13种煤气化工艺的优缺点及比较

13 种煤气化工艺的优缺点及比较 我国是一个缺油 少气 煤炭资源相对而言比较丰富的国家 如何利用我 国煤炭资源相对比较丰富的优势发展煤化工已成为大家关心的问题 近年来 我国掀起了煤制甲醇热 煤制油热 煤制烯烃热 煤制二甲醚热 煤制天然气 热 有煤炭资源的地方都在规划以煤炭为原料的建设项目 这些项目都碰到亟 待解决原料选择问题和煤气化制合成气工艺技术方案的选择问题 现就适合于 大型煤化工的比较成熟的几种煤加压气化技术作评述 供大家参考 1 常压固定层间歇式无烟煤 或焦炭 气化技术 这是目前我国生产氮肥的主力军之一 其特点是采用常压固定层空气 蒸 汽间歇制气 要求原料为 25 75mm 的块状无烟煤或焦炭 进厂原料利用率低 单耗高 操作繁杂 单炉发气量低 吹风气放空对大气污染严重 从发展看 属于将逐步淘汰的工艺 2 常压固定层间歇式无烟煤 或焦炭 富氧连续气化技术 这是从间歇式气化技术发展过来的 其特点是采用富氧为气化剂 原料可 采用 8 10mm 粒度的无烟煤或焦炭 提高了进厂原料利用率 对大气无污染 设 备维修工作量小 维修费用低 适合于有无烟煤的地方 对已有常压固定层间 歇式气化技术的改进 3 鲁奇固定层煤加压气化技术 主要用于气化褐煤 不粘结性或弱粘结性的煤 要求原料煤热稳定性高 化学活性好 灰熔点高 机械强度高 不粘结性或弱粘结性 适用于生产城市 煤气和燃料气 不推荐用以生产合成气 4 灰熔聚流化床粉煤气化技术 中科院山西煤炭化学研究所的技术 2001 年单炉配套 20kt a 合成氨工业 性示范装置成功运行 实现了工业化 其特点是煤种适应性宽 可以用 6 8mm 以下的碎煤 属流化床气化炉 床层温度达 1100 左右 中心局部高温区达到 1200 1300 煤灰不发生熔融 而只是使灰渣熔聚成球状或块状排出 床层温 度比恩德气化炉高 100 200 所以可以气化褐煤 低化学活性的烟煤和无烟 煤 以及石油焦 投资比较少 生产成本低 缺点是气化压力为常压 单炉气 化能力较低 产品中 CH4 含量较高 1 2 环境污染及飞灰综合利用问题有 待进一步解决 此技术适用于中小氮肥厂利用就地或就近的煤炭资源改变原料 路线 5 恩德粉煤气化技术 恩德炉实际上属于改进后的温克勒沸腾层煤气化炉 适用于气化褐煤和长 焰煤 要求原料为不粘结或弱粘结性 灰分小于 25 30 灰熔点高 ST 大于 1250 低温化学活性好的煤 至今在国内已建和在建的装置共有 9 套 14 台气化炉 属流化床气化炉 床层温度在 1000 左右 目前最大的气化炉 用 富氧气化 最大产气量为 40000m3 h 半水煤气 缺点是气化压力为常压 单炉 气化能力还比较低 产品气中 CH4 含量高达 1 5 2 5 飞灰量大 对环境的 污染及飞灰综合利用问题有待解决 6 GE 德士古 Texaco 水煤浆加压气化技术 GE 德士古 Texaco 水煤浆加压气化技术 属气流床加压气化技术 原料 煤经磨制成水煤浆后用泵送进气化炉顶部单烧嘴下行制气 原料煤运输 制浆 泵送入系统比 Shell 和 GSP 等干粉煤加压气化要简单得多 安全可靠 投资省 单炉生产能力大 目前国际上最大的气化炉日投煤量为 2000t 国内已投产的 最大气化炉日投煤量为 1000t 国内设计中的气化炉能力最大为 1600t d 该技 术对原料煤适应性较广 气煤 烟煤 次烟煤 无烟煤 高硫煤及低灰熔点的 劣质煤 石油焦等均能作气化原料 但要求原料煤含灰量较低 煤中含灰量由 20 降至 6 可节省煤耗 5 左右 氧耗 10 左右 另外 要求煤的灰熔点低 由于耐火砖衬里受高温抗渣的限制 一般要求煤的灰熔点在还原性气氛下的 T4 1300 对于灰熔点稍高的煤 可以添加石灰石作助熔剂 降低灰熔点 还要求灰渣粘温特性好 粘温变化平稳 煤的成浆性能要好 气化压力从 2 7 4 0 6 5 到 8 5 MPa 皆有工业性生产装置在稳定长周期运行 装置建成 投产后即可正常稳定生产 气化系统的热利用有两种形式 一种是废热锅炉型 可回收煤气中的显热 副产高压蒸汽 适用于联合循环发电 另一种是水冷激 型 制得的合成气水气比高达 1 3 1 4 能满足后续 CO 变换工序的需要 变 换工序不需要外供蒸汽同 适用于制氢 制合成氨 制甲醇等化工产品 气化 系统不需要外供蒸汽 高压氮气及输送气化用原料煤的 N2 和 CO2 气化系统总 热效率高达 94 96 高于 Shell 干粉煤气化 为 91 93 和 GSP 干粉煤气化 为 88 92 气化炉结构简单 为耐火砖衬里 气化炉无转动装置或复杂 的膜式水冷壁内件 所以制造方便 造价低 同时由于采用热壁炉 炉内热容 量比较大 气化炉升温至 1000 以上后 即可直接喷水煤浆投料 生产安全可 靠 在开停车和正常生产时无需连续燃烧一部分液化气或燃料气 合成气 煤气除尘也比较简单 可以了只需要一个文丘里洗涤器和一台洗涤塔就可以了 无需价格昂贵的高温高压飞灰过滤器 投资省 单炉年运转时间为 270 300 天 碳转化率达 96 98 有效气成分 CO H 2 为 80 83 有效气 CO H 2 比氧 耗为 336 410m3 km3 有效气 CO H 2 比煤耗为 550 620kg km3 国外已建成 投产的装置有 6 套 15 台气化炉 国内已建成投产的装置有 8 套 24 台气化炉 正在建设 设计的装置还有 4 套 13 台气化炉 已建成投产的装置最终产品有 合成氨 甲醇 醋酸 醋酐 氢气 一氧化碳 燃料气 联合循环发电 各装 置建成投产后 一直连续稳定 长周期运行 装备国产化率已达 90 以上 由 于国产化率高 装置投资较其它加压气化装置都低 水煤浆加压气化与其它加 压气化装置建设费用的比例为 Shell 法 GSP 法 多喷嘴水煤浆加压气化 水 煤浆法 2 2 5 1 4 1 6 1 2 1 3 1 对于水煤浆加压气化技术国内已 掌握了丰富的工程技术经验 已培养出一大批掌握该技术的设计 设备制造 建筑安装 煤种评价 试烧和工程总承包的单位及工程技术人员 所以从建设 投产到正常连续运行的周期比较短 这是业主所期望的 缺点是气化用原料煤 受气化炉耐火衬里的限制 适宜于气化低灰熔点的煤 碳转化率较低 比氧耗 和比煤耗较高 气化炉耐火砖使用寿命较短 一般为 1 2 年 国产砖寿命为一 年左右 1 台投煤量为 1000t d 的气化炉耐火砖约需 500 万元左右 有待改进 气化烧嘴寿命较短 一般使用 2 个月后 需停车进行检查 维修或更换喷嘴头 部 有待改进和提高 我国自鲁南化肥厂第一套水煤浆加压气化装置 2 台气化炉 1993 年建成 投产以来 相继建成了上海焦化厂气化装置 4 0 MPa 气化 4 台气化炉 于 1995 年建成投产 渭河化肥厂气化装置 6 5 MPa 气化 3 台气化炉 于 1996 年建成投产 淮南化肥厂气化装置 4 0 MPa 气化 3 台气化炉 于 2000 年建成投产 金陵石化公司化肥厂气化装置 4 0 MPa 气化 3 台气化炉 于 2005 年建成投产 浩良河化肥厂气化装置 3 0 4 0 MPa 气化 3 台气化炉 于 2005 年建成投产 南化公司气化装置 8 5 MPa 气化 2006 年建成投产 南京惠生气化装置 6 5 MPa 气化 2007 年建成投产 等装置 由于我国有关生产厂的精心消化吸收 已掌握了丰富的连续稳定运转经验 新 装置一般都能顺利投产 短期内便能连续稳定 高产 长周期运行 并且掌握 了以石油焦为原料的气化工艺技术 还有一点需要提一下的是煤耗和氧耗问题 它与原料煤质的关系比较大 无论是 Shell 法或 GSP 法 在用干粉煤气化时 需向气化炉内输入过热蒸汽 其用量以有效气 CO H2 计为 120 150 kg km3 过热蒸汽与粉煤的比例为 0 22 0 25 1 相当于水煤浆中含水 20 干粉煤气化宣传资料上介绍的 煤耗和氧耗 实际上是忽略了生产过热蒸汽所用的煤耗 在正常生产时 如需 燃烧一部分然料气 必将增加氧耗及燃料气耗 折煤耗 备煤时煤干燥需要 增加煤耗 宣传资料介绍 这两种方法的煤耗和氧耗比较低 有效气 CO H2 煤耗为 550 600 kg km3 氧耗为 330 360 m3 km3 加上以上这些 煤耗和氧耗 实际上有效气 CO H2 总煤耗将为 590 670 kg km3 总氧耗 将为 380 410 m3 km3 煤耗和氧耗不仅不低 而且比水煤浆气化法高或相仿 另外还要考虑制备干煤粉及输送干煤粉增加的电耗和激冷用返回气循环压缩机 增加的电耗 鉴于以上几点 水煤浆加压气化工艺技术是一项成熟 国产化率高 投资 省 建成后就能顺利投产 长周期稳产高产的工艺技术 存在的缺点有待在生 产实践中改进提高 7 多元料浆加压气化技术 多元料浆加压气化技术是西北化工研究院提出的 具有自主知识产权 其 基本生产装置与水煤浆加压气化技术相仿 属气流床单烧嘴下行制气 典型的 多元化料浆组成为煤 60 65 油料 10 15 水 20 30 粘度不大于 2500cP 但在制备多元化料浆时掺入油类的办法与当前我国氮肥工业以煤代油 改变原料路线的方针不符合 是不可取的 有待改进 8 多喷嘴 四烧嘴 水煤浆加压气化技术 九五 期间 华东理工大学 兖矿鲁南化肥厂 中国天辰化学工程公司 承担了国家重点科技攻关课题 新型 多喷嘴对置 水煤浆气化炉开发 该 技术为气流床多烧嘴下行制气 气化炉内用耐火砖衬里 开发成功后 相继在 山东德州华鲁恒升化工有限公司建设了一套气化压力为 6 5MPa 日处理煤 750t 的气化炉系统 于 2005 年 6 月正式投入运行 至今运转良好 在山东滕州兖矿 国泰化工有限公司建设了两套气化压力为 4 0MPa 气化温度约为 1300 日处 理煤 1150t 的气化炉系统 配套生产 240kt a 甲醇 联产 IGCC 联合循环发电 发电能力为 71 8MW 现在实际发电能力已达到 80MW 于 2005 年 7 月 21 日一次 投料成功 运行至今 经考核验收 同样以北宿洗煤为原料气化 多喷嘴水煤 浆加压气化与单烧嘴加压气化相比 气化技术指标见表 4 气化用煤种分析见 表 5 表 4 多喷嘴气化与单烧嘴气化结果对比表 项 目 多喷嘴气化 单烧嘴气化 Texaco 有效气 CO H2 含量 84 9 82 83 碳转化率 98 96 98 有效气比煤耗 kg km3 535 约 547 有效气比氧耗 m3 km3 314 约 336 表 5 气化用煤质分析表 项目 数值 项目 数值 项目 数值 工业分析 元素分析 灰熔点 水分 Mad 2 18 全硫 Stad 2 84 DT 1090 灰分 Ad 7 32 碳 Cad 74 73 ST 1100 挥发分 Vdaf 45 44 氢 Had 5 13 HT 1120 固定碳 FC 49 46 氧 Oad 8 77 FT 1130 氮 Nad 1 20 多喷嘴气化炉与单烧嘴气化炉相比 有效气成分提高 2 3 个百分点 CO2 含量降低 2 3 个百分点 碳转化率提高 2 3 个百分点 比煤耗可降低约 2 2 吨甲醇煤耗减少 100 150kg 比氧耗可降低 6 6 8 这是很有吸引力 的 同时调节负荷比单烧嘴气化炉灵活 适宜于气化低灰熔点的煤 已建成及在建项目共 12 家 31 台气化炉 已顺利投产的有 3 家 5 台气化 炉 在建的最大气化炉投煤量为 2000t d 6 5MPa 值得一提的是该技术现已 跨出国门 美国 Valero 能源公司最近已决定采用多喷嘴水煤浆加压气化技术 采用石油焦为原料加压气化 目前已与华东理工大学签订了许可证授权合同 与中国天辰工程公司签订了基础设计合同 该技术暴露出来的问题是烧嘴使用 寿命与 GEGP 法一样较短 气化炉顶部耐火砖磨蚀较快 以及同样直径同生产能 力的气化炉 其高度比 GEGP 德士古单烧嘴气化炉高 又多了三套烧嘴和相应的 高压煤浆泵 煤浆阀 氧气阀 止回阀 切断阀及连锁控制仪表 一套投煤量 1000 t d 的气化炉投资比单烧嘴气化炉系统多 2000 3000 万元 与一个有 3 套投煤量为 1000 t d 的气化炉 日处理原料煤 2000 t 的煤气化装置比较 增 加投资 6000 9000 万元 每年要多增加维护检修费用 且增加了单位产品的固 定成本 但该技术属我国独有的自主知识产权技术 在技术转让费方面比引进 GEGP 德士古水煤浆气化技术要少得多 还是很有竞争力的 该技术有待在生产 实践中进一步改进提高 9 壳牌 Shell 干粉煤加压气化技术 壳牌 Shell 干粉煤加压气化技术 属于气流床加压气化技术 可气化 褐煤 烟煤 无烟煤 石油焦及高灰熔点的煤 入炉原料煤为经过干燥 磨细 后的干煤粉 如需添加助熔剂 原料煤可以与助熔剂在磨煤机中混磨 干燥后 的粉煤用氮气气力送至料斗中 再用高压氮气输送到气化炉 从气化炉下部的 喷嘴进入气化炉 属多烧嘴上行制气 目前最大的气化炉是日处理 2000t 煤 气化压力为 3 0MPa 国外只有一套用于商业化联合循环发电的业绩 尚无更高 气化压力的业绩 这种气化炉采用水冷壁 无耐火砖衬里 熔融灰渣沿水冷壁 南而下 排入炉底水槽 水冷壁内壁涂有一层 SiC 耐火材料 熔渣在水冷壁上 结成固体熔渣层 达到以渣抗渣的目的 为便于检修 水冷壁与气化炉壳体间 留有 800mm 环隙 环隙间充有 250 300 的有压合成气 为调节炉温 需向气 化炉内输入中压过热蒸汽 采用废热锅炉冷却回收煤气的显热 副产蒸汽 气 化温度可以达到 1400 1600 气化压力可达 3 0 4 0MPa 可以气化高熔点的 煤 但为了操作稳定 仍需在原料煤中添加石灰石作助熔剂 该种炉型原设计 是用于联合循环发电的 国内在本世纪初至今开始有 13 家已签订技术引进合同 16 套 20 台气化炉 其最终产品有合成氨 甲醇 氢气 气化压力 3 0 4 0MPa 其特点是干煤粉进料 用高压氮气气动输送入炉 对输煤粉系统的防 爆要求严格 气化炉烧嘴为多喷嘴 有 4 个 也可用 6 个 对称式布置 调节 负荷比较灵活 为了防止高温气体排出时夹带的熔融态和粘结性飞灰在气化炉 后的输气导管换热器 废热锅炉管壁粘结 采用将高温除灰后的部分 330 350 含尘量 2mg m3 左右的气体与部分水洗后的 160 165 含尘量 1mg m3 左右的气体混合 混合后的气体温度约 200 用返回气循环压缩机加压送到 气化炉顶部 将气化炉排出的高温合成气激冷至 900 后 再进入废热锅炉热 量回收系统 返回气的量很大 相当于气化装置产气量的 80 85 因返回气 温度高达 200 含尘 CO 含量高达 65 左右 又含有 H2S 对返回气循环压 缩机的密封性能和操作条件要求十分苛刻 不但投资高 多耗动力 而且出故 障的环节也多 出废热锅炉后的合成气 采用高温中压陶瓷过滤器 在高温下 除去夹带的飞灰 陶瓷过滤器不但投资高 而且维修工作量大 每年需要更换 一次过热元件 以投煤量 1000 t d 的气化装置为例 每年需 500 万元 维修费 用也高 废热锅炉维修工作量也大 故障也多 维修费用也高 据介绍碳转化 率可达 98 99 可气化褐煤 烟煤 无烟煤 石油焦 冷煤气效率高达 80 83 合成气有效气 CO H2 含量高达 90 左右 有效气 CO H2 比煤耗为 550 600kg km3 比氧耗为 330 360m3 km3 用河南新密煤时 比煤耗为 709 kg km3 比氧耗为 367 2 m3 km3 所以在这里要说明一点 无论哪一种煤气化 技术 资料上介绍的比煤耗和比氧耗都是在特定条件下的数据 某一煤种确切 的数据 应该在煤试烧后方能获得 在做方案比较的时候可以用气化工艺计算 的方法求得 要用同一个煤种数据作为评价的依据 比蒸汽 过热蒸汽 耗 为 120 150kg km3 可副产蒸汽 880 900kg km3 其存在的问题是气化装置的氮 气 或 CO2 消耗量相当大 还需配套超高压氮压机 高压氮压机 低压氮压 机 以及激冷气压缩机 不但投资高 而且能耗也高 生产上 煤的干燥 磨 粉增加的动力能耗 输入中压过热蒸汽 水蒸汽与煤比为 0 22 0 25 1 相当于水煤浆中含水 20 等所增加的煤耗 动力能耗 相应抵消了干法进料 的煤耗和氧耗低的优点 另一点是专利商只有一套用于发电的装置 缺乏用于 煤化工生产的业绩 荷兰怒恩电力公司布根努姆电厂的 Demkolec 煤气联合 循环发电装置为调峰电厂 据中国氮肥工业协会赴欧洲技术考察报告介绍 该 发电装置设计气化炉投煤量为 2000 t d 设计发电能力 284 MW 外送电 253 MW 外送电应为 2216 28 GWh a 自用电 31 MW 全部总投资 按 1989 年物价 指数 为 850 106 荷兰盾 折 350 106 欧元 3 5 亿欧元 其中 气化装置占 27 折 94 5 106 欧元 空分装置占 9 折 31 5 106 欧元 燃气循环 IGCC 占 31 折 108 5 106 欧元 发电机系统占 5 折 17 5 106 欧元 自控系统占 10 折 35 106 欧元 供配电系统占 8 折 28 106 欧元 专利费及界区内设计费占 10 折 35 106 欧元 设计的发电能量利用率为 43 44 折单位发电投资额为 1400 美元 kW 建设 期 6 年 1993 年底建成 1994 1997 年试运转 1998 年 1 月开始进入商业运 行 工厂 1994 2003 年主要运行数据见表 1 2 表 1 1994 2003 年工厂发电产量统计 外送电量 年份 电力产量 GW h 煤制气发电 GW h 燃油发电 GW h 生产负荷率 其中煤制气发 电生产负荷率 1994 750 10 740 33 84 0 45 1995 790 250 540 35 65 11 28 1996 700 380 320 31 58 17 15 1997 1060 840 220 47 83 37 9 1998 1260 1010 250 56 85 45 57 1999 1390 1090 300 62 72 49 18 2000 1260 840 420 56 85 37 9 2001 1000 540 460 45 12 24 37 2002 1200 900 300 54 14 40 61 2003 1400 1160 240 63 17 52 34 表 2 1994 2003 年工厂全年实际运行率统计 每年按 365 天计 年份 年运行率 煤制气发电天 数 d 煤发电比例 燃油发电天数 d 燃油发电比例 1994 100 7 0 2 358 98 1995 100 117 32 248 68 1996 100 182 5 50 182 5 50 1997 100 277 76 88 24 1998 100 296 81 69 19 1999 100 285 78 80 22 2000 100 245 67 120 33 2001 100 270 74 95 26 2002 100 270 74 95 26 自 1999 年至 2003 年的 5 年商业性运行中 煤制气发电平均年运行时间为 268 d 6432 h 占全年运行时间的 73 4 煤制气发电外送电量平均为 906 GW h 为设计年外供电量 2216 26 GW h 的 40 88 煤制气实际发电量 包括自用电 199 4 GW h 为 1105 4 GW h 为设计年实际发电量的 44 43 按年平均运行时间 268 天计 实际发电量应为 1826 7 GW h 设计日 投煤量为 2000 t 实际平均日投煤量为 1210 t 生产负荷率只有 60 5 从以 上分析看 这套煤制气发电装置平均年运行时间为 268 d 6432 h 与水煤 浆气化装置的气化炉平均年运行时间 每台 270 300 d a 相仿 但是生产负 荷率只有 60 5 长期是低负荷 低运行率 专利商明明知道这套示范发电装 置长期低负荷 低运行率的实际情况 还推荐在中国建的煤化工生产装置 只 建一台气化炉系统 不设备用炉 是有其难言的苦衷的 因为该煤气化系统设 备庞大 结构复杂 维修困难 系统控制要求高 投资高 建设周期长 建备 用气化炉系统 显然投资太大 无竞争力 但是煤化工生产要求全装置常年连 续稳定高效生产 远比一座调峰电厂的生产要求严 调峰电厂除煤制气发电系 统外 还另有燃油或天然气发电系统可作为备用 而我国引进的 Shell 煤气化 装置只设一台气化炉 单系列生产 没有备用炉 在煤化工生产中能否常年连 续稳定生产是没有保证的 煤化工生产系统若因此而经常开开停停 工厂年运 行率低 生产负荷低 工厂的经济损失将是很大的 一套不设备用炉的装置投 资相当于设备用炉的 GEGP 德士古气化装置或多喷嘴水煤浆气化装置投资的 2 2 5 倍 排出气化炉的高温煤气用庞大的 投资高的废热回收锅炉回收显热 副产蒸汽后 如用于煤化工 尚需将蒸汽返回后续一氧化碳变换系统 如用于 制合成氨和氢气 副产的蒸汽量还不够用 同时另外还需要另设中压过热蒸汽 系统 供应气化所需的过热蒸汽 本人认为目前 Shell 带废热锅炉的干粉煤加 压气化技术并不适用于煤化工生产的 有待改进 所以业主和工程公司在做煤 气化方案选择时 不能只听专利商的一面之词 被专利商牵着鼻子走 要将工 程项目的全流程做技术经济评价 要把空分系统的投资和电耗差别 磨煤系统 的电耗差别 原料煤干燥系统的煤耗差别 输煤系统的电耗差别 备煤及输煤 系统的投资差别 输入气化炉的过热蒸汽的煤耗及投资差别 一氧化碳变换工 序投资及能耗差别等都考虑进去 才能得出正确的结论 我国采用 Shell 干煤粉加压气化工艺的装置自 2006 年开始 陆续投料试 生产的 已有好几家 但是至今尚无一家达到长周期稳定满负荷正常生产 主 要的原因是系统流程长 设备结构复杂 无论是采用高灰分 高灰熔点的煤还 是低灰分 低灰熔点的煤进行气化 都会出现水冷壁能否均匀挂渣的问题 气 化炉顶输气管换热器和废热锅炉积灰问题 高温中压干法飞灰过滤器除尘效率 和能力问题 每天产生的大量飞灰的出路问题 激冷气压缩机故障多的问题 水洗冷却除尘的黑水系统故障问题 该工艺第一次用于煤化工 尤其是制合成 氨 制甲醇 制氢 煤化工对除尘净化 长周期稳定正常生产的要求程度 远高于发电 一套新装置投入生产到正常稳定生产 当然需要有一个磨合期 但是不能太长 否则企业很难承受 本人认为可以首先在原料煤上作改进 改 进多出故障的源头 先采用低灰分 低灰熔点的煤为原料 摸索出长周期稳产 高产的经验 第二是增设采用激冷流程的备用气化炉 在现有 Shell 炉的基础 上改激冷流程是很难的 应该采用多喷嘴下行制气的气化炉 这比较容易实现 Shell 干煤粉加压气化工艺 在环保问题上 对飞灰的出路和综合利用应给予 高度重视 根据荷兰示范电厂的操作数据 飞灰和粗渣排出量见表 3 表 3 飞灰和粗渣逐年排出量统计 平均占排出物总量的比例 排出物 飞灰 t 粗渣 t 1997 13524 57368 1998 11120 53178 1999 8586 38532 2000 10205 47135 2001 11467 41227 2002 18 78 81 22 粗渣含碳约为 0 5 质量分率 飞灰含碳约为 40 质量分率 原 料煤含灰量平均约为 13 质量分率 按实际发电量折算 实际平均日投煤 量为 1210 t 5 年内煤气化操作 1340 天 排出飞灰量为 54902 t 平均日排飞 灰量为 41 t 如投煤量按 2000 t d 计 每天从高温中压飞灰过滤器排出飞灰 达 68 t 如原料煤中含灰量为 20 每天排出飞灰达 105 t 飞灰如何综合利 用 或回气化炉 或找固定用户是值得企业关注的大问题 如找不到固定用户 而随意堆放 将对周围环境产生污染 现在问题已充分暴露出来 Shell 干煤粉加压气化废热锅炉流程是为联 合循环发电而设计的 不适应于煤化工生产 同时 装置本身还存在不少缺点 和问题 有待解决 有些人士至今还不愿意承认当初选用 Shell 干煤粉加压气 化工艺废热锅炉流程 用于煤化工的决策和盲目推广是错误的 我认为应当引 起用户 有关领导 规划部门和工程公司的重视和深思 所以我国引进的 Shell 煤气化装置只设一台气化炉单系列生产 没有备 用炉 在煤化工生产中能否常年连续稳定生产应予高度重视 一套不设备用炉 的 Shell 煤气化装置投资相当于设备用炉的 Texaco 气化装置投资的 2 2 5 倍 排出气化炉的高温煤气用庞大的 投资高的废热锅炉回收显热副产蒸汽后 如 用于煤化工 尚需将蒸汽返回后续一氧化碳变换系统 如用于制合成氨和氢气 副产的蒸汽还不够用 同时另外还需要另设中压过热蒸汽系统用于气化 目前 Shell 带锅炉的干煤粉加压气化技术并不适用于煤化工生产 有待改进 10 西门子 GSP 干煤粉加压气化技术 GSP 干煤粉加压气化技术 属于气流床加压气化技术 是在 1979 年发展起 来的 1979 年前德国燃料研究所在弗来堡建立了一套热负荷为 3 MW 的煤气化 中试装置 气化炉内有耐火材料衬里 1996 年又建了一套热负荷为 5 MW 的煤 气化中试装置 气化炉为水冷壁结构 曾试烧过各种不同原料和煤种 1984 年 在黑水泵市建立了一套热负荷为 130 MW 的气化装置 气化炉内有水冷壁內件 日投煤量为 720 t 褐煤 产气量为 50000 m3 h 是一套商业性示范装置 用以 生产燃料气 气化操作压力为 2 8 MPa 操作温度为 1400 1984 1990 年 采用褐煤为原料气化 有约 6 年气化褐煤的经验 后来又气化过城市垃圾 工 业废物 焦油等物料 主要是气化焦油 从 1998 年开始气化焦油 生产出来的 煤气与固定层气化炉生产的煤气联网 用以生产甲醇和联合循环发电 IGCC 这套装置至今尚在正常运行 2000 年在英国巴斯夫工厂建成了一套 GSP 气化装 置 用以处理化工厂排出含氯废水 气化炉热负荷为 30 MW 气化压力为 2 9 MPa 气化温度为 1400 激冷型流程 2004 年在捷克 Vresova 工厂又建成了 一套 GSP 气化装置 原料为焦油 气化炉热负荷为 175 MW 气化操作压力为 2 8 MPa 操作温度为 1400 用于联合循环发电 GSP 气化炉当气化煤炭时 原料煤需经过干燥 磨细的干煤粉由气化炉顶部进入 属单烧嘴下行制气 底 部排渣 气化炉内有水冷壁内件 目前最大的 GSP 气化炉是每天投煤量 720t 褐 煤 操作压力 2 8MPa 操作温度 1400 1500 为调节炉温需向气化炉内输入 过热蒸汽 因此需另设供应 4 5 5 MPa 过热蒸汽的系统 有 6 年采用褐煤为原 料进行气化的经验 气化高灰熔点的煤时 可以在原料中添加石灰石作助熔剂 因采用水冷激流程 所以投资比 Shell 炉要省得多 两者投资是 Shell 炉 GSP 炉 1 34 1 67 1 另外其它资料有 1 43 1 56 1 适用于煤化工生产 据专利商介绍 喷嘴寿命长 可用 1 年以上 但实际生产每隔 1 个半月左右需 要停炉检查一次和维修 碳转化率可达到 98 99 可气化褐煤 烟煤 次烟 煤 无烟煤 石油焦及焦油 冷煤气效率高达 80 83 合成气有效气 CO H2 含量高达 90 以上 有效气 CO H2 比煤耗为 550 600kg km3 比氧 耗为 330 360m3 km3 比蒸汽 过热蒸汽 耗为 120 150kg km3 基本上与 Shell 法相似 正常时要燃烧液化气或其他可燃气体 以便于点火 防止熄火 和确保安全生产 有文献介绍 如烧液化气 以一套日处理 720 t 褐煤的气化 装置为例 每小时要消耗 777 7 kg 液化气 即每天消耗 19 t 液化气 以每吨 液化气 5000 元计价 每天要烧掉 9 5 万元 一年 2850 万元 如只在开工时用 液化气 正常生产时烧自产煤气 按热值折算 每小时要消耗自产煤气约 3500 m3 以煤价 450 元 t 计 自产煤气成本价 0 45 0 5 元 m3 每天要耗掉 3 8 4 2 万元 一年就是 1140 1260 万元 这笔费用很可观 该气化炉水冷 壁的盘管内用压力为 4 0MPa 应高于气化炉压力 温度达 250 的水冷却 在盘管内不产生蒸汽 只在器外冷却水循环系统中副产 0 5MPa 的低压蒸汽 气 化炉外壳还设计有水夹套 用冷却水进行冷却 外壳温度低于 60 所以热损 失比较大 世界上目前采用 GSP 气化技术的有 3 家 但是现在都没有用来气化 煤炭 其中黑水泵气化厂的那一套装置 只有 6 年气化褐煤的业绩 没有长期 气化高灰分 高灰熔点煤的业绩 有待建立示范装置作长期运行考验 在气化 用煤种选择上还是应该首选低灰分 低灰熔点的煤 目前国外在建的有加拿大 能源公司的 IGCC 项目 投煤量为 2000 t d 及美国安全能源公司合成天然气 项目 投煤量为 2 2000 t d 国内神华宁夏煤业集团有限责任公司已决定采 用 GSP 干煤粉加压气化技术建设 1670 kt a 甲醇制烯烃项目 投煤量为 5 2000 t d 此外还有山西兰花煤化工有限公司 300 kt a 合成氨及 100 kt a 甲醇项目 投煤量为 2 2000 t d 以无烟煤为原料 作为商业性示范装置 希望此两项目早日建成 顺利投产 11 两段式干煤粉加压气化技术 TPRI 两段式干煤粉加压气化技术是西安热工研究院有限公司开发成功的 具有自主知识产权 1997 年建成一套 0 7t d 的试验装置 完成了 14 种典型动 力煤种的加压气化试验研究 2004 年建成了处理煤量为 36 40t h 的中试装置 完成了 4 种煤粉的气化试验 通过了 168h 连续运行考核 累计运行达 2200h 以 上 达到了以下技术指标 碳转化率 98 3 有效气 CO H 2 比煤耗为 520kg km3 比氧耗为 300 310m 3 km3 有效气 CO H 2 含量 89 93 冷煤气 效率 81 84 热效率 90 95 可气化煤种为褐煤 烟煤 贫煤 无烟煤 以 及高灰分 高灰熔点煤 可气化煤种的水分范围 4 35 可气化煤种灰分范围 5 31 可气化煤种灰熔点范围 1200 1500 气化压力 3 0 4 0MPa 气化温 度范围 1300 1700 不产生焦油 酚等 其典型合成气成分为 CO 62 38 H 2 29 36 CO 2 22 76 CH 4 0 26 0 5 N 2 4 87 H 2S 等 0 37 其特点是采用两段气化 以四个对称的烧嘴向气化炉底部喷入干煤粉 占 总煤量的 80 85 过热蒸汽和氧气 进行一段气化 熔融排渣 中部喷入 占总煤量 15 20 的煤粉和过热蒸汽 利用下部上来的煤气显热进行二段气化 同时将下部上来的 1400 1500 高温煤气急冷至 900 1000 替代了 Shell 煤 气化技术中的循环合成气激冷流程 可以节省投资 提高冷煤气效率和热效率 气化炉采用水冷壁结构 其缺点是合成气中 CH4含量较高 对制合成氨 甲醇 氢气不利 废热锅炉型气化装置适用于联合循环发电 其示范装置投煤量 2000 t d 级两段式干煤粉加压气化炉 全废热锅炉流程 已决定用于华能集团 绿色煤电 项目 设计气化压力 3 0 3 5 MPa 气化操 作温度 1400 1500 产气量 165000 m3 h 有效气 CO H2 比氧耗 310 m3 1000 m3 冷煤气效率 83 有效气 CO H2 含量 91 发电量 250 MW 另 一套示范装置为两段式干煤粉加压气化炉 激冷流程 已决定用于内蒙古世 林化工有限公司 300 kt a 甲醇项目 设计气化压力为 4 0 MPa 气化操作温度 1400 1500 输送干煤粉的气体为 CO2 单台气化炉设计投煤量为 1000 t d 激冷流程 有效气产量 71500 m3 h 有效气 CO H2 比氧耗 310 m3 1000 m3 冷煤气效率 83 有效气 CO H2 含量 91 第三套示范装置用 于山西华鹿 200 kt a 甲醇项目 设计气化压力 4 0 MPa 采用高灰熔点 FT 1500 煤 气化操作温度 1500 输送干煤粉的气体为 CO2 单台 气化炉设计投煤量为 1000 t d 激冷流程 煤气产量 79700 m3 h 有效气流 量 71500 m3 h 有效气 CO H2 比氧耗 330 m3 1000 m3 冷煤气效率 81 有效气 CO H2 含量 89 希望这三套示范装置能预期顺利投产 两段式干煤粉加压气化技术与 Shell 干煤粉加压气化技术的不同之处 在 于两段式干煤粉加压气化技术采用两段气化 将气化炉出口的煤气温度从 1400 1500 降至 900 而 Shell 干煤粉加压气化技术是采用循环返回气 将气化炉出口煤气温度激冷至 900 虽然都达到了将气化炉出口煤气降至 900 的目的 但两段式气化存在以下几个问题 1 因为从气化炉中部喷入干煤粉和过热蒸汽后 利用下部上来的 1400 1500 高温煤气使中部喷入的干煤粉干馏热解和气化 存在气化炉出口 煤气含 CH4 量较高的问题 不利于制氨 制甲醇和制氢 2 中部喷入的干煤粉产生的灰由于环境温度低于灰熔点 不可能呈熔融 态排出炉外 同时 由于二段气化后产生的煤气总量加大 二段气化过程产生 的灰渣和飞灰必将大量被煤气从气化炉顶部带出 在二段气化中部喷入的干煤 粉量占总煤量的 15 20 带出的灰渣和飞灰量也就会相应增加 这部分飞灰 的量 包括带出的灰渣 必将大于 Shell 加压气化 再加上 Shell 炉的循环返 回气量为气化装置实际煤气产量的 80 85 总气量达气化装置实际煤气产量 或煤气流速 的 180 185 而改为两段气化后 出气化炉的煤气量只相当 于 Shell 炉出口总气量的 55 即煤气流量减少到只有 55 相应煤气流速降低 到 55 这是一个很不利的操作条件 气流速度低 在换热器和废热锅炉处容 易积灰 堵灰 再加上随煤气带出的飞灰和灰渣含量增多 系统积灰和堵灰现 象将更为严重 这是废热锅炉型流程装置设计时要加以重视的问题 3 由于从气化炉带出的飞灰和灰渣量较大 在水激冷型流程装置设计时 也同样必须加以重视 4 受两段气化的制约 必然是一段气化的干煤粉 过热蒸汽和氧气从炉 子下部进入 二段气化的干煤粉和过热蒸汽从炉子中部进入 产生的煤气从气 化炉顶部出去 所以水激冷型流程和装置比从气化炉顶部进料 底部出煤气的 熔渣型气化炉难处理 不但系统复杂 并且投资高 总之 两段式干煤粉加压气化技术是一项新生事物 从中间试验到放大为 示范装置 再进入到商业化运行 必然会碰到许多难题 会有一个在运行中摸 索 磨合和解决难题的过程 为了吸取同时大量推广 Shell 干煤粉加压气化技 术的教训 建议在已决定先建 3 套示范装置的基础上 暂停再建示范装置或商 业化运行装置 待这 3 套示范装置取得顺利投产和长周期稳产高产的经验后 再改进提高 推广应用 12 四喷嘴对置式干煤粉加压气化技术 四喷嘴对置式干煤粉加压气化技术是华东理工大学 兖矿鲁南化肥厂 水 煤浆气化及煤化工国家工程研究中心 中国天辰化学工程公司三家通力合作 开发的具有自主知识产权的煤气化技术 中试装置投煤能力为 15 45t d 建于 兖矿鲁南化肥厂 已于 2004 年 12 月 21 日通过科技部主持的课题专家委员会 72h 运行考核验收 气化炉为热壁炉 内衬耐火砖 干迈粉由气化炉上部经四 个烧嘴加入 产生的合成气下行经水激冷后出气化炉 属气流床煤气化炉 中 试装置作了以氮气为输送载气和二氧化碳为输送载气的试验 气化温度为 1300 1400 气化压力为 2 0 3 0MPa 碳转化率 98 有效气 CO H2 比煤 耗为 530 540kg km3 比氧耗为 300 320m3 km3 有效气 CO H2 含量 89 93 冷煤气效率 83 84 比蒸汽 过热蒸汽 耗为 110 130kg km3 以氮气输送干 煤粉时 合成气中含氮量为 4 7 以二氧化碳气输送干煤粉时 合成气中含 氮量为 0 7 0 9 这种气化炉属热壁炉 适用于气化灰熔点低的煤 在技术 指标上 与多喷嘴水煤浆加压气化炉相差并不太大 但是增加了过热蒸汽的消 耗和加压氮气或二氧化碳气载气的能耗 有待在冷壁炉上再做些工作 以取得 完善的成果 13 航天炉 HT L 干煤粉加压气化技术 航天炉 HT L 干煤粉加压气化技术是航天部十一所的专利技术 该炉型结合 了德士古和壳牌的优点 以干粉煤为原料 可适应所有煤种 一个烧嘴 激冷 流程 水冷壁产生蒸汽 类似 GSP 炉 气化温度 1400 1700 最高可达 1850 气化压力为 3 7MPa 热效率 95 碳转化率 99 有效气 CO H 2 90 2050m 3煤气可产生 1 吨氨 原料煤耗比德士古低 10 炉渣残碳 0 5 而德士古残碳在 3 因此 总煤耗比其低 15 氧气耗低 20 该技 术备煤 输煤 燃料调节系统 气化炉辐射段采用先进的粉煤气流床气化技术 灰渣水系统 洗涤 净化则采用水煤浆气化工艺的激冷流程技术 集当今世界 两大先进煤气化技术之特点 在原料煤本地化 工艺路线优化 减少投资 关 键设备国产化方面有优势