煤气化合成气初步净化技术进展及专利分析

于利红

（兖矿水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心有限公司，山东 滕州277527）

煤气化技术是现代煤化工发展的关键技术、龙头技术，其工艺一般包括原料单元、气化单元、合成气净化及渣水处理单元，其中，合成气初步净化单元主要功能为除去合成气中的灰分，以满足下游系统的工艺需求，因为若粗煤气含灰量过高，细灰吸附于下游CO变换催化剂表面，易造成催化剂活性下降、失活。煤气化装置在工业运行中易出现洗涤塔出口合成气带水带灰、洗涤塔结垢、黑水管线堵塞、合成气含灰量增加等问题，煤气化用户及研究者针对不同问题采取了诸多改进措施并申请了相关专利，促进了煤气化合成气初步净化系统的优化升级[1-2]。

1 煤气化合成气初步洗涤工艺介绍

1.1 德士古气化合成气初步洗涤工艺

德士古气化技术采用水煤浆进料，气化炉燃烧室为耐火砖结构，合成气冷却方式有激冷流程、废锅、半废锅+激冷流程，其中，激冷流程气化技术在我国得到广泛应用。

德士古激冷流程气化工艺合成气洗涤流程示意图见图1。燃烧室高温合成气及液态熔渣经燃烧室下部渣口进入激冷室下降管，渣口下部设有激冷环，喷入激冷水对合成气进行初步冷却。粗煤气和液态熔渣经下降管进入激冷室的水浴中，熔渣冷却固化后落入激冷室下部水浴中；粗煤气沿下降管与上升管的环隙空间上升出气化炉，气化炉合成气出口处设冲洗水，防止合成气中细灰颗粒在出口处累积造成堵塞。出气化炉合成气进入喷嘴洗涤器，洗涤器中喷入工艺水对合成气增湿，使合成气夹带的固体颗粒完全湿润，提高合成气中细灰颗粒在洗涤塔中的洗涤效率。合成气通过激冷室中部下降管进入洗涤塔下部水浴，再向上穿过水层,大部分固体颗粒沉降到塔底部与合成气分离。上升的合成气沿下降管和导气管的环隙向上穿过两层冲击式塔板,并与洁净的喷淋水逆向接触,洗涤余下的固体颗粒,再经除雾器除去雾沫后送往下游工序。

图1 德士古激冷流程气化合成气洗涤流程示意图

1.2 壳牌气化合成气初步洗涤工艺

壳牌气化合成气洗涤流程示意图见图2。壳牌气化技术为粉煤进料，气化炉气化室为水冷壁结构，合成气激冷方式为全废锅流程。合成气首先采用冷煤气激冷，经对流废锅吸收部分热量后排出气化炉，进入高温陶瓷飞灰过滤器进行初步净化。合成气夹带的飞灰由高温高压陶瓷过滤器收集和储存，通过锁斗系统卸压排下，再通过汽提和冷却后，送至飞灰储糟或外运。出陶瓷过滤器的合成气通过文丘里洗涤器洗涤，使合成气中灰质量浓度降到＜20 mg/m3，然后经过洗涤塔进一步洗涤，使灰质量浓度进一步降到＜1 mg/m3，同时降低卤化物的含量并使气体饱和。

图2 壳牌气化合成气洗涤流程示意图

1.3 多喷嘴水煤浆气化合成气初步洗涤工艺

多喷嘴对置式水煤浆气化合成气净化流程示意图见图3。多喷嘴水煤浆气化技术采用水煤浆进料，气化室为耐火砖结构，合成气冷却方式为激冷流程，合成气初步洗涤流程为气化炉激冷室采用激冷环喷淋及下部水浴洗涤，冷却物料的同时除去合成气中部分细灰。出气化炉合成气经混合器增湿、增重后，进入旋风分离器，利用惯性离心力将合成气中包裹着细灰的液滴除去。净化后的合成气送入洗涤塔，洗涤塔洗涤水来自高温热水储罐高温灰水及高温变换冷凝液（高温热水储罐内灰水来自由蒸发热水塔加热的灰水槽灰水）。洗涤塔下部黑水用于混合器增湿合成气及气化炉激冷水。洗涤塔采用塔板结构，塔板形式不断改进，初期采用泡罩塔板，后期改为泡罩+固阀塔板。在塔板上，合成气与来自变换的冷凝液混合，合成气中部分细灰颗粒进入液相，合成气含灰量达到要求后送入下游系统。

图3 多喷嘴对置式水煤浆气化合成气净化流程示意图

1.4 航天炉气化合成气初步洗涤工艺

航天炉气化技术采用粉煤进料，气化炉气化室为水冷壁结构，合成气冷却方式采用激冷流程。合成气初步净化流程：合成气经激冷环进入激冷室，在激冷室内合成气经过降温、增湿、除尘、洗涤，熔渣迅速固化；合成气出气化炉后再经文丘里洗涤器和合成气洗涤塔，用水进一步增湿、除尘、洗涤，除尘后的合成气进入下游变换工序；粉煤燃烧后形成的灰渣沉积在激冷室水中，绝大部分灰渣迅速沉淀并通过渣锁斗系统定期排出。

1.5 GSP气化合成气初步洗涤工艺

GSP气化合成气初步净化流程示意图见图4。GSP气化技术为粉煤进料，合成气冷却方式为激冷流程。高温煤气在激冷室被喷洒的水冷却到220℃，进入文丘里洗涤器，将煤气中含尘质量浓度降至1 mg/m3（干），煤气中饱和的水供变换用。

粗合成气和液态渣经燃烧室下部的排渣口和导管进入气化炉的激冷室。在激冷室的导管出口处，被激冷水喷水环A、B、C喷出的雾状激冷水冷却至约220℃。

合成气冷却同时达到水蒸气饱和状态，进入两级文丘里洗涤器进一步洗涤。两级文丘里洗涤器后设有气液分离罐，对合成气中部分包裹细灰的液滴进行分离。经两级文丘里洗涤后的合成气送入下游系统[3]。

图4 GSP气化合成气初步洗涤流程示意图

1.6 清华炉气化合成气初步洗涤工艺

清华炉采用水煤浆进料，第一代、第二代清华炉采用激冷流程，第三代清华炉采用废锅激冷流程。合成气洗涤方式为激冷室、文丘里及水洗塔洗涤。合成气经气化炉下部激冷室水浴洗涤后，送入文丘里，与来自激冷水泵的高温黑水混合后进入洗涤塔。合成气首先进入洗涤塔底部的水中洗掉其中的细渣，基本不含固体颗粒的合成气沿洗涤塔向上流动，与从塔中部进入的循环灰水和塔上部加入的来自界区外的冷凝液逆流直接接触，洗涤剩余的固体颗粒，离开洗涤塔的合成气中含尘质量浓度小于1 mg/m3。在洗涤塔顶部安装有旋流板除沫器，合成气在离开洗涤塔时除去其中夹带的水雾，干净的合成气出洗涤塔后经过可从控制室调节的阀门送出界区。

2 部分合成气洗涤系统运行及改造实例

安徽淮化集团有限公司德士古气化技术合成气初步洗涤系统出现合成气带灰、带水及洗涤塔阻力增加现象，分析原因为煤质变化、洗涤塔尺寸不合理、工艺指标不合理、絮凝剂及分散剂添加量不合适等造成，通过采取增加洗涤塔除雾器、对塔板筛孔进行扩孔、增加塔板溢流堰高度、增加激冷水量、增加洗涤塔洗涤水量等方法，延长了洗涤系统运行周期，增加了整个气化系统的运行周期[4]。神华包头GE水煤浆加压气化系统运行中出现粗煤气洗涤效果不佳、合成气含尘量较大、洗涤塔排水管线堵塞、激冷水泵磨损等问题。通过在气化炉及文丘里洗涤器间设置气液固旋风分离器，使洗涤后的粗煤气可以满足实际运行需要。

神华宁夏煤业集团煤炭化工工业分公司采用GSP气化技术，运行过程中出现洗涤塔出口合成气带灰，造成变换系统合成气加热器、变换保护床堵塞的问题。为此采取气化炉粗煤气出口增加挡渣板，增加两级气液分离器（鼓泡塔），鼓泡塔黑水出口增加水力旋流器等措施，改造后洗涤塔合成气含尘量明显降低[3]。

神华宁夏煤业集团烯烃一分公司气化车间采用GSP气化技术，因实际煤种含灰量较大，造成粗合成气带灰严重，该公司将部分冷凝液切出，使合成气含尘质量浓度降到0.5 mg/m3，达到设计要求[5]。

中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司壳牌气化工艺出现洗涤塔出口合成气带水等现象，分析其原因为负荷增加较快、水汽来不及分离，塔顶除沫器损坏，洗涤水分布器损坏等，通过避免较快调节负荷、增大补水、改变洗涤水分布器形式（管式改为挡板式）等，合成气带水现象明显改善。现场还出现文丘里洗涤器堵塞问题，分析原因为文丘里洗涤器洗涤液喷头堵塞造成，后采取割除文丘里洗涤液喷头，改为直管进水，改善洗涤水水质等措施，使系统运行状况得到改善[6-7]。

3 合成气洗涤相关专利分析

据佰腾专利检索，采用洗涤塔为气化系统粗煤气初步净化相关专利70件，与实际工业运行装置相近专利15件，总体来看，大多针对现有工业运行装置工艺流程的改造申请了相关专利。

以德士古、航天炉、清华炉等现有工业装置普遍采用的“文丘里+洗涤塔”组合来讲，科林未来能源技术（北京）有限公司、山西天和煤气化科技有限公司、通用电气神华气化技术有限公司等单位的专利均采用“文丘里+洗涤塔”流程形式，并对工艺进行部分改进。

以华东理工大学“混合器+旋风分离器+蒸发热水塔”专利来讲，兖矿集团申请了“旋风分离器+水洗塔（合成气鼓泡）”，神华集团有限责任公司申请了“激冷室+文丘里洗涤器洗涤+旋风分离罐分离+碳洗塔”等相关专利。

煤气化工艺合成气初步洗涤系统相关的专利汇总见表1。

表1 煤气化工艺合成气初步洗涤系统专利汇总

续表1

4 结束语

合成气初步净化系统直接影响气化系统及下游系统的长周期稳定运行。用户及研究者在实际应用中不断对该技术进行改进，解决了工业运行中面临的一系列问题，保障了气化系统的长周期稳定运行。从专利申请来看，许多煤气化用户及研究者均申请了相关专利，对工艺改进及相关研究成果进行知识产权保护，形成了不同类型的合成气初步净化工艺，为煤气化技术工艺改进提供了备选技术。