简评现代大型煤气化工艺
2013-10-24 09:53阅读：
氮肥技改第28届年会（2011年）
摘
要：讨论了水煤浆气化技术的过去、现在与未来，对Shell“上喷式气流床废锅流程”气化技术作了定位，对“下喷式气流床激冷流程”气化技术的发展寄予希望。
关键词：大型；煤气化；工艺
0 序
目前国内流行的煤气化技术有十几种，气流床是大型煤气化技术的主流，主要有Texaco水煤浆气化(亦称GE气化)、Shell粉煤气化和GSP粉煤气化三种，这是大家都熟悉的。这些气化技术都有一定的业绩，现在他们在中国争夺市场。煤气化技术的发展正处于十字路口，未来会有什么变化？
1
水煤浆气化的过去、现在与未来
近日据不完全统计，在国内已建和在建的300多台新型气化炉中，水煤浆气化炉占70%以上，估计其投煤能力将达40
Mt/a，见表1。因此可以认为，水煤浆气化技术是我国当前煤气化技术的主流。
表1 国内已建和在建的新型气化炉
气化炉类型
台数
|
投煤量/t/d
|
用途
|
运行情况
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碎煤加压气化炉
|
33
|
130～700
|
氨/甲醇/城市煤气/合成油
|
正常
|
Texaco-GE水煤浆气化炉
|
57
|
300～1500
|
氨/甲醇/氢
|
正常
|
多喷嘴气化炉
|
40
|
500～2000
|
氨/甲醇/氢
|
正常
|
多元料浆气化炉
|
103
|
400～1100
|
氨/甲醇/氢/合成油
|
正常
|
熔渣-
非熔渣气化炉
|
18
|
300～1500
|
氨/甲醇
|
正常
|
壳牌干粉煤气化炉
|
23
|
930～2800
|
氨/甲醇/氢
|
部分正常
|
航天炉
|
25
|
750～1500
|
甲醇
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在建、试运行
|
二段炉
|
4
|
1000～2000
|
甲醇/IGCC
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在建
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GSP-科林
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9
|
1500～2000
|
氨/甲醇
|
在建、试运行
|
灰融聚气化炉
|
23
|
100～200
|
氨
|
部分正常
|
恩德炉
|
7
|
150～600
|
氨/燃料气
|
正常
|
目前国内的水煤浆气化技术，主要有四种形式，即原德士古气化、多元料浆气化、四喷嘴气化和熔渣－非熔渣气化技术。从原理上来说，这四种技术形式上基本是一致的，即属于“下喷式气流床激冷流程”
(国外有上喷式气流床废锅流程的水煤浆气化技术)
。区别在于原料不同、喷嘴的方向和位置、数量不同等。
在讨论这个问题的时候，我们经常听到这样的声音：这里存在知识产权的纠纷，许多人避而不谈这个问题。
其实，我们不应该回避。只要我们把这种“下喷式气流床激冷流程”在中国发展的历史和这个工艺的本质解剖清楚，我们就可以明确地回答是否存在侵权问题。
1.1 “下喷式气流床激冷流程”的发展历史
“下喷式气流床激冷流程”在我国已有40多年历史。气化原料先后有重油、渣油、沥青、石油焦、水煤浆、粉煤等多种形式。用粉煤作原料后，气化炉壁由耐火砖变成盘管，投煤量在300～2000
t/d之间。
1.2 流程技术
从20世纪60年代中期陕西、甘肃、山东引进意大利蒙特卡蒂尼重油气化[1]开始至今已40多年。上世纪八十年代浙江、新疆、宁夏又从德士古引进大型重油气化装置，这种“下喷式气流床激冷流程”，包括喷嘴、在钢壳中用耐火砖砌成的气化室、由激冷环喷水冷却的激冷室、文丘里洗涤、炭黑水洗涤塔共五个主要部分(见图1)，这些在中国已经成为公知技术。根据当时中国的政策，引进技术是一次买断的，在国内不存在专利保护问题。“下喷式气流床激冷流程”的流程技术，已经属于国家。根据现在的专利法，这个技术的专利时限早已过去，因此在流程技术上已不存在专利保护问题。
图1 水煤浆气化工艺流程
1.3 主要特点
(1)煤种有一定要求,根据国内运行经验，为保证装置长期稳定操作，气化用煤的灰熔点FT宜低于1300℃，煤的灰份含量最好不超过12%，最高内水分不超过8%，操作温度下的灰渣粘度控制在20～30Pa之间；
(2)气化压力高,在4.0～8.6MPa之间，提高气化压力，有利于缩小设备体积，降低能耗；
(3)气化技术成熟，水煤浆用泵输送，操作安全，便于计量。气化炉内砌有多层耐火砖，无机械部件，结构简单；但气化炉的料浆喷嘴和耐火砖磨损消耗高，运行成本较高。
(4)煤气中有效气(CO+H2)约80%左右，冷煤气效率为约75%左右，由于水煤浆含有约40%水分，因而氧耗比干粉进料法高，导致能耗偏高；
(5)气化流程采用激冷形式，比较适合化工产品生产；
(6)气化炉高温排出的熔渣，冷却粒化后，性质稳定，可作水泥等建筑材料，排水中不含焦油、酚等污染物，经过处理后可以循环使用或达标后排放，但黑水系统容易结垢影响长周期运行；
(7)单喷嘴水煤浆气化技术适合于规模投煤量300-1500t/d，多喷嘴技术适合于大型化，如投煤量500-2000
t/d；
1.4 技术关键
上述“下喷式气流床激冷流程”的五个主要技术部分中，前三者形成一个气化炉，后两者是独立设备。从各专利商提供的设备来看，喷嘴的结构是各不相同的，喷射方向也各异，这就是专利所在，其他四个部分都是常规设备，大体相同，如果有区别，也是很微弱的，没有什么奥妙之处。专利商可以有细节上的专利，但用户可以不用这些专利也不影响大局，因此，各专利商的专利权限主要在喷嘴上，不是炉体。
1.5 原料的变迁
从重油变到水煤浆，专利商从蒙特卡蒂尼和德士古变到GE，流程没有变化，原料变化了又形成新的专利，这说明原料可以成为专利权限。因此，现在从水煤浆变成多元料浆，或者在水煤浆中加入别人没有加入的添加剂，专利权限也因此而改变。显然，这个专利被破解是很容易的。
1.6 冷壁式水煤浆气化炉
针对灰熔点比较高的煤种，不太适合目前水煤浆气化的热壁式气化炉，国内清华大学等单位共同研发了冷壁式水煤浆气化炉
[3]，从而解决了在操作温度较高的情况下水煤浆气化炉砖磨损、不能长周期运转的问题。据介绍，该水煤浆水冷壁气化炉直径
2800毫米，日处理
750吨煤。目前该技术刚开始运行，效果正在观察中。
1.7 水煤浆气化的未来
水煤浆气化需要低灰分、低灰融点的原煤，成浆性也要有一定的要求，水分在气化炉中蒸发升温和反应，消耗大量的氧气和碳元素，因此能耗较高。这个技术已经很成熟，尽管喷嘴五花八门，但早已为各厂商掌握，只是手法不同。随着出现的以干煤粉为原料的“下喷式气流床激冷流程”，只是气化炉炉体由耐火砖变为冷却盘管等组成的冷壁，采取熔渣挂壁的办法，冷却盘管可以水进水出，也可以水进汽出。这个技术也已经公开，似乎没有发生专利纷争的事件。其后出现了几乎性质一样的同类技术如东方炉、五环炉、壳牌惠生炉等。也可能会出现南方炉、西方炉、北方炉等，干煤粉“下喷式气流床激冷流程”将成为大型煤气化技术的主流。由于其对煤种的适应性很大，5年内取代水煤浆气化将成为可能。这意味着新的水煤浆气化炉签约合同将显著减少，另外，现有的水煤浆气化炉将逐步改造成干煤粉冷壁炉，即使还用水煤浆作原料，煤种可以变宽，灰熔点可以提高。
1.8 不可抗拒
时代在进步，成熟的技术被新技术淘汰，水煤浆气化也可能在其列。
从事水煤浆气化的研究部门，改变研究方向，转向研究干煤粉气化，对炉体和喷嘴进行改进，这是大势所趋。
2 Shell煤气化工艺的定位
2.1 Shell煤气化过程是先进的技术
Shell煤气化过程是在高温加压下进行的,是目前世界上较为先进的第二代煤气化工艺之一。Shell煤气化属于气流床气化，煤粉、氧气及水蒸气在加压下并流进入气化炉内,在极短时间内完成升温、挥发分脱除、裂解及部分氧化等一系列物理和化学过程。
Shell煤气化过程包括煤粉输送、多喷嘴下置式气化炉、气体冷却器(废热锅炉)、陶瓷除尘器、激冷气循环压缩机、煤气洗涤塔等设备。Shell煤气化工艺流程见图2。
Shell煤气化工艺的控制系统比较先进，特别是入炉煤粉流量控制得比较稳定，有效地保证气化炉内反应的均衡性，使炉内的温度恒定。
图2 Shell煤气化工艺流程简图
2.2 发展历程
1972年壳牌公司开始发展煤气化技术，在阿姆斯特丹研究院(KSLA)进行煤气化技术研究。
1976年，用煤气化工艺（SCGP）建立一座处理煤量为6
t/d的试验厂。
1978年，在汉堡附近的哈尔
