大量泄漏,导致FIC1064无量,反应器底部加不进氨。当班人员确认后,立即将泄漏段切出、排放,并打开及时氨冲洗与氨加热器E103出口的联通阀门,恢复反应器的氨冲洗及底部供氨,使反应器能够通过升华排塔安全停车。事实证明,此次高压氨系统的改造是很成功的,有效地降低了停车及检修过程中的安全隐患,大幅度减少了检修工作量,使装置提前开车,创造了很可观的经济效益。

03化工设计通讯第35卷

Abstract

Selection of Shifting G as Desulf urization and Decarbonization P rocess For C oal2B ased18/30Plant

GE Zhi2yin

(Neimenggu Xilinhe Coal Chemical

Indust ry Co1,L td,026321,China) Abstract:This article describes the selection of shifting gas desulfurization and decarbonization process for coal2based18/ 30plant1It makes an economic and technical analysis among cryogenic methanol washing process,NHD process and TV+ PSA coombined process1Finally,it thinks that TV+PSA combined process is the best way1

K ey w ords:shifting gas,desulfurization and decarboniza2

tion,economic and technical analysis,selection

Selection of R efrigeration Process

in Synthetic Ammoia Plant

XIE Shu2shen

(Coal Chemial Indust ry om pany of Yankuang

Group,Tengz hou277527,China) Abstract:This article introduces the ammonia absorption re2 frigeration process and compression refrigeration process1A comprison is made between these two processes1Ammonia ab2 sorption process can recover the waste heat and the com pres2 sion process can save the investment1

K ey w ords:ammonia absorption,compression,refrigeration

Application of B riquet T echnique in my Plant N IU Bao2yu,ZHAN G Ji2hua,ZHAN G Shuan

(A nyang Chemical Indust ry group

Co1,L td,A nyang455133,China) Abstract:As the rapid development of coal chemical technol2 ogy in China,coal chemical industry’demand for coal is growing1In order to reduce the cost of raw materials,Large coal2chemical enterprises have been introduced the briquette production process1This paper mainly introduces the applica2 tion of briquette technology in our plant1

K ey w ords:briquette technology,fule constituent,Hori2

zontal drying furnace

Optimization of Coke2oven G as

Desulf urization Process

L IU Fan

(China Mining U niversity,Beijing100083) Abstract:Means of gas desulphurization are classified and compared1The desulfurization process of a coke2oven plant is analyzed1S ome suggestions are put forward1

K ey w ords:coke2oven gas,desulphurization

Selection and Comparison of Coal

G asif ication T echnigue

SHAO Hong2xing

(Changda Co1,L td of Changshan Fertilizer

Group,Songyuan131109,China) Abstract:This article describes the selection and comparison of coal gasification technigue1

K ey w ords:coal gasification process,feature,comparison, prospect

Level Control of Medium2pressure

Absorption Tow er in U rea Plant

WEI Zuo2feng

(Henan Zhongyuan Dahua Group Co1,

L td,Puyang457004,China)

Abstract:In the urea production by SNAM ammonia strip2 ping process,level control of medium2pressure absorption tow2 er has a direct effect on start2up1S ome measures for controlling the level of medium2pressure absorption tower are put forward1 K ey w ords:level,temperature,control

T ransformation of High2pressure Leakage2

detecting Eguipment System in U rea Plant

BIN Ze2lin,YU Lian2yong,L IU Xin

(Fertilizer B ranch of Sichuan Meif eng Chemical

Co1,L td,Deyang618000,China) Abstract:This article describes the function of high2pressure eguipment leakage2detecting system in urea plant1S ome trans2 formation measure are put forward for high2pressure eguipment leakage detection with nitrogen1

K ey w ords:urea,high2pressure eguipment,leakage2detect2 ing system,modification

T echnical T ransformation on High2pressure Ammonia System in Melamine Plant SHI Mu2sen,WAN G Chong2mao,GUO Jian2feng

(Henan Zhongyuan Dahua Group

Co1,L td,Puyang457004,China) Abstract:This article summarizes the long2term operating condition of high2pressure ammonia system in melamine plant1 It also describes the process flow,existiing problems and influ2 encing factors of high2pressure ammonia system1S ome mea2 sures are put forward1

K ey w ords:melamine,high2pressure ammonia,leakage,

shut2down

Process Design and Operation Evaluation on

W astew ater T reatment System in Melamine Plant

CHEN Peng

(Henan hongyuan Dahua Group

Co1,L td,Puyang457004,China) Abstract:This article introduces the wastewater treatment process in melamine plant1Clean operation of melamine plant is realized1

K ey w ords:melamine,wastewater,process,problem Foult R eason A nalysis and T echnical T ransform ation on Plunger and P acking of Plunger Pump

ZHEN Li2ping