大型煤化工项目常见煤气化技术性能对比

2021-02-05王广张雪梅顾军

天津化工 2021年1期

王广，张雪梅，顾军

(1.宁夏百川新材料有限公司，宁夏银川750409；2.延安大学化学与化工学院，陕西延安716000；3.南京沃谱瑞环境研究院有限公司，江苏南京210000）

我国煤炭资源丰富，但是燃气资源匮乏，因此导致煤炭能源消费结构占比超过60%。所以，确保煤炭资源应用的高效性，能够维护能源长期安全供应。确保煤炭资源应用的集约化，实现煤炭转化与应用，将其作为高附加值的清洁型技术，能够有效发展多联产系统、煤基化学产品、煤制氢与先进发电工艺。当前，我国大型煤化工项目多采用气流床加压气化技术，本文将针对代表性技术进行分析。

1 工艺流程比较分析[1～5]

1.1 GE 气化技术

利用煤储运系统运输原料煤，将其投入煤贮斗中。通过称量给料机实施定量处理，能够进入到磨机，适当添加定量水、添加剂，对水煤浆进行研磨。利用煤浆加压泵实行加压处理，与高压氧气进入到气化炉内，以此完成气化过程，生成氢气与一氧化碳。高温粗合成气离开汽化炉反应段后，全面进入至激冷室水浴。经过激冷固化处理后，可以确保熔渣进入激冷室，采用锁斗排除。出激冷室，进行洗涤、除尘操作，使温度在245℃。通过碳洗塔、气化炉，进入高、低压闪蒸罐、两级真空闪蒸罐，且水分闪蒸为蒸汽，从而回收到特定位置。针对溶解黑水的合成气，进行解吸处理后，进入回收系统进行二次处理。对黑水进行压缩处理，温度下降约为45℃，进入沉降槽内。经过滤机的脱水处理后，可以将细渣浆运输到场外，沉降槽内澄清灰水，进入到汇水槽内。利用低压灰水浆泵加压，进入气化系统内，实现循环使用。

1.2 GSP 粉煤气化

通过给煤机对原料煤进行称量，进入至磨煤机，全面做好磨粉处理。利用热风炉能够对热惰性气体进行传输，同时进入磨煤机，将粒径达标煤粉进行干燥处理后，可以吸入煤粉过滤器内，分离与收集后，排入至煤粉贮仓室。经过煤粉锁斗，可以送入至煤粉给料仓内，经过高压二氧化碳输送，经过粉煤管线，进入到气化炉顶部喷嘴位置。在1450℃、4.1MPa 条件下，产生气化反应，生成氢气和一氧化碳的粗组合气。气化炉内壁为水冷壁结构，为了避免粗合成气进入到水冷壁环形空间内，对设备造成腐蚀影响，环形空间内充注高压力惰性气体。在气化炉内充分反应，涉及到飞灰、高温粗合成气、液态熔渣，利用排渣口进入激冷室，实施冷却处理，固化熔渣。对于水饱和合成气体，在出激冷室后，会经过鼓泡塔、洗涤器、冷凝器、气液分离器，进入下游系统。熔渣通过锁斗，能够进入渣池。对于粉煤颗粒、飞灰，能够进入渣池泵，同时进入到渣水处理系统，在处理操作后，实现循环使用。气化炉、洗涤装置排出高温废水，经过闪蒸浓缩、澄清处理后，可以送回至循环系统。

1.3 Shell 粉煤气化

为了满足煤化工生产需求，通过Shell 技术，能够对粉煤气化流程进行开发，运行效果良好，指标达到优秀标准。Shell 粉煤气化技术，接近GSP工艺。通过高压煤粉仓，实现煤粉运输，还可以通过高压CO2，促使煤粉进入喷嘴中心。对空分高压氧气进行加热，确保温度为180℃，混合过热蒸汽，进入到喷嘴外环隙，经过多个工艺喷嘴，进入到气化炉。混合煤粉、氧气，利用氧化反应，生成合成气。利用喷嘴，能够使煤粉喷出，通过氧气流，当气化炉产生反应后，能够形成旋流。离心力会抛起液态熔渣，使其到达抛到水冷壁，沿着水冷壁，当进入激冷室。确保熔渣固化，就会形成碎玻璃体，通过锁斗排出。针对气化炉反应，可以形成高温粗合成气、飞灰，通过下降管，能够进入激冷室，实现水浴、激冷处理。确保合成气水饱和后，利用洗涤器、合成气洗涤塔，实现洗涤处理。灰水处理系统、GE 工艺基本相同，通过闪蒸进行处理后，能够进入沉降槽，从而实现沉降。

在开车初期，经过火炬燃烧后，可以使不合格煤气放空。开车结束后，将粉煤烧嘴投入，开工烧嘴、点火烧嘴，则气化炉退出。

2 对比煤种适应性

2.1 GE 煤质适应性

原料煤应用到气化炉内，发热量、固定碳含量中等，具备良好反应活性，及灰熔点、灰分角度。GE 水煤浆气化，对于水煤浆的要求高：粘度低，浓度高，具备良好的流动性与稳定性。在气化反应前，能够促使水煤浆内部水蒸发，会增加浓度，水蒸发处理后，还会增加热量需求度，相应降低比煤耗、比氧耗、煤炭水含量，对煤浆浓度。内水多由煤炭亲水基、毛细孔吸附所致。煤炭中亲水基、毛细孔吸附水张力，可以在煤炭颗粒周边形成水膜。若原煤料内存在大量亲水基、且毛细孔多，则会加大水膜厚度，降低煤浆浓度。GE 气化炉内为耐火砖，特别为碱性的金属氧化物，因具备较高组分，会侵蚀耐火砖，缩短服役寿命。液态灰渣沿着耐火砖流下，会产生强烈的冲刷作用，使砖体厚度减弱。实践显示，灰渣最佳粘度为15～40Pa，在炉砖表面，可以形成标准厚度。通过灰渣保护层，不但有助于延长炉砖寿命，能够避免扎口堵塞。对于灰渣流动粘度，应确保其达到最佳温度。如果气化炉温度低，会增加粗煤气的甲烷含量。当温度比较高，特别是＞1400℃，将会导致耐火砖热时增加。当温度＞1400℃，每提升20℃，会加大炉砖熔蚀速率，约为1 倍，因此原料煤灰熔点控制在1300℃以内。

图1 为常见原料粘温特性。按照图示可知，煤种3：气化操作温度小，不能实现水煤气气化。煤种1:1390℃灰熔点，不能产生水煤浆气化。煤种2:灰溶度中等，低灰分，操作温度约为1255 ～1340℃，可以实现水煤浆气化反应。

图1 常见原料煤粘温特性曲线图

2.2 煤质适应性

粉煤气化煤灰分应当高于8%，最佳灰分为12%～25%。原料煤灰熔点1250～1550℃。在粉煤气化炉内，灰熔点较低时，碳转化率较低，无法挂渣。当煤炭灰熔点较高时，则应当添加助溶剂，以此产生气化反应。以免导致气化炉锁斗堵塞，炉渣结块，影响气化炉内件运行时长。

在应用粉煤气化工艺时间，灰渣粘度为25～40Pa，这样才可以确保挂渣、排渣的正常化。按照原料煤黏温曲线，在进行粉煤气化时，应当确保气化温度适宜。当温度较低时，则碳转化率低，相应增加灰渣粘度，对渣流动影响较大，还会导致渣口下降。在气化反应中，如果温度比较高，致使水冷壁挂渣变薄，加快液态渣的流动速度，还会加剧水冷壁冲刷磨损，影响水冷壁的使用寿命，加剧气化炉热损失、比煤耗、比氧耗。粉煤气化装置初始化运行时，水冷壁首次挂渣，应用高灰熔点、结渣性的原料煤，防止气化炉运行期间，由于气化炉温度波动，造成水冷壁渣层减薄。

与水煤浆气化相比，粉煤气化可以有效适应原料煤，不仅可以应用无烟煤，也可以应用褐煤，特别是高灰熔点、高灰分、劣质煤，适应性非常强。由图1 可知，按照煤种3 的黏温特性曲线，操作温度应当在1340～1495℃，温度范围比较宽，可以应用于粉煤气化反应中。煤种1 与2 也可以应用到粉煤气化中。相比于水煤浆气化，粉煤气化的能效综合比、比氧耗、比煤耗、检修工程量与成本的优势显著，可以确保运行稳定性，相应增加经济效益。合理分析粉煤气化装置的运行状态，加强经济效益。

3 气化性能参数比较

3.1 比较工艺操作参数

结果如表1 所示。通过表1 数据可知，相比于GE 水煤浆气化工艺，Shell、GSP 粉煤气化工艺的有效气含量、碳转化率比较接近，明显高于GE水煤浆气化工艺；Shell、GSP 粉煤气化工艺的水冷壁，能够产生蒸汽，特别是粉煤气化工艺，可以生产中压蒸汽，全面提升装置能效，使能源消耗下降。虽然水煤浆气化技术成熟度高，工艺操作简便，得以广泛应用；粉煤气化工艺技术起步晚，工艺复杂，进料控制难度大，然而应用Shell、GSP 粉煤气化工艺，具备多种应用优势，技术认可度高。

表1 不同煤种气化工艺操作参数

3.2 技术性能指标比较

表2 为三种煤气化技术性能指标，通过表2 数据可知，GE 水煤浆气化细渣、粗渣残碳率高，且细渣与粗渣比例为2∶7。Shell 粉煤气化技术渣滓中，残碳率较低，碳转化率比较高，粗渣多为玻璃体大颗粒，粗渣残碳量小，细渣残碳率为2%，细渣、粗渣比例为1∶6。GSP 粉煤气化工艺，原料为二氧化碳输送的有效气，含量达到95%。细渣中的残碳率非常高，且细渣、粗渣比例为3∶7。通过上述分析可知，粉煤气化工艺能够增加有效气含量，在有效气组分中，包含大量氢气，因Shell 技术应用期间，激冷环下降管配置合理，在下降管内，优化双水喷头设置，确保高温合成气和水产生变换反应。同时保证煤粉均匀分布在气化炉内，形成流场与气化反应。在炉膛内，保证煤粉停留时间长达8s，可以充分气化，全面提升碳转化率与气化效率，还可以使比氧耗、比煤耗降低。通过多个喷嘴结构，可以将气化负荷分散，且粉煤会减少喷嘴磨损度，延长烧嘴运行寿命。此外，由由于炉膛内气化状态良好，粗渣比例大，会降低灰渣残碳率，降低灰水系统负荷，提升水质，拉大气化工艺装置的差距。沉降槽内，灰水清澈，可以为环境予以保护，减少水资源浪费。

表2 比较3 种煤气化工艺技术性能指标

4 关键设备比较

GE 进料多为泵送方式，简化运输流程图，安全性高。但是，高压煤浆泵发生故障，将会严重影响生产。通过应用此种工艺，会缩短烧嘴运行时间。通过三通道烧嘴，可以确保中心、外环隙通氧，煤浆经过环隙，会导致内、外喷管的磨损度，使烧嘴压差下降，还会影响烧嘴给料稳定性，还会加大碳转化率。烧嘴磨损后，会导致炉砖、内件烧坏。烧嘴冷却水盘管、水夹套，极易受到高温热蚀影响，缩短烧嘴寿命。

GSP 气化技术，需要将多个烧嘴组合在一起，通过螺栓紧固、法兰连接方式，可以设置在气化炉正方，包含主烧嘴、点火烧嘴。主烧嘴中间位置，防止点火烧嘴，外部为冷却水夹套，应用冷却点火烧嘴。对于烧嘴外表面、内表面，相互间存在环状缝隙，可以作为输氧通道。在输氧通道、外部环状输煤通道之间，设置管壁，配置冷却水夹套。在主烧嘴上，带有两个冷却水夹套，能够避免燃烧室内高温，热腐蚀主烧嘴外部。在主烧嘴煤粉通道出口位置，设置煤粉输送管线，切线进入到环状煤粉通道，保证煤粉分布的均匀性。氧气在主烧嘴出口，表现为旋流状，且为分散状态，与外部煤粉接触后，会出现气化反应。GSP 技术中，烧嘴使用寿命为三个月。

Shell 烧嘴为双通道，利用中心喷管环隙，喷出煤粉。外环管道为冷却水夹套，能够延长运行寿命。多水平喷嘴的合理设置，相比顶置式喷嘴，可以确保炉膛内部煤粉的均匀分布，提升碳转化率、气化效率，还能够使水冷壁挂渣，避免出现炉壁超温问题。在渣口渣屏背面，安装Shell 激冷环，能够将高温合成气隔离开，防止烧毁Shell 激冷环。在激冷环下方，存在环形缝隙，便于激冷水喷出均匀，并且形成水膜。将双水喷头设置在下降管道内，可以对下降管起到保护作用。