四种煤气化技术及其应用.pdf

河南化工 H E N A N C H E MI C A L I N D U S T R Y 2 0 0 8 年第2 5卷 四种 煤 气 李琼玖 ， 钟贻烈 化 技 术 及 其 应 用 廖宗富 ， 漆长 席 ， 周述志 ， 赵月兴 成 都益 盛环境工程 科技 公司， 四 川成都 6 1 0 0 1 2 摘 要 介绍了4 种煤气 化工艺 技术， 包 括壳牌工艺、 德士古水煤装气化工艺、 恩德工艺、 灰熔聚流化床气化工艺， 对其技术特点、 工艺流程、 主要设备及应用实 例进行了 详细阐 述， 并对4 种工艺 进行T 对比。 关键词 煤气化 ; 壳 牌工艺; 德士古; 恩德工艺; 灰熔聚工艺; 煤气炉 中 图 分类 号 T Q 5 4 6文 献 标识 码 A文 章编 号 1 0 0 3 一 3 4 6 7 2 0 0 8 0 3 - 0 0 0 4 - 0 4 F o u r C o a l G a s i f i c a t i o n T e c h n o l o g i e s a n d T h e i r A p p l i c a t i o n L I Q i o n g 一 j i u， Z H O N G Y i 一 li e， L I A O Z o n g 一 f u， Q I C h a n g 一 x i ， Z H O U S h u 一 z h i ， Z H A O Y u e 一 x i n g C h e n g d u Y i s h e n g E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g T e c h o lo g y C o . L t d， C h e n g d u 6 1 0 0 1 2， C h in a A b s t r a c t F o u r c o a l g a s i f i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ， i n c l u d i n g S h e ll t e c h n o l o g y , T e x a c o c o a l 一 w a t e r s l u r ry g a s i f i - c a t i o n , E n t i c k n a p p r o c e s s , a s h a g g l o m e r a t i o n fl u i d i z e d b e d g a s i f i c a t i o n t e c h n o l o g y a r e i n t r o d u c e d ， a n d t h e t e c h n i c a l f e a t u r e s , t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s , m a i n e q u i p m e n t a n d a p p l i c a t i o n e x a m p l e o f t h e f o u r t e c h n o l o g i e s a r e d e s c r i b e d i n d e t a i l . K e y w o r d s ; c o a l g a s i f i c a t i o n; S h e l l t e c h n o l o g y; T e x a c o; E n t i c k n a p p r o c e s s ; a s h a g g l o m e r a t i o n t e c h - n o l o g y; g a s s t o v e 1 壳牌粉煤气化制取甲醇合成气 1 . 1 壳 牌工艺技术的特点 壳牌煤气化过程 S C G P 工艺 是在高温加压下 进行的， 是目 前世界上最为先进的第 F G代煤气化 工艺之一。按进料方式， 壳牌煤气化属气流床气化， 煤粉、 氧气及蒸汽在加压条件下并流进人气化炉内， 在极为短暂的时间内完成升温、 挥发分脱除、 裂解、 燃烧及转化等一系列物理和化学过程。一般认为， 由于气化炉内温度很高， 在有氧存在的条件下， 碳、 挥发分及部分反应产物 H Z , C O等 以发生燃烧反 应为主; 在氧气消耗殆尽之后发生碳的各种转化反 应， 过程进人到气化反 应阶 段， 最终形成以C O , H Z 为主要成分的煤气离开气化炉。 壳牌粉煤气化的技术特点 ①干煤粉进料， 加压 氮气输送， 连续性好， 气化操作稳定。气化温度高， 煤种适应性广， 从无烟煤、 烟煤、 褐煤到石油焦均可 气化， 对煤的活性几乎没有要求， 对煤的灰熔点范围 比 其它气化工艺更宽。 ，对于高灰分、 高水分、 含硫量 高的煤种同样适应。 ②气化温度约1 4 0 0 - 1 7 0 0 9 0 , 碳转化率高达9 9 以上， 产品气体相对洁净， 不含 重烃， 甲 烷含量极低， 煤气中有效气体 C O H Z 高 达9 0 以 上。 ③氧耗低， 与水煤浆气化相比， 氧气 消耗低， 因 而与之配套的空分装置投资可减少。④ 单炉生产能力大， 目 前已投人运转的单炉气化压力 为3 M P a ， 日 处理煤量已达2 0 0 0 t o⑤气化炉采用 水冷壁结构， 无耐火砖衬里， 维护量少， 气化炉内无 转动部件， 运转周期长， 无需备炉。 ⑥热效率高， 煤 中约8 3 的热能转化在合成气中， 约1 5 的热能被 回 收为高 压或中压蒸汽， 总的热效率为9 8 左右。 ⑦气化炉高温排出的 熔渣经激冷后成玻璃状颗粒， 性质稳定， 对环境几乎没有影响。气化污水中含氰 化合物少， 容易处理， 必要时可做到零排放， 对环境 保护十 分有利。 ⑧壳牌公司专利气化烧嘴可根据需 要选择， 气化压力2 . 5 一 4 . 0 M P a ， 设计保证寿命为 8 0 0 0 h ， 荷兰D e m k o l e c 电厂使用的烧嘴在近4 年 收稿日 期 2 0 0 7 一 1 0 一 1 3 作者简介 李琼玖 1 9 3 0 一 ， 男， 教授级高级工程师、 研究员， 长期从事化工设计、 建设、 生产工程技术工作， 主编 合成氨与碳一化学 、 醇 醚 燃料与 化 工产品 链工程技 术 专著， 发表 论文 百余篇， 电 话 0 2 8 8 6 7 8 2 8 8 9 0 万方数据 第3期李琼玖等 四种煤气化技术及其应用 的 运行中尚 未更换过， 累计运行时间超过7 5 0 0 h , 这是气化装置长周期运行的又一重要保证。 ⑨气化 操作采用先进的控制系统， 其中包括壳牌公司专有 的工艺计算机技术， 设有必要的安全联锁及控制系 统， 使气化操作于最佳状态下进行。 1 . 2 工艺流程 目 前， 壳牌煤气化装置从示范装置到大型工业 化装置均采用废锅流程， 简略流程图见图1 0 循 环 气去 激 冷循 环压 缩机 返回飞灰 图1 壳牌气化装置简略流程 壳牌煤气化工艺 S C G P 是以干煤粉为原料， 纯 氧作为气化剂， 液态排渣， 属加压气流床气化工艺。 原煤先行破碎、 研磨成煤粉并经干燥处理， 再用氮气 将送人贮罐内的煤粉与氧气和蒸汽一起送进气化炉 的燃烧室。上述过程中所使用的氧气和氮气均由同 一套空气分离装置所产生。喷人气化炉的煤粉、 氧 气和蒸汽是在高于气化压力0 . 5 M P a 下通过对列式 烧嘴 进 人炉 膛， 在 气 化 炉内1 4 0 0 一 1 7 0 0 9 C , 3 . 5 4 . 0 M P a 的条件下发生化学反应。 高的气化温度确 保煤中所含的灰分熔渣沿气化炉膜壁自由流下至气 化炉底部， 变成一种玻璃状不可沥滤的炉渣而排出。 这个温度亦防止有毒热解副产物的形成， 并可以获 得高的碳转化率 9 9 ， 还确保了粗合成气基本 上没有比甲烷重的有机组分。 气化炉顶的合成气 一 1 5 0 0℃ 用返回的粗合 成气激冷至8 5 0 一 9 0 0℃， 然后进人合成气冷却器 即废热锅炉 作进一步冷却， 气化炉内膜式水冷壁 及废锅可同时产生高、 中压蒸汽。从气化炉出来的 合成气中 所携带的少量灰分颗粒在组合式陶瓷 过滤 器中分离除去， 干灰进人灰锁斗， 然后送往储仓， 可 作为水泥的配料。干法除尘后合成气中含尘约为 1 0 x 1 0 - 6 ， 经水洗后含尘量为1 x 1 0 - 6 。 离开 气化 工序的合成气中含有8 0 一 8 3 的原煤能量， 被称 为冷煤气效率。由 气化炉和合成气冷却器产生的蒸 汽含有另外的1 4 一 1 6 的原煤能量。 煤炭中所含的硫、 卤素及氮化合物在气化过程 中生成气态的硫化物、 卤素、 分子态氮、 痕量氰化氢。 氰化氢及硫氧化碳 C O S 被催化转化为氨及硫化 氢， 卤素和氨经水洗塔洗涤除去。水洗后的合成气 送入后续工序。 在气化炉内气化产生的高温熔渣， 自流入气化 炉下部的渣池进行激冷， 高温熔渣经激冷后形成数 毫米大小的玻璃体， 可作建筑材料或用于路基。 1 . 3 主要设备 壳牌煤气化装置的核心设备是气化炉和合成气 冷却器。 壳牌煤气化炉主要由内筒和外筒两部分构成。 气化炉内筒上部为燃烧室， 下部为激冷室， 煤粉及氧 气在燃烧室反应， 温度为 1 6 0 0℃左右。为了避免 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， 壳牌气化炉内筒 采用水冷壁结构， 仅在向火面有一层薄的耐火材料 涂层， 正常操作时依靠挂在水冷壁上的熔渣层保护 金属水冷壁， 气化炉内筒与外筒之间有空隙气层， 内 筒仅承受微小压差。与其他气化炉不同， 壳牌气化 炉采用侧壁烧嘴， 并且可根据气化炉能力由4 - 8 个 烧嘴中心对称分布。 壳牌煤气化炉包括膜式水冷壁、 环形空间和压 力外壳等， 下部装有破渣机及锁渣罐， 膜式水冷壁悬 挂在压力壳体中。 ①膜式水冷壁 壳牌在阿姆斯特丹的实验气化 炉内 都有耐火衬里， 但根据实际操作经验， 壳牌认为 即使最先进的耐火砖， 在高温、 高热负荷和熔渣不断 侵蚀的环境下， 也难以保证高强度和长寿命运行。 所以， 确定在气化炉的高压壳体中安装用沸水冷却 的膜式水冷壁 以下简称“ 膜式壁” ， 使工艺过程 即氧化反应 在有膜式壁围成的空腔内进行。气 化压力由外部的高压壳体承受， 内件只承受压差， 属 低压设备。膜式壁一方面提高了S C G P的效率， 不 需要外加蒸汽， 并可副产中、 高压蒸汽; 同时也增强 了工艺操作强度， 但膜式壁增加了工程设计的难度 和制造的复杂程度。②环形空间 环形空间位于压 力容器和膜式壁之间。设计环形空间是为了容纳 水 / 蒸汽的输出 / 输人管和集管， 而且便于检查和维 修。环形空间的尺寸为8 0 0 m m ， 膜式壁作为悬挂系 统放在气化炉内， 很好地解决了热补偿问题。③压 力壳体 壳牌煤气化炉的压力壳体采用标准化设计， 可按一般压力容器标准进行设计制造， 材料一般用 低铬钢。国内设计、 国内制造时， 可采用国内生产的 1 5 C r M o R 材料。 ④内件 为了确保材料能承受实际 万方数据 6 河南化工 H E N A N C HE MI C A L I N D U S T R Y2 0 0 8 年第2 5 卷 的工艺条件， 又考虑易于制造和维修、 便于安装和焊 接， 内 件材料采用I N 6 2 5 及D I N 1 . 7 3 3 5 ， 高速激冷器 及激冷环采用I N 8 2 5 o⑤烧嘴 烧嘴的空气动力学 设计和所产生的热量效果是S C G P 多年研究开发后 确定的。 工程设计不仅要考虑喷嘴的基本机械设计 要求， 还要考虑制造上的要求。烧嘴的可靠性和寿 命不低于连续一年以上运转。气化炉烧嘴安放在气 化炉下部， 对列式布置， 数量一般为4 一 6 个。 ⑥破 渣机 壳牌原设计气化炉底部无破渣机， 在生产操作 过程中曾发生锁斗阀堵塞。现增设破渣机， 不会再 出 现大渣堵塞情况。 ⑦锁渣罐 与德士古煤气化炉 一致。 合成气冷却器用于回收高温煤气的显热， 既要 承受高温高压， 又要承受煤气中粉尘的冲 测， 操作条 件比 较恶劣。由于温差大， 如何消除或减少热应力 给设备带来的损害也是必须周密考虑的问题。合成 气冷却器的金属外筒为受压容器， 承受的温度不高 设计温度约3 5 0 9 C 。内件由圆筒型水冷壁和若 干层盘管型水冷壁组成， 盘管型水冷壁各层之间密 封分隔， 为消除水冷壁上的积灰， 废锅可根据需要设 置若干数量的 气动敲击除灰装置， 定期或不定期进 行振动除灰。 气化炉和合成气冷却器顶部用导气管连接， 导 气管内部也为水冷壁结构。 1 . 4 壳牌煤制甲醇设计大型工艺流程设备的组合 单元。 6 0 万V a 1 2 0 万V a 生产单元方块流程详见 图2 0 国产化或购买国外闲置设备 ， 精甲醇 印 万血 1 2 0 万U a 联尿及氨合成全部国产化或利 用已有生产装置.不需配套 生产技术 图2 煤制甲 醉6 0 万V a 1 2 0 万V a 生产单元方块流程 产品 规模 精甲 醇6 0 万t / a ; 合成氨 利用弛 放排放或 少排放的目 的。 ④含N 2 的6 M P a 甲 醇弛放 气 1 5 万V a ; 大颗粒尿素2 6 万t / a 。气回 收经c o 变换成C O 和H Z ， 送人已有合成氨和 原料及动力消耗 烟煤9 7 . 5 万V a ; 电约3 万尿素生产装置或在等压下进行联尿代替专门的C 0 2 k W. h ; 原水5 0 0 m 3 / h 。脱除同时生产尿素。由于粉煤气化系用高压N 将 煤制甲 醇的 组合单元技术 ①壳牌粉煤加压纯煤粉吹 人炉中， 于是合成气中 含有一部分N Z ， 需在 氧气化炭的利用率为9 9 , l 台炉子生产6 0 万“ a甲 醇合成中 弛放出来， 采用联氨联尿技术， 在6 0 万 甲 醇合 成气， C O H , 甲 醇合成气可满足配氢气生t / a 煤制甲 醇中， 甲 醇弛放气可生产1 5 万“ a 合成 产1 2 0 万“ a 甲 醇， 气化压力7 M P a 的合成气在等氨， 经变换后的变换气联尿可生产2 6 万t/ a 尿素。 压下合成甲 醇， 免去复杂的合成气压缩机， 并节省压通过多联产后， 使原料煤炭得到充分利用， 如煤中 硫 缩 所需动力。 ②活化甲 基二乙醇胺用于合成气净化物回 收 成硫黄， 弛放气 C O H Z N z 回 收成尿 化， 同时具有物理和化学吸收作用， 增强了吸收效素产品， 既免去煤炭直接燃烧利用排放出大量的 率， 既 无冷热症 同 低温甲醇洗比 ， 又有利于大型H 2 S 毒物及C 0 2 和粉尘造成对环境的巨大危害， 又 化， 1 套可满足6 0 万“ a 甲 醇生产能 力， 且有我国自可以 变 废为 宝。 主的知识产权。 ③甲 醇合成和精馏设备国 产化或购我国 最先引 进壳牌气化炉的湖北双环油改煤工 买国 外大型 天然 气制甲 醇闲置设备配套， 仅用1 台程， 是国内 外 第一家采用该技术制取合成氨原料气 结构简单的 一段压缩的离心式循环机， 所组成单系的 项目， 采用3 . 5 M P a 干煤粉气化技术取代原3 . 2 列流 程短、 设备少、 能耗低、 投资省的 先进成熟可靠M P a 重油 气化2 0 万“ a 合成氨造气。已经采用或 装置。 在电 力丰富 地区 或靠近水 力发电 用水电 解配准 备采用 壳牌气化炉的还有广西柳州化肥厂、 湖南 氢， 在大 炼焦厂用焦炉气高压 非催化 转化制 氢， 都可洞 庭氮 肥厂、 中国 神 华煤制油有限 公司、 湖北枝江 化 充分 利用粉 煤气化的 合成气中 所含有的c o 满足双肥厂、 安徽安 庆化工总厂、 大连大化公司合成氨厂、 吨甲 醇 产量翻番达1 2 0 万“ a 甲 醇， 可做到C 0 2 零云 南云天 化集团 等1 5 家以 上。 万方数据 第3期李琼玖等 四种煤气化技术及其应用7 2 德士古水煤浆气化制取甲醇合成气 2 . 1 水煤浆加压气化制合成气工艺技术特点 德士古水煤浆气化技术制取合成气， 除氧耗较 高外， 它具有以下优点 ①原料灵活性。 对煤的性状 如粒度、 湿度、 活化性和烧结等较不敏感， 任何能制 成浓度可输送浆料的含炭固 体都适用。 ②气化效率 高。把煤浆送进气化炉， 在高温高压下于瞬间内几 乎都转化为合成气， 气化效率高达9 6 以 上。 ③投 资少、 成本低。由于气化效率高， 给中型工艺装置提 供了高馈给量和高产气量的可能， 从而缩减了装置 的占 地面积和投资。又使用了价格低廉的煤， 使合 成气生产成本也大幅度降低。④简单、 可靠。气化 炉无可动部件。 烧嘴清扫迅速容易， 不需等气化炉 冷却下来就可拆换。煤浆供料系统仿照液体碳氢化 合物供料系统， 证明安全可靠。 ⑤工艺效率高。 经 由简单的途径就可实现把原料几乎完全转化为产品 气。为了做到完全转化， 还可把废弃固体中的高含 炭量部分回收后， 再循环到煤浆制备和气化炉中去。 气流中的显热通过直接急冷或间接气冷予以回收。 ⑥生产气容易精制。因不生成焦油、 苯酚等有害的 副产品， 所以容易精制。可以获得适合于甲醇及氨 合成和碳一化学， 复合循环发电、 城市煤气等用的净 化原、 燃料气。⑦运转适应性强。在负荷变化时容 易起动或停运。 ⑧有利于环保。高的反应温度消除 了较甲烷为重的碳氢化合物的形成。煤中含有的硫 黄以亚硫酸钱和熔融硫黄形式予以回收， 作化工原 料; 煤中1 0 一 2 0 的 灰分经处理后可用作生产水 泥的原料。 2 . 2 水煤浆气化工艺流程及设备 或采用渭河厂6 M P a 气化炉 烟煤由煤矿制成水煤浆用管道输送气化装置煤 浆槽贮存 内 设搅拌器 煤浆浓度6 0 一 6 2 ， 粒度 2 0 0目以下加热到7 0℃后， 由煤浆泵加压到5 . 2 M P a 与空分氧压缩机送 来的富氧一起经德士 古喷嘴 进人气化炉。 气化炉在6 M P a 、 约1 4 0 0℃下操作， 喷人的原 料瞬I7 反应气化， 产物 c o H Z 达7 8 一 8 0 ， 其 余为C O Z , N Z , H Z S , C O S , C H , 等， 高温气体经淬冷后 出气化炉， 再由文丘里洗涤器、 碳洗涤塔洗掉气体中 的灰尘。粗合成气体淬冷后用水蒸气饱和， 使气/ 水 比 为1 1 . 6 5 ， 温度为2 4 7 ℃ 进人变换工序。 灰渣成 熔融状态， 随气流沿炉壁下流， 经淬冷破渣进人渣 罐， 间断排人渣池， 再经分离送往渣堆场。 由淬冷室溢流出的含灰淬冷水， 经换热、 闪蒸、 冷却人沉淀槽， 上部清水一部分人湿式球磨机， 一部 分送污水处理厂。而大部分灰水和一部分过滤水， 变换冷凝液一起为洗涤水和淬冷水循环使用。沉淀 槽下部的浆经板框压滤机将细渣和灰水分离， 细渣 成滤饼状堆放。 送变换工序的气体， 经预热器加热到3 1 5℃送 人变换炉， 在耐硫催化剂作用下进行C O变换反应， 出变换气体进人换热器后再人废锅副产中 压蒸汽回 收废热后， 经锅炉给水、 脱盐水预热器以回收热量， 再水冷却到4 0℃后人M D E A脱硫脱碳工序。 德士古煤气化技术的关键设备是煤气炉， 属于 气流床湿法加料液态排渣的加压煤气化工艺， 是当 前世界发展较快的第二代煤气化方法， 我国陕西渭 河化肥厂引进6 M P a 加压气化炉， 山东鲁南化肥厂 购买生产许可证设计2 . 6 5 M P a 加压气化炉。水煤 浆气化技术的主要优点 开停车方便， 加减负荷较 快， 煤种适用广泛， 碳转化率高， 生产过程无污染。 德士古煤浆气化技术不仅能生产合成气， 而且能生 产出燃料气及高压蒸汽， 有如下特点 ①煤种适应性 强， 可用粉煤、 次烟煤、 石油渣等， 不受灰熔点高低的 限制; ②合成气质量好， 有效 c 0 H Z 8 0 ， 煤 气甲烷含量低 C H , 0 . 1 ， 可作生产氨、 甲醇、 产 品的原料气， 也可用于联合循环发电等; ③合成气成 本低廉， 与天然气、 渣油相比， 煤制合成气综合价格 最低。 ④在加压和高温 1 4 0 0 一 1 5 0 0 ℃ 下操作， 煤灰熔融后呈液态排出气化炉， 炭转化率可高达 一 9 8 以 上， 气化效率高， 高温煤气产生的热可 以直接或间 接回收; ⑤气化压力高、 单台能力大， 最 大燃煤量达2 0 0 0 t / 台、 压力6 . 7 M P a 的装置， 产品 为高压气， 可节省压缩所需的能耗和费用。自动化 程度高， 采用D C S 计算机控制; ⑥工艺操作比较灵 活， 负荷适应性广， 可在7 0 一 1 0 0 负荷范围内正 常操作。 ⑦气化炉结构简单， 无机械传动装置; ⑧三 废污染少， 由于炉温高， 煤气中 氰化物等有毒物质产 生很少， 几乎无废气排放， 废水中不含酚和焦油， 部 分含H Z S , H C N , N H 3 的污水采用生化处理达标后排 放或返回 制浆使用， 灰渣可作水泥或建筑材料， 三废 处理简单， 易于达到环保要求。 德士古煤浆加压气化法分淬冷、 废锅流程和半 废锅流程三种。淬冷流程简单、 投资少， 粗煤气水汽 比 较高， 满足C O变换要求， 故适于制氨和甲醇。废 锅流程投资高， 但可利用高位能废热副产高压蒸汽， 适于联合循环电和含氧化学品生产。 未 完 待续 万方数据