国内外13种先进煤气化技术优缺点和比选(一)
2015-05-31 10:21阅读：
文 |
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。
一、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
|
多喷嘴气化
|
单烧嘴气化(Texaco)
|
有效气（CO＋H2）含量/%
|
84.9
|
82～83
|
碳转化率/%
|
＞98
|
96～98
|
有效气比煤耗/kg/km3
|
535
|
约547
|
有效气比氧耗/m3/km3
|
314
|
约336
|
表2 气化用煤质分析表
项目
|
数值
|
项目
|
数值
|
项目
|
数值
|
工业分析
|
元素分析
|
灰熔点/℃
|
水分（Mad）/%
|
2.18
|
全硫(Stad)/%
|
2.84
|
DT
|
1090
|
灰分(Ad)/%
|
7.32
|
碳(Cad)/%
|
74.73
|
ST
|
1100
|
挥发分(Vdaf)/%
|
45.44
|
氢(Had)/%
|
5.13
|
HT
|
1120
|
固定碳(FC)/%
|
49.46
|
氧(Oad)/%
|
8.77
|
FT
|
1130
|
|
|
氮(Nad)/%
|
1.20
|
|
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多喷嘴气化炉与单烧嘴气化炉相比，比煤耗可降低约2.2%，比氧耗可降低6.6%，这是很有吸引力的。同时调节负荷比单烧嘴气化炉灵活。适宜于气化低灰熔点的煤。已建成及在建项目共11家，30台气化炉。已顺利投产的有3家，4台气化炉。在建最大的气化炉投煤量为2000t/d，6.5MPa。但目前暴露出来的问题是气化炉顶部耐火砖磨蚀较快的问题；以及同样直径同生产能力的气化炉，其高度比GE德士古单烧嘴气化炉高，又多了三套烧嘴和其相应的高压煤浆泵、煤浆阀、氧气阀、止回阀、切断阀及连锁控制仪表，一套投煤量1000t/d的气化炉投资比单烧嘴气化炉系统的投资约多2000-3000万元。以一个有3套投煤量1000t/d气化炉，日处理原料煤2000t的煤气化装置比较，约增加投资6000-9000万元，每年要多增加维护检修费用，且增加了单位产品的固定成本。但该技术属我国独有的自主知识产权技术，在技术转让费方面比引进GE水煤浆气化技术要少得多，还是很有竞争力的。该技术有待进一步在生产实践中改进提高。
9.壳牌（Shell）干煤粉加压气化技术
壳牌（Shell）干煤粉加压气化技术，属于气流床加压气化技术。可气化褐煤、烟煤、无烟煤、石油焦及高灰熔点的煤。入炉原料煤为经过干燥、磨细后的干煤粉。干煤粉由气化炉下部进入，属多烧嘴上行制气。
目前国外最大的气化炉是日处理2000t煤，气化压力为3.0MPa，国外只有一套用于商业化联合循环发电的业绩，尚无更高气化压力的业绩。这种气化炉是采用水冷壁，无耐火砖衬里。采用废热锅炉冷却回收煤气的显热，副产蒸汽，气化温度可以达到1400-16000C，气化压力可达3.0-4.0MPa，可以气化高灰熔点的煤，但仍需在原料煤中添加石灰石作助熔剂。
该种炉型原设计是用于联合循环发电的，国内在本世纪初至今已签订技术引进合同的有19台气化炉装置，其最终产品有合成氨、甲醇，气化压力3.0-4.0MPa。其特点是干煤粉进料，用高压氮气气动输送入炉，对输煤粉系统的防爆要求严格；气化炉烧嘴为多喷嘴，有4
个对称式布置，调节负荷比较灵活；为了防止高温气体排出时夹带的熔融态和粘结性飞灰在气化炉后的输气导管换热器、废热锅炉管壁粘结，采用将高温除灰后的部分300-3500C气体与部分水洗后的160-1650C气体混合，混合后的气体温度约2000C，用返回气循环压缩机加压送到气化炉顶部，将气化炉排出的合成气激冷至9000C后，再进入废热锅炉热量回收系统。返回气量很大，相当于气化装置产气量的80-85%，对返回气循环压缩机的操作条件十分苛刻，不但投资高，多耗动力，而且出故障的环节也多；出废热锅炉后的合成气，采用高温中压陶瓷过滤器，在高温下除去夹带的飞灰，陶瓷过滤器不但投资高，而且维修工作量大，维修费用高。废热锅炉维修工作量也大，故障也多，维修费用也高。据介绍碳转化率可达98-99%；可气化褐煤、烟煤、无烟煤、石油焦；冷煤气效率高达80-83%；合成气有效气（CO+H2）成分高达90%左右，有效气（CO+H2）比煤耗550-600Kg/Km3
，比氧耗330-360M3/Km3（用河南新密煤时，比煤耗为709Kg/Km3。比氧耗为367.2Nm3/
Km3。所以在这里要说明一点，无论那一种煤气化技术，资料上介绍的比煤耗和比氧耗都是在特定条件下的数据，确切的数据，应该在煤试烧后方能获得，在做方案比较的时候可以用气化工艺计算的方法求得，要在同一个煤种的数据上作评价的依据。）；比蒸汽耗120-150Kg/Km3；可副产蒸汽880-900Kg/Km3。
其存在问题是专利商在国外只有一套用于发电的装置，缺乏用于煤化工生产的业绩；荷兰怒恩电力公司布根努姆电厂的（Demkolec）煤气联合循环发电装置为调峰电厂，除煤制气发电系统外，另有燃油发电系统作为备用。所以我国引进的Shell煤气化装置只设一台气化炉单系列生产，没有备用炉，在煤化工生产中能否常年连续稳定生产应给予足够的重视。煤化工生产若因此而经常开开停停，工厂年操作日低，工厂的经济损失将是可观的。
一套不设备用炉的装置投资相当于设备用炉的GE德士古气化装置或多喷嘴水煤浆气化装置的投资的2-2.5倍，排出气化炉的高温煤气用庞大的、投资高的废热回收锅炉回收显热副产蒸汽后，如用于煤化工，尚需将蒸汽返回后续一氧化碳变换系统，如用于制合成氨和氢气，副产的蒸汽量还不够用。同时另外还需要另设中压过热蒸汽系统供应用于气化的过热蒸汽。本人认为目前Shell带废热锅炉的干煤粉加压气化技术是并不适用于煤化
