煤气化技术及气化炉的应用

2011-12-08赵麦玲上海寰球石油化学工程有限公司上海200032

化工设计 2011年3期

关键词：固定床煤种煤气化

赵麦玲上海寰球石油化学工程有限公司上海 200032

煤气化技术及气化炉的应用

赵麦玲＊上海寰球石油化学工程有限公司上海 200032

介绍煤气化工艺技术、气化炉的特点、适用煤种以及国内应用情况。

煤气化技术气化炉煤种应用

能源短缺和环境污染制约经济发展,我国有丰富的煤炭资源,以煤为主要能源,煤炭资源消费约占总能源消费的75%。

煤气化是洁净、高效利用煤炭的主要途径之一,在将煤炭转变为更便利的能源和产品形式的各种技术中,煤气化是优先考虑的加工方法。城市煤气、化工合成用原料气、联合循环发电用燃气和综合利用系统是煤气化发展和应用的主要方向。

煤的气化技术有几十种,但可归纳为三大类:固定床气化、流化床气化和气流床煤气化技术。

现从气化炉炉型、技术参数、原料煤的要求、应用情况等方面对三类技术分述如下。

1 固定床气化技术

1.1 气化炉

固定床煤气化技术主要有间歇固定床气化炉(UGI)、鲁奇(Lurgi)炉和BGL(鲁奇改进)气化炉。

(1)UGI常压固定床气化技术的优点是操作简单、投资少,但技术落后,能力和效率低,污染严重,以常压Φ2650的气化炉为例,单台炉投煤量仅为60t/d,且原料为25～80mm的无烟块煤或焦炭。

(2)鲁奇(Lurgi)固定床气化工艺成熟可靠,气化温度900～1050℃,包括焦油在内的气化效率、碳转化率、气化热效率都较高,氧耗是各类气化工艺中最低的,原料制备、排渣处理成熟。煤气热值是各类气化工艺中最高的,它最适合生产城市煤气。若选择制合成气存在以下问题:①煤气成分复杂,合成气中含有甲烷7%～10%,如果将这些甲烷转化为H2和CO,势必增大投资,成本高;②有大量污水需要处理。污水中含大量焦油、酚、氨、脂肪酸、氰化物等,因此要建焦油、酚、氨回收装置和生化处理装置,会增加投资和原材料消耗;③该气化技术需15～50mm的块煤。块煤价格高,将增加成本。

(3)BGL炉是在鲁奇(Lurgi)炉基础上的改进型,由固态排渣改为液态排渣,该气化炉可直接气化含水量大于20%的煤,在1400～1600℃高温气化条件下,蒸汽用量可大幅下降,90%～95%的蒸汽在气化过程中分解,不仅提高了气化效率,而且使气化废水量减少80%以上,可降低脱酚、脱氨装置的规模,减少废水的排放量。该炉体结构简单,采用常规压力容器材料和常规耐高温炉衬及循环冷却水夹套。

1.2 技术参数

3种固定床气化炉技术参数见表1。

表1 3种固定床气化炉的技术参数

1.3 原料煤要求

3种固定床气化炉对原料煤的要求和适合煤种见表2。

表2 3种固定床气化炉对原料煤的要求和适合煤种

1.4 国内应用情况

采用固定床Lurgi气化炉的有山西天脊集团化肥厂和哈尔滨气化厂等13个厂家共254台;采用BGL气化炉的有内蒙古金新化工股份有限公司和云南解化集团等共5台;采用UGI气化炉的有晋煤集团晋丰煤化工公司和丰喜集团华润煤化工公司等4个厂家共66台。

如今国家原则上已不允许新建固定床气化炉。

2 流化床气化技术

2.1 气化炉

流化床气化技术主要有恩德气化炉、U-GAS气化炉和灰熔聚气化炉等。

(1)恩德炉由温克勒气化炉演变而来,来自朝鲜,目前主要用于生产燃料气和合成氨等。适应于褐煤、长焰煤等,对煤的灰分不是特别敏感,使用含水12%以下的≤10mm的粉煤,气化炉温度控制在1000～1050℃,气化炉底部为特殊形状的锥形,以布风喷嘴取代了炉蓖,在气化炉出口有旋风除尘器和返料装置,旋风除尘器后是废热锅炉,减少了煤气中带出飞灰对废热锅炉炉管受热面的磨损。不足之处是常压气化,气化效率和碳转化率有待提高。

(2)U-GAS技术来源于美国SES公司,主要定位于劣质煤的气化,对高灰煤、高硫煤和高水份煤的气化有较大的优势。气化压力0.25～1.0MPa,单台炉处理煤量300～1200 t/d,原料煤粒度为≤6mm,气化温度控制在950～1050℃。原料煤在二氧化碳气体的压力下进气化炉,与从炉底部进的氧气和水蒸汽等气化剂进行反应,生产合成气,并从炉顶出来。反应后的渣从炉底的分级器排出,并经灰冷器冷却卸压排放。炉顶出来的合成气经两级旋风除尘器,分离出来的尘粒返回气化炉再次气化,以提高碳的转化率。合成气经废锅回收热量后,经高效旋风除尘器进一步除尘,减少合成气中的粉尘含量。

(3)灰熔聚流化床技术是中科院山西煤化所开发的煤气化技术,气化压力分别为0.3MPa、0.5MPa、1.0MPa,单台气化炉处理煤的能力为100～500t/d,目前有企业采用该技术。

2.2 技术参数

3种流化床气化炉的技术参数见表3。

表3 3种流化床气化炉的技术参数

2.3 原料煤要求

流化床气化炉对原料煤的要求和适合的煤种见表4。

2.4 国内应用情况

表4 流化床气化炉对原料煤的要求和适合的煤种

采用U-GAS流化床气化炉的有埃新斯(枣庄)新气体有限公司和义马煤业综能新能源有限公司等两个厂家共5台;采用恩德流化床气化炉的有吉林长山化肥厂和黑龙江黑化集团等10个厂家共14台;采用灰熔聚流化床气化炉的有陕西城固化肥厂和天津碱厂等7个厂家共16台。

3 气流床气化技术

3.1 气化炉

典型的气流床气化技术,国外有美国德士古(现属于GE)公司水煤浆气化(Texaco)炉、荷兰壳牌(Shell)粉煤气化炉和德国西门子公司的GSP粉煤气化炉,国内有多喷嘴对置式水煤浆气化炉、两段干煤粉加压气化炉、国产新型四喷嘴干煤粉加压气化炉、多料浆单喷嘴顶置气化炉(MCSG)和HT-L航天炉。

(1)水煤浆气化技术是美国德士古(Texaco)公司开发的。该技术的特点是:气化温度1250～1600℃,对煤的适应性广,灰熔点要求低于1350℃,煤的可磨性和制浆性好,制得浆浓度高于60%。单台炉处理煤量大,生产能力高,气化压力范围大(4.0MPa、6.5MPa、8.7MPa),合成气压缩功省。

(2)壳牌气化技术是荷兰壳牌公司开发的气化技术。该技术采用纯氧、蒸汽气化,干粉进料,原料煤适应性广,气化温度达到1400-1600℃,气化压力4.0MPa,碳转化率高,有效气成分(CO +H2)高,采用特殊的水冷壁气化炉,使用寿命长,缺点是气化压力不能太高,设备结构复杂,专利费高。

自1976年以来,壳牌公司先后在荷兰阿姆斯特丹、德国汉堡和美国休斯敦建成3套煤气化中试和示范装置,在取得大量的数据和操作经验后,首次应用于荷兰布根伦250MW整体煤气化燃气-蒸汽联合循环发电工厂,气化装置的设计能力为单台炉投煤量2000t/d,气化压力2.8MPa,于1993年开始投入运行。

(3)GSP是德国西门子公司的粉煤加压气化技术,采用干粉煤进料,纯氧、蒸汽作为气化剂,气化温度可达1350～1750℃,碳转化率99%,有效气体成分与Shell类似,采用液态排渣,气化炉采用水冷壁,内部没有耐火砖。水冷壁使用寿命达到10年,气化炉下部采用激冷流程,比Shell炉造价低,煤种适应广。国外在20世纪80年代曾运行一套处理煤量750t/d的工业装置。

(4)多喷嘴对置式水煤浆气化技术是华东理工大学与山东兖矿合作开发,属国家863计划开发项目,已于2005年在兖矿国泰工业示范装置成功运行4年,各项指标均达到设计要求。该技术采用水煤浆进料,气化温度与德士古相同。

(5)两段干煤粉加压气化炉是西安热工院研究开发的煤气化技术,该气化炉炉膛采用水冷壁结构,分为上炉膛和下炉膛两段。下炉膛是第一反应区,用于输入煤粉、水蒸汽和氧气的喷嘴设在下炉膛的两侧壁上,渣口位于下炉膛底部,采用液态排渣。上炉膛为第二反应区,高度较高,在上炉膛的侧壁上设有二次煤粉和水蒸汽喷嘴。运行时,由气化炉下段喷入干煤粉、氧气以及蒸汽,所喷入的煤粉量占总煤量的80%～85%,在上炉膛喷入水蒸汽和煤粉,所喷入煤粉占总的15%～20%。上炉膛的作用:其一是替代循环合成气使温度达到1400℃的煤气降温至约900℃;其二是利用下炉膛的煤气显热进行煤的热裂解和部分气化,以提高总的冷煤气效率和热效率。

(6)国产新型四喷嘴干煤粉加压气化炉是华东理工大学开发的煤气化技术,与水煤浆相比,粉煤加压气化系统对仪表有更特殊的要求,其安全连锁控制指标更高。气化温度1300～1600℃,压力3.0MPa、4.0MPa,有效气成分为89%～93%,

(7)多料浆单喷嘴顶置气化技术(MCSG)是由西北化工研究院开发的大型煤气化技术,在完成中间试验和工业化示范试验基础上,于2001年实现工业应用。该技术采用湿法气流床气化概念,以煤、石油焦、石油沥青等含碳物质和油(原油、重油、渣油等)、水等经优化混配形成多元料浆,料浆与氧通过喷嘴混合后瞬间气化,具有原料适应性广、气化指标先进、技术成熟可靠、投资费用低等特点,整套工艺以及料浆制备、添加剂技术、喷嘴、气化炉、煤气后续处理系统等已获得8项国家专利。目前,多料浆气化技术已在十多套工业装置上应用,包括300kt/a合成氨、200～600kt/a甲醇和500kt/a煤制油装置,已有3套工业装置平稳运行。

(8)HT-L航天炉是原航天十一所借鉴荷兰Shell、德国GSP、美国Texaco煤气化工艺先进经验,配置自己研发的盘管式水冷壁气化炉而形成的一套结构简单、有效实用的煤气化工艺。该工艺煤种适应性广,从褐煤、烟煤到无烟煤均可气化,对于高灰份、高水分、高硫的煤种同样适用。烧嘴设计同GSP,采用单烧嘴顶烧式气化,气化炉采用Texaco激冷工艺,气化温度1400～1600℃,气化压力2.0～4.0MPa。该炉的烧嘴是原航天十一所自己制造,与德国GSP气化烧嘴相似,只是煤粉喷入的方向有一些改变。目前的技术所有者为北京航天万源煤化工工程公司。

3.2 技术参数

气流床气化炉的技术参数见表5。

表5 气流床气化炉的技术参数

3.3 原料煤要求

气化炉对原料煤的要求和适合的煤种见表6。

表6 气化炉对原料煤的要求和适合的煤种

3.4 国内应用情况

采用GE-Texaco气流床的有山东兖矿集团鲁南化肥厂和上海焦化厂三联供等28个厂家共74台;采用Shell气流床气化炉的有中石化岳阳壳牌煤气化股份公司和河南永煤集团龙宇煤化工公司等19个厂家共27台;采用GSP西门子气流床气化炉的有神华宁煤集团有限责任公司等3个厂家共9台;采用新型四喷嘴水煤浆气化炉的有安徽华谊化工有限公司和兖矿国泰化工有限公司等13个厂家共33台;采用多料浆单喷嘴顶置气化炉的有华亭中煦煤化工有限公司和重庆万盛煤化工有限公司等26个厂家共38台;采用国产四喷嘴干煤粉加压气化炉的有贵州开阳化工有限公司1个厂家共1台;采用HT-L航天炉的有永煤集团龙宇化工有限公司和安徽临泉化工有限公司等两个厂家共2台;采用两段干煤粉加压气化炉的有上海申能集团和内蒙古世林化工公司等两个厂家共4台。