煤气化技术方案比较及选择

综　述

评　论

煤气化技术方案比较及选择

何正兆Ξ　宫经德　郑振安　汪寿建　五环科技股份有限公司　武汉　430079

介绍GE水煤浆气化工艺与SHELL干粉煤气化工艺的差别,并通过实例进行技术经济对比,阐摘要　

述在目前经济条件下煤化工项目采用SHELL干粉煤气化工艺的优越性。比较　选择关键词　GE水煤浆气化　SHELL干粉煤气化　1　概述

以煤为原料生产合成气,国内常用常压固定层气化炉,以无烟块煤或焦炭为原料。该工艺虽然技术成熟可靠,设备全部国产化,投资较省,但能耗高、煤质要求高,需用无烟块煤或焦炭,资源利用率低,而且是常压操作,生产强度小,操作时“三废”排放量大,对环境污染比较严重,显然与国外煤气化技术相比,存在较大差距。多年以前,国内研究部门也曾开发过以粉煤为原料的K-T炉和熔渣炉,并在常压固定层气化炉中采用富氧连续气化的工艺,以及近年开发的恩德粉煤气化炉和灰熔聚气化炉等,因种种原因这些技术尚未达到大型工业化装置推广的程度。

煤气化技术早在20世纪初在国外已实现工业化,50年代后因天然气、石油大量开发,煤气化技术发展一度停滞不前。20世纪70年代,国际上出现能源危机,发达国家出于对石油天然气供应紧张的担忧,纷纷把煤气化技术作为替代能源技术重新提到议事日程,并加快了对煤气化新工艺研究。近20年来,国外很多公司为了提高燃煤电厂热效率,减少对环境污染,对煤气化联合循环发电技术进行了大量的开发研究工作,促进了煤气化技术的发展。目前已成功开发了对煤种适应性广、气化压力高、生产能力大、气化效率高、对环境污染少的新一代煤气化工艺。其中具有代表性的有荷兰壳牌(SHELL)公司的干煤粉气化工艺、美国GE公司的水煤浆气化工艺

(原称德士古(TEXACO)水煤浆气化工艺)、美

国DYNEGY公司的DESTEC气化工艺、德国KRUPPUHDE公司的PRENFLO工艺(加压K-T法)及德国鲁奇(LURGI)工艺。其中DESTEC气化工艺与GE工艺相近,但其业绩及经验不如GE;PRENFLO工艺的工艺指标较好,但目前仅有1套示范装置,生产操作经验较少;鲁奇(LURGI)工艺虽然工业装置较多,生产操作经验也比较丰富,但由于煤气中CH4含量高,有效成分(CO+H2)含量低,且煤气中焦油及酚含量高,污水处理复杂,不宜用来生产合成氨和甲醇的原料气。

目前国际上技术比较成熟、工艺指标比较先进、业绩较多的主要是SHELL公司干煤粉气化工艺和GE公司水煤浆气化工艺,两者均为加压纯氧气流床液态排渣的气化工艺。

2　SHELL和GE两种煤气化技术

(1)SHELL公司在渣油气化技术取得工业化

成功经验的基础上,于1972年开始从事煤气化技术的研究。1978年第一套中试装置在德国汉堡建成并投入运行;1987年在美国休斯敦附近建成的日投煤量(250～400)t的示范装置投产;日投煤量2kt的大型气化装置于1993年在荷兰的Buggenum建成投产(Demkolec电厂),用于联合循环发电,该气化装置为单系列操作,装置的开工率在95%以上。生产实践证明,SHELL煤气化工艺是先进成熟可靠的。目前该技术在国内推广比较迅速。

Ξ何正兆:高级工程师。1989年毕业于华东化工学院无机化工专业。长期从事化工工艺设计工作。电话:(027)87501295。

　4　　　　　　　　　CHEMICALENGINEERINGDESIGN　　　　化工设计2006,16(3)

(2)GE(TEXACO)公司很早就开发了以天

然气和重油为原料生产合成气技术,20世纪70年代的石油危机促进其寻找替代能源和洁净的煤气化技术,经多年研究以后,推出了水煤浆气化工艺。该工艺技术已在山东鲁南、上海焦化、陕西渭河、安徽淮化4套装置投运,最长的已具有近8年生产操作经验。运行基本良好,显示了水煤浆气化的先进性,但使用该项技术所建的生产装置,要达到长周期满负荷运行,尚较困难,特别是对煤种的可选择性限制了其发展。

SHELL煤气化工艺与GE水煤浆气化工艺,

加至磨煤机,过筛后制得高浓度水煤浆。制浆要求煤粉的“粗”“细”颗粒要有合理比例:一般μ煤粉占90%～95%,44μ占25%～35%较为420

适宜。研磨操作中加入稳定剂后,可使煤浆浓度提高1%～2%,达到60%～67%工业应用的水平。

213　加煤方式

(1)在SHELL煤气化工艺中,干燥后煤粉

用氮气(或二氧化碳气)输送至贮仓,经煤锁斗入加压粉煤仓,再由高压氮气(或二氧化碳气)将煤粉均匀送至气化炉烧嘴。由于整个过程用氮气(或二氧化碳气)密封输送,并由程序控制自动进行。实践证实,这种加压下输送粉煤的进料方式操作可靠,安全性有保证。但对系统的防爆和防泄漏要求严格,锁斗系统操作相对比较复杂。

(2)在GE水煤浆气化工艺中,制备的煤浆通过中间槽、低压泵、煤浆筛入煤浆槽,再由高压煤浆泵送至气化炉,因而输送过程操作非常安全。但是对重要设备如高压煤浆泵的质量要求较高,泵内隔膜衬里需定期更换,才能使该泵能长期稳定运行。214　气化系列配置

(1)在SHELL煤气化工艺开发过程中作了

是当前先进而又成熟的两种煤气化技术,已成功地在工业规模上应用多年。两种气化工艺对比分析如下:

211　原料的适应性

(1)SHELL煤气化是洁净的煤气化工艺,可

以使用褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤等煤种以及石油焦为原料,也可使用两种煤掺合的混煤,并

成功地将高灰分(517%～2415%,最高35%)、高水分(415%～3017%)和高硫分的劣质煤种进行气化。对于原料煤和燃料煤价差较大地区有可能使其两者合一,既简化贮运系统又可降低生产成本,可见该工艺在煤种应用上有很大灵活性。

(2)GE水煤浆气化工艺能使用较多煤种:

大量基础工作,在不同规模中试装置中解决了各种技术关键,因而在工业装置中采用单系统配置,不设备用系列,并已在投煤量为2kt/d生产装置中得到验证,气化装置运转率达到95%以上。

(2)GE水煤浆气化装置通常是多系列配置,

如烟煤、次烟煤、石油焦和煤液化残渣。但是在煤种选择上需考虑以下两点:①应选用含水低,尤其是内水分低的煤种,否则不利于制取高浓度水煤浆;②选用灰融点低和灰粘度适宜的煤种。灰融点FT(T3)宜低于1300℃,否则会影响气化炉内耐火砖的使用寿命。212　煤的准备

原煤通常需筛选和研磨破碎使其达到一定粒度,以满足输送和气化操作要求。

(1)在SHELL煤气化工艺中,将煤研磨至气化合适粒度的同时,用惰性气体的热风进行干

μ,煤中燥。出磨机时90%(wt)煤的粒度<100含水量控制在2%(wt)以下,以利于气相输送干粉进料的要求。

(2)在GE水煤浆气化工艺中,通常采用一段湿磨工艺,小于10mm粉煤与水、添加剂同时

且必须设有备用系列。根据生产规模要求,设有2～4台气化炉,无论是1开1备(2×100%能力),2开1备(3×50%能力)方式运行,装置均有很高运转率。215　气化炉结构

(1)SHELL气化炉为水冷壁结构,运行时熔

融灰渣在壁面形成渣层,不仅提供气化炉壁隔热功能,而且使热能损失减少到最低,因此冷煤气效率高,合成气中CO2含量低;同时渣层“以渣抗渣”,即使高热负荷的变化亦可保护气化炉壁免受熔渣的侵蚀,因此牢固可靠,设备维护量

2006,16(3)　　　何正兆等　煤气化技术方案比较及选择　　　　　　　　　　　　　　5

小。但水冷壁结构比较复杂,制造难度高。

(2)GE气化炉结构比较简单。以耐火砖为衬里,高温合成气与熔融灰渣直接侵蚀耐火衬里,因此衬里使用周期受到限制,一般为1～2年需要更换。216　烧嘴

(1)SHELL煤粉气化炉通常使用多个烧嘴,

室、文丘里洗涤器、高效洗涤塔组成的湿法洗涤

操作来分离煤气中固体颗粒。219　渣水分离

煤气在湿洗过程中排出含灰洗涤水,又称黑水。通常经过减压闪蒸、澄清增浓操作进行灰水分离。两种气化工艺由于排水温度及含灰量差异,致使渣水分离流程繁简程度有所不同。

(1)在SHELL煤气化工艺中,煤气夹带的细灰大部分(～99%)在干法除尘中分离,因而湿法洗涤之排水含灰低,温度也不高,大部分循环使用。少量排水经一级减压放出溶解气后,经过汽提、澄清、沉降后排放去生化处理,分离出细煤泥可返回至磨煤系统。

(2)在GE水煤浆气化工艺中,夹带在煤气中所有灰分全部转入激冷室排出之黑水中,温度

)、水量大,通常设置2～4级减压高(～220℃

闪蒸回收热量,再经澄清絮凝,灰浆经真空过滤

以滤饼形式排出。分离后的洗涤水返回气化,少量送污水处理。渣水系统流程较长,对减压阀、部分管道磨损较为严重。2110　炉渣与细灰

采用成双对称布置。遇到负荷变动时,可以增减进烧嘴的粉煤量,也可调整烧嘴运行个数来适应生产要求。平时维护量极少,可连续使用8000h,目前最长使用寿命已超过16000h。(2)GE水煤浆气化炉仅有1个装在气化炉顶部的烧嘴。用于合成气生产时,烧嘴通常是三流道型固定式非可调的,只能用烧嘴本身的弹性范围来适应生产负荷变动的工况。目前运行1500h左右就需要进行检查和维护,并需作预防性更换。

217　合成气冷却与热量回收

(1)在SHELL煤气化工艺中,出气化炉高

温煤气用粗煤气冷激至900℃,经合成气冷却器回收热量后,煤气温度降至350℃左右。合成气冷却器可根据需要,生产高压蒸汽、中压蒸汽或过热蒸汽。出合成气冷却器煤气经干法除尘后,再经热水洗涤,作合成气用时可控制煤气中含10%～20%的水份。使高温煤气显热得到充分利

煤中的灰分经气化后,大部分以粒状炉渣从渣斗中排出,小部分成细灰从系统中分离。灰渣中还含有少量的碳。

(1)在SHELL煤气化工艺中,因炉内气化温度高、反应速度快,碳的转化率>99%,因而排出炉渣中含C<1%。干法除尘排出之细灰含C<5%,可直接用作水泥生产原料。

(2)在GE水煤浆气化工艺中,碳转化率为96%～98%,由于碳转化率随气化温度上升而增

用。

(2)在GE水煤浆气化工艺中,煤气显热回

收采用水激冷,在洗涤的同时将煤气的显热直接转化成蒸汽。出激冷室煤气中水/气比可达113～1145,虽然热利用率很高,但是对激冷室排出黑水的热量回收是影响回收效率高低的一个重要因素。218　煤气除尘

大,出于延长气化炉砖使用寿命考虑,实际碳转化率经常在94%～96%。因此排出炉渣含碳2%

～5%,而在滤饼中含碳量达15%～30%。2111　运行周期

煤气中含灰量应达约1ppm,以防止给后工序带来不良影响。

(1)在SHELL煤气化工艺中,采用干法(高温高压飞灰过滤器)+湿法洗涤(水洗塔)的除灰流程。干法除下的细灰可以出售,亦可返回磨煤系统。在湿法洗涤除灰的同时,也脱除了煤气中NH3、HCN、Cl-等有害微量组分。

(2)在GE水煤浆气化工艺中,通过激冷

由于气化炉结构上的差异导致气化炉运行周期有较大差别。

(1)SHELL煤气化炉采用水冷壁结构,无耐火砖内衬,对气化炉操作温度的要求比GE气化炉宽松,同时气化烧嘴运行周期长,故能保证气化装置长周期运行。

(2)GE气化炉内砌耐火砖,目前国产耐火

　6　　　　　　　　　CHEMICALENGINEERINGDESIGN　　　　化工设计2006,16(3)

砖使用寿命不到1年,国外耐火砖也只有1～2年。GE气化装置受耐火砖的寿命、气化烧嘴运行时间等的影响,连续运行周期受到限制。

表3　GE煤气化技术的工程应用

合同工厂

美国田纳西州Eastman气化厂美国加利福尼亚州冷水工程日本宇部氨厂美国TAMPA电厂鲁南化肥厂公称投煤量

(t/d)

820(气化炉1+1台,615MPa)910(气化炉1+1台,412MPa)1380(气化炉3+1台,410MPa)2000(气化炉1+1台,3192MPa)360(气化炉1+1台,217MPa)1500(气化炉2+1台,615MPa)1500(气化炉3+1台,410MPa)1000(气化炉2+1台,410MPa)1000(气化炉2+1台,410MPa)1000(气化炉2+1台,410MPa

3　两种工艺的应用

以大同煤峪口矿煤为基准,两种煤气化工艺的气体成分见表1,工程应用见表2和表3。

表1　气体成分

成分

H2COCO2N2ArCH4H2S+COS

SHELL工艺191046911791831172011200112

GE工艺31103

备　　注

渭河化肥厂上海焦化厂4911918156015569117/49119=140%淮南化工总厂

18156/9183=189%

浩良河化肥厂金陵石化厂

015001050112

表2　SHELL煤气化技术的工程应用

合同工厂

德国汉堡KVA气化装置美国休斯敦SCGP21气化装置荷兰Demkolec电厂湖北双环化工集团广西柳州化肥厂中石化洞庭氮肥厂中石化湖北化肥厂中石化安庆化工总厂神华集团云南沾化集团云南云天化集团大连大化集团永城煤业集团中原大化集团河南开祥公司

公称投煤量

150250～4002000100010002000200020002000200020001000200020001000

(t/d)

目前两种煤气化技术在国内外都有较好的应

用业绩,GE(TEXACO)工艺推广较早,应用业绩较多,SHELL工艺起步较晚,但是发展迅速,后来居上。

4　结语

根据以上比较可知SHELL煤气化工艺在以下几方面都有明显的优越性:

(1)原料煤种的适应性。可以不受煤种的限制,使用原料范围更广,属洁净煤技术,为环保性新工艺。

(2)工艺特点。煤气化工艺碳转化率高、热效率高、氧耗低,气化关键设备及控制系统安全可靠。

(3)投资、消耗及运行费用。虽然SHELL方案投资比GE方案略高,但从技术先进性及操作费用上,采用SHELL干粉煤气化工艺明显优于GE水煤浆气化工艺。

(4)运转周期。SHELL煤气化工艺煤烧嘴可以连续运行8000h以上;GE水煤浆气化工艺煤烧嘴运行1500h就需检查更换。

(5)环保。SHELL煤气化工艺排出的炉渣含碳<1%、飞灰含碳<5%,可以再利用,同时排出的废水少;GE水煤浆气化工艺排出的炉渣含碳2%～5%,难以再利用,同时排出的废水也较多。

(收稿日期　2005-11-17)

注:国内装置均在建中,除神华集团为气化炉2台,410MPa外,其余均为气化炉1台,410MPa。

2006,16(3)　　　　　　　　　　ABSTRACTSOFCHEMICALENGINEERINGDESIGN　　　　　　　　　　1

SlurryFeedingDesignforMonoammoniumPhosphate

Reaction-ConcentrationSection

ChenYu,etal

ABSTRACTS

OptionComparisonandSelectionofCoalGasification

TechnologyHeZhengzhao,etal

　(WuhuanScienceandTechnologyIncorporatedLtd.,Wuhan430079)　IntroduceprocessdifferencesbetweenGECoalWaterSlurryGasifica2tionProcessandShellCoalDryPowderGasificationProcess,carryoutpracticaltechnicalandeconomiccomparison,discribeadvantageofusingShellCoalPowderGasificationProcessforcoalchemicalprojectsatpre2senteconomiccondition.

　Keywords　GEcoalwaterslurrygasification　Shellcoaldrypowdergasification　comparison　selection

ProcessTechnologyComparisonofEthyleneOxide/EthyleneGlycolZhangXiangyu　(ChemicalEngineeringCollegeofSichuanUniversity,Chengdu

610065)

　Introduceprincipleanddeignmethodsforfeedstockautomaticfeedingamongthreeevaporationchambersofmonoammoniumphosphatereaction-concentrationsectionof240,000MTPYlargesizeandnationalcus2tomizedplant.Incombinationofprocessfeatureofneutralizedslurrycon2centration,“higheratmiddleandlowerattwoends”differencearrange2mentinevaporationchamberoccurssoastoimprovedistributionofthrust2ingforceofstream,reducepressureofsecondeffectevaporation,anden2hancesecondsteamutilizationrate.Furthermoreself-adjustedliquidlev2elinthreeevaporationchambersisavailablesothatsystemstabilityisim2proved,andgoodoperationkept.

　Keywords　monoammoniumphosphate　slurrystreamconcentration　self-adjusted　levelcontrol

ApplicationofImpulseGas-firedSootBlower

inEthyleneCrackerNiuXiaoxu,etal

　(ShanghaiEngineeringCo.,Ltd.,SINOPetrochemicalGroup,

Shanghai200120)

　Oxidationprocessbyoxygenispopularlyusedinethyleneoxide/ethy2

leneglycolunitsintheworld.ThreemaincompaniessuchasShell,DowandSDhavelargerproportionofmarketofoxidationprocesstechnologybyoxygen.Somecomparisonsarecarriedoutforprocesstechnologyfeaturesofthethreecompanies.　Keywords　ethyleneoxide　ethyleneglycol　comparison

HydrogenPeroxideConcentrationUnit

ItsProcessOptimization

ShiYouli

　(NortheastSubsidiaryofSINOPEC(Group)EngineeringDesignCo.,

Ltd.,Jilin132002)

　Putforwardselectionandtrendofdevelopmentofsootblowerofethy2

lenecrackerthroughcomparisonofefficiencyandchangeofenergycon2

sumptionoftheethylenecrackerbeforeandafterusingimpulsegas-firedsootblower

　Keywords　sootblower　cracker　impulse　fluegasemissiontem2perature

DevelopmentofNationalCustomizedTechnology

forTitaniumPowderProductionPlant

TangWenqian

　(PetrochemicalDesignInstituteofFujianProvince,Fuzhou350001)　Basedonanalyzingreasonsofhighenergyconsumptionandhighcostof

hydrogenperoxideconcentrationunit,optimizationandrevampoftwosetofhydrogenperoxideconcentrationunitshavebeenperformed,anditisfoundthatoutstandingenergysavinghasbeenachieved.　Keywords　hydrogenperoxide　concentrationunit　process　opti2mization

ProcessCalculationforBatchDistillation

ColumnofCitronellaOil

FanLei,etal

　(ChemicalPlanningandDesignInstituteofShandongProvince,Jinan

250013)　Introducenationalcustomizedequipmentofgrinder,crystallizer,dryerandgaspowdermachinesbasedondigestingandabsorbingtechnologyofimportingtitaniumpowderplantfromoutsideChina.KeyWords　titaniumpowder　importationnationalcustomization　tech2nology

ApplicationofAutomaticSuberizationTechnology

inTransportationofAdipicAcid

JiangBin,etal

　(ChemicalResearchInstituteofYunnanProvince,Kunming650288)　Materialbalancecalculationiscarriedoutfor300tperyearbatchCit2

ronellaoildistillationcolumn.Basedonresultofthebalancecalculation,calculatefurtheroperationtemperature,minimumnumberoftheoreticaltray,numberoftheoreticaltray,minimumrefluxratio,operationrefluxra2tioanddiameterofthecolumn,andprocessdataandequipmentparame2tersareobtained.

　Keywords　citronellaoil　batchdistillationcolumn　materialbal2ancecalculation　process　calculationCleaningProcessofSodaAshCarbonationTower

　И.ИБOCEHKOTranslatedbyWangAnyin

　(ChengdaEngineeringCorporationofChina,Chengdu610041)　Describetheoryofreducingcleaningtimeofsodaashcarbonationtow2er,andrequiredcleaninggasquantitycanbequicklyandaccuratelyob2tainedthroughcurveofprofile.　Keywords　sodaash　carbonationtower　cleaningtower　ammonia2calbrine　titer

　(EnergyResearchInstituteofScienceAcademyofShandongProvince,

Jinan250014)

　Introducefeature,philosophy,equipmentoperationprincipleofdense

phaseconveyingtechnologyofautomaticsuberfication,anditssuccessful

applicationintransportingadipicacid.　Keywords　automaticsuberification　densephasetransportation　ni2trogenprotection　adipicacid

AccidentAnalysisforExplosionofDrumofBoiler

TangHuiquan,etal

　(NortheastSubsidiaryofSINOPEC(Group)EngineeringDesignCo.,

Ltd.,Jilin132002)

　Analyzeindetailsreasonofexplodeddrumoftheboiler,whichwasex2plodedafterhalfayearoperation,duetoseriouslackingwaterandsuper2

heatingcaused;putforwardcorrectionmeasuresandrecommendationforavoidinglackofwaterintheBoiler.　Keywords　boiler　boilerdrum　explosion　safetyoperation