【文章內(nèi)容簡介】 中含量分別接近20％； 15％左右的煤漿從氣化爐第二段加入，與一段的高溫氣體進(jìn)行熱質(zhì)交換，煤在高溫下蒸發(fā)、熱解，殘?zhí)寂c CO2和 H2O 進(jìn)行吸熱反應(yīng)，可以使上段出口溫度降低到 1040℃左右。 1040℃的合成氣通過一個火管鍋爐（合成氣走管內(nèi)）進(jìn)行降溫，降溫后的合成氣進(jìn)入陶瓷過濾器，分離灰渣，過濾器分離出的灰渣循環(huán)進(jìn)入氣化爐一段。 相對 Texaco 氣化， EGas 氣化還有其它優(yōu)越之處，如：采用火管式對流冷卻器，造價和安裝費(fèi)較低，檢修和清洗方便；采用壓力螺旋式連續(xù)排渣系統(tǒng)，泄壓和 碎渣設(shè)備的造價較低；二段爐可用普通耐火磚；煤耗和氧耗均比 Texaco 氣化爐低；采用耐火磚石油化工生產(chǎn)技術(shù) 煤氣化技術(shù)進(jìn)展評述 8 為爐襯，其壽命已達(dá)到 3 年；噴嘴壽命為 3～ 6 個月。但該氣化爐不足之處是爐型結(jié)構(gòu)難于承受高壓，隨著二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，爐型的應(yīng)用受到限制 [5]。 圖 22 EGas 氣化爐示意圖 干粉進(jìn)料 (1) KT 爐氣化 KT 爐氣化是最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的氣流床氣化工藝，屬于干粉進(jìn)料的常壓氣化工藝。早期的 KT 常壓氣化爐只有兩個爐頭，后 來發(fā)展為呈十字形排列的四爐頭氣化爐。由氧氣和水蒸氣組成的氣化劑與煤粉混合，從燃燒噴嘴高速噴入爐內(nèi)。氣化爐采用全冷壁的耐火襯里，爐壁為水夾套，起到以渣抗渣的作用，同時能回收爐壁散失的熱量，產(chǎn)生的低壓蒸汽（ MPa）可作氣化劑使用。氣化壓力稍高于常壓，約為 MPa，爐內(nèi)溫度高達(dá) 1500 ℃以上，采用液態(tài)排渣， 60%的灰分以熔渣形式沉降到淬冷槽中，其余飛灰被煤氣夾帶出爐。氣化煤氣先通過余熱鍋爐回收顯熱，后進(jìn)入煤氣凈化系統(tǒng)。 KT 常壓氣化工藝主要用于生產(chǎn)合成氨原料氣和燃料氣。 KT 爐氣化作為 第一代成熟的氣流床氣化工藝，早于 1952 年在芬蘭實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。具有煤種適應(yīng)性強(qiáng)，氣化強(qiáng)度高、生產(chǎn)能力大的特點(diǎn)，但存在的缺點(diǎn)也較為突出，廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)論文 9 如采用煤粉氣力輸送耗能大，且管路和設(shè)備的磨損比較嚴(yán)重；制得的粗煤氣中的飛灰含量較高，補(bǔ)渣率和負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度較低等。 (2) Shell 氣化 Shell 煤氣化工藝簡稱 SCGP，是由荷蘭 Shell 國際石油公司開發(fā)的一種加壓氣流床粉煤氣化工藝。以干煤粉進(jìn)料，純氧作氣化劑，液態(tài)排渣。氣化爐由內(nèi)筒和外筒兩部分組成，內(nèi)筒上部為燃燒室，下部為激冷室。 Shell 煤氣化爐采用膜式水 冷壁形式，向火側(cè)敷有一層比較薄的耐火材料，減少熱損失的同時可以掛渣，充分利用渣層的隔熱作用，以渣層保護(hù)爐壁。氣化爐燒嘴是 Shell 煤氣化工藝的關(guān)鍵設(shè)備之一。采用側(cè)壁燒嘴進(jìn)料，在氣化高溫區(qū)對稱布置，可根據(jù)氣化能力有 4～ 8 個燒嘴中心對稱布置，使氣化爐操作符合具有很強(qiáng)的可調(diào)幅能力。 Shell 煤氣化過程與 KT 煤氣化過程相比：采用加壓氣化，單爐生產(chǎn)能力增強(qiáng)同時碳轉(zhuǎn)化效果明顯提高；爐內(nèi)操作溫度比 KT 爐略高，保證了氣化爐內(nèi)熔融灰的團(tuán)聚、分離和順利排渣；采用飛灰循環(huán)，提高了氣化的補(bǔ)渣率，使碳轉(zhuǎn)化率提高 至 99%；采用冷煤氣激冷工藝，冷煤氣循環(huán)冷卻可使氣化爐煤氣冷卻到 900 ℃，更有利于廢熱的回收。 Shell 煤氣化工藝的優(yōu)點(diǎn)較為突出：采用干煤粉進(jìn)料，可氣化煙煤、褐煤、石油焦等原料；單臺生產(chǎn)能力大，氣化壓力為 3 MPa，日處理量達(dá) 2020 t；碳轉(zhuǎn)化高，一般達(dá) 99%，冷煤氣效率 80%～ 85%，熱煤氣效率超過 95%；采用干煤粉進(jìn)料，無需蒸發(fā)水分，與水煤漿進(jìn)料相比氧氣用量可減少 15%～ 20%；采用水冷壁結(jié)構(gòu)，無耐火襯里，檢修周期長；氣化過程無廢氣排放，融渣等廢物可作為建筑材料再利用，對環(huán)境幾乎 沒有影響。 圖 23 Shell 煤氣化工藝流程 圖 雖然 Shell 煤氣化技術(shù)是目前國際上最先進(jìn)的煤氣化技術(shù)之一，但也存在一些突出問題，如 Shell 煤氣化的指標(biāo)數(shù)據(jù)是在發(fā)電上得到的；氣化爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大，石油化工生產(chǎn)技術(shù) 煤氣化技術(shù)進(jìn)展評述 10 要求高；粉煤的加壓進(jìn)料的安全操作性能不如濕法氣化；對水冷壁管的水質(zhì)有要求，同時對水汽系統(tǒng)配管、設(shè)備安裝及試車要求也很高；高壓氮?dú)饨Y(jié)合超高壓氮?dú)獾挠昧窟^大，部分抵消了其節(jié)能的優(yōu)勢；對煤種有一定的要求，并非所有的煤種都適合 Shell 氣化，選用低灰熔點(diǎn)、活性好、灰分含量較低的煤種能夠確保工 藝長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 8%～ 15%為佳。 圖 2－ 3 為 Shell 煤氣化工藝流程圖 。 (3) Prenflo 氣化 Prenflo 氣化爐繼承了原 KT 爐頂優(yōu)點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)原理上與 Shell 氣化爐相似。與 Shell 相比較，在爐墻結(jié)構(gòu)上 Prenflo 氣化爐水冷壁為盤管，而 Shell 氣化爐是立管管排；在煤氣冷卻設(shè)備上， Prenflo 采用輻射回收設(shè)備，用回流冷煤氣或水進(jìn)行激冷， Shell采用冷煤氣激冷工藝。除此之外， Prenflo 采用 85%的氧氣取代 95%的氧氣為氣化劑，減少制氧 的用電消耗。對于高灰分煤種而言 Prenflo 不如 Shell，但其總體熱效率和氣化效率也較高，冷煤氣率達(dá) 80%以上。采用 Prenflo 氣化技術(shù)在西班牙建成的 IGCC發(fā)電示范裝置，以 50%當(dāng)?shù)馗呋颐汉? 50%高硫石油焦混合原料，單爐日處理量 2600 t，運(yùn)行良好。 (4)GSP 粉煤氣化 為了進(jìn)一步開發(fā)褐煤及其它煤種的氣化，原民主德國的黑水泵公司于 1976 年開發(fā)了 GSP 粉煤氣化工藝。 GSP 粉煤氣化以煤為原料，也可用化學(xué)殘?jiān)蜕镔|(zhì)為原料。氣化爐由組合燒嘴、水冷壁氣化室和激冷室組成的加壓 氣流床，整個反應(yīng)器呈圓筒結(jié)構(gòu)。與同類其它技術(shù)相比， GSP 粉煤氣化采用氣化爐頂部干粉進(jìn)料，氣化室周圍水冷壁結(jié)構(gòu)。氣化過程中，水冷壁上形成固態(tài)熔渣層，固態(tài)熔渣層的增厚和減薄能夠自動調(diào)節(jié)氣化過程的穩(wěn)定。值得注意的是， GSP 工藝采用內(nèi)冷式多通道燒嘴，共有 6 層通道，進(jìn)料氣體和原料物料分內(nèi)中外三層，冷卻水也有三層，這種燒嘴的壽命預(yù)計(jì)在十年以上。GSP 氣化技術(shù)氣化原料來源廣泛，氣化效率高，可達(dá) %，投資及運(yùn)行成本較低，兼?zhèn)? Texaco 和 Shell 氣化爐的優(yōu)點(diǎn)，自上而下的噴射和內(nèi)水冷壁結(jié)構(gòu)，六通道的 燒嘴也比較合理。是一種有廣闊發(fā)展前景的氣化技術(shù) [6]。 廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)論文 11 第三章 國內(nèi)煤氣化技術(shù)的發(fā)展 國內(nèi)煤氣化技術(shù)的引進(jìn) 1978 年后，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國外不同的煤氣化技術(shù)先后引進(jìn)到國內(nèi)，目前有 60臺 GE（ Texaco）氣化技術(shù)在運(yùn)轉(zhuǎn)或建設(shè)，有 20 套 Shell 氣化裝置在建設(shè)（其中 7 套在試運(yùn)轉(zhuǎn)），與 GSP 簽訂引進(jìn)合同的有兩家企業(yè)。煤氣化技術(shù)早期的引進(jìn)的確對我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起 到了推動作用，但由于引進(jìn)的煤氣化技術(shù)并不都是完善的技術(shù)，而且重復(fù)引進(jìn)嚴(yán)重，已使我國成為國外氣化技術(shù)的“試驗(yàn)場”。目前，世界上只有我國使用如此眾多種類的煤氣化技術(shù)，許多盲目和不成熟的引進(jìn)令我國付出了慘重代價。有許多的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)值得科技界和工程界總結(jié)和吸取。 國內(nèi) 煤氣化技術(shù)的研究與開發(fā)歷程 國內(nèi)煤氣化技術(shù)的研發(fā)始于 20 世紀(jì) 50 年代末，“文革”期間因動亂而中止。近 30年來，在國家的支持下，國內(nèi)在研究與開發(fā)、消化引進(jìn)技術(shù)方面進(jìn)行了 大量工作，有代表性的是： 70 年代起西北化工研究院研究開發(fā)水煤漿氣化技術(shù)并建設(shè)了中試裝置，為此后魯南、渭河、上海焦化、淮化等 4 家廠引進(jìn) Texaco 水煤漿氣化技術(shù)提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)；“九五”期間就“整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（ IGCC）關(guān)鍵技術(shù)（含高溫凈化）”立項(xiàng)，有十余個單位參加攻關(guān)； 1999 年科技部立項(xiàng)的國家 973 項(xiàng)目“煤的熱解、氣化及高溫凈化過程的基礎(chǔ)研究”已完成； 2020 年科技部立項(xiàng) 973 項(xiàng)目“大規(guī)模高效氣流床煤氣化技術(shù)的基礎(chǔ)研究”?！熬盼濉逼陂g華東理工大學(xué)、兗礦魯南化肥廠、中國天辰化學(xué)工程公司承擔(dān)了國家重點(diǎn)科技 攻關(guān)項(xiàng)目“新型（多噴嘴對置）水煤漿氣化爐開發(fā)”（ 22 噸煤 /天裝置）， 2020 年完成了中試裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過國家驗(yàn)收和鑒定。華東理工大學(xué)、兗礦魯南化肥廠、中國天辰化學(xué)工程公司等共同承擔(dān)國家“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃課題“粉煤加壓氣化制備合成氣新技術(shù)研究與開發(fā)”。 2020 年完成了熱壁式氣化爐中試裝置運(yùn)行考核。2020 年完成了水冷壁式氣化爐中試裝置的運(yùn)行考核。該技術(shù)填補(bǔ)了國內(nèi)空白，中試工藝指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。目前該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化已列入國家“十一五” 863 計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，將在貴州建設(shè)單爐 1000 t/d 的工業(yè)示范裝置?！笆?”期間，國電熱工研究院等承擔(dān) 863石油化工生產(chǎn)技術(shù) 煤氣化技術(shù)進(jìn)展評述 12 計(jì)劃課題，進(jìn)行具有自主知識產(chǎn)權(quán)的干煤粉氣化工藝的開發(fā)，建設(shè)中試裝置，并通過了科技部驗(yàn)收，在國家“十一五” 863 計(jì)劃重大項(xiàng)目支持下正在建設(shè)單爐 2020 t/d 的工業(yè)示范裝置，配套 200 MW IG CC 發(fā)電。中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所在中試的基礎(chǔ)上進(jìn)行了流化床氧氣 /蒸汽鼓風(fēng)制合成氣的工業(yè)示范裝置開發(fā)，煙煤處理能力為 100 t/d、常壓，目前已投入生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。清華大學(xué)建立了富氧氣流床分級煤氣化實(shí)驗(yàn)裝置 [7]。 多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化 工藝原理 多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)是對 Texaco 氣化的重大改進(jìn)，主要表現(xiàn)在：煤漿經(jīng)過隔膜泵加壓，通過 4 個對稱布置在氣化爐中上部同一個水平的工藝噴嘴，與氧氣一起噴入氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化作用；煤耗降低約 9%； H2含量優(yōu)勢明顯；碳轉(zhuǎn)化率大于 98%；采用混合氣器、旋風(fēng)分離器、泡罩塔組合方案，分級凈化；采用直接換熱式含渣水處理工藝；采用蒸汽進(jìn)入熱水室與循環(huán)灰水直接 接觸換熱，蒸發(fā)熱水塔實(shí)現(xiàn)熱量的回收。該氣化爐最大優(yōu)勢之一是整個爐膛溫度分布均勻，最高與最低溫度差一般為 50～ 150 ℃，最高溫度也不超過 1300 ℃。不足之處是出現(xiàn)氣化爐拱頂磚沖刷嚴(yán)重和拱頂超溫問題，氣化爐內(nèi)向下的撞擊流有可能直接沖向氣化爐出口，形成“短路”現(xiàn)象；從而影響裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性和氣化效率。 為多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝流程示意 如 圖 3－ 1。包括 4個工序，即磨煤制漿工序、多噴嘴對置式水煤漿氣化工序、合成氣初步凈化工序、含渣水處理工序。鑒于水煤漿制備為成熟的工藝技術(shù)，研究開發(fā)工作及主要的創(chuàng)新點(diǎn)主要集中 在后面 3 個工序。 廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)論文 13 圖 3－ 1 多噴嘴對噴水煤漿氣化工藝流程 中試裝置 華東理工大學(xué)、兗礦魯南化肥廠、中國天辰化學(xué)工程公司承擔(dān)了國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“新型（多噴嘴對置）水煤漿氣化爐開發(fā)”（ 22 t/d 裝置）， 2020 年完成了中試裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)與考核，運(yùn)行結(jié)果表明：有效氣成分約 83%，比相同條件下的 Texaco 生產(chǎn)裝置高 ～ 2 個百分點(diǎn)；碳轉(zhuǎn)化率＞ 98%，比 Texaco 高 2～ 3 個百分點(diǎn)；比煤耗、比氧耗均比 Texaco 降低 7%。 商業(yè)示范裝置的建設(shè)和運(yùn)行 從 2020 年開始，先后在山東華魯恒升化工有限公司和兗礦集團(tuán)國泰化工有限公司建設(shè)了兩套多噴嘴對置水煤漿氣化技術(shù)的商業(yè)性示范裝置，示范裝置的建設(shè)得到了國家863 計(jì)劃和其它科技計(jì)劃的支持。 （ 1）華魯恒升公司示范裝置 山東華魯恒升化工有限公司示范裝置氣化壓力 MPa、單爐日處理煤量 750 t，配套每年生產(chǎn) 30 萬噸合成氨，氣化裝置由中國華 陸工程公司設(shè)計(jì)， 裝置于 2020 年底建成，石油化工生產(chǎn)技術(shù) 煤氣化技術(shù)進(jìn)展評述 14 于 2020 年 1