新型煤气化工艺选择探讨

摘 要：我国的煤气化炉众多，其工艺也比较多。文章探讨了几种煤气化工艺技术，希望能够为相关工作提供借鉴。

关键词：煤气化技术；对比；探讨

现代煤化工属于资金密集型产业，气化炉又是投资比例最大的单元，怎样依托自身的原料结构、运输、人员素质、水资源、资金、知识产权和环境容量等因素，准确选定适合自身的煤气化工艺显得尤为重要。

1 煤气化技术概述

中国是拥有煤气化炉最多的国家，但多数为常压固定床煤气发生炉（全国有约4500台），单炉发气量小，对环境污染较严重，且不能适应大型化的要求，因此这种气化技术已在2006年7月7日的（发改工业[2006]1350号）中明确要求禁止。取而代之的大型加压煤气化技术，中国已实现工业运行的有10多种，引进国外技术的有6种。通常把气化炉分为三种类型：固定床、流化床和气流床。具体分类如下：

固定床：UGI、富氧连续气化、Lurgi、BGL等。

流化床：恩德、KBR、灰融聚、温克勒气化炉、U-GAS、HRL等。

气流床：GE、OMB、GSP、Shell、HT-L、TPRI等。

当前被广泛接受的是气流床气化炉，下面着重介绍气流床煤气化工艺。

2 常用煤气化技术简介

2.1 GE德士古水煤浆气化

德士古气化法是一种以水煤浆为进料的加压气流床气化工艺，水煤浆通过喷嘴在高速氧气流的作用下，破碎、雾化喷入气化炉。氧气和雾状水煤浆在炉内受到耐火衬里的高温辐衬作用，迅速经历预热、水分蒸发、煤的干馏、挥发物的裂解燃烧以及碳的气化等一系列复杂的物理、化学过程，最后生成以一氧化碳、氢气、二氧化碳和水蒸气为主要成分的湿煤气、熔渣和未反应的碳，一起同流向下离开反应区，进入炉子底部激冷室水浴，熔渣经淬冷、固化后被截留在水中，落入渣罐，经排渣系统定时排放。煤气和饱和蒸气进入煤气冷却净化系统。

2.2 多喷嘴对置式水煤浆气化

工艺技术特点：（1）有效气成分达84.9%，碳转化率达98.8%，比氧耗为309Nm3/kNm3（CO+H2），比煤耗达535kg/kNm3（CO+H2），产气率达2.3m3干气/kg干煤。（2）该技术采用四喷嘴撞击流，充分混合，热质传递得到强化。相比单喷嘴的德士古技术，技术更加进步。（3）复合床洗涤冷却使液位平稳，通过控制液位波动，降低了带水带灰问题，粗合成气与黑水温差比Texaco小约10℃，表明其传热、传质效果好。（4）产生的煤气经过分级净化，使含尘量降到1mg/Nm3以下，同时操作平稳、能耗较低。（5）含渣水直接换热，蒸发热水塔出气温度与灰水温差仅4℃，相对于Texaco工艺的60℃温差，有效解决了换热设备易结垢堵塞的问题，同时提高了换热效率。（6）装置没有需要进口的专有设备；专利费为德士古水煤浆气化的1/3～1/2；运行费用比德士古要低得多。（7）气化装置负荷调节灵活、稳定，四个喷嘴之间负荷相互配合，可实现气化微调操作。（8）可实现整套气化装置不停车解决故障，不泄压投料，提高生产效率。兖矿国泰化工有限公司已累计进行了10次带压连投操作，节省费用近700万。目前国内已运行装置有12套29台气化炉，推广应用的共有33个项目，共计92台气化炉。

2.3 Shell煤气化技术

Shell煤气化工艺以干粉煤为原料、纯氧为气化剂，湿法排渣。高温（1400～1700℃）气化确保煤中所含灰分熔渣沿气化炉膜壁自由流下至气化炉底部，变成一种玻璃状不可沥滤的炉渣而排出。气化炉顶产出的煤气用返回的粗合成气激冷至850～900℃，然后进入合成气冷却器（废锅）作进一步冷却，气化炉内膜式水冷壁及废锅可同时生产高、中压蒸汽。从废锅出来的合成气中锁携带的少量灰分颗粒，在组合式陶瓷过滤器中分离除去，干灰进入锁斗，然后送往储仓，可作为水泥的配料。

粉煤气化的优越性：粉煤进料，气化热效率高，氧耗、煤耗低；采用膜式水冷壁，寿命长达20年；气化温度高，可气化灰熔点高的煤种，煤种适应性广；碳转化率高，有效气成分较水煤浆气化高8～10个百分点；喷嘴寿命可达8000小时。设有4～6个喷嘴，生产负荷可在50%～100%范围内调整，操作弹性大。

2.4 两段式干煤粉加压气化

工艺技术特点：（1）气化反应温度1400～1600℃，气化压力可达3.0～4.0MPa，碳转化率高达99%以上，煤气中有效气高达90%以上。（2）高温气化不产生焦油、酚等凝聚物，不污染环境，煤气质量好。（3）在气化炉二段送入少量煤、N2和蒸汽、主要进行煤的干馏热解、挥发分的二次裂解及水蒸气的分解反应。能够降低气化炉二段出口的合成气温度，从而可以减少冷煤气循环激冷系统，使得系统自耗功大幅降低，同时煤气冷却器及净化系统的设备尺寸减少，造价降低。（4）气化炉采用水冷壁结构，以渣抗渣，无耐火砖衬里，维护量少，运转周期长，无需备炉。（5）与国外同类技术相比冷煤气效率提高2～3%，比氧耗减少，与之配套的空分投资减少。

2.5 HT-L航天加压粉煤气化技术

工艺介绍如下：（1）磨煤与干燥系统的单套能力目前是35吨/小时，其目的是制造出粒度小于90微米的大于80%、水含量小于2%的煤粉。只是利用皮带秤通过比值调节将粒状石灰石加到输煤皮带上，一块进入磨煤机研磨，不设立单独的石灰石加入系统。（2）加压输送系统的不同是粉煤给料罐下面是三条腿，三条线输送，到烧嘴处汇合从烧嘴环隙呈螺旋状喷入炉膛。（3）烧嘴采用单喷顶烧设计，气化炉升压到1MPa时，煤粉及氧、蒸汽混合以一定的氧煤比进入气化炉，稳压1小时挂渣，挂渣情况通过测温点适时监控。设计气化温度1400～1600℃，气化压力4.0MPa。热的粗煤气和熔渣一起在气化炉下部被激冷，也由此分离，激冷过程中，激冷水蒸发，煤气被水蒸汽饱和，出气化炉为199℃，经文丘里洗涤器、洗涤塔洗涤后，固体含量小于0.2mg/m3的194℃合成气送出气化岛。（4）炉渣由破渣机处理，经锁斗排入捞渣机。渣水分离后的水回用；灰水经高压闪蒸、真空闪蒸后到沉降池，清水作为激冷水回用，浆水经真空抽滤后制成滤饼。

2.6 清华水冷壁炉

清华炉是我公司和清华大学共同开发的非熔渣-熔渣分级气化技术，其独特之处在于氧气的分级供给：气化炉主烧嘴和侧壁氧气喷嘴分别向气化炉内加氧，使气化炉主烧嘴的氧气量可脱离炉内部分氧化反应所需的碳与氧的化学当量比约束，改变了主烧嘴局部区域氧化强度过高的状态，使气化炉轴向温度均衡并有所提高，充分发挥气化炉全容积的气化功能。在主烧嘴中心通道采用氧含量从0到100%的不同气体作为主烧嘴预混气体，不仅调整了火焰中心的温度，而且调整了火焰中心距主烧嘴端面的距离，有利于降低主烧嘴端部温度，延长其使用寿命。

3 各工艺技术对比

3.1 OMB、GE和清华炉属于水煤浆气化，对煤质有一定的要求，适用于烟煤、无烟煤、石油焦的等，且国产化率高，在国内已有多家正在运行，特别是清华炉在临猗分公司运行，且运行平稳。在煤种的适合情况下：通常是甲醇、合成氨等项目的首选。

3.2 航天炉、二段炉及壳牌煤气发生炉属于干粉气化炉，有效气体成分高，气化煤量大，碳转化率高、氧耗和煤耗相对较低，除壳牌外，设备国产化强，投资低。

3.3 航天炉和清华炉比较，清华炉采用水煤浆进料，计量精确，炉温波东较小，操作稳定性好；航天炉曹勇干粉进料，干粉进料测量精确度差，炉温波动大。清华炉只有一条进料系统，调节简单稳定；航天炉有三条煤粉进料管线，调节复杂。投资上清华炉的投资略低于航天炉，航天炉用煤需要烘干，原料煤场需要封闭，清华炉则不需要。

3.4 GE和二段炉都是采用四喷嘴，二段炉的特点顾名思义是采用两段气化，以四个对称的烧嘴向气化炉底部喷入干粉煤、过热蒸汽和氧气，进行一段气化，熔融排渣。中部喷入占总煤量15～20%的煤粉和过热蒸汽，利用下部上来的煤气显热进行二段气化，同时将下部上来的1400～1500℃高温煤气急冷至900～1000℃。该工艺可以大大节约固定投资，提高冷煤气效率和热效率；气化炉采用水冷壁结构，其缺点是合成气中CH4含量较高，而氢气相对不足，不利于生产合成氨和甲醇的企业采用。

4 根据实际情况的炉型选择

4.1 对气流床煤气化工艺的选择，应首先从以下几方面来考虑

（1）从技术的成熟程度看，水煤浆优于干粉煤、激冷流程远优于废锅流程。（2）从技术的先进性看，干粉煤优于水煤浆。（3）从投资角度比较：TPRI：Texaco（激冷）：Shell为1：1.2：1.8。（4）从国产化程度来看，Texaco、航天炉、清华炉、二段炉由于设备国产化率高，故投资相对较少。（5）对煤种的适应性看，干粉煤气化优于水煤浆气化。（6）运行稳定性和投资风险看，水煤浆优于干粉煤。

4.2 根据目标产品考虑

如果产尿素，应该首选水煤浆气化工艺，其中兖矿OMB水煤浆气化合成气中CO2含量低，甲烷含量小，合成气占百分比小，变换处理能力可降低，适合制造合成氨、尿素，但由于其内衬为耐火砖，使用寿命短，检修时间长。而清华炉同样属于水煤浆气化炉，衬里结构为水冷壁，寿命长，检修时间短，且在临猗公司成功运行，选择清华炉较好。

如果产品为乙二醇，CO仅需少量变换，就应该首先考虑干粉气化技术。航天炉和二段炉属于干粉气化，合成气占百分比大，氧耗低，煤耗低，煤种适应性宽。航天炉已在安徽临泉、河南濮阳等地成功运行，技术比较成熟；但在性能上热工院的两段炉更胜一筹，如果能成功运用并推广，还是应该选择热工院的两段炉比较适合。

作者简介：郭文龙（1982-），男，山西晋城人，硕士，工程师。