废锅流程煤气化技术综述

于利红，李彩艳，吴永国，赵梅梅，李 磊，闫凤芹

(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)

1 概 述

煤气化是洁净、高效利用煤炭的主要途径之一，是新型煤化工行业发展的基础和关键，在一个具体项目中起龙头作用。煤气化技术经过100多年的发展，形成了几十种不同类型的煤气化技术。根据气化炉中的流体力学特性，可分为固定床气化、流化床气化、气流床气化三大类方法。按气化炉气化室结构分为热壁炉(耐火砖)和冷壁炉(水冷壁)。按照气化炉热量回收不同分为激冷、废锅及半废锅激冷三种流程，废锅流程较复杂，但可回收高等级蒸汽，激冷流程可将蒸汽潜热用于后续的变换过程。

废锅流程气化技术包括Shell、德士古、晋华炉、两段式干煤粉加压气化技术等。

2 废锅流程煤气化技术的应用及发展

2.1 Shell气化技术

2.1.1 技术发展及应用

20世纪50年代，Shell公司开发了SGP气化技术，以渣油为原料；20世纪70年代，研发了SCGP粉煤气化技术。1978年，粉煤气化技术中试装置在德国汉堡投入运行；1987年，250～400 t/d级示范装置在美国休斯敦建成投产。1993年，2 000 t级气化装置在荷兰Buggenum建成投产。2001年，我国湖北双环公司引进壳牌技术，于2006年成功开车。截至目前，我国已引进了29台Shell气化炉，分别用于生产合成氨、甲醇、烯烃和氢气等化工产品，现均已顺利投产运行，已投产单炉最大投煤量为大唐多伦煤化工项目，单炉日投煤2 800 t。Shell煤气化技术大多为废锅流程，同时，Shell也开发了激冷流程的工艺技术，目前，单炉最大投煤量3 000 t/d的激冷流程也已开发成功，正处于工业化示范和推广中[1]。

2.1.2 技术特点

Shell粉煤气化工艺干法进料，炉膛为水冷壁结构，合成气冷却方式为废锅流程，液态排渣。煤粉、氧气等在1 400～1 700 ℃、3.0～4.0 MPa条件下气化，熔渣沿气化炉膜壁下降，由气化炉底部排出。高温煤气上行被返回的粗合成气激冷至 850～900 ℃，进入废锅(合成气冷却器)冷却。气化炉炉膛水冷壁及废锅可生产高、中压蒸汽。从气化炉废锅排出的携带少量灰分的合成气经组合式陶瓷过滤器，分离除去部分细灰，干灰进入锁斗，然后送往储仓，可作为水泥的配料。

Shell气化技术碳转化率可达98%～99%；冷煤气效率81%左右，合成气有效气(CO+H2)成分高达90%左右，比煤耗比水煤浆低8%，比氧耗比水煤浆低10%，比蒸汽耗120～150 kg/km3；可副产蒸汽880～900 kg/km3[2]。

2.1.3 关键设备

Shell气化炉外壳为膜式水冷壁结构，通过冷却水强制循环吸收热量，产生中压蒸汽。Shell气化炉由承压壳体、内部气化室及附属设备构成，按工艺功能可分为气化反应段、急冷段、输气管段、气体返回段、冷却段和辅助设备。

Shell气化炉整体类似“n”形结构，气化室、激冷管位于一侧，合成气冷却器、气体返回段位于一侧，上部以输气管连接。

Shell气化炉气化室设4个喷嘴，位于炉子下部，沿水平圆周均布。气化炉内壁为膜式水冷壁，用于保护外部壳体及换热，产生4.5 MPa中压蒸汽。膜式水冷壁向火面有耐火涂层保护水冷管，运行初期熔渣在水冷壁表面形成渣层“以渣抗渣”保护水冷管。气化室顶部出口为激冷区，反应后高温合成气被返流250 ℃循环气激冷后进入合成气冷却区域。

合成气冷却器由膜式水冷壁、环形水冷壁、环形空间和金属外壳组成。三组多层环形水冷壁自上而下分为中压蒸汽过热器、二段中压蒸发器和一段中压蒸发器。

中压蒸汽过热器、一段中压蒸发器、二段中压蒸发器均由不同直径筒体套在一起组成，中压蒸汽过热器、二段中压蒸发器中压蒸汽过热器为6层环形水冷壁，一段中压蒸发器为5层环形水冷壁筒。

辅助设备主要有敲击器、煤烧嘴、火焰监测器、开工点火烧嘴等[1，3]。

2.2 德士古(Texaco)水煤浆气化技术

2.2.1 技术发展及应用[4-5]

德士古(Texaco)水煤浆气化技术是20世纪40年代美国德士古公司在重油气化技术基础上发展的气化技术，70年代形成了水煤浆加压气化技术。1987年中国引进Texaco水煤浆加压气化技术，1993年第一套气化装置在鲁南化肥厂投运。目前，我国已有180台该技术气化炉运行或在建。该技术目前工业化运行最大气化炉单炉投煤量为2 000 t/d，最高运行压力8.7 MPa，在国内已运行或在建的单炉规模有400 t/d、500 t/d、750 t/d、1 000 t/d、1 600 t/d和2 000 t/d。

全废锅流程德士古水煤浆气化炉目前在世界上有5套，包括美国能源部的Tample电站、CoolWater电站，用于联合循环发电(IGCC)。其他3套用于神华宁夏煤业集团煤化工分公司25万t/a甲醇厂的气化生产工段。

2.2.2 技术特点

德士古气化技术气化温度1 250～l 600 ℃，对煤的适应性广，要求灰熔点小于1 350 ℃，煤的可磨性和制浆性好，制浆浓度大于60%。单台炉处理煤量大，生产能力高，气化压力范围大(2.7 MPa、4.0 MPa、6.5 MPa、8.7 MPa)，合成气压缩功省，尤其是合成甲醇时，可实现等压合成[2，6]。

2.2.3 关键设备

气化炉是全废锅流程德士古气化技术的核心装置，上部燃烧室为耐火砖结构，燃烧室下部为辐射废锅，对流废锅位于气化炉外部，与气化炉以水平管连接，水平管为夹套式。辐射废锅为双通道水冷壁结构，水冷壁设有径向水冷屏加强换热效果。高温合成气经内筒水冷壁冷却后，经内筒与外筒水冷壁间环形通道向上流动，经水平管送入对流废锅中继续冷却。经对流废锅冷却后合成气送入合成气洗涤单元，熔渣经辐射废锅下部水浴冷却后排入渣池[7]。

2.3 清华炉

2.3.1 技术发展及应用

清华炉经历了三个阶段的发展，第一阶段为“水煤浆+耐火砖+激冷”；第二代为“水煤浆+水冷壁+激冷”；第三代为“水煤浆+水冷壁+辐射蒸汽发生器”；非熔渣—熔渣分级煤气化技术(第一代清华炉)由清华大学、北京达立科技公司和山西阳煤丰喜集团公司合作开发，水煤浆进料，两段给氧。该技术于2006年在山西阳煤丰喜集团临猗分公司投入运行，应用炉型为水煤浆耐火砖气化炉(第一代清华炉)，单炉投煤量为500 t/d。2008年第二代清华炉—水煤浆水冷壁气化技术研发成功，气化炉气化室由耐火砖变为水冷壁，于2011年在山西阳煤丰喜肥业集团临猗分公司投入运行，单炉投煤量600 t/d。2016年4月，第三代清华炉—水煤浆+水冷壁+辐射式蒸汽发生器的气化炉在山西阳煤丰喜集团临猗分公司投入运行。

该技术目前签约气化炉型单炉最大投煤量约为1 800 t/d，截至目前，该技术在国内签约项目约24个，签约气化炉约51台，其中三代气化炉11家，24台。

2.3.2 技术特点

第一代清华炉采用分级供氧，炉内温度均匀，平均温度提高，有利于提高碳转化率；降低了主烧嘴氧煤比，采用预混控制技术调整火焰中心的温度，降低工艺烧嘴温度，延长其使用寿命。

第二代清华炉采用水冷壁结构可适用高灰熔点煤，节省了更换耐火砖的费用；组合式工艺烧嘴缩短了气化炉的启动时间，点火投料一体化，气化炉从冷态到满负荷仅需5 h。

第三代清华炉是采用水煤浆+水冷壁+辐射式蒸汽发生器的气化炉，核心设备为辐射式蒸汽发生器，设置于气化炉内气化室下部，用于吸收高温合成气的热量，副产水蒸气。

2.3.3 关键设备

清华炉气化技术采用气化炉气化室、辐射式蒸汽发生器、激冷室直连共用一个整体外壳气化炉。气化炉废锅水力循环系统采用本质安全的自然循环设计，采用环形单筒水冷壁和径向双面水冷壁结构，减小辐射废锅体积，提高热效率，减少气液分层，保证补水均匀，降低管路烧坏风险。合成气出气管为多相流结构，能够避免堵渣、积灰及磨损问题。

2.4 两段式干煤粉加压气化技术

2.4.1 技术发展及应用[8]

中国华能集团清洁能源技术研究院自20世纪90年代开始进行干煤粉气流床气化技术的研究，开发了两段式加压气流床气化炉。经过建成0.7 t/d试验装置(1997年)、36～40 t/d的中试装置(2004年)、2 000 t级工业示范装置(2012年)等阶段的研发与示范。目前，两段式气化炉已推广6家企业共计15台气化炉，单炉最大投煤量为3 300 t/d。

2.4.2 技术特点

两段式干煤粉加压气化炉技术特色为[9]：气化温度1 300～1 700 ℃，气化压力 0.5～4.0 MPa，碳转化率达99%，有效气(CO+H2)成分达90%；气化炉采用水冷壁结构，维护量少，无需备炉。

2.4.3 关键设备

两段式干煤粉加压气化炉炉膛采用水冷壁结构，气化炉分为上下炉膛，下炉膛为第一反应区，喷入煤粉、水蒸气和氧气，上炉膛喷入煤粉及蒸汽。通过上炉膛利用下段炉的煤气显热进行煤的裂解及气化，降低出气化炉煤气温度[10]。气化炉出口合成气(1 200 ℃)气化炉与废锅连接的导管段被返回的低温除尘后合成气(150 ℃)激冷，温度降为900 ℃。

废热锅炉主要由承压壳体、膜式盘管蒸发器、吹灰器、敲灰振打装置等构成。废热锅炉为膜式水冷壁结构，设3～4圈盘管水冷壁回收合成气显热。粗煤气经膜式壁与水冷盘管间的环形空间通道向下流动，经水冷管内物料冷却，合成气由900 ℃被冷却至360 ℃左右送入下游系统，废锅副产6.8 MPa高压蒸汽[8]。

3 应用中面临的问题

国内先期投产的Shell煤气化装置在试车或运行过程出现的主要问题[11]有：气化炉烧嘴隔焰罩泄露、气化炉渣层和衬里大面积脱落、废热锅炉激灰严重、激冷气系统故障、陶瓷过滤器滤芯损坏等。德士古废锅流程水煤浆气化炉应用过程中问题：对流废锅水冷壁漏、对流废锅至碳洗塔合成气管线易堵塞、水平输气管线汽包压力升高等。三代清华炉气化技术、两段式干煤粉加压气流床气化技术投入运行时间较短，目前未见运行问题相关文献报道。

4 总 结

国内煤气化技术经过20 a的发展，形成了包括多喷嘴对置式水煤浆气化技术、航天炉、清华炉、两段干煤粉加压气化炉等多种煤气化技术。随着国家能源环保政策要求日益严格，开发废锅流程煤气化技术对于节能降耗、降低企业运行成本具有重要意义。对于促进我国煤炭清洁高效利用、提高资源利用效率、满足煤化工市场不同用户需求具有现实意义。国内外废锅流程代表性气化技术Shell气化技术、德士古全废锅/半废锅气化技术、两段式干煤粉加压气流床气化技术、第三代清华炉气化技术等，应用中出现了废锅积灰严重、废锅水冷壁泄漏等问题，废锅流程气化技术的长周期稳定运行仍需不断进行技术创新与优化。