大型煤化工项目常见煤气化技术性能对比
吴同舫，李志祥
（神华包头煤化工有限责任公司，内蒙古 包头014000）
［摘 要］结合气化炉近年来的实际生产运行情况，分别对GE水煤浆气化、GSP粉煤气化、Shell粉煤气化技术从工艺流程、技术特点、操作参数、关键设备、环保指标等几个方面进行比较与探讨，得出结论，多喷嘴粉煤气化技术性能优越，在煤化工领域发展前景广阔，是未来洁净煤技术发展的方向。
［关键词］气化技术；Shell粉煤气化；GSP粉煤气化；GE水煤浆气化；比较；应用；前景
［中图分类号］ TQ 546 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2016）
我国是一个“贫油少气富煤”的国家，这种能源结构使得煤炭在一次能源消费结构中的比重高达60%，因此，如何保证煤炭资源的高效利用，对于保障我国能源长期安全供应具有重大的现实意义和战略意义。而在煤炭资源的集约利用方面，煤气化技术是煤炭转化利用的主要途径，是在转化含碳固体物为高附加值产品过程中处于领先地位的清洁技术［1］，是发展煤制氢、煤基液体燃料、煤基化学品、多联产系统及先进IGCC发电等过程工业的基础及关键龙头技术。
目前，我国大型煤化工项目采用的煤气化技术多数属于气流床加压气化技术，主要的气化工艺有GE（Texaco）、Destee、Shell、Prenflo、GSP、CCG等。以下就目前常用的具有代表性的GE水煤浆气化、GSP粉煤气化、Shell粉煤气化3种煤气化技术进行对比研究和探讨。
1 工艺流程比较
1.1 GE水煤浆气化
煤储运系统送来的原料煤送至煤贮斗，经称重给料机定量后送入磨机，加入一定量的水和添加剂，研磨出合格的水煤浆，经煤浆加压泵加压后同高压O2一起通过顶置式单喷嘴喷入气化炉， 5～7 s［2］内完成气化过程（气化反应压力6.5 MPa、温度1 300～1 400 ℃），生成以CO和H2为主的粗合成气。离开气化炉反应段的高温粗合成气和熔渣一起进入气化炉激冷室水浴，大部分的熔渣经激冷固化后落入激冷室底部经锁斗排出；粗合成气出激冷室后经文丘里洗涤器、碳洗塔洗涤除尘冷却，温度降至245 ℃并被水蒸气饱和后送至变换工段。
从气化炉和碳洗塔排出的高温黑水依次进入高压闪蒸罐、低压闪蒸罐和两级真空闪蒸罐，一部分水被闪蒸为蒸汽回收利用，溶解在黑水中的大部分合成气被解吸出来送硫回收系统处理，同时黑水被浓缩，温度降至45 ℃进入沉降槽，沉降的细渣浆经过滤机脱水后运至厂外，沉降槽上部澄清的灰水则送往灰水槽，经低压灰水泵加压回送至气化系统循环利用。
1.2 GSP粉煤气化
原料煤由给煤机称重后送到磨煤机中磨粉，热风炉送来的热惰性气体送入磨煤机中，将合格粒度的煤粉干燥后吹入煤粉袋式过滤器，分离收集后排入煤粉贮仓中，经煤粉锁斗送入煤粉给料仓，由高压CO2密相输送并精确计量后经3根粉煤管线送入气化炉顶部的烧嘴，并与高压O2及过热蒸汽一同旋流喷入气化室，在4.1 MPa、1 450 ℃条件下进行气化反应，生成以CO和H2为主的粗合成气。GSP气化炉的内壁采用盘管膜式水冷壁结构，为防止粗合成气进入膜式水冷壁与气化炉之间的环形空间出现冷凝而腐蚀设备，环形空间充有压力较高的惰性气体。出气化炉反应室的高温粗合成气、飞灰和液态熔渣通过设置有冷却水盘管的排渣口进入激冷室下降管水浴激冷，熔渣迅速固化；出激冷室被水饱和的合成气依次经鼓泡塔、两级文丘里洗涤器、部分冷凝器和气液分离器洗涤后送至下游变换系统。熔渣通过锁斗定期排至渣池，飞灰以及未反应的粉煤颗粒由渣池泵送至渣水处理系统，经进一步处理后循环使用。气化炉和文丘里洗涤装置排出的高温黑水，经两级闪蒸浓缩、澄清去除细渣后送回气化系统循环使用。
1.3 Shell下行水激冷粉煤气化
Shell粉煤气化技术的传统工艺为废锅流程，产生的合成气经飞灰过滤器和庞大的合成气冷却器进行冷却，投资高，工艺复杂，故障率高，影响装置的长周期运行，多用于联合发电装置。为了满足煤化工生产的需要，Shell新开发出下行水激冷粉煤气化流程，并在中国南京建成投产，目前运行情况较好，各项指标均达到或优于设计值。
Shell粉煤气化煤粉制备和输送过程与GSP气化工艺相似。从高压煤粉仓出来的煤粉与输送煤粉用的高压CO2经计量后一起进入烧嘴的中心；来自空分的高压O2加热到180 ℃后，与少量中压过热蒸汽混合进入烧嘴的外环隙，经4个或4个以上水平设置的工艺烧嘴喷入气化炉，在气化炉内煤粉与O2充分混合，发生部分氧化反应生成合成气，多喷嘴延长线相互交错形成多边形，从喷嘴喷出的煤粉在O2流的带动下在气化炉反应室内形成旋流，液态熔渣被离心力抛至膜式水冷壁并沿水冷壁通过渣口向下进入激冷室，熔渣迅速固化龟裂成碎玻璃体，经锁斗排出；出气化炉反应室的高温粗合成气、飞灰经下降管进入激冷室水浴激冷，合成气被水饱和后经文丘里洗涤器和合成气洗涤塔洗涤处理。其灰水处理系统和GE水煤浆气化工艺类似，灰水经闪蒸后进入沉降槽沉降，大部分灰水回用。
Shell粉煤气化工艺，气化炉点火用点火烧嘴，用液化气作燃料。气化炉开车升温用开工烧嘴，用油泵送来的柴油作燃料，开车初期不合格的煤气经火炬燃烧后放空。开车完成后，粉煤烧嘴投用，点火烧嘴和开工烧嘴退出气化炉。
2 煤种适应性对比
2.1 GE水煤浆气化煤质适应性分析
GE水煤浆气化炉适应的原料煤是固定碳含量和发热量中等、可磨性中等、反应活性好、低灰分、低灰熔点的年轻烟煤或无烟煤。
GE水煤浆气化要求的水煤浆应具有高浓度、低黏度、稳定性好、流动性好、易于泵送等特点。因为水煤浆在气化之前要先经历水的蒸发过程，水煤浆浓度越高，水分蒸发所需热量越少，比煤耗和比氧耗也就会越低；同时，煤的内水是影响成浆浓度的重要因素，内水主要是由煤中的亲水基及毛细孔的吸附引起的，由于煤中的亲水基及毛细孔吸附水的表面张力在煤粒周围形成一层水膜，亲水基越多、毛细孔越是繁茂的原料煤，水膜就越厚，制得的煤浆浓度就越低。另外，GE水煤浆气化炉内衬耐火砖，一般要求煤的灰分＜12%，若煤中灰分较高，特别是煤中碱性金属氧化物组分过高，则会对耐火砖尤其是高铬的向火面砖造成较强的侵蚀，从而缩短耐火砖的寿命。液态的灰渣沿耐火砖流下时对砖体造成冲刷使砖体减薄，据经验认为最佳的灰渣黏度应控制在15～40 Pa·s，这样才能在炉砖表面形成一定厚度的灰渣保护层，既延长炉砖寿命又不致堵塞渣口，最佳灰渣流动黏度对应的温度即为气化炉最佳操作温度。若炉温太低，碳转化率就会过低，粗煤气中甲烷含量就高；但炉温过高，尤其是超过1 400 ℃，耐火砖热蚀会加快，当气化温度高于1 400 ℃时，每提高20 ℃，炉砖的熔蚀速率会提高1倍，因此原则上一般要求水煤浆气化原料煤灰熔点应低于1 300 ℃。
常见原料煤粘温特性曲线图如图1。图1中，煤种3气化操作温度窗口过小，不适合于水煤浆气化；煤种1，灰熔点为1 390 ℃，也不适合于水煤浆气化；煤种2，灰熔点适中，灰分不高，粘温特性对应的操作温度窗口在1 255～1 340 ℃之间，适合于水煤浆气化。
图1常见原料煤粘温特性曲线图
2.2 粉煤气化煤质适应性分析
更多内容详见《中氮肥》2016年第3期