GSPTM 煤气化技术的应用.pdf

51 GSPTM煤气化技术的应用 （北京索斯泰克煤气化技术有限公司） 1 GSPTM煤气化技术概况煤气化技术概况 1.1 技术研发 GSPTM煤气化技术是由德国西门子集团拥有的，由前民主德国燃料研究所（DBI）于 20 世纪 70 年 代末开发并投入商业化运行的大型粉煤气化技术。该研究所创建于 1956 年，全称为 Deutsches Brennstoffinstitut Freiberg，一直致力于煤炭综合利用的开发工作，即使在国际市场石油过剩时，也没有 中断过对煤气化技术的开发工作。针对化工行业，本着降低投资与成本而研发出的 GSPTM煤气化技术 是世界先进的大型粉煤进料气流床加压技术之一。 分别于 1979 年和 1996 年， 在西门子的气化研发中心 （Freiberg）建立了 3 MW 和 5 MW 两套气化中试装置。这两套装置试验过的煤种来自德国、中国、波 兰、前苏联、南非、西班牙、保加利亚、加拿大、澳大利亚和捷克等国家。东西德合并后，该技术扩展 应用到生物质、城市垃圾、石油焦、含氯废物和其它燃料等气化领域。 1.2 技术应用 GSPTM煤气化技术自研发成功以后，其商业化应用扩展就丝毫没有停止过。1984 年在德国黑水泵 工厂采用 GSPTM气化技术建立了 1 套 200 MW 的商业化装置，粉煤处理能力为 30 t/h。该装置在 1984 至 1990 年间，成功对普通褐煤及含盐褐煤进行了气化，生产民用煤气。东西德合并后，德国政府引进 天然气取代了城市煤气，且对垃圾处理有补贴政策，故 1990 年后，该装置分别气化过天然气、焦油、 废油、浆料和固态污泥等原料，生产出的合成气用于甲醇生产及联合循环发电（IGCC） 。 2001 年，巴斯夫（BASF）在英国的塑料厂建成 30 MW 工业装置，用于气化塑料生产过程中所产 生的废料。2006 年，捷克 Vresova 工厂采用 GSPTM气化技术建设的 175 MW 工业装置开车试运转，其 气化原料为煤焦油，用于联合循环发电项目（IGCC） 。具体应用成功范例见表 1。 表表 1 GSPTM气化工艺应用成功范例气化工艺应用成功范例 气化类型 气流床气化炉 气流床气化炉 气流床气化炉 用 户 Schwarze Pumpe BASF plc，Sealsands Sokolovskd uhelnd，a.s． 所在地 Schwarze Pumpe，德国 Middlesbrough，英国 Vresov，捷克共和国 试 车 1984 年 2001 年 2006 年 反应器类型 气流床，水冷壁 气流床，耐火砖 气流床，耐火砖 热容量 200 MW 30 MW 175 MW 压 力 2.8 MPa（g） 2.8 MPa（g） 2.7 MPa（g） 温 度 1400 ℃ 1400 ℃ 1400 ℃ 激冷方式 完全激冷 局部激冷 完全激冷 供料系统 煤粉/液态供料 液态供料 液态供料 气化原料 19841990 前采用普通的与含 盐的褐煤1990 年以后采用天然 气、污泥、焦油以及生物质等 尼龙合成过程中产生的液体废 物， 包括合氢氰酸和硝酸盐的副 产物以及含硫酸铵的有机物 440 MW IGCC 的 26 个 固定床气化炉产生的焦 油与其它液态副产品 产 品 用于 IGCC 和甲醇的原气 燃料气 用于 IGCC 的燃气 1.3 在中国的业绩 中国是能源消耗大国，更是煤炭大国，石油资源相对缺乏。为了更好地推动 GSPTM煤气化技术在 52 中国煤化工及煤制油领域的应用，北京索斯泰克煤气化技术有限公司于 2005 年 5 月在中国北京成立， 德国西门子发电集团与中国神华宁夏煤业集团有限责任公司各拥有该合资公司 50的股份。北京索斯 泰克煤气化技术有限公司独家负责 GSPTM煤气化技术在中国及其周边地区的推广与使用许可。截止 2006 年 5 月，北京索斯泰克煤气化技术有限公司已经签订了 4 项技术转让合同，即与宁夏煤业集团签 订了 83 万 t/a 二甲醚一期 60 万 t/a 甲醇气化岛项目合同； 与安徽淮化集团签订 30 万 t/a 合成氨气化岛项 目合同；与江苏灵谷化工有限公司签订 30 万 t/a 合成氨气化岛项目合同；与神华宁夏煤业集团签订 52 万 t/a 煤基烯烃（中间产品为 167 万 t/a 甲醇）气化岛项目合同。 2 GSPTM煤气化工艺煤气化工艺 GSPTM煤气化工艺采用干粉进料、纯氧气流床气化、液态排渣、粗合成气激冷工艺流程。该流程包 括干粉煤的加压计量输送、气化与激冷、气体除尘冷却、黑水处理等单元。图 1 为 GSPTM煤气化工艺 流程示意图。 图图 1 GSPTM煤气化工艺流程示意图煤气化工艺流程示意图 2.1 备煤与加压计量输送系统 预先被破碎到≤25 mm 经过计量的去除金属煤，通过输送机送入磨煤机，在磨煤机内将煤磨碎到 适于气化的粒度（对不同煤种有不同的要求） 。磨煤的同时采用加热的惰性气流将其干燥到符合输送要 求的水分含量（对不同的煤种有不同的要求） 。 经研磨的干燥煤粉由低压氮气送到煤的加压和投料系统。 此系统包括储仓、 锁斗和密相流化床加料 斗。锁斗完成加料后，即用加压气（N2或 CO2）加压至与加料斗相同的压力，然后煤粉依靠重力送至 加料斗，再用输送气（N2或 CO2）从加料斗中将干煤粉送到气化炉的组合喷嘴中。粉煤流量通过入炉 煤粉管线上的流量计测量。图 2 为干粉煤的加压计量输送系统示意图。 53 图图 2 干煤粉的加压计量输送系统示意图干煤粉的加压计量输送系统示意图 2.2 气体及气体冷却除尘系统 加压干煤粉，氧气及少量蒸汽（对不同的煤种有不同的要求）通过组合喷嘴进入到气化炉中。气化 炉包括带水冷壁的气化室和激冷室。 气化炉的操作压力为 2.54.0 MPa（g） 。根据煤粉的灰熔特性，气化操作温度控制在 13501750 ℃ 之间。高温气体与液态渣一起离开气化室向下流动直接进入激冷室，被喷射的高压激冷水冷却，液态渣 在激冷室底部水浴中成为颗粒状，定期的从排渣锁斗中排入渣池，并通过捞渣机装车运出。 从激冷室出来的达到饱和的粗合成气经两级文氏管洗涤后，使含尘量达到要求后送出界区。 2.3 黑水处理系统 激冷室和文氏管排出的黑水经减压后送入两级闪蒸罐去除黑水中的气体成分， 闪蒸罐内的黑水则送 入沉降槽， 加入少量絮凝剂以加速灰水中细渣的絮凝沉降。 沉降槽下部沉降物经过滤机滤出并压制成渣 饼装车外送。沉降槽上部的灰水与滤液一起送回激冷室作激冷水使用，为控制回水中的总盐含量，需将 少量污水送界区外的全厂污水处理系统。 3 GSPTM煤气化关键设备煤气化关键设备 3.1 气化炉 气化炉包括用耐热低合金钢制成的水冷壁和激冷室。 水冷壁由多组冷却盘管组成， 水冷壁向火面覆 有碳化硅保护层。由于碳化硅及后形成的固态渣层保护，水冷壁的表面温度小于 400 ℃。水冷壁仅在气 化室的底部加以固定，由气化室顶部的导轨支撑，解决了水冷壁的热膨胀问题。出于安全考虑，水冷壁 盘管内水的压力高于气化炉操作压力，防止盘管泄漏或损坏时气体进入盘管。气化炉外壳设有水夹套， 用冷却水进行循环，故外壳温度低于 60 ℃。气化炉的结构示意图如图 3 所示。 另外，气化炉可依氧气、煤粉流量调节加以控制，亦可参照在线分析的气体成分和气化室与激冷室 压差加以调节。 GSPTM气化炉使用干煤粉进料，产生的粗合成气的有效成分（COH2）可达到 90以上（依煤种 及操作条件的不同有所差异） 。表 2 给出气化炉出口处典型气体组成。 54 图图 3 气化炉结构示意图气化炉结构示意图 表表 2 GSPTM气化炉出口处典型气体组成（干基，依煤种不同有差异）气化炉出口处典型气体组成（干基，依煤种不同有差异） 气体体积（） H2 CO CO2 N2Ar CH4 H2S 合计 GSPTM气化工艺 23.6 68.9 3.1 4.0 0.1 0.3 100.0 GSPTM气化炉的高效率同时降低了煤和氧气的消耗量，这意味着生产中原料成本得到降低，表 3 给出了 GSPTM煤气化工艺的消耗指标。 表表 3 GSPTM煤气化工艺的消耗指标（依煤种不同有差异）煤气化工艺的消耗指标（依煤种不同有差异） 煤种一 煤种二 C（wt） 64.2 72.6 H（wt） 2.5 3.6 O（wt） 0.9 13.8 N（wt） 0.9 0.7 S（wt） 3.1 0.9 灰分（wt） 26.9 6.9 煤种成分 水分（wt） 1.5 1.5 低位热值 LHV（kJ/kg） 24800 27500 灰熔点 FT（℃） 1420 1400 原料气组分（COH2，干基，Vol） 88.2 94.8 原料煤（kg） 650 550 1000 m3 （COH2）消耗（标态）氧气（99.6，m3，标态） 350 310 GSPTM气化炉可以根据用户的要求加以设计，表 4 给出了 GSPTM气化炉的不同规模。 表表 4 不同规模的不同规模的 GSPTM气化炉（初步数据）气化炉（初步数据） 小 中 大 MEGA 项目规模（MW） 200 500 1000 1500 操作压力（MPa） 4.0 4.0 4.0 4.0 产气量（m3/h，标态） 55000 125000 246000 360000 水冷壁尺寸（mm，直径/高度） 1900/3000 2600/3900 3100/4800 3600/5400 55 3.2 组合式气化喷嘴 由配有火焰检测器的点火喷嘴和生产喷嘴所组成， 故称为组合式喷嘴。 承受较高热负荷的喷嘴部件 由喷嘴循环冷却系统来强制冷却。喷嘴的材质为奥氏体不锈钢，高热应力的喷嘴顶端材质为镍合金。 图 4 为组合气化喷嘴结构示意图。由图 4 可知，由中心向外的环隙依次为点火燃料气、点火氧气、 氧气/蒸汽、煤粉通道。几根煤粉输送管均布进入最外环隙，并在通道内盘旋，使煤粉旋转喷出。给煤 管线末端与喷嘴顶端相切， 在喷嘴外形成一个相当均匀的煤粉层， 与气化介质混合后在气化室中进行气 化。因此，从给煤管出口到喷嘴顶端之间只产生很小的热应力。图 5 为组合气化喷嘴的外观示意图。 图图 4 组合式喷嘴结构示意图组合式喷嘴结构示意图 图图 5 组合气化喷嘴外观示意组合气化喷嘴外观示意 3.3 水冷壁 水冷壁如图 6 所示，是由碳化硅保护层、冷却盘管和抓钉组成的。水冷壁应用了以渣抗渣原理，在 气化过程中，炉内温度很高，燃烧产生的液态熔渣附着于水冷壁上，冷却形成固态渣层，以此保护水冷 壁免受高温侵蚀与磨蚀。 该固态渣层的厚度取决于炉内火焰温度和粉煤的灰熔特性。 图 7 为气化过程中 水冷壁的温度分布示意图。当设备初始运行时，固态渣层会逐渐积累，直至达到稳定的固态渣层厚度。 在气化过程中，固态渣层具有自动调节与自行修复功能，预计水冷壁的使用寿命在 25 年以上。 4 GSPTM煤气化技术优点煤气化技术优点 （1）煤种适应性强该技术采用干煤粉作气化原料，不受成浆性的影响；由于气化温度高，可以 气化高灰熔点的煤，故对煤种的适应性更广，从较差的褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤到石油焦均可使用， 也可以两种煤掺混使用。即使是高水分、高灰分、高硫含量和高灰熔点的煤种基本都能进行气化； （2）技术指标优越气化温度高，一般在 13501750 ℃。碳转化率可达 99，煤气中甲烷含量极 低（CH40.1（体积） ） ，不含重烃，合成气中 COH2高达 90（体积）以上，冷煤气效率高达 80 以上（依煤种及操作条件的不同有所差异） ； （3）氧耗低可降低配套空分装置投资和运行费用； （4）设备寿命长，维护量小，连续运行周期长，在线率高气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖， 预计水冷壁使用寿命 25 年；只有一个组合式喷嘴（点火喷嘴与生产喷嘴合二为一） ，喷嘴主体的使用寿 命预计达 10 年； （5）开、停车操作方便，且时间短（从冷态达到满负荷仅需 1 h） ； （6）操作弹性大单炉操作负荷为 70110； （7）自动化水平高整个系统操作简单，安全可靠； （8）对环境影响小无有害气体排放，污水排放量小，炉渣不含有害物，可作建材原料； （9）工艺流程短，设备规格尺寸小，投资少，建设周期短，运行成本低。 56 膜式壁 加压循环水 抓钉 固态渣 液态渣 耐火料 膜式壁 加压循环水 抓钉 固态渣 液态渣 耐火料 膜式壁 加压循环水 抓钉 固态渣 液态渣 耐火料 膜式壁 加压循环水 抓钉 固态渣 液态渣 耐火料 图图 6 水冷壁结构示意图水冷壁结构示意图 图图 7 水冷壁温度分布示意图水冷壁温度分布示意图 5 GSPTM煤气化技术应用领域煤气化技术应用领域 （1）合成氨。中国是目前世界最大的合成氨生产与消费国，2004 年产量达到 4222.2 万 t，预计到 2010 年对合成氨的需求量约为 4700 万 t。中国现有的合成氨厂除少数以天然气、重油原料外，大多数 都以无烟块煤为原料，采用常压固定床间歇气化技术，生产能力小、能耗高、环境污染严重。GSPTM 煤气化技术以粉煤为原料，适应煤种宽、气化效率高、生产能力大，且清洁环保，在合成氨生产领域有 广阔的前景。 （2）甲醇。甲醇是化学工业中重要的中间产品之一，也是正在迅速发展的替代燃料之一。目前中 国现有的甲醇生产装置大多数生产规模小、技术落后、缺乏竞争力。结合中国能源结构状况，以煤为原 料、采用先进的大型煤气化技术来扩大生产能力、提高竞争力，以满足未来市场需求。针对特大型甲醇 生产的需要，我们正在开发 MEGA-GSPTM技术。 （3）煤制油（CTL） 。随着中国经济的快速发展，石油的需求量迅速增长，2005 年进口原油已超 过 1.4 亿 t，到 2010 年将达到 2.5 亿 t 左右，国际油价长期保持在 60 美元/桶以上。因此，上游采用煤 气化技术，下游采用 FT 合成技术的间接液化在中国大有可为，并将成为中国能源战略的重要支柱 之一。 （4）煤气化联合循环发电（IGCC） 。中国的电力需求持续高速增长，且目前中国以燃煤发电为主， 导致二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳等大量排放，造成严重的环境污染和温室效应。高效、清洁的煤气 化联合循环发电（IGCC）有着广阔的前景。GSPTM气化技术也是最早应用于 IGCC 发电的技术之一。 （5）制氢。氢气（H2）作为炼油、煤液化、燃料电池等领域重要原料，目前主要通过石脑油气化 来制得，随着石油价格的不断上涨，以煤为原料的气化技术制氢更具有经济性。 （6）燃料煤气。随着经济的发展及环保要求的提高，民用燃气与工业燃气需求飞速增长，高效、 清洁的 GSPTM煤气化技术可以提供有效的解决方案。 6 结论结论 GSPTM煤气化技术的特点是煤种适应性强、气化效率高、设备制造安装周期短、投资成本低、运 行成本低， 开停车操作维护方便， 它是当今世界最先进的煤气化技术之一。 此技术在合成氨、 碳一化工、 发电、制氢和燃料合成领域的应用，会带来巨大的经济效益，具有非常广阔的发展前景。