煤气化技术的选择与对比(1).pdf

收稿日期2009 - 01 - 04 作者简介邵洪兴,吉林长山化肥集团长达有限公司技改处工程师。联系电话0438 - 2967123 ;手机13664380208 煤气化技术的选择与对比 邵洪兴 吉林长山化肥集团长达有限公司,吉林松原 131109 摘 要分析了我国为原料生产合成氨、 甲醇气化方法的选择、 对比及煤气化技 术的广阔前景。 关键词煤气化方法;气化特点;气化方法比较;前景 中图分类号TQ546111 文献标识码A 文章编号1003 - 6490200901 - 0014 - 04 0 引 言 我国是以煤炭为主要一次能源的国家,煤炭的转 化利用是国家经济发展的重要支柱。而以煤为原料 生产合成氨、 甲醇最重要的是气化技术的选择。目前 国内外以煤为原料生产化工产品的工厂中,采用了各 种煤气化工艺,如常压固定床间歇气化、 鲁奇碎煤加 压气化、 粉煤流化床气化、 粉煤气流床气化,包括 Shell炉、GSP、Texaco炉等等,各种气化方法均有其 各自的优缺点,对原料煤的品质均有一定的要求,其 工艺的先进性、 技术成熟程度互有差异。选择哪种煤 气化技术,至关重要。 1 气化技术的选择 气化工艺发展到今天,可以作为大型化工企业选 择的气化方法主要有以下几种类型粉煤流化床气化 工艺、 气流床气化工艺、 固定床加压气化技术、 碎煤加 压熔渣气化液态排渣技术。 111 粉煤流化床加压气化 粉煤流化床加压气化又称之为沸腾床气化,这是 一种成熟的气化工艺,在国外应用较多,该工艺可直 接使用0～6mm或0～10mm的碎煤作为原料,但亦 不希望1mm以下的细粉过多,备煤工艺简单,气化剂 同时作为流化介质,炉内气化温度均匀,但气化温度 较低小于1 000℃ 左右,碳反应不完全,渣和飞灰中碳 含量高,煤气中有效成份较低,近年来流化床气化技 术已有较大发展,开发了如德国的高温温克勒 HTW ,美国的U - Gas等加压流化床气化新工艺 , 在一定程度上解决了常压流化床气化存在的带出物 过多等问题,但仍然存在带出物含量高、 碳含量高且 又难分离、 碳转化率偏低、 煤气中有效成分低、 而且要 求煤高活性、 高灰熔点等多方面问题。该气化工艺操 作压力偏低,煤气污水中有少量焦油、 酚等。因此流 化床气化比较适合中、 小化工企业采用。 112 气流床气化 成熟的粉煤气流床气化工艺主要以SHELL、 GSP干粉煤加压气化和德士古水煤浆加压气化为代 表,这几种气化工艺都是以纯氧作为气化剂,在高温 第35卷第1期 2009年3月 化工设计通讯 Chemical Engineering Design Communications Vol135 No11 Mar12009 高压下进行熔渣气化,粗煤气中有效组分含量高,仅 有微量的甲烷,不产生焦油、 萘和酚水,煤气质量好, 最适合作合成气。 11211 德士古Texaco气化技术 德士古气化属于气流床气化,是德士古公司根据 油气化技术的思路开发出来的。它是将煤磨成水煤 浆,加入添加剂、 助熔剂等形成粘度为800 - 1 000厘 泊,煤浆浓度为60 以上的浆状物加压后喷入炉内, 与纯氧进行燃烧和部分氧化反应,在1 300～1 400℃ 以下气化,生产合成原料气。 相比之下,水煤浆气化技术经过我国有关科研、 设计、 生产、 制造部门的多年研究,已基本掌握德士古 水煤浆气化技术,并能设计大型工业化装置,国产化 率可达90 以上,技术支撑率高,生产管理经验多、 风险少。 德士古Texaco气化技术特点 1利用水煤浆便于高压泵送的特点,可以制备 压力很高的粗煤气,便于化式产品的后续生产过程的 衔接,因而Texaco气化炉对于化工厂更具有吸引力。 2能充分利用厂区周围的一切污水源来制作 水煤浆,有利于解决污水的处理问题。 3气化炉运行费用较低,不像干法供煤那样, 需要花费能量去干燥湿煤。 4碳的转化率不是很高,一般只有96 ～ 98 ,影响气化效率的提高。 5湿煤气中的水蒸汽含量较多,热煤气效率的 提高要靠较复杂的显热回收设备。 6气化所需的氧耗较多,大约是1kg O2/ kg干 煤。 7炉堂耐火砖的寿命短、 价格高、 更换时间长, 水煤浆泵和喷嘴易于磨损,更换频次高,影响气化炉 运行周期。 11212 壳牌Shell气化技术 壳牌煤气化工艺是由壳牌国际石油公司开发的 干法粉煤加压气流床气化技术,壳牌公司从50年代 开始开发油气化技术,已积累了丰富油气化经验。近 年来,我国引进十几套Shell气化装置用于合成氨和 合成甲醇,到今年上半年湖北双环气化装置投入运 行,其它的装置均在建设中。 壳牌Shell气化技术特点 1 Shell干粉气化技术是将原料煤干磨粉碎后, 煤粒度80 重量≤012mm ,粉煤在气化炉中用氧 和高压蒸汽在高温下以气流床形式气化,对原料煤种 的适应性较广泛,但仍然对煤质有一定的要求,灰熔 点易在1300～1350℃,煤的可磨系数应为易磨或中 等难磨,煤中灰含量不能太高。 2气化炉为钢制外壳,内壁为熔渣挂壁形成耐 火层,不需专门的耐火砖。 3气化炉操作温度高,干粉煤在数秒内全部气 化,可以使用褐煤、 烟煤等多种煤,碳转化率高达 99 ,煤气中甲烷含量低,在0105 体积左右,有 效气体CO H2达90 以上,适宜作合成气;由于气 化温度高1 400～1 500℃ , 符合环保要求,粗煤气中 不含焦油、 萘、 酚等杂质,煤气净化及污水处理流程简 单。 4采用液态熔渣排放,灰渣成玻璃状固体,没 有污染,易堆放,可作为建筑材料。 5操作弹性大,可以迅速改变生产负荷。 6操作压力相对来说不高,为310～410MPa。 总的来说壳牌气化技术是比较先进的气化技术, 但是由于其气化炉的结构特点,使得该气化技术一次 投资较大。一台套2 000t/ d投煤量的气化装置需10 亿元人民币,采用该气化技术给企业带来非常大的投 资压力。 11213 GSP气化技术 GSP气化技术是德国未来能源公司开发的气化 技术,是一下喷式加压气流床液态排渣气化炉,操作 压力210～410MPa ,用粉煤、 氧气鼓风,其结构及工作 原理与德士古气化炉相似。未来能源公司的前身是 原 东 德 的 德 意 志 燃 料 研 究 所Deutsches Brennstoffinstitut Freiberg DBI ,是当时东德从事与 煤有关的各种技术研发最高研究机构,未来能源公司 在不同煤种、 废渣、 裂解木炭、 石油焦以及各种化学废 料方面有GSP气化技术的经验。GSP气化技术不仅 可使矿物燃料或类似原料转化为合成气,还可以使有 些常规燃料如有足够高热值的废渣和废料转化为合 成气。因此,采用水冷壁气化反应器有很大的优势。 随着全球煤化工产业、 特别是我国煤化工需求的 51 第1期邵洪兴煤气化技术的选择与对比 快速增长,最近被西门子收购的上述未来能源公司计 划在近几年将黑水泵厂这台气化炉改回燃煤运行,利 用该气化炉进行煤的气化工业试验,以适应更多的煤 气化需求。 GSP煤气化技术特点 1原料煤适应范围宽,GSP气化对煤质要求不 苛刻,粒度250～500μm ,灰份1～20 wt ,灰熔 点1 100～1 500℃,灰熔点高于1 500℃ 的煤,从经济 角度考虑应加入助熔剂。130MW的工业装置实现了 灰熔点高达1 450℃ 的褐煤气化工业应用。 2水冷壁结构,即所谓的 “以渣抗渣” 的结构。 采用四根130MW螺旋盘管,其外径仅比气化炉受 压筒体内径小约50mm ,水冷管的直径约80～ 90mm ,水冷壁上焊有抓钉,水冷壁内壁涂有SiC耐火 材料,水冷壁与筒体之间间隙用惰性气体或冷煤气填 充。水冷壁管及外壳材料均为碳钢。 GSP气化炉采用水冷壁结构,避免了因高温、 熔 渣腐蚀及开停车产生应力对耐火材料的破坏而导致 气化炉无法长周期运行。由于不需要耐火砖绝热层, 而且炉内没有转动设备,所以运转周期长,可靠性高。 3喷嘴火焰温度约1 800～2 200℃,平均停留 时间约10s ,反应速率高,因而气化装置的生产能力 大。有效气体CO H2含量高达91 以上,碳转化 率～99 。 4气化炉原料从炉顶部喷入,采用单喷嘴,四 层喷料结构130MW的工业装置 , 每层之间用水冷。 喷头尖端部分为特殊材料,其余部分为普通不锈钢。 用100m/ s的高速氧蒸汽旋转式将10m/ s左右粉 煤喷入炉内,使煤均匀混合、 燃烧、 气化,碳转化率达 99 。 5 GSP供料系统采用400kg/ m 3 惰性气体密相 气流输送,合格粉煤经煤锁仓三管并流进料,每根进 料管都设有固体物料固-气混合的流量计、 密度 计。用通过的粉煤供入量调节入炉氧气和蒸汽量。 供料系统安全可靠。气化炉温度主要根据气化室与 激冷室的压差变化来调节控制。正常情况下其压差 为20～30mbar200～300H2 O 。 6气化炉点火升温迅速,负荷弹性可在50 ～ 110 运行。气化炉设有专门的点火喷嘴,采用电点 火。该喷嘴在正常操作时以低负荷保持点燃状态,可 用气化炉自产煤气。 7采用激冷流程,高温煤气在激冷室上部用若 干水喷头将煤气激冷至200℃ 左右,然后用文丘里除 尘器将煤气含尘量降低到1mg/ m3以下。这种工艺 技术简单,设备及运行费用较低。除喷嘴和水冷壁、 部分阀门、 特殊仪表外绝大部分设备可国产化。 与壳牌气化技术相比,GSP气化技术由于其气化 炉的结构简单,使得项目一次投资较较小。一台套 2 000t/ d投煤量的气化装置不足4亿元人民币,采用 该气化技术是一种比较经济、 现实的考虑。 113 固定床加压气化工艺 鲁奇炉加压气化是加压固定床气化的代表,在 30年代已工业化,属第一代煤气化工艺,技术成熟可 靠,是目前世界上建厂数量最多的煤气化技术。八十 年代以来,我国已引进四套现代化鲁奇气化装置,其 中三套用于生产城市煤气,一套用于生产合成氨,在 设计、 安装和运行方面均已取得丰富经验。鲁奇炉采 用固态排渣,炉温偏低,煤与气化剂逆向运动,煤气中 甲烷含量高,特别适合于作为城市煤气;另外粗煤气 中含有一定量的焦油、 酚、 氨等有害物,需脱除这些有 害物质。化学工业第二设计院经过几十年的摸索,近 几年开发了废水污循环的工艺,成功的解决了鲁奇气 化工艺的难点。 鲁奇炉煤气化技术特点 1鲁奇炉碎煤气化技术系固定床气化,固态排 渣,对煤种有一定的要求,适宜弱粘结性、 较高灰熔点 的5～50mm的碎煤。 2生产能力大。自工业化以来,单炉生产能力 持续增长。这种增加主要是靠操作的不断改进。 3气化炉结复杂,炉内设有破粘和煤分布器、 炉箅等转动设备,制造和维修费用大。 4入炉必须是块煤,原料来源受一定限制。 5出炉煤气中含焦油、 酚等,污水处理和煤气 净化工艺复杂、 流程长、 设备多,炉查含碳5 左右。 鲁奇炉加压固定床加压气化工艺技术的特点是 工艺技术成熟、 先进、 可靠,在大型煤气化技术中投资 相对较少。 61化工设计通讯第35卷 114 碎煤加压熔渣气化液态排渣技术 碎煤加压液态排渣气化技术是传统固态排渣气 化炉的进一步发展,气化炉内衬耐火衬里,其特点是 气化温度高,气化后灰渣呈熔融态排出,因而使气化 炉的热效率与单炉生产能力提高,煤气成本降低。液 态排渣气化炉上部设有布煤搅拌器,可气化较强粘结 性的烟煤。气化剂从气化炉下部喷嘴喷入,气化时, 灰渣在高于灰熔点T2温度下呈熔融状态排出,熔渣 快速通过气化炉底部出渣口流入激冷器,在此被水激 冷而成固态炉渣,然后通过灰锁排出。 化学工业第二设计院和云南煤化集团有限公司 目前正在与ADVANTICA公司合作熔渣气化技术对 原有的一台 2 800鲁奇气化炉进行改造,在2006年 五月已经投入运行,目前运行状况良好。目前,该公 司建设15万t/ a二甲醚项目,气化装置将开发3 600 气化炉,目前已进入详细设计阶段。 碎煤融渣加压气化与鲁奇固定床气化方法相比, 具有以下特点与优势 1从炉顶进入的原料煤与产品气逆流接触,受 热后被干燥、 干馏,因此冷煤气效率可以达到90 。 2气化强度大。由于液态排渣气化煤气中的 水蒸汽量很少,气化单位质量的煤所生成的湿粗煤气 体积远小于固态排渣,因而煤气气流速度低,带出物 减少,因此在相同带出物条件下,液态排渣气化强度 可以有较大提高。 3较高的气化效率使得熔渣气化工艺的蒸汽 消耗及氧气消耗与其他气化方法相比均较低。 4由于出炉煤气的温度较低～500℃ , 煤气 中含有的焦油会附着在设备及管道表面,因此整个装 置大部分设备及管道都可以采用碳钢材料,从而降低 投资。 5因水蒸汽耗量大为降低,且配入的水蒸汽仅 满足于气化反应,蒸汽分解率高,煤气中的剩余水蒸 汽很少,故而产生的废水远小于固态排渣。 6由于液态排渣气化剂的汽氧比远低于固态 排渣,所以气化层的反应温度高,碳的转化率增大,可 以达到99 ,煤气中CO含量较高。熔渣气化产生的 玻璃状炉渣含污染物极少,对环境和人类影响极其轻 微,可以作为水泥填料、 制砖材料或用作筑路。与固 定床碎煤加压气化相比,碎煤融渣加压气化技术也是 一种适当先进、 经济实惠、 切实可行的气化技术,但是 该技术尚在开发阶段,待云南解化集团有限公司采用 碎煤融渣加压气化改造技术运行一段时间后,随着工 程的进展该技术也可以作为可选择的一种气化技术。 2 几种气化方法比较 几种气化方法比较 序号项目 壳牌粉 煤气化 德国GSP 碎煤加 压气化 碎煤熔 渣气化 1气化工艺 干法气流床 液态排渣 干法气流床 液态排渣 固定床 固态排渣 固定床 液态排渣 2适用煤种 次烟煤、 烟 煤、 褐煤、 无烟煤、 油渣等 次烟煤、 烟 煤、 褐煤、 无烟煤、 油渣等 褐煤、 次烟煤、 无烟煤等 褐煤、 次烟 煤、 无烟 煤、 垃圾等 3气化压力/ MPa 210～410210～410211～310211～310 4气化温度/℃1 400～1 5001 400～1 600 900～1 200 1 300～1 350 5 单炉最大投 煤量t/ d 3 0002 0001 000～1 5001 000～1 500 6 1 000m3标 有效气体耗 氧量 Nm 3 330～360330～360200～250200～260 7碳转化率/ ≥99≥999899 8冷煤气效率/ ～828080～8590 9有效气含量/ 90 90～9265～7084 11操作弹性/ 50～13030～110 12技术成熟度 已投入运 行出现 一些问题 国外有一 台运行经 验国内尚 未商业运行 成熟 有一台运 行技术 开发阶段 3 结 论 煤的气化技术煤气化是一种较为成熟的加工工 艺,我国非常重视煤气化技术的研究与开发,特别是 以煤为原料的合成氨和甲醇等生产工艺,配套的煤气 化技术基本上是靠自己的力量发展起来的。 各种气化方法均有其各自的优缺点,对原料煤的 品质均有一定的要求,其工艺的先进性、 技术成熟程 度互有差异。因此要根据煤种、 用途、 技术成熟可靠 度及投资等来选择气化方法。个人认为气化技术的 选择应考虑的因素如下,按重要性排序煤种,造价, 应用场合,国内技术基础,可用率,效率,配套单元空 分、 给料、 渣水处理 , 净化技术,大型化潜力等等。 下转第30页 71 第1期邵洪兴煤气化技术的选择与对比 调整。 915 入口缓冲槽拉空 由于废水升压泵P3201/ P6201/ P8201的入口缓 冲槽V3117/ V6117/ 8117的体积较小,约为212m3, 极易被废水泵拉空,从而使泵损坏,为此,我们在该槽 设置了液位低报警和液位低联锁,一旦槽的液位低于 联锁值,联锁动作,废水升压泵将会自动跳车,从而既 可以防止槽被拉空影响后系统又可以防止泵发生汽 化而损坏泵。 916 废水升压泵损坏 废水升压泵的参数为转速23 700r/ min ,操作压 力最高1210MPa ,操作温度 165℃,轴温正常 90℃,所以其操作条件非常苛刻,当主控室的DCS操 作盘上却只能看到泵的运行信号而显示不出泵正常 运行时的油温和油压,导致废水泵故障频发。针对这 种情况,我们对泵进行了改造,将现场的油温油压信 号引到主控DCS操作盘上,这样主控操作人员可以 随时进行监控,同时,又增加了油温高报和油压低联 锁,并把泵的机械密封由单击改为串联双级,从而有 效的保证了废水泵的安全运行。 10 结 语 通过对三聚氰胺装置生产废水处理系统的工艺 技术的有关介绍及对其在运行中出现的问题的分析 和解决,使我们对三聚氰胺装置生产废水处理工艺技 术有了一个全面的了解,同时积累了一定的操作经 验,从而为我们在日常生产过程中稳定操作生产废水 处理系统,保证该系统安稳长期运行奠定了基础,为 三聚氰胺装置的长久、 安全、 高产运行创造了条件 上接第17页 目前煤化工如火如荼,大型化的气化炉似乎挺 火,但小的化肥厂更需要百吨级的炉子,造价要低,技 术要成熟。这个市场比大型化的气化炉要大的多。 还有,气化技术应用于煤化工的市场实际上是有限 的,更大的市场可能会在IGCC发电、 钢铁、 工业燃料 气等行业等等。 上接第22页 要更换检漏试剂。 4进高压设备的检漏氮气总管压力应控制在 012MPa以下。 5用于配制检漏试剂的脱盐水应是干净的,不 得含有氨,否则会引起误判断。 6用于检漏的氮气应不含氨及其它杂质。 7监测用检漏试剂中的酸浓度不能太高,否则 微量泄漏不会使试剂变色,达不到检漏的目的。 8运行中应时常关注洗气瓶中溶液是否鼓泡, 确保样气连续地通入试剂中。 9洗气瓶中的样气应与溶液充分接触,保证有 氨就能发生反应。 4 结 语 我公司三套尿素装置的高压设备检漏改为氮气 检漏一年多以来,运行效果很好,曾经因为氮气中含 有微量的氨使检漏试剂变色,由于发现及时,很快就 查明了引起变色的原因。 上接第24页 应器泄压。高压氨系统改造后,氨冲洗夹套泄漏的次 数明显减少,处理起来也方便了许多。2008年8月 底,三聚氰胺装置的高压氨夹套总管段突然大量泄 漏,导致FIC1064无量,反应器底部加不进氨。当班 人员确认后,立即将泄漏段切出、 排放,并打开及时氨 冲洗与氨加热器E103出口的联通阀门,恢复反应器 的氨冲洗及底部供氨,使反应器能够通过升华排塔安 全停车。事实证明,此次高压氨系统的改造是很成功 的,有效地降低了停车及检修过程中的安全隐患,大 幅度减少了检修工作量,使装置提前开车,创造了很 可观的经济效益。 03化工设计通讯第35卷 Abstract Selection of Shifting G as Desulfurization and Decarbonization Process For Coal2B ased 18/ 30 Plant GE Zhi2yin Neimenggu Xilinhe Coal Chemical Industry Co1, Ltd ,026321, China Abstract This article describes the selection of shifting gas desulfurization and decarbonization process for coal2based 18/ 30 plant1It makes an economic and technical analysis among cryogenic methanol washing process , NHD process and TV PSA coombined process1Finally , it thinks that TV PSA combined process is the best way1 Key words shifting gas , desulfurization and decarboniza2 tion , economic and technical analysis , selection Selection of Refrigeration Process in Synthetic Ammoia Plant XIE Shu2shen Coal Chemial Industry ompany of Yankuang Group , Tengzhou277527, China Abstract This article introduces the ammonia absorption re2 frigeration process and compression refrigeration process1A comprison is made between these two processes1Ammonia ab2 sorption process can recover the waste heat and the compres2 sion process can save the investment1 Key words ammonia absorption , compression , refrigeration Application of Briquet Technique in my Plant NIU Bao2yu ,ZHANGJi2hua ,ZHANG Shuan A nyang Chemical Industry group Co1, Ltd , A nyang455133, China Abstract As the rapid development of coal chemical technol2 ogy in China , coal chemical industry’demand for coal is growing1In order to reduce the cost of raw materials , Large coal2chemical enterprises have been introduced the briquette production process1This paper mainly introduces the applica2 tion of briquette technology in our plant1 Key words briquette technology , fule constituent , Hori2 zontal drying furnace Optimization of Coke2oven G as Desulfurization Process LIU Fan China Mining University , Beijing100083 Abstract Means of gas desulphurization are classified and compared1The desulfurization process of a coke2oven plant is analyzed1Some suggestions are put forward1 Key words coke2oven gas , desulphurization Selection and Comparison of Coal G asification Technigue SHAO Hong2xing Changda Co1, Ltd of Changshan Fertilizer Group , Songyuan131109, China Abstract This article describes the selection and comparison of coal gasification technigue1 Key words coal gasification process , feature , comparison , prospect Level Control of Medium2pressure Absorption Tower in Urea Plant WEI Zuo2feng Henan Zhongyuan Dahua Group Co1, Ltd , Puyang457004, China Abstract In the urea production by SNAM ammonia strip2 ping process , level control of medium2pressure absorption tow2 er has a direct effect on start2up1Some measuresfor controlling the level of medium2pressure absorption tower are put forward1 Key words level , temperature , control Transation of High2pressure Leakage2 detecting Eguipment System in Urea Plant BIN Ze2lin , YU Lian2yong , LIU Xin Fertilizer Branch of Sichuan Meifeng Chemical Co1, Ltd , Deyang618000, China Abstract This article describes the function of high2pressure eguipment leakage2detecting system in urea plant1Some trans2 ation measure are put forward for high2pressure eguipment leakage detection with nitrogen1 Key words urea , high2pressure eguipment , leakage2detect2 ing system , modification Technical Transation on High2pressure Ammonia System in Melamine Plant SHI Mu2sen , WANG Chong2mao , GUO Jian2feng Henan Zhongyuan Dahua Group Co1, Ltd , Puyang457004, China Abstract This article summarizes the long2term operating condition of high2pressure ammonia system in melamine plant1 It also describes the process flow , existiing problems and influ2 encing factors of high2pressure ammonia system1Some mea2 sures are put forward1 Key words melamine , high2pressure ammonia , leakage , shut2down Process Design and Operation uation on Wastew ater Treatment System in Melamine Plant CHEN Peng Henan hongyuan Dahua Group Co1, Ltd , Puyang457004, China Abstract This article introduces the wastewater treatment process in melamine plant1Clean operation of melamine plant is realized1 Key words melamine , wastewater , process , problem Foult R eason Analysis and T echnical T ransation on Plunger and Packing of Plunger Pump ZHEN Li2ping