几种典型煤气化工艺设备布置方案探讨

胡庆丽，彭爱军，唐 亮

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

几种典型煤气化工艺设备布置方案探讨

胡庆丽，彭爱军，唐 亮

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

结合工程实例，分析和探讨了Shell干煤粉气化工艺、WHG煤粉加压气化工艺、某新型粉煤气化工艺以及多元料桨气化工艺的装置设备布置方案，总结气化工艺设备布置的主要特点，以期对后续设计和生产改造在满足设计规范、扩大生产规模、节约占地、减少项目投资等方面起到指导意义。

粉煤气化工艺；水煤浆气化工艺；设备布置

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.007

煤化工是我国化工行业的主导产业，煤气化技术作为煤化工的核心所在，在我国新型煤化工产业中迅速发展。目前，随着化工装置生产规模的不断增大，作为源头的气化炉，其单台生产能力往往难以满足下游产能或扩展生产的需要，有些化工企业在一台气化炉生产能力难以满足生产需要的情况下，开始着手筹备建设一套新气化炉装置；对于新建煤制烯烃、煤制天然气、煤制油等大型项目，企业更倾向于选择直接新建多系列气化炉(2台气化炉系列或多台气化炉系列)布置于同一结构框架。本文结合实际案例，对目前广泛应用的几种典型粉煤气化工艺和水煤浆气化工艺的装置设备布置方案进行分析和探讨，总结气化工艺设备布置的主要特点，以期在满足设计规范、扩大生产规模、节约占地、减少项目投资等方面，对后续设计和改造起到借鉴意义。

1 粉煤气化工艺

粉煤气化技术是当前世界上最先进的煤气化技术之一，因其具有煤种适应性广、原料能耗低、碳转化率高、环境友好等优势而备受关注。本文主要针对成熟先进的Shell干煤粉气化技术、国产化五环炉粉煤加压技术、由某煤炭研究所和某工程公司共同开发的新型干煤粉气化技术，以下就这3种粉煤气化工艺的设备布置方案展开讨论。

1.1 Shell干煤粉气化工艺

Shell干煤粉气化工艺作为粉煤气化技术的代表，具有发展迅速、技术领先、环境友好、开车运行稳定等特点，工艺主要流程包括：磨煤及干燥、煤粉加压及给料、煤气化、除渣、除灰、湿洗及初步水处理。目前市场上以单台投煤能力1 000t/d和2 000t/d居多(典型案例分别见图1和图2)，单台气化炉能力最大可达到3 000t/d(案例见图3)，气化炉烧嘴由4个增加为6个；在设备布置方面，2 000t/d与1 000t/d相比，需考虑大型磨煤机检修、大小滤袋布置、大型放空管道布置、框架基础沉降等因素，将磨煤框架与煤气化框架脱开适当距离布置。3 000t/d气化炉因生产能力增大，下游单元处理能力及公用工程规模随之增大，因除灰系统煤种含灰量较大需增加一套旋风除灰设备，气化框架由原2跨增加为3跨，同时受现有磨煤机处理能力限制，磨煤系统由原2台磨煤机(1开1备)增加到3台磨煤机(2开1备)，设备布置单层建筑面积超过了GB50016—2014《建筑设计防火规范》规定的最大允许建筑面积2 000m2(耐火等级为一级)，故在磨煤框架和煤气化框架之间设置了防火墙进行防火分区。Shell干煤粉气化工艺的气化炉设备结构复杂，体积庞大，质量较重，且配套有废热锅炉系统，项目投资大，目前多系列气化炉布置于同一框架还比较少见。某大型企业选择3系列Shell干煤粉气化炉(单台投煤量3 000t/d)，基于规模较大等因素影响，3系列气化炉分别位于3个独立框架，依据合成气(H2、CO、NH3、HCN等混合气)爆炸极限，煤气化装置火灾危险类别为乙类，设备布置参照GB50160—2008《石油化工企业设计防火规范》执行，根据表4.2.12石油化工厂总平面布置的防火间距(m)，乙类装置之间最小距离为20m，三框架之间距离为30m，满足防火规范要求。

图1 Shell干煤粉气化工艺1 000t/d典型设备布置

图2 Shell干煤粉气化工艺2 000t/d典型设备布置

图3 某工程Shell干煤粉气化工艺3 000t/d设备布置

图4 某工程Shell下行水激冷流程气化工艺1 000t/d设备布置

Shell公司新开发的下行水激冷流程气化技术气化炉结构简单，质量较轻，单台气化炉能力1 000t/d，其工艺流程为：磨煤及干燥、煤粉加压及给料、煤气化、除渣、除灰、湿洗及初步水处理，比干煤粉气化工艺流程减少了合成气冷却器、飞灰过滤器、激冷气压缩机等极易在运行中发生事故的大型设备，大大缩减了项目投资，单台气化炉设备布置见图4。本案例煤种含水量较高，在气化框架增加煤粉预干燥系统，框架增加为5跨。若此新工艺在实践过程中环保性能好、运行稳定，为增大合成气生产能力，则双系列或多系列气化炉布置在同一框架的设计方案将成为企业的优选。

1.2 五环炉(WHG)粉煤加压气化工艺

中国五环工程有限公司与科研院所及制造厂共同研究开发了五环炉粉煤加压气化技术，工艺流程包括：磨煤及干燥、煤粉加压及给料、煤气化、除渣、合成气水浴激冷及湿洗、初步水处理，该工艺装置于2009年和2010年分别建立了2套投煤量1 200t/d的示范装置和1套投煤量1 200t/d的示范装置，设备布置分别见图5和图6。五环炉单系列气化工艺1 200t/d设备布置方案将灰水处理闪蒸工序布置在气化框架，因而相比Shell干煤粉气化工艺1 000t/d典型设备布置图增加了1跨；五环炉(WHG)2套炉示范装置则采用了双系列气化炉平行布置在同一框架，备煤框架布置3台磨机(2开1备)供2台气化炉，在工艺流程上相比2台气化炉单独布置节约了1台备用磨机，气化框架中两系列共用的设备和公用工程占1跨，节约占地。除结构复杂的五环炉本体采用平行复制布置外，其他单元两个系列采用了镜像布置，这样能使镜像布置在外形方面更加美观，但对于后期设备采购和配管提出了更高要求。五环炉双系列布置方案在增大生产规模、节约工厂用地、减少项目投资等方面具有极大的优势，为干煤粉气化相似炉型的多系列布置提供了参考和借鉴。

图5 五环炉双系列气化炉1 200t/d设备布置

图6 五环炉单系列气化炉1 200t/d设备布置

图7 某新型气化工艺4系列气化炉2 200t/d设备布置

1.3 某新型粉煤气化工艺

某煤炭科学研究所和某工程公司共同开发了投煤2 200t/d的新型干煤粉气化技术，工艺流程包括：磨煤及低压输送、煤粉加压输送、气化、除渣、合成气洗涤、黑水闪蒸，该气化技术除具有干煤粉气化技术氧耗低、煤耗低、煤种适应性广等一系列优点外，还具有气化炉生产能力大、操作压力高、采用新型组合烧嘴、气化工艺系统相对简单等优势。某项目该煤气化工艺技术设备布置方案以4系列气化炉(A系列、B系列、C系列和D系列)为1个联合生产区域，见图7，该工艺布置方案区别于Shell工艺和WHG工艺布置的特点之一，是磨煤框架以独立装置布置，而没有与气化装置联合布置； A系列和B系列共用一个框架，C系列和D系列共用一个框架，相邻的两个气化系列共用一个黑水处理工序、气化介质供应工序和公用工程工序。根据结构专业的规定，AB系列框架与CD系列框架之间留出宽度为2m的伸缩缝，由于此联合生产区域单层建筑面积>2 000m2，则在AB系列和CD系列之间设置了防火墙进行防火分区；对于设备布置和管道布置，A系列和B系列采用镜像布置(包括气化炉)，CD系列为AB系列的平行复制。

上述介绍的Shell和WHG粉煤加压气化工艺由于煤粉输送易造成堵塞以及节约输煤管线等问题，在布置方面通常将磨煤框架与气化框架设计为联合布置以缩短煤粉输送距离，而该工艺装置由于气化炉集中布置，占地面积较大，则将磨煤框架与气化框架脱开布置，并相应增加了一套低压煤粉输送系统(新增煤粉储仓和煤粉发送装置)，将大袋式过滤器布置在磨煤框架(新增煤粉储仓上方)，可有效降低气化框架的高度。多系列气化炉集中布置方案使得装置布置更为紧凑，安装检修生产维护更为方便，占地面积更为节约，是化工装置大型化发展的必然趋势。

2 水煤浆气化工艺

水煤浆气化工艺于20世纪80年代初进入我国，经过30多年的研究开发和推广，已成为我国煤气化技术的主导技术之一。其主要工艺流程包括：料浆制备、料浆加压气化、粗煤气净化、排渣和灰水处理。各种水煤浆工艺流程大致相似，设备布置也比较典型和完善，本文以某项目使用西北化工研究院开发的具有自主知识产权的多元料浆气化技术为案例进行分析和探讨，设备布置见图8(气化炉为2开1备)。

图8 某工程多元料浆气化工艺3系列气化炉1 000t/d设备布置

因浆液(液固两相流)极易对气化炉烧嘴造成磨损，煤浆气化工艺通常都有备炉系统，因此工业生产双系列布置或多系列布置更为常见。多系列气化炉集中布置易于施工吊装、操作维修和生产管理，但由于气化框架建筑面积较大，同时煤浆和渣水输送较为稳定，通常将磨煤装置、气化装置、渣水处理装置分开布置，其防火距离要求根据各装置火灾危险类别满足GB50160—2008《石油化工企业设计防火规范》表4.2.12石油化工厂总平面布置的防火间距(m)。上述某新型粉煤气化工艺设备布置方案与水煤浆气化工艺设备布置方案相似，比较煤粉输送和水煤浆输送系统，水煤浆气化输送系统更为简单，设备少，无易堵塞的煤粉重力流系统，煤桨输送框架和气化框架相比较矮，投资成本较低，但水煤浆气化炉烧嘴易于损坏，检修频率较高，且其在碳转化率、冷煤气效率和煤气有效成分百分比等方面不如干煤粉气化工艺高。水煤浆气化因国产化技术成熟可靠、气化炉结构简单易于制造、煤浆液输送稳定、煤气除尘简单、投资成本较低等优势，在我国气化技术发展中依然具有良好的应用前景。

3 结语

(1)Shell干煤粉气化技术(废锅流程)在我国应用广泛，运行稳定，热量回收率高，经济环保，单套系列设备布置方案成熟，由于其工艺系统复杂，设备较多，双系列或多系列气化炉集中布置尚有一定难度。新型Shell下行水激冷流程气化技术气化炉结构简单，减少了废锅冷却、飞灰处理、激冷气压缩等系统，简化了工艺流程，缩减了项目投资，随着项目规模的大型化，此技术在我国双系列或多系列气化炉集中布置领域具有很大的市场空间。

(2)五环炉气化工艺和某新型粉煤气化工艺属于国产化技术，此两种工艺技术提供了双系列和多系列气化炉集中布置方案，在增大生产规模、节约工厂用地、减少项目投资、方便维修操作管理等方面具有极大的优势。

(3)水煤浆气化工艺是成熟可靠的国产化气化技术，具有气化炉结构简单、工艺流程简洁、操作安全可靠、气化框架高度较低、项目投资成本少等诸多优势，其多系列气化炉集中布置也比较典型和成熟，在我国已有多套成功投产经验，也为其他气化炉集中布置提供了经验和值得借鉴之处。

(4)多系列气化炉布置(当煤气化装置火灾危险类别为乙类时)应注意根据GB50016—2014《建筑设计防火规范》规定，高层厂房的单层最大允许建筑面积2 000m2，当单层面积超过限制时，应依据此规范进行防火分区；适当时可将磨煤单元、气化单元、渣水处理单元分开布置(单系列或双系列布置时各单元可形成联合布置)，各单元防火距离应满足GB50160—2008《石油化工企业设计防火规范》表4.2.12石油化工厂总平面布置的防火间距(m)。

修改稿日期： 2016-10-11

Discussing on Equipment Layout of Several Representative Coal Gasification Process

HU Qing-li，PENG Ai-jun，TANG Liang

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223China)

Combined with the engineering examples，this paper analyzes and discusses the equipment layout of Shell coal gasification process，WHG coal gasification process，a new coal gasification process and multi-element slurry gasification process.It has also summarizes the main features of gasification process and equipment layout，hoping to provide guidance to the subsequent design，production and transformation in terms of meeting the design specifications，expanding the scale of production，saving industrial land and reducing project investment.

coal gasification process；slurry gasification process；equipment layout

胡庆丽(1982年—)，女，河南商丘人，2007年毕业于郑州大学化学工程与工艺专业，硕士，高级工程师，现主要从事化工工程设计等工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.007

TQ 545

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1004-8901(2017)01-0027-06