煤气化技术的现状和发展趋势.pdf

2 0 0 9 年第 3 0 卷第 4 期氮 肥 技 术 测得了极高温度， 误导为该整个催化剂层热点温 度极高，其实只有卸料孔筒极少量催化剂温度 高， 为此只把此点做参考点。对测温点和测温套 管布置仍需加以进一步优化完善。 7 . 5 塔锅一体的优点和废锅结构讨论 塔锅一体结构是最近几年安淳公司在设计 大型氨厂时采用的新技术。相比塔锅分离结构， 塔锅一体省去长 5 0 m 、 重 2 9 t 的二出管道， 这段管 道的材质为 1 0 WM o V N b ， 价格贵且现场施工要求 较高。而塔锅一体使设备平面布置更加紧凑， 在 塔锅分离结构中废热锅炉占地面积 2 5 m 2 ， 现安装 在塔的正下方， 只要 1 2 m 2即可。所以塔锅一体结 构具有节省材料、 布置紧凑、 减少施工难度等优 点。 目前塔锅一体结构主要有卡萨利式、 U型管 式、 带膨胀节的固定管板式。综合比较各方面 卡 萨利式制造工艺复杂， 特别对于进出口径较大时 制造难度更大； U型管式对解决管壳程热膨胀差 较好， 但管板上、 下 7 0 ℃温差对管板焊缝和管板 与筒体的焊缝有一定的影响， 特别是管板表面采 用堆焊结构时会因为堆焊工艺质量不好使堆焊 层脱落； 本厂和高平、 山东等厂废锅采用了这一 结构， 但本厂发现筒体漏汽， 高压气也漏， 存在安 全隐患； 带膨胀节的固定管板式可以解决管板温 差问题， 但对膨胀节的设计要求较高。纵上所述， 塔锅一体采用合理设置膨胀节的固定管板式结 构比较好， 也不要用管板堆焊结构， 避免堆焊工 艺不好造成的影响， 经反复论证， 多方合作， 本厂 决定将 U型管式改为带膨胀节的固定管板式。同 时在废锅进口端设置温度计和压力表， 以保证气 体出口工艺数据获取， 直接反映 “二出” 的工况条 件。 8 结论 山西天泽集团公司 “5 0 4 0 ” 项目中的氨合成 系统是我国自主开发设计制造安装的第一套单 塔能力为 2 4 1 0 4 t / a 的大型装置，采用合成塔为 三层四段两轴一径、塔锅一体的ⅢJ D - Φ2 4 0 0 型 新技术， 两级氨冷塔前补气新流程， 适合大塔的 高钴稀土 X A 2 0 1 催化剂和相应的新还原方法， 经 过几个月生产考验证明达到和超过了设计能力， 但是还存在美中不足之处， 应予以解决。塔锅一 体 U型管式废锅， 管板上下温差大， 表面采用堆 焊结构时会因为堆焊工艺质量不好使堆焊层脱 落， 引起泄漏， 拟改为带膨胀节的固定管板式； 测 温点布在两层之间直通卸料孔中，测出温度高， 易误解为催化剂层整个平面温度高， 应改善测温 套管和测温点布局； 可能分流不足或循环气量较 大， 阻力偏大， 应优化操作， 降低阻力。实际生产 数据表明ⅢJ D - Φ2 4 0 0 型合成系统新技术应用 取得了成功， 应该相信在各方合作努力下， 经过 不断完善， 此氨合成系统会取得更好的效果。 （收稿日期 2 0 0 9 - 0 6 - 2 5 ） 摘要简要介绍了 T e x a c o 、 多喷嘴对置式水煤浆气化、 s h e l l S C G P 、 S i m e n s G S P技术特点。提出了煤气化技术的选择原则 和发展趋势。 关键词煤气化气流床水煤浆气化干煤粉气化 煤气化技术的现状和发展趋势 武金锋徐蕊王进兵 （兖矿国泰化工有限公司滕州 2 7 7 5 2 7 ） ΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦ ΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦ ΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦ ΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦ 1 前言 我国煤炭资源较丰富， 近年来煤化工行业发 展迅速， 在煤化工行业中最为关键和重要的是将 煤炭洁净、 高效地转化为合成气 （C O H2） ， 即煤的 气化技术。先进的煤气化技术不仅能使燃烧排放 物对大气的污染大为减轻， 而且能使煤炭利用率 得到极大提高，是煤炭化工、煤炭直接 / 间接液 化、 I G C C技术、燃料电池等高新洁净煤利用技术 的先导性技术和核心技术。 2 现代煤气化技术[ 1 ] ΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦ 1 3 氮 肥 技 术 气化工艺一般分为三种类型 移动床 （有时 也被称为固定床 ） 、 流化床和气流床。相对而言， 气流床气化炉是最清洁， 也是效率最高的煤气化 类型。在现代大型煤气化装置中， 气流床气化技 术被广泛应用， 气流床气化包括水煤浆进料和干 煤粉进料两种。 典型的技术主要包括 美国 G E公 司的水煤浆加压气化工艺 （原为德士古公司 T e x a c o 技术 ） 、 新型 （多喷嘴对置式 ） 水煤浆加压气 化、荷兰壳牌公司的 S C G P煤粉加压气化工艺技 术和德国 G S P 气化技术。 2 . 1 水煤浆加压气化 2 . 1 . 1 德士古水煤浆加压气化工艺 （T G P ） 美国 T e x a c o 公司在渣油部分氧化技术基础 上开发了水煤浆气化技术， T G P工艺采用水煤浆 进料， 制成质量分数为 6 0 6 5 ％的水煤浆， 在气 流床中加压气化， 水煤浆和氧气在高温高压下反 应 生 成 合 成 气 ， 液 态 排 渣 。 气 化 压 力 在 2 . 7 6 . 5 M P a ， 提高气化压力， 可降低装置投入， 有 利于降低能耗； 气化温度在 1 3 0 0 1 4 0 0 ℃， 煤气 中有效气体 （C O H2） 的体积分数达到 8 0 ％， 冷煤 气效率为 7 0 ％ 7 6 ％， 设备成熟， 大部分已能国产 化。世界上德士古气化炉单炉最大投煤量为 2 0 0 0 t / d 。德士古煤气化过程对环境污染影响较 小。 根据气化后工序加工不同产品的要求， 加压 水煤浆气化有三种工艺流程 激冷流程、 废锅流 程和废锅激冷联合流程。对于合成氨生产多采用 激冷流程， 这样气化炉出来的粗煤气， 直接用水 激冷， 被激冷后的粗煤气含有较多水蒸汽， 可直 接送入变换系统而不需再补加蒸汽， 因无废锅投 资较少。如产品气用作燃气透平循环联合发电工 程时， 则多采用废锅流程， 副产高压蒸汽用于蒸 汽透平发电机组。如产品气用作羟基合成气并生 产甲醇时， 仅需要对粗煤气进行部分变换， 通常 采用废锅和激冷联合流程，亦称半废锅流程， 即 从气化炉出来粗煤气经辐射废锅冷却到 7 0 0 ℃左 右， 然后用水激冷到所需要的温度， 使粗煤气显 热产生的蒸汽能满足后工序部分变换的要求。 2 . 1 . 2 新型 （多喷嘴对置式 ） 水煤浆加压气化 新型 （多喷嘴对置式） 水煤浆加压气化技术 是最先进煤气化技术之一，是在德士古水煤浆 加压气化法的基础上发展起来的。2 0 0 0年， 华 东理工大学、 鲁南化肥厂（水煤浆工程国家中 心的依托单位 ） 、中国天辰化学工程公司共同承 担的新型 （多喷嘴对置 ） 水煤浆气化炉中试工程， 经过三方共同努力， 于 7 月在鲁化建成投料开车 成功， 通过国家主管部门的鉴定及验收。2 0 0 1 年 2 月 1 0 日获得专利授权。新型气化炉以操作灵 活稳定， 各项工艺指标优于德士古气化工艺指标 引起国家科技部的高度重视和积极支持， 主要指 标体现为有效气成分（C O H2） 的体积分数为 8 3 ％，比相同条件下的C h e v r o n T e x a c o 生产装置 高 1 . 5 2 . 0个 百 分 点 ； 碳 转 化 率 ＞9 8 ％ ， 比 C h e v r o n T e x a c o 高 2 3 个百分点； 比煤耗、 比氧耗 均比 C h e v r o n T e x a c o 降低 7 ％。 新型水煤浆气化炉装置具有开车方便、 操作 灵活、 投煤负荷增减自如的特点， 同时综合能耗 比德士古水煤浆气化低约 7 ％。其中第一套装置 日投料 7 5 0 t 能力新型多喷嘴对置水煤浆加压气 化炉于 2 0 0 4年 1 2月在山东华鲁恒升化学有限 公司建成投料成功， 运行良好。另一套装置两台 日投煤 1 1 5 0 t 的气化炉也在兖矿国泰化工有限 公司于 2 0 0 5 年 7 月建成投料成功， 并于 2 0 0 5 年 1 0 月正式投产， 2 0 0 6 年已达到并超过设计能力， 目前运行状况良好。该技术在国内已获得有效推 广， 并已出口至美国。 2 . 2 干粉煤加压气化工艺 2 . 2 . 1 壳牌干粉煤加压气化工艺 （S C G P ） S h e l l 公司于 1 9 7 2 年开始在壳牌公司阿姆斯 特丹研究院 （K S L A ） 进行煤气化研究， 1 9 7 8年第 一套中试装置在德国汉堡郊区哈尔堡炼油厂建 成并投入运行， 1 9 8 7 年在美国休斯顿迪尔 帕克 炼油厂建成日投煤量 2 5 0 4 0 0 t 的示范装置， 1 9 9 3 年在荷兰的德姆克勒 （D e m k o l e c ） 电厂建成投煤量 2 0 0 0 t / d 的大型煤气化装置，用于联合循环发电 （I G C C ） ， 称作 S C G P工业生产装置。装置开工率 最高达 7 3 ％。该套装置的成功投运表明 S C G P 气 化技术是先进可行的。 S h e l l 气化炉为立式圆筒形气化炉， 炉膛周围 安装有由沸水冷却管组成的膜式水冷壁， 其内壁 衬有耐热涂层， 气化时熔融灰渣在水冷壁内壁涂 层上形成液膜， 沿壁顺流而下进行分离， 采用以 渣改渣的防腐办法， 基本解决了高温耐火材料损 坏严重和检修频繁的难题。水冷壁与筒体外壳之 间留有环形空间， 便于输入集水管和输出集汽管 的布置， 便于水冷壁的检查和维修； 环形空间内 2 0 0 9 年第 3 0 卷 1 4 充满温度为 2 5 0 3 0 0 ℃的有压合成气。 S h e l l 工艺具有的特点是 对气化原料煤有较 宽的适应性， 可适应更高灰熔点的煤； 碳转化率 高达 9 9 ％以上， 甲烷含量极低， 煤气中有效气体 （C O H2） 达到 9 0 ％以上， 采用干法进料， 与湿法 水煤浆气化工艺相比， 氧耗低， 单炉生产能力大， 运转周期长， 工业化应用单台炉日处理煤量已达 2 0 0 0 t ； 热效率高， 冷煤气效率 8 0 8 5 ％， 是一种 比较理想的煤气化技术。 2 . 2 . 2 G S P 干粉煤加压气化 G S P工艺是原民主德国 V E BG a s k o m b i a n t 的 黑水泵公司于 1 9 7 6 年开始研究开发的干煤粉加 压气化技术， 进料的形式为两种， 即干粉煤和液 体进料， 1 9 8 5 年实现工业化应用。 目前， 工业化气 化炉单台气化炉的生产能力可达 2 0 0 0 t / d 煤， 气 化压力为 4 . 0 M P a ， G S P气化炉采用盘管式水冷壁 气化炉结构，对气化粉煤的粒度要求较为宽松， 工业化装置气化原料煤的质量分数有 2 4 . 5 ％＞ 0 . 2 m m的条件下，一次性碳转化率可达 9 8 ％以 上； 喷嘴和水冷壁的使用寿命长， 气化炉的可用 率高， 气化炉开、 停车灵活， 所需时间短， 气化炉 操作弹性大， 负荷调节灵活。 G S P 煤气化技术具有 一些技术上的优势，神华宁夏煤业引进一套 G S P 粉煤加压气化工艺用于生产甲醇， 2 0 0 9 年投料试 车， 因此在投资和经济性等方面尚未在国内得到 工业化装置的验证。 3 煤气化技术的工业选择及发展趋势[ 2 ] 煤炭在我国能源生产与消费结构中一直占 主导地位， 近几年， 我国大规模的煤化工项目相 继开工建设并投产运行， 作为煤化工的核心和关 键技术的煤气化技术主要用于以下几个方面 （1 ） 生产燃料煤气， 通过选用不同的气化方 法， 可以制得低、 中、 高三种热值燃气， 以满足钢 铁工业、 化学工业、 联合循环发电 （I G C C ） 和民用 等不同对象的要求； （2 ） 生产合成气， 用作合成氨、 合成甲醇和甲 醚以及合成油的原料气； （3 ） 生产氢， 煤气化制氢将是未来氢能经济 的主要技术路线。 德士古水煤浆加压气化工艺 （T G P ） 、 壳牌干 粉煤加压气化工艺 （S C G P ） 和新型（多喷嘴对置 式 ） 水煤浆加压气化技术在国内都已得到了规模 化应用， 其应用效果均已得到工业化验证， G S P 技 术在我国也已开始建设， 神华宁煤和山西兰花煤 化工集团将分别于 2 0 0 9 年和 2 0 1 0 年投料试车， 其经济性和装置性能将得到有效验证。因此在煤 气化技术的选择上应根据煤种的变化选择合适 的气化技术， 如果气化煤灰熔点较低且成浆性能 较好， 则可以选择水煤浆气化， 也可以选择干煤 粉气化， 水煤浆技术应为优选； 气化煤灰熔点较 高时则只能选择干煤粉气化； 气化工艺的选择要 使产品和需求保持一致， 与煤气化后续流程相结 合； 同时还要考虑装备运行的可靠性、 投资与成 本的经济性以及环境可接受性等。 煤炭的开发和加工利用已经成为我国环境 污染物排放的主要来源， 因此发展洁净煤气化技 术， 提高煤炭利用率是我国煤炭发展战略的必然 选择， 作为高洁净、 高效利用煤炭的先进技术之 一的煤炭气化技术是我国能源领域重点发展对 象。从当前煤气化技术的发展趋势看， 有以下特 点 ①提高对多煤种的适应性， 能气化任意煤种； ②大型化， 提高气化能力和气化效率； ③采用加 压气化工艺， 提高气化强度， 节约压缩能耗或实 现等压合成， 减少带出物损失 ④环境友好， 环保 问题少， 污染小； ⑤研制和简化新工艺和新型气 化炉结构， 降低基本建设投资和操作费用，并与 其它技术联合应用等。 4 结语 我国的能源结构是 “富煤、 缺油、 少气” ， 利用 丰富的煤炭替代石油是一条适合我国国情的化 工产业持续发展道路， 是国家能源安全的一个重 大战略课题。我国的第一套煤制油工业化装置神 华百万吨级示范工程一次试车成功， 煤代替石油 化工的煤制烯烃项目也已开工建设， 我国后续的 项目建设将会陆续展开， 作为煤化工的先导性和 核心技术的煤气化技术将会得到更快的发展， 因 此我国应大力扶持发展具有自主知识产权的煤 气化技术， 以降低高昂的技术引进成本， 提高核 心竞争力。 参考文献 1 许世森， 张东亮， 任永强主编. 大规模煤气化技术[ M ] ， 北 京 化学工业出版社， 2 0 0 6 2 李志坚. 洁净煤气化技术在化学工业中的应用前景[ J ] ， 化工技术经济， 2 0 0 5 （收稿日期 2 0 0 9 - 0 6 - 2 0 ） 武金锋等 煤气化技术的现状和发展趋势第 4 期 1 5