主流煤炭气化技术性能的对比研究

吴同舫

(中海油惠州炼化分公司，广东 惠州 516086)

主流煤炭气化技术性能的对比研究

吴同舫

(中海油惠州炼化分公司，广东 惠州 516086)

通过对GSP粉煤气化、GE水煤浆气化以及Shell粉煤气化的实地考察，结合气化炉近年来的实际生产运行情况，分别从工艺流程、技术特点、操作参数、关键设备、环保指标等几个方面对三种不同类型的煤炭气化技术进行了比较探讨，得出多喷嘴壳牌粉煤气化技术性能优越，在洁净煤化工领域发展前景广阔。

煤气化；Shell；GSP；GE；技术比较

我国是一个“贫油少气富煤”的国家，这种能源结构使得煤炭在一次能源消费结构中的比重高达60%，因此如何保证煤炭资源的高效利用，对于保障我国能源长期安全供应具有重大的现实意义和战略意义。而在煤炭能源的集约利用方面，煤气化技术是煤炭转化利用的主要途径，是在转化含碳固体物为高附加值产品过程中处于领先地位的清洁技术[1]、是发展制氢、煤基液体燃料、煤基化学品、多联产系统及先进IGCC发电等过程工业的基础、是这些行业关键的龙头技术。

目前，中国大型煤化工项目采用的煤炭气化技术多数属于气流床加压气化技术，主要气化工艺有GE（Texaco）、Destee、Shell、Prenflo、GSP、CCG等，笔者就目前常用的具有代表性的GE水煤浆气化和Shell、GSP干粉气化三种煤炭气化技术进行研究探讨。

1 气化工艺流程对比

1.1 GE水煤浆气化流程

由煤储运系统送来的原料煤送至煤贮斗，经称重给料机定量送入磨机，加入一定量的水和添加剂，研磨出的合格的水煤浆，经煤浆加压泵加压后同高压纯氧一起通过置顶式单喷嘴进入气化炉，水煤浆喷入炉膛后在短短的5～7s[2]内就完成了气化过程，气化反应压力6.5MPa（G）、温度1300～1400℃，生成CO和H2为有效成份的粗合成气。离开气化炉反应段的高温粗合成气和熔渣一起进入气化炉激冷室水浴，大部分的熔渣经激冷固化后，落入激冷室底部经锁斗排出。粗合成气出激冷室经文丘里洗涤器、碳洗塔洗涤除尘冷却，温度降低至245℃并被水蒸汽饱和后送至变换工段。

从气化炉和碳洗塔排出的高温黑水依次进入高压闪蒸罐、低压闪蒸罐和两级真空闪蒸罐，一部分水被闪蒸为蒸汽回收利用，溶解在黑水中的大部分合成气被解析出来送硫回收处理，同时黑水被浓缩，温度降低至45℃进入沉降槽，沉降的细渣浆经过滤机脱水拉出厂外，沉降槽上部澄清的灰水送往灰水槽，经低压灰水泵加压回送至气化系统循环利用。

1.2 GSP粉煤气化流程

原料煤由给煤机称重送到煤磨中磨粉，从热风炉送来的热惰性气体送入磨煤机中，将合格粒度的煤粉干燥后吹入煤粉袋式过滤器，分离收集后排入煤粉贮仓中，经煤粉锁斗送入煤粉给料仓，由高压CO2煤密相输送并精确计量后经3根粉煤管线送入气化炉顶部的烧嘴与高压O2及过热蒸汽旋流喷入气化室，在4.1MPa、1450℃条件下进行气化反应，生成以CO和H2为主的粗合成气。GSP气化炉的内壁采用盘管膜式水冷壁结构，为防止粗合成气进入膜式水冷壁与气化炉之间的环形空间出现冷凝而腐蚀设备，环形空间充有压力较高的惰性气体。出气化炉反应室的高温粗合成气、飞灰和液态熔渣通过设置有冷却水盘管的排渣口进入激冷室下降管进入水浴激冷，熔渣迅速固化；合成气被水饱和，出激冷室的合成气依次经鼓泡塔、两级文丘里洗涤器、部分冷凝器和气液分离器洗涤后送至下游变换。熔渣在激冷室内完成激冷固化后散裂成玻璃状的颗粒，通过锁斗定期排至渣池，飞灰以及未反应的粉煤颗粒悬浮在渣水中，由渣池泵送至渣水处理系统，经进一步处理后循环使用。

从气化炉和文丘里洗涤装置排出的高温黑水，经两级闪蒸浓缩后，经过澄清去除细渣后灰水送回装置内循环使用。

1.3 Shell下行水激冷粉煤气化流程

Shell粉煤气化技术的传统工艺为废锅流程，产生的合成气经过飞灰过滤和庞大的合成气冷却器进行冷却，投资成本高、工艺过于复杂、故障率高，影响装置的长周期影响，多用于联合发电装置，为了满足煤化工生产的需要，Shell新开发出下行水激冷粉煤气化流程，并在中国南京建成投产，目前运行情况较好，各项指标均达到或超过设计值。Shell粉煤气化煤粉制备和输送过程与GSP过程相似。从高压煤粉仓出来的煤粉与输送煤粉用的高压CO2经计量后，一起进入烧嘴的中心。来自空分的高压O2加热到180℃后，与少量中压过热蒸汽混合进入烧嘴的外环隙，经4个或4个以上水平设置的工艺烧嘴喷入气化炉，在气化炉内煤粉与氧气充分混合发生部分氧化反应生成合成气，多喷嘴延长线相互交错形成多边形，从喷嘴喷出的煤粉在氧气流的带动下在气化炉反应室内形成旋流，液态熔渣被离心力抛至膜式水冷壁并沿水冷壁通过渣口向下进入激冷室，熔渣迅速固化龟裂成碎玻璃体，经锁斗排除，出气化炉反应室的高温粗合成气、飞灰经下降管进入激冷室水浴激冷，合成气被水饱和后经文丘里和洗涤塔洗涤处理与GSP粉煤气化相似。气化炉点火用点火烧嘴，用液化气作燃料。气化炉开车升温用开工烧嘴，用油泵送来柴油作燃料。开车初期不合格的煤气经火炬燃烧后放空。开车完成后点火烧嘴和开工烧嘴退出气化炉。灰水处理系统和GE水煤浆工艺类似，经闪蒸后进入沉降槽沉降，大部分灰水回用。

表1 三种煤炭气化工艺操作参数对比Table1 Comparison of operation parameters for three gasification technologies

2 气化技术的煤质适应性对比

2.1 GE水煤浆气化煤质适应性分析

GE水煤浆气化炉适应的原料煤是固定碳含量和发热量中等，可磨性中等，反应活性好，低灰、低灰熔点的年轻烟煤或无烟煤。

GE水煤浆气化要求的水煤浆应具有高浓度、低粘度、稳定性好、流动性好、易于泵送等特点。因为水煤浆在气化之前先经历水的蒸发过程，水煤浆浓度越高，水份蒸发所需热量越少，比煤耗和比氧耗也会越低。同时煤的内水是影响成浆浓度的重要因素，内水主要是由煤中的亲水基和毛细孔的吸附引起的，由于煤中的亲水基和毛细孔的吸附水的表面张力在煤粒周围形成一层水膜，亲水基越多、毛细孔越是繁茂的原料煤，水膜就越厚，制得的煤浆浓度越低。同时GE水煤浆气化炉内衬耐火砖，一般要求煤的w(灰份)＜12%，若煤中灰份较高特别是煤中的碱性金属氧化物组分过高，则对耐火衬砖尤其是高铬的向火面砖的侵蚀性较强，会缩短耐火砖的寿命。液体的灰渣沿耐火砖流下时对砖体造成冲刷使砖体减薄，经验认为最佳的灰渣黏度应控制在15～40Pa·s之间，这样才能在炉砖表面形成一定厚度的灰渣保护层，既延长了炉砖寿命又不致堵塞渣口，最佳灰渣流动黏度对应的温度即为化炉最佳操作温度。炉温度太低，碳转化率过低，甲烷含量也高；炉温过高尤其是超过1400℃以后，耐火砖热蚀会加快，当气化温度高于1400℃时每提高20℃，炉砖的熔蚀速率会提高一倍，一般原则上要求水煤浆气化原料煤灰熔点应低于1300℃为宜。图1中煤种3气化操作温度窗口过小不适于水煤浆气化，煤种1灰熔点为1390℃也不适合，煤种2灰熔点适中、灰份不高，粘温特性对应的操作窗口是 1255～1340℃区间，适合用于水煤浆气化。

图1 常见原料煤粘温特性曲线图Fig.1 Viscosity-temperature characteristic curves of three coals

2.2 粉煤气化适应性分析

粉煤气化通常对于灰份要求不应低于8%，最佳灰份含量应在12%～25%之间。这样既能保证在气化炉膜式水冷壁上正常挂渣、锁斗正常排渣，又能将装置的运行成本以及设备管道的磨损控制在合理范围内；粉煤气化适宜的原料煤灰熔点范围应在1250～1550℃之间，低灰熔点的煤在粉煤气化炉中气化时会出现转化率偏低、无法挂渣等问题，而高灰熔点的煤则需要添加助熔剂方可进行气化，否则会造成炉渣结块、气化炉锁斗堵渣，同时会影响气化炉内件的使用寿命；粉煤气化工艺要求原料煤最佳灰渣黏度范围在25～40Pa·s之间，这样气化炉膜式水冷壁才可以确保“以渣抗渣”、正常挂渣、顺利排渣；粉煤气化要求依据原料煤的粘温特性曲线来选择合适的气化温度，气化炉温度过低时碳转化率过低，灰渣粘度高，渣流动不畅，容易堵塞渣口；气化温度过高，则导致气化炉膜式水冷壁上的挂渣减薄，液态渣流动速度过快，加剧对水冷壁的冲刷磨蚀，缩短膜式水冷壁的使用寿命，气化炉热损失也会增加，氧耗、煤耗也会相应增大。在粉煤气化装置初次运行时膜式水冷壁首次挂渣，应该选用灰熔点相对较高且结渣性好的原料煤进行挂渣，从而避免气化炉正常运行过程中因气化炉温度波动导致短膜式水冷壁上渣层大幅减薄的情况发生。

相对于水煤浆气化，粉煤气化对原料煤的适应性广[3]，它几乎可以气化从无烟煤到褐煤的各种煤，尤其对劣质煤、高灰份高熔点的煤有更强的适应性，以图1中煤种3为例，根据其粘温特性曲线对应的温度范围在1340～1495℃之间，温度范围较宽，可用于粉煤气化，同时煤种1和煤种2也可用于粉煤气化，所以粉煤气化对原料煤的适应性较强；此外，粉煤气化和水煤浆气化相比，在氧耗、煤耗、水耗（单炉外排废水）、能效综合利用、检修费用及检修工作量等方面都占有优势，生产运行周期上也已经达到长周期稳定运行，现在实际运行的粉煤气化工厂表明了干法粉煤气化经济效益明显。

3 气化技术的性能参数对比

3.1 三种煤炭气化技术操作参数对比

虽然GE水煤浆气化技术在我国应用广泛，技术比较成熟，工艺简单、操作简便，而GSP和Shell粉煤气化技术起步较晚，工艺相对复杂，粉煤进料控制较难，但粉煤气化技术优点也迅速体现出来，并获得广泛认可，从表1可以看出，GSP与Shell粉煤气化工艺与GE水煤浆气化工艺比较，操作温度高、操作压力较低；在碳转化率及有效气含量方面，GSP与Shell粉煤气化相近，都远高于GE水煤浆气化；另外GSP和Shell两种粉煤气化的膜式水冷壁均可副产蒸汽，特别是Shell粉煤气化可副产高品质中压蒸汽，有利于提高装置能效降，低全厂能耗，充分显示出其经济价值。

3.2 三种煤炭气化技术性能指标对比

从性能指标看，Shell多喷嘴粉煤气化工艺的渣中残碳最低碳转化率最高，粗渣呈玻璃体大颗粒状，残炭低基本测不出来，细渣残炭也只有2%，粗细渣质量比只有6∶1。GE水煤浆气化粗、细渣中的残碳含量均较高，粗细渣质量比约为7∶2。而GSP粉煤气化有效气组分体积分数最高95%（CO2输送时，N2输送也接近90%），细渣中的残碳含量最高，粗细渣质量比最高7∶3。

同时Shell粉煤气化有效气含量高的同时有效气组分中H2含量也最高，主要因为Shell下行水激冷气化技术的激冷环下降管设计合理，在下降管内增设了大小两个水喷头，使高温合成气与水发生了部分变换反应。水平多喷嘴结构在气化炉炉膛内形成螺旋流场，有利于水冷壁均匀挂渣，相对于顶置式喷嘴结构，更利于煤粉在气化炉中均匀分布，形成较好流场和气化反应环境，使煤粉在炉膛内停留时间最长可达8s，气化反应充分，提高了气化效率和碳转化率，有效降低了比氧耗和比煤耗；且多个喷嘴分担了气化负荷在粉煤磨损方面的负担，从而实现Shell气化炉烧嘴的长寿命；另外由于Shell炉膛内良好的气化状况，粗渣比例高，灰渣残碳很低，使得其水系统负荷低，水质优于其他同类装置，沉降槽内水质也较为清澈，有利于环保和节约用水。

表2 三种煤炭气化工艺性能指标Table 2 Performance of three coal gasification technologies

4 关键设备对比

GE水煤浆进料是由高压煤浆泵泵送，比较简便、安全，但也存在高压煤浆泵故障影响生产的情况；另外GE水煤浆烧嘴使用寿命较短，由于水煤浆烧嘴是三通道烧嘴，中心和外环隙通氧气，煤浆走中间环隙，极易磨损内外喷管，造成烧嘴压差降低，烧嘴给料不稳、氧煤比波动、碳转化率降低，烧嘴磨损后还会偏喷烧坏气化炉炉砖和内件；烧嘴冷却水盘管和水夹套极易受气化炉内高温的热蚀而损坏，使烧嘴寿命仅达70天左右；GE气化炉内衬的耐火砖在液态灰渣的热蚀、冲刷下使用寿命较短，一般为1～2年必须更换一次，需要消耗大量的人力、物力和财力。

GSP粉煤加压气化技术，采用组合烧嘴通过法兰连接和螺栓紧固在气化炉的正上方，由点火烧嘴和主烧嘴两部分组合而成。点火烧嘴放置在主烧嘴的正中央，点火烧嘴的外部是一个双管冷却水夹套，对点火烧嘴进行冷却。点火烧嘴的外表面跟主烧嘴的内表面之间的环状缝隙，是主烧嘴的输氧通道。输氧通道与其外面的环状输煤通道之间，是一个带有冷却水夹套的管壁。在输煤管道的外面，同样也是一个带有冷却水夹套的管壁。主烧嘴带有两个冷却水夹套的目的，是防止气化炉燃烧室内的高温，对主烧嘴外表面的腐蚀。三根煤粉输送管线在主烧嘴煤粉通道里的出口，均切线进入环状的煤粉通道，以确保煤粉的均匀分布。在主烧嘴的出口，氧气呈旋转的方向离开主烧嘴出口，跟外面的煤粉充分接触进行气化反应。烧嘴寿命可达90天以上，但容易出现烧嘴附近水冷壁挂渣不好以及烧嘴火焰角度过大使得炉壁超温的情况。

Shell粉煤喷嘴为两通道烧嘴，中心喷管走煤粉，环隙走氧气，外环管为冷却水夹套，较好的保护了烧嘴，使烧嘴寿命长达1年，水平多喷嘴设置，在炉内部形成螺旋流场，相对于顶置喷嘴，不但有利于煤粉在炉膛内的均匀分布提高气化效率和碳转化率，且有利于水冷壁上半部的挂渣，避免了气化炉拱顶水冷壁挂渣不好以及烧嘴火焰角度引起炉壁超温的情况发生。Shell激冷环安装在渣口渣屏背面，隔离了夹带灰渣的高温合成气，有效避免了激冷环的烧蚀，激冷环下部开有环形缝隙，有利于激冷水均匀喷出形成水膜，且下降管内设大小两个水喷头有效保护了下降管。

Shell气化粉煤给料罐给料方式为底部出料，相对于GSP气化顶部出料和侧出料更加稳定。因为煤粉密相输送系统是采用压差来控制输煤量的，而GSP的顶部出料方式易使得向上输送段的煤粉对竖直管的水平拐弯处形成撞击，导致输煤管线振动，造成粉煤给料罐与气化炉压差波动、流量震荡加剧，易引起氧煤比过高跳车，部分GSP工厂通过在系统中增加流量控制阀门同时将顶部出料改为侧出料使流量波动问题得以缓解。

5 环保指标对比

相对于GE水煤浆气化工艺，粉煤气化工艺的废水排放量较低，废水中的主要指标氨氮及COD含量相对较低，其中Shell气化炉外排水氨氮仅为100mg/L，减轻了公用工程污水处理的压力；外排灰渣中残碳含量低，使污水处理更容易。水系统水质较好，无须大量补充新鲜水，有利于环保和节约用水。

表3 三种煤气化关键设备特点对比Table 3 Comparison of key equipments fortree gasification technologies

表4 三种煤气化环保指标对比Table 4 Comparison of environmental indexes for three gasification technologies

6 结语

通过以上比较可见，粉煤气化技术在原料煤适用范围、煤耗、氧耗、水耗（单炉比外排废水）、能效综合利用、检修工作量等方面占有优势，粉煤气化炉烧嘴使用周期长，采用以渣抗渣的水冷壁技术，不用像水煤浆炉一样需要频繁更换烧嘴和耐火砖，生产运行周期上更利于长周期稳定运行。

从已运行工厂来看，对高灰份、高灰熔点原料煤的适应性，粉煤气化要优于水煤浆气化方案。

Shell气化炉得益于其水平多喷嘴的结构，煤粉在炉膛内进行水平螺旋运行，相对于顶置喷嘴结构，Shell气化炉更容易在水冷壁上形成良好挂渣，细渣量较低。

得益于其水平多喷嘴的结构，煤粉在炉膛内的停留时间较长，燃烧较为充分，实际生产中Shell下行水激冷气化炉有更高的碳转化率。

Shell下行水激冷气化炉外排废水各项指标较好。

Shell粉煤气化技术由废锅流程简化发出的下行水激冷粉煤气化流程优化了流程、减少了投资，多烧嘴组合与单烧嘴相比有利于煤粉在气化炉中均匀分布，且多喷嘴能够分担单喷嘴在负荷及粉煤磨损方面的负担，在大型化及长周期运行方面更有优势。

[1]Furimsky E.Gasification of oil sand coke:Review[J].Fuel Process Technol,1998,56:263-290.

[2]贺永德.现代煤化工技术手册 [M].第二版.北京:化学工业出版社,,2010:569.

[3]郭小杰,李文艳,张国杰.现代煤气化制合成气的工艺[J].能源与节能,2011,(7):14-17.

Technical performance comparison of three different coal gasification technologies

WU Tong-fang
(CNOOC Huizhou Refining and Petrochemicals Company,Huizhou 516086,China)

Based on the spot investigation of improved GSP,GE CWS and Shell coal gasification plants,combined with the actual operation experiences of gasifiers in recent years,the three different types of coal gasification were compared and discussed from process,technical characteristics,operating parameters,key equipments and environmental indexes.It concludesthat the Shell coal gasification technology has superior performances,and will have bright prospects in the clean coal chemical industry.

coal gasification;Shell;GSP;GE;technology comparison

TQ546

：A

：1001-9219(2016)05-78-05

2015-11-15;

：吴同舫(1973-)，男，工程师，曾从事Shell粉煤气化、GE水煤浆加压气化，现从事EGAS水煤浆气化技术管理工作，电邮 aqwtf@126.com或wutf4@cnooc.com.cn。