汪壽建

(中國(guó)化學(xué)工程股份有限公司，北京　100007)

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現(xiàn)代煤氣化工藝比選優(yōu)化的探討

汪壽建

(中國(guó)化學(xué)工程股份有限公司，北京100007)

摘要：煤氣化工藝比選優(yōu)化工作一定要慎重結(jié)合煤質(zhì)分析及試燒數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)和匹配，結(jié)合反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的選擇和工藝參數(shù)的要求，同時(shí)借助化學(xué)反應(yīng)及熱力學(xué)基本定律等所提供的計(jì)算模型進(jìn)行定量分析，在此基礎(chǔ)上優(yōu)選出適合當(dāng)?shù)孛悍N的氣化工藝。本文對(duì)煤氣化工藝比選優(yōu)化的要素進(jìn)行了描述，就如何獲取和評(píng)價(jià)這些要素提出了比選的思路和步驟。

關(guān)鍵詞：煤氣化工藝；比選；優(yōu)化

煤氣化是現(xiàn)代煤化工裝置中的核心工序，把握現(xiàn)代煤氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，選擇適宜的原料煤將會(huì)直接影響到現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目的能效、環(huán)保、安全、投資和效益。因此優(yōu)選煤氣化工藝，真正做到綠色安全環(huán)保，是確定現(xiàn)代煤化工健康發(fā)展的重要基礎(chǔ)?，F(xiàn)代煤氣化發(fā)展的趨勢(shì)和方向應(yīng)符合我國(guó)煤種多、成分復(fù)雜的特點(diǎn)。要始終追求那種煤轉(zhuǎn)化率高、氣化效率高、有效產(chǎn)率高、節(jié)能消耗低、成本造價(jià)低、綠色環(huán)保優(yōu)的氣化發(fā)展趨勢(shì)，并能適應(yīng)我國(guó)各種原料煤和市場(chǎng)所需要的煤化工產(chǎn)品，這恐怕就是現(xiàn)代煤氣化工藝優(yōu)化比選的重要性和我們不懈努力的方向。

煤氣化工藝比選的關(guān)鍵是要將該氣化工藝與所用煤炭參數(shù)進(jìn)行合理匹配，通過(guò)比選確定的氣化工藝能使煤炭在該工藝狀態(tài)下正確氣化并達(dá)到最佳狀態(tài)。各種煤氣化工藝適用的原料煤種是各不相同的，應(yīng)以當(dāng)?shù)孛禾抠Y源為依托，這是現(xiàn)代煤化工政策所確定的煤氣化轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)和前提。當(dāng)?shù)赜惺裁疵悍N，適合選取什么樣的氣化爐型，要因地而宜，因煤而宜，因產(chǎn)品而宜。煤氣化工藝技術(shù)一旦選定，現(xiàn)代煤化工工藝路線就已確定，很難再改變。所以煤氣化技術(shù)比選是核心，是決定煤化工裝置能否能長(zhǎng)周期、穩(wěn)運(yùn)行、滿負(fù)荷、優(yōu)操作、低成本的關(guān)鍵所在，是煤化工企業(yè)發(fā)展的重中之重。 煤氣化優(yōu)化比選應(yīng)遵循的基本原則有：①煤炭轉(zhuǎn)化率高；②合成氣效率高；③有效氣產(chǎn)率高；④節(jié)能降耗穩(wěn)定；⑤投資成本低廉；⑥綠色環(huán)保安全。

1煤氣化反應(yīng)原理和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式

1.1煤氣化反應(yīng)原理

煤在氣化過(guò)程中可以做到不需要外部供熱，利用煤和氧的自身化學(xué)反應(yīng)放出熱量來(lái)獲得氣化反應(yīng)所需要的溫度和熱量，即燃燒一部分所用煤炭燃料，將熱量積累到燃料層氣化爐內(nèi)，再通入一定量的水蒸氣發(fā)生蒸汽分解反應(yīng)，并與碳的部分氧化反應(yīng)制取一氧化碳和氫氣，即所謂的合成氣。一種內(nèi)熱式煤氣化反應(yīng)器的水蒸氣制備示意見(jiàn)圖1。

圖1　內(nèi)熱式煤的水蒸氣制備示意

內(nèi)熱式煤的燃燒和制氣過(guò)程原理如下列化學(xué)反應(yīng)式所示。

燃燒放熱升溫過(guò)程：

制氣吸熱降溫過(guò)程：

上述這一過(guò)程可以用純氧直接連續(xù)反應(yīng)，也可用空氣間歇交替進(jìn)行反應(yīng)。氣化介質(zhì)可以是富氧、純氧、水蒸氣、氫氣等，不同的氣化劑反應(yīng)得到的煤氣組成是不同的?？煞譃榭諝饷簹?、混合煤氣、水煤氣，以及將空氣煤氣和水煤氣按照一定比例進(jìn)行混合得到的半水煤氣。

空氣煤氣是以空氣作為氣化劑生產(chǎn)的煤氣，含有60%的氮?dú)饧耙欢康腃O、少量的CO2和H2，空氣煤氣的熱值較低，可作為煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料和化工原料。水煤氣是以水蒸氣作為氣化劑生產(chǎn)的煤氣，其中H2和CO含量可達(dá)85%以上，可用作化工原料；半水煤氣是以水蒸氣為主，加適量的空氣或富氧作為氣化劑生產(chǎn)的煤氣，用作合成氨的原料，其中(H2+CO)/N2=3?；旌厦簹馐且钥諝夂瓦m量的水蒸氣混合物作為氣化劑生產(chǎn)的煤氣。這種煤氣可作為工業(yè)燃料，加氫氣化是以煤和氫氣作為氣化劑，在溫度800~1 000 ℃ ，壓力1~10 MPa 條件下反應(yīng)生產(chǎn)甲烷的過(guò)程。但煤與氫氣的反應(yīng)中僅部分碳轉(zhuǎn)化為甲烷，此時(shí)可加水蒸氣、氧氣與未反應(yīng)的碳進(jìn)行氣化反應(yīng)，生產(chǎn)H2、CO、和CO2。

1.2反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式1.2.1固定床氣化

當(dāng)反應(yīng)器采用固定床結(jié)構(gòu)時(shí)，氣化爐內(nèi)氣體流速較慢，煤粒靜止，停留時(shí)間約為1~1.5 h，煤種特點(diǎn)包括：高活性、高灰熔點(diǎn)、高熱穩(wěn)定。氣化爐主要工藝參數(shù)包括：操作溫度為800~1 000 ℃，操作壓力為常壓~4 MPa，粒度為3~30 mm。 比較典型的固定床工藝有常壓固定床。我國(guó)傳統(tǒng)煤化工中常采用無(wú)煙煤和焦碳為原料。爐型小，氣化能力低，國(guó)內(nèi)有近萬(wàn)臺(tái)用于中小型合成氨尿素廠。上世紀(jì)我國(guó)引進(jìn)德國(guó)魯奇公司的LURGI爐，該爐型主要針對(duì)褐煤進(jìn)行氣化，生成的合成氣所含甲烷較高，可作為城市煤氣。該爐型主要使用褐煤或次煙煤，氣化能力較大，蒸汽/氧比低，液態(tài)排渣，污水處理難度大，國(guó)內(nèi)外均有工業(yè)生產(chǎn)裝置。

1.2.2流化床氣化

當(dāng)反應(yīng)器采用流化床結(jié)構(gòu)時(shí)，氣化爐內(nèi)氣體流速較大，煤粒懸浮于氣流中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，呈沸騰狀,有明顯床層界限，停留時(shí)間數(shù)分鐘，煤種特點(diǎn)包括：高活性、高灰熔點(diǎn)。氣化爐主要工藝參數(shù)包括：操作溫度為800~1 000 ℃，操作壓力為常壓~2.5 MPa，粒度為1~5 mm。比較典型的工藝有：①常壓溫克勒爐，1926年工業(yè)化，螺旋給煤，爐篦布風(fēng)，煤氣帶出物多，氣化強(qiáng)度比固定床大得多；②高溫溫克勒(HTW)：操作壓力為0.9~2.5 MPa，螺旋給煤、噴嘴布風(fēng)、輻射廢鍋、兩級(jí)收塵返灰，氣化強(qiáng)度增加；③西屋氣化爐(KRW)：操作壓力為1.6 MPa，噴嘴給煤布風(fēng)，灰熔聚原理。

1.2.3氣流床氣化

當(dāng)反應(yīng)器采用氣流床結(jié)構(gòu)時(shí)，氣化爐內(nèi)氣體流速最大，煤粒與氣流同向運(yùn)動(dòng),在爐內(nèi)停留數(shù)秒鐘，煤種適應(yīng)性寬，氣化爐主要工藝參數(shù)包括： 操作溫度為1 300~1 700 ℃，操作壓力為1~6.5 MPa，粒度<0.1 mm。比較典型的工藝有：①殼牌干煤粉加壓氣化爐以及一批干煤粉加壓氣化爐等。殼牌爐1994年工業(yè)化，采用加壓干煤粉氣化工藝，氮?dú)饣蚨趸驾斔停鄧娮欤瑲饣瘡?qiáng)度高，單爐產(chǎn)能大，膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，合成氣熱量回收采用廢鍋流程，也開(kāi)發(fā)了激冷流程，廢鍋流程較適合發(fā)電，而激冷流程較適合化工原料；②GE水煤漿加壓氣化爐以及一批濕法水煤漿加壓氣化爐。GE爐1983年工業(yè)化，制備水煤漿進(jìn)料，單噴嘴，氣化強(qiáng)度高、單爐產(chǎn)能較大，耐火磚內(nèi)襯，需備爐；③DESTEC(DOW)水煤漿氣化爐：1982年工業(yè)化，兩段水煤漿進(jìn)料，多噴嘴，氣化強(qiáng)度高、單爐產(chǎn)能較大，耐火磚內(nèi)襯。濕法氣化爐一般需要設(shè)計(jì)備爐。

2煤氣化工藝比選評(píng)價(jià)的要素分析

如何正確評(píng)價(jià)并選用一個(gè)煤氣化工藝是非常重要的技巧活。煤種適應(yīng)性分析是其中一個(gè)特別重要的因素，由它可以初步判斷該煤種適應(yīng)何種氣化工藝。煤質(zhì)數(shù)據(jù)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和試燒后獲取。煤氣化工藝選擇評(píng)價(jià)要素及內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1　煤氣化工藝選擇評(píng)價(jià)要素及內(nèi)容

3煤質(zhì)參數(shù)與氣化工藝匹配適應(yīng)性分析

3.1煤質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)煤氣化的影響

根據(jù)煤種的特點(diǎn)和性質(zhì)，以及氣化對(duì)煤種的要求，大致分為4類(lèi)。第1類(lèi)氣化時(shí)不黏結(jié)，揮發(fā)分最高，能產(chǎn)生大量甲烷，以泥煤炭為代表；第2類(lèi)氣化時(shí)不黏結(jié)，揮發(fā)分高、但產(chǎn)生焦油和較高甲烷，以褐煤為代表；第3類(lèi)氣化時(shí)黏結(jié)并產(chǎn)生焦油，甲烷含量較低以弱(不)黏結(jié)煙煤為代表；第4類(lèi)氣化時(shí)不黏結(jié)不產(chǎn)生焦油，甲烷含量最低，以無(wú)煙煤貧煤為代表。在各種相同的操作條件下，不同煤種所產(chǎn)煤氣的發(fā)熱值不同，組成也不同。如年輕褐煤氣化時(shí)，所制的煤氣甲烷含量就高，發(fā)熱值也比其他煤種要高。煤質(zhì)要素對(duì)煤氣化的影響見(jiàn)表2。本文僅選取幾項(xiàng)要素對(duì)煤氣化影響進(jìn)行分析。

表2　煤質(zhì)要素對(duì)氣化效率能耗的影響

3.2煤種變質(zhì)程度對(duì)煤氣發(fā)熱值和組分的影響

一般而言，煤種變質(zhì)程度低，煤揮發(fā)分高，產(chǎn)生的煤氣發(fā)熱值就高。煤氣發(fā)熱值是指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1 m3煤氣在完全燃燒時(shí)放出的熱量，如燃燒產(chǎn)物中的水分以液態(tài)形式存在時(shí)稱高發(fā)熱值，以氣態(tài)形式存在時(shí)稱低發(fā)熱值。在各種相同的操作條件下，不同煤種所產(chǎn)煤氣的發(fā)熱值是不同的，組成也不同。如年輕褐煤氣化時(shí)，所產(chǎn)生的煤氣甲烷含量高，煤氣發(fā)熱值也就自然比其他煤種要高。褐煤的變質(zhì)程度低，揮發(fā)分高，因此褐煤低溫氣化后甲烷含量會(huì)升高。如果將年輕煤的氣化溫度降低，也就會(huì)多產(chǎn)甲烷，提高煤氣的熱值。

同一種煤，提高壓力制取的煤氣發(fā)熱值高。同一操作壓力下，煤氣發(fā)熱值由高到低的順序是褐煤、氣煤、無(wú)煙煤。這是因?yàn)殡S著變質(zhì)程度提高，煤的揮發(fā)分逐漸降低。如褐煤揮發(fā)分產(chǎn)率為37%~65%;變質(zhì)到煙煤時(shí)，揮發(fā)分產(chǎn)率為10%~55%;變質(zhì)到無(wú)煙煤時(shí)，揮發(fā)分產(chǎn)率為3%~10%。

3.3煤種揮發(fā)分對(duì)煤氣產(chǎn)率的影響

煤揮發(fā)分高，轉(zhuǎn)變?yōu)榻褂偷挠袡C(jī)物質(zhì)消耗就多，故煤氣產(chǎn)率自然會(huì)降下來(lái)。如氣化泥煤時(shí)，煤中有20%的碳被消耗在生成的焦油上。氣化無(wú)煙煤時(shí)，這種消耗就較少。同一操作條件下，煤氣產(chǎn)率由低到高的順序是泥煤、褐煤、氣煤、無(wú)煙煤。這是因?yàn)殡S著煤的揮發(fā)分逐漸降低，轉(zhuǎn)變?yōu)榻褂偷挠袡C(jī)質(zhì)減少，產(chǎn)率自然就提高。隨著煤種揮發(fā)分的增加，煤氣中的二氧化碳增加。當(dāng)用干燥無(wú)灰基揮發(fā)分Vdaf表示時(shí)，泥煤70%；褐煤41%~67%；煙煤10%~50%(其中長(zhǎng)焰煤大于42%、氣煤44%~35%、肥煤35%~26%、焦煤26%~18%、瘦煤18%~12%、貧煤小于17%)；無(wú)煙煤2%~10%。煤氣化在選擇揮發(fā)分煤種時(shí)，應(yīng)考慮煤氣化的用途，如作為燃料，可考慮用揮發(fā)分高的煤種，如作為化工原料應(yīng)考慮用揮發(fā)分低的煤種。此外還要充分考慮煤焦油的處理循環(huán)利用和生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行。

3.4水分含量對(duì)氣化的影響

煤中水分有3種形式，外水、內(nèi)水和結(jié)晶水。外水是在開(kāi)采等過(guò)程中潤(rùn)濕煤外表面以及大毛細(xì)孔而形成的，失去外水為風(fēng)干煤；內(nèi)水是吸附或凝聚在煤內(nèi)部較小毛細(xì)孔中的水分，失去內(nèi)水為絕對(duì)干燥煤；結(jié)晶水在煤中以CaSO4·2H2O，Al2O3·2SiO2·2H2O構(gòu)成，通常要200 ℃以上才能析出。泥煤12%~15%、褐煤5%~24.5%、長(zhǎng)焰煤0.9%~8.7%、貧煤0~0.6%、無(wú)煙煤1%~4%?？傊窒脑礁撸讲焕跉饣磻?yīng)。常壓氣化對(duì)爐溫要求高，如水分過(guò)高，未干燥好就直接入氣化爐，會(huì)影響干餾段的正常進(jìn)行，進(jìn)而影響氣化溫度降低，使得甲烷生成反應(yīng)、二氧化碳和水蒸氣還原反應(yīng)速度減慢，影響氣化效率，降低氣化產(chǎn)率。加壓氣化對(duì)爐溫要求稍低，能提供較高的干燥層，適量高水分對(duì)加壓有利，能使氣化速度加快，生成煤氣質(zhì)量也好。不同爐型對(duì)水分要求也不同，如干法對(duì)水分要小于2%。

3.5灰分含量對(duì)氣化的影響

將一定量的煤在800 ℃條件下完全燃燒，殘余物即灰分，表明煤中礦物質(zhì)含量的大小。常見(jiàn)的有硅、鋁、鐵、鎂、鉀、鈣、硫、磷等以碳酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽和硫化物形式存在。總之灰分越高，各項(xiàng)消耗指標(biāo)均增加，能耗也高，運(yùn)輸費(fèi)用也高。

煤氣化時(shí)，如灰分高，灰覆蓋在碳表面，氣化劑和碳表面接觸面積減少，降低了氣化效率，同時(shí)灰含量增加，不可避免增加了爐渣的排出量，隨爐渣排出的碳損耗也會(huì)增加，氧氣消耗、水蒸氣消耗和煤的消耗均會(huì)增加，而凈煤氣產(chǎn)率會(huì)下降。加壓氣化用煤種中灰分可達(dá)55%,而不會(huì)影響生產(chǎn)。但低灰分的煤種有利于煤氣化，通常液態(tài)排渣的氣化爐碳含量在2%以下，加壓氣化爐排渣的碳含量在5%以下，常壓氣化爐排渣的碳含量在10%~15%左右。

3.6煤質(zhì)顆粒度對(duì)氣化的影響

煤中的粒度在氣化過(guò)程中非常重要，由于粒度不同，將直接影響到氣化爐的運(yùn)行負(fù)荷、煤氣、焦油的產(chǎn)率及各項(xiàng)消化指標(biāo)。通常不同的爐型、煤種、操作條件，對(duì)煤的粒度要求也不同。粒度大小與煤的比表面積有關(guān)，粒度越小，比表面積就越大。煤有許多內(nèi)孔，所以煤的比表面積與煤的氣孔有關(guān)。粒度小，煤比表面積大，氣固接觸充分，有利于反應(yīng)進(jìn)行，但阻力也增加了，動(dòng)力消耗就大。不同的氣化反應(yīng)床對(duì)煤的粒度要求是完全不同的，固定移動(dòng)床要求煤粒在6~50 mm,粒度小有利于氣化反應(yīng)，但會(huì)增加阻力，增加帶出物損失，加壓固定床要求褐煤6~40 mm,煙煤5~25 mm,焦炭和無(wú)煙煤5~20 mm。流化床要求煤粒在3~5 mm，粒徑基本一致，以免被氣流帶出。氣流床要求煤粒(干粉)在0.1 mm,70%~90%的煤粉小于200目。

4氣化工藝市場(chǎng)接受程度適應(yīng)性分析

本文通過(guò)對(duì)7種煤氣化工藝市場(chǎng)份額進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表3)，判斷該工藝受市場(chǎng)接受的程度，以此表明技術(shù)的成熟度。本表給出了7種煤氣化工藝近年來(lái)主要的用戶數(shù)、累計(jì)日氣化煤能力、備煤能力和所占比例以及在這幾種煤氣化能力中各種氣化工藝所占的比例數(shù)，由此初步判斷該種氣化工藝在煤氣化市場(chǎng)中所受應(yīng)用的程度。

下面對(duì)7種有代表性的氣化工藝進(jìn)行簡(jiǎn)述。

表3　7種氣化工藝日氣化煤炭量及份額

4.1SHELL干煤粉加壓氣化

SHELL氣化工藝于1972年研究。1993年在荷蘭推出，用于燃?xì)獍l(fā)電，投煤量2 000 t/d，屬氣流床加壓氣化技術(shù)。由原料煤運(yùn)輸、煤粉制備、氣化、除塵和余熱回收等組成，干粉煤輸送需要N2或CO2, 目前國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的氣化爐能力最大為3 000 t/d。對(duì)原料煤適應(yīng)性寬，原料煤含灰量在30%也能氣化，灰熔點(diǎn)可高達(dá)1 400~1 500 ℃。有效氣體CO+H2達(dá)90%左右，熱效率高達(dá)約90%，碳轉(zhuǎn)化率98%，冷煤效率83%，比煤耗0.69，比氧耗330。主要特點(diǎn)包括：干煤粉進(jìn)料、多噴嘴、水冷壁內(nèi)襯，氣化的煤氣上行進(jìn)入廢鍋進(jìn)行冷卻，冷卻后的煤氣經(jīng)除塵，其中一部分合成氣循環(huán)激冷熱煤。其不足之處在于：①設(shè)備造價(jià)高、投資高的主要因素是采用廢鍋流程、高溫高壓陶瓷過(guò)濾器以及激冷循環(huán)氣壓縮機(jī)；②激冷用循環(huán)合成氣消耗一定的循環(huán)功耗，增加運(yùn)行成本,壓縮機(jī)易出故障；③氣化關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造周期長(zhǎng)、項(xiàng)目建設(shè)周期長(zhǎng)。目前有22個(gè)用戶，28臺(tái)爐子，共氣化煤炭63 400 t/d。

4.2GSP干煤粉加壓氣化

GSP氣化工藝于1975年由前民主德國(guó)GDR燃料研究所開(kāi)發(fā)。1984年在德國(guó)建成第1套130MW的商業(yè)裝置，用于生產(chǎn)甲醇和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，投煤量720 t/d，屬氣流床加壓氣化技術(shù)。該技術(shù)幾經(jīng)周折后被德國(guó)西門(mén)子收購(gòu)，目前國(guó)內(nèi)已建成的氣化爐能力最大為2 000 t/d。與殼牌爐的區(qū)別：1個(gè)聯(lián)合噴嘴、合成氣下行、噴水激冷降溫、水冷壁為水進(jìn)水出，熱水在廢鍋內(nèi)與鍋爐給水換熱副產(chǎn)低壓蒸汽;而殼牌為飽和水進(jìn)，吸熱后水汽混合物進(jìn)入中壓汽包分離,副產(chǎn)比氣化爐高1.0~1.4 MPa的中壓蒸汽。氣化溫度1 400 ℃，采用激冷流程。有效氣體CO+H2達(dá)90%左右，甲烷含量低，氣化爐結(jié)構(gòu)采用水冷壁結(jié)構(gòu)，維修簡(jiǎn)單等。其不足之處在于：①是采用單個(gè)聯(lián)合噴嘴，熱負(fù)荷大，單臺(tái)運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)，渣口磨損大，需要經(jīng)常維修；②合成氣中含灰量大，增加下游脫除負(fù)荷；③水耗量較大；④碳轉(zhuǎn)化率低，灰中殘?zhí)剂扛哌_(dá)30%。煤燒嘴與氣化爐反應(yīng)室匹配難度大，導(dǎo)致氣化爐膜式水冷壁燒損較嚴(yán)重。目前最大投煤量2 000 t/d，共有48臺(tái)爐子，氣化煤70 000 t/d,備用氣化煤量18 000 t/d。

4.3HT-L干粉煤加壓氣化(航天爐)

HT-LZ是由中航科技集團(tuán)開(kāi)發(fā)，2006年用于安徽臨泉15萬(wàn)t/a甲醇裝置，采用廢鍋流程，于2008年8月建成投料。氣化溫度在1 400~1 500 ℃。目前設(shè)計(jì)投產(chǎn)的氣化爐能力最大為2 000 t/d。主要特點(diǎn)：該技術(shù)結(jié)合了GSP和GE兩種成熟工藝的優(yōu)點(diǎn)，氣化爐上端與GSP相近，采用單個(gè)組合燒嘴，螺旋水冷壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。下段借鑒GE的激冷方法，采用全水激冷，使合成氣增濕飽和。有效氣體CO+H2達(dá)92%左右，熱效率達(dá)95%，碳轉(zhuǎn)化率99%，冷煤效率83%，比氧耗360。氣化爐結(jié)構(gòu)采用水冷壁，無(wú)耐火磚襯里，維修簡(jiǎn)單等。多燒嘴、合成氣上行，走廢鍋流程，飽和水進(jìn)，吸熱后水汽混合物進(jìn)入中壓汽包分離，副產(chǎn)比氣化爐高1.0~1.4 MPa的中壓蒸汽。其不足之處在于：①氣化爐煤燒嘴與氣化反應(yīng)室匹配不佳，膜式壁易燒壞，渣口易磨損，噴水環(huán)易燒壞，下降管易堵塞；②灰水處理工藝水耗大，廢水排放量較大。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)較多的是750 t/d和1 500 t/d, 共計(jì)73臺(tái)氣化爐，氣化煤量為89 250 t/d。

4.4GE(德士古)水煤漿加壓氣化

GE前身是德士古水煤漿氣化，于1978年推出，屬氣流床加壓氣化，其中輸送水煤漿入爐系統(tǒng)比干粉煤輸送系統(tǒng)要簡(jiǎn)單安全。氣化單爐生產(chǎn)能力最大為2 000 t/d。對(duì)原料煤中含灰量和灰熔點(diǎn)有一定的要求，特別是灰熔點(diǎn)要低于1 300 ℃。主要特點(diǎn)：水煤漿進(jìn)料、單噴嘴下噴式，采用水激冷流程。該工藝有效氣體CO+H2高達(dá)80%左右，熱效率高達(dá)85%，碳轉(zhuǎn)化率96%，冷煤效率76%，比氧耗410。氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐火磚襯里，制造方便、造價(jià)低。煤氣除塵簡(jiǎn)單，采用激冷流程，單燒嘴，需要備爐。其不足之處在于：①水煤漿中含有約40%的水，增加氧耗；②對(duì)原料煤的使用較嚴(yán)，如成漿性差的煤、內(nèi)水高、灰分高、灰熔點(diǎn)高的煤不宜使用；③比氧耗在氣流床工藝中最高；④采用熱爐壁，耐火磚造價(jià)高，壽命短；⑤燒嘴三相流，磨損大，壽命短，需要用備爐。目前國(guó)內(nèi)氣化爐約 159/118/臺(tái)(套)，備用爐約51/38臺(tái)(套)，氣化煤量約130 200/86 700 t/d，備用能力為62 940/44 940 t/d。

4.5四噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化

四噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化是由華東理工大學(xué)等開(kāi)發(fā)。1996年開(kāi)發(fā)新型水煤漿氣化爐和關(guān)鍵部件，2000年推出工藝包并完成基礎(chǔ)工作研究，屬氣流床加壓氣化技術(shù)，2005年山東華魯恒升化工股份有限公司750 t/d，6.5 MPa投產(chǎn)運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的氣化爐能力最大為3 000 t/d。 有效氣體CO+H2高達(dá)84.9%，熱效率高達(dá)85%，碳轉(zhuǎn)化率98.8%，冷煤效率76%，比氧耗309，比煤耗535。氣化爐為耐火磚襯里，造價(jià)低。采用激冷流程，煤氣除塵簡(jiǎn)單，四(多)噴嘴，有備爐。與GE爐區(qū)別：①多噴嘴對(duì)置式氣流床反應(yīng)器處理負(fù)荷大，消除短路；多噴嘴對(duì)置式實(shí)現(xiàn)氣化區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)多元化和模型，霧化加撞擊混合效果好，平推流長(zhǎng)氣化反應(yīng)進(jìn)行完全；②氣化工藝后續(xù)關(guān)鍵部分也有較大改進(jìn)，噴淋床與鼓泡床組合，分級(jí)凈化，直接換熱式含渣水處理、預(yù)膜式長(zhǎng)壽命高效噴嘴等；③對(duì)激冷室也進(jìn)行了創(chuàng)新，避免渣堵塞氣流通道。其中不足之處在于，GE存在的問(wèn)題幾乎都有，個(gè)別地方有改進(jìn)和完善，但仍有合成氣體帶水較嚴(yán)重、阻力降大、激冷罐液位不易控制等問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)共使用氣化約105/71臺(tái)，氣化煤量約132 750/78 150 t/d,備用爐能力約35/26臺(tái)，氣化煤量58 600/39 900 t/d 。

4.6多元料漿氣化(MCSG)

多元料漿氣化工藝是由西北化工研究院開(kāi)發(fā)的技術(shù)，1967年開(kāi)始研究并建立中試裝置，1999年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，屬氣流床加壓氣化技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的氣化爐能力最大為2 000 t/d。料漿濃度在60%~68.5%,有效氣體CO+H2高達(dá)83.4%，熱效率高達(dá)85%，碳轉(zhuǎn)化率98%，冷煤效率73%，比氧耗362，比煤耗575。氣化爐為耐火磚襯里，造價(jià)低。采用激冷流程，有備爐。與GE爐區(qū)別：①煤液化殘?jiān)?、生物質(zhì)、紙漿廢液和有機(jī)廢水等原料適應(yīng)范圍廣，既可液態(tài)也可固態(tài)排渣，不會(huì)形成對(duì)耐火材料腐蝕；②氣化劑可選用空氣、富氧和純氧；③氣化爐分為熱壁爐和冷壁爐2種，可供選擇，激冷室由下降管、上升管和溢流式激冷結(jié)構(gòu)組成；④?chē)娮觳捎枚嗤ǖ澜Y(jié)構(gòu)，霧化效果與氣化爐結(jié)構(gòu)匹配；⑤氣化工藝后續(xù)關(guān)鍵部分也有較大改進(jìn)。目前國(guó)內(nèi)使用57臺(tái)爐子，氣化煤量42 900 t/d,21臺(tái)備用爐，氣化能力19 500 t/d。

4.7碎煤移動(dòng)床加壓氣化

碎煤移動(dòng)床加壓氣化工藝是在引進(jìn)德國(guó)魯奇公司技術(shù)的基礎(chǔ)上，由賽鼎工程有限公司完善。在對(duì)山西天脊合成氨裝置消化吸收的基礎(chǔ)上有創(chuàng)新的技術(shù)，其后在河南義馬煤氣廠的二期和潞安合成油廠用于生產(chǎn)城市煤氣。該工藝尤適用于褐煤氣化制甲烷氣。目前氣化爐直徑3 500 mm，日投煤量750 t/d。 原料約70%~80%，小粒煤6.35~50 mm間歇加入氣化爐，約20%~30%煤粉作為鍋爐燃料。蒸汽和氧氣由爐底部通過(guò)爐篦均勻分布進(jìn)入燃料層?；以鼊t通過(guò)爐篦均勻恒定地間歇固態(tài)排出。為防爐篦結(jié)渣，操作時(shí)加入過(guò)量蒸汽。氣化溫度900~1 050 ℃。固定床加壓連續(xù)氣化，粗煤氣中CO+H249%~52%，CH412%~14%，氧耗209 m3/t煤 、蒸汽耗0.895 t/t煤，產(chǎn)油率2.34%，單爐產(chǎn)粗煤氣40 000 m3/h，產(chǎn)廢水37 t/h，粗煤氣產(chǎn)率962 m3/t煤。其不足之處在于：①氣化廢水量大及酚氨處理難度大，環(huán)保污染嚴(yán)重；②大規(guī)模使用，粉煤難以消化，采用雙氣化工藝導(dǎo)致裝置復(fù)雜；③焦油處理存在一定難度，不同步處理效益難以發(fā)揮；④氣化爐能力小、裝置占地多、工程全、投資不一定節(jié)省。目前國(guó)內(nèi)使用 112臺(tái)爐子，氣化煤量72 800 t/d,18臺(tái)備用爐，氣化能力11 700 t/d。

4.87種煤氣化工藝應(yīng)用分析

對(duì)于上述7種煤氣化工藝應(yīng)用于甲醇、制氫、合成氨、油品等領(lǐng)域進(jìn)行了分析，7種氣化工藝生產(chǎn)甲醇的數(shù)量及份額見(jiàn)表4，7種氣化工藝生產(chǎn)氫氣的數(shù)量及份額見(jiàn)表5，7種氣化工藝生產(chǎn)油品的數(shù)量及份額見(jiàn)表6，7種氣化工藝生產(chǎn)合成氨的數(shù)量及份額見(jiàn)表7。

表4　7種氣化工藝生產(chǎn)甲醇的數(shù)量及份額

表5　7種氣化工藝生產(chǎn)氫氣的數(shù)量及份額

表6　7種氣化工藝生產(chǎn)油品的數(shù)量及份額

續(xù)表

表7　7種氣化工藝生產(chǎn)合成氨的數(shù)量及份額

4.9干法和濕法工藝對(duì)比

通常情況下，根據(jù)煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)、煤質(zhì)試燒數(shù)據(jù)、產(chǎn)品原料、煤氣化的工藝要求等要素，可以初步判斷那些煤種適用于哪種氣化工藝。有些煤既適用于干法，也適用于濕法，有些煤種更適合濕法，以此來(lái)確定煤氣化的工藝路線和全流程配置。一種好的氣化工藝(相對(duì)而言)對(duì)煤種的適用范圍應(yīng)是越寬越好。干濕法氣化主要參數(shù)見(jiàn)表8。

表8　干濕法氣化主要設(shè)計(jì)參數(shù)

續(xù)表

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)煤氣化工藝比選優(yōu)化要素進(jìn)行了描述，以此表達(dá)煤氣化工藝比選優(yōu)化的重要性，并嘗試提出一些比選的方法?，F(xiàn)代煤氣化工藝一定要結(jié)合煤質(zhì)數(shù)據(jù)、試燒結(jié)果、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和煤氣化工藝及后續(xù)全系統(tǒng)工藝流程進(jìn)行投資、環(huán)保、能效和經(jīng)濟(jì)效益匹配優(yōu)化比選。

煤化工市場(chǎng)會(huì)始終追求那些“煤炭轉(zhuǎn)化率高、合氣化效率高、有效氣產(chǎn)率高、節(jié)能降耗穩(wěn)定、投資成本低廉、綠色環(huán)保安全”的先進(jìn)煤氣化工藝技術(shù)和國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，并作為一種煤氣化發(fā)展的方向和趨勢(shì)。我們要統(tǒng)籌兼顧煤氣化優(yōu)化比選的各種要素，把引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的煤氣化技術(shù)理念與具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)代煤氣化工藝有機(jī)結(jié)合起來(lái)，為現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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A Study on Comparison, Selection and Optimization of Modern Coal Gasification Processes

WANG Shou-jian

(ChinaNationalChemicalEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100007China)

Abstract：The comparison, selection and optimization work of coal gasification processes must be cautiously combined with coal quality analysis and trial firing data for benchmarking and matching, together with selection of gasifier structure types and process parameters, in the meantime, quantitative analysis shall be done with the calculation model from the chemical reactions and thermodynamic fundamental laws etc., on these basis, a gasification process is selected out for specific local coal. This paper depicts the factors for comparison, selection and optimization of coal gasification processes and presents the ideas and steps for how to obtain and assess these factors.

Keywords：coal gasification process; comparison and selection; optimization

收稿日期：2015-11-12

作者簡(jiǎn)介：汪壽建(1956年-)，男，江蘇無(wú)錫人，教授級(jí)高級(jí)工程師，中國(guó)化學(xué)工程股份有限公司總工程師，長(zhǎng)期從事化工、煤化工工程設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及技術(shù)管理工作。

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 546

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-8901(2016)01-0001-07

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.001 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.001