GSP干煤粉气化技术的应用与优化

赵保强

(阳煤集团太原化工新材料有限公司,山西 太原 030400)

引 言

随着世界经济的不断发展，对能源的需求量将越来越大。煤作为一种储存量极大的能源，由于其在使用过程当中存在较为严重的粉尘污染，以及其相应能源利用率不高的问题，极大地限制了其应用[1-3]。探讨煤的高效清洁利用，将是我国乃至世界在能源与环境保护领域当中的一个重大研究课题。

GPS气化技术因其具有能源利用效能高、环保性能好、容量大等优点，成为了解决当前能源问题和环保问题的一个较好的选择。GPS干煤粉气化技术是20世纪70年代由德国的燃料研究所研究开发，并将其投入到实际商业运行当中的一种煤粉的气化的技术。该技术的特点就是以干粉的方式将原料煤进行入炉，在燃烧器和烧嘴的夹带下，将该气化剂与煤粉一起送入到气化炉当中，在炉中的高压、高温作用下，其混合物迅速并充分混合，进行燃烧和气化，生成主要由CO与H2所组成的混合气体[4-6]。神华煤业集团50万t/a商业化运行的煤基烯烃项目，于2010年试车成功，它是我国同时也是世界上第一套采用GSP干煤粉气化技术进行生产的项目。由于这是GPS技术在我国乃至世界上的首次工业化的应用，所以其在具体的工业化生产过程当中，暴露出了众多工艺设计上所存在的不合理的问题，所以，改进并优化GSP干煤粉气化技术就显得十分必要[7-10]。

1 GSP干煤粉气化技术的应用

1.1 GSP干煤粉气化技术特点分析

GSP干煤粉气化技术作为一种较为先进的煤气化技术，其特点主要表现为：

1) 所用煤的种类适应性强。采用GSP干煤粉气化技术进行煤气转化，所使用的煤原料具有较为广泛的适应性，从品质较差的褐煤，到次烟煤和烟煤，再到石油焦和无烟煤，都可以作为进行气化的煤原料。而且，也可以将不同的煤原料进行掺杂混烧[11]。

2) 对环境的污染小。采用GSP干煤粉气化技术具有污水排放量较小，不存在有害气体排放问题，而且生产过程中所产生的炉渣因其不含有有害物质，可以作为建筑材料使用。

3) 生产技术指标较好。采用GSP干煤粉气化技术能实现煤中碳的转化率超过99%以上，其转化气当中，不含有重烃，CO和H2的含量超过90%以上，甲烷的含量低于0.05%，其对应冷煤气的效率超过了80%以上。同时，在整个生产过程中，煤的能耗低、耗氧量小[12]。

4) 生产的操作弹性大。采用GSP干煤粉气化技术，其生产负荷量为70%～110%，生产设备的维护费用较低，所使用的设备寿命较长。

5) 其他特点。采用GSP干煤粉气化技术还具有生产自动化水平较高，生产较为安全，生产设备的停、开车较为方便等特点。

1.2 GSP干煤粉气化技术的应用

采用GSP干煤粉气化技术所生产的产品可以用于不同的领域。

1) 用于甲醇的生产。甲醇是当前化工和能源行业应用较广泛的一种产品。与国外的生产技术相比较，我国生产甲醇的技术较为落后，竞争力不强。依据我国的能源结构特点，采用以煤作为原料，采用煤气化技术来扩大生产甲醇的能力，这对于提高我国在甲醇生产方面的能力将会具有十分重要的意义。

2) 用于氨的合成。当前，我国是世界上合成氨的最大消费和生产国，除了少数厂家是以重油和天然气作为原料来生产氨之外，其他企业大多数都是以无烟煤作为原料来进行生产的，但是传统的常压间歇固定床气化技术能耗较高，生产能力不大，而且生产当中污染还较为严重。相比之下，采用GSP干煤粉气化技术则具有适应性强、生产能力大、环保、气化率高等优点，其在氨的合成中有着广阔的应用前景。

3) 用于煤制油的生产。煤制油就是在前期采用煤粉气化技术，在后期采用F-T合成技术，该技术成为我国能源战略当中一个比较重要的战略措施。

4) 用于循环发电。发电是最早应用GSP干煤粉气化技术的一个领域。随着中国经济的持续发展，我国对电力的需求量也在不断的上升，目前我国发电主要采用燃煤的方式，但该方式存在大量硫化物和氮氧化物的排放问题，而采用煤气化循环发电的方式，则能去有效地解决该问题。

5) 其他应用。除了上述应用之外，GSP干煤粉气化技术还可以用于大量生产氢气、制备燃料煤气等。

2 GSP干煤粉气化技术的优化方案

神华煤业集团50万t/a煤基烯烃项目自2010年试车以来，出现了众多的问题，并有针对性地进行了多次优化。

2.1 组合烧嘴上的优化

组合烧嘴位于GPS的气化炉当中，其在使用过程中存在的问题有：1) 烧嘴的面端容易被烧坏，使用寿命较短。2) 点火烧嘴在点火时，存在稳定性不好的问题，从而严重地影响到生产的正常开车；3) 气化炉内存在流畅状态不好的问题，长期运行会导致气化炉的水冷壁出现烧穿破裂。而且，在投煤的过程当中，还存在气化炉炉壁热损失大的问题。

相应的优化方案为：1)针对烧嘴端面烧坏问题，可以采用冷却水强制冷却的方法对其进行保护,同时，将烧嘴内的冷却水由对流优化成强制的旋流，通过流速的提高，来提高降温效果，并且，将烧嘴的材料改为薄壁的管材；2) 针对点火不稳定问题，可以使用高能量的点火方式，来避免由于积灰结焦或者低温、积水而导致的点火不稳定的问题。3) 针对流场不佳的问题，可以通过增大最外层夹套冷却水的流通面积来实现。

2.2 粗煤气洗涤上的优化

在粗煤气洗涤上存在的问题有：1) 在气化炉激冷室的出口，合成气所携带的灰渣量较大，气化室除渣效果较差，使得粗煤气当中所含的灰渣量加大；2) 黑水旁路的闪蒸系统在使用的过程当中存在堵塞和磨损严重问题；3) 由于文丘里洗涤水当中存在较多的固体颗粒，从而导致阀门被磨损严重，且排液管容易被堵塞；4) 旁路的闪蒸系统无法实现闪蒸分离的作用。

相应的优化措施为：1) 通过在气化炉的出口增加一套鼓泡塔，来对合成气进行粗洗，从而实现颗粒与灰分的有效分离；2) 在预热器之前通过增加一套气液分离罐，从而实现既能除尘，又能进行气液分离，这样就能有效地解决堵塞原料气换热器的问题；3) 在原来原料气的分离罐上再增加3层相应的塔盘，用来强化其清洗过程；4) 将现有的闪蒸系统进行优化，使用单管程的换热器，防止堵塞；5)通过静态混合器的设置，来提高冷测合成气体的温度，从而降低热、冷端的温差，防止换热器因结垢出现堵塞。

2.3 水冷壁烧损后工艺调整措施

提高水冷壁的循环水量，从之前既定的量提高到300 t/h，改变氧气旋风照的角度和煤粉喷入的角度，调整火焰的形状，降低氧气与煤粉的螺旋混合强度，降低给水冷壁上层所带来的影响，调节主烧嘴氧煤比开车大小，防止主烧嘴氧煤比的改变造成系统短时间的过氧改变，改变气化用煤质，开车最早阶段，运用容易挂渣的煤，改变气化炉无挂渣作用。

2.4 煤粉输送系统特殊元件问题

对特殊元件进行测绘，调整材料，将疏松的元件上层增加防护挡板，而且适当进行延长，让其和容器的内壁保持平齐，完善之后，煤粉的流量十分稳定，能够给整个工艺流程奠定基础。

2.5 气化炉投煤流量波动问题处理

完善煤粉的进料管线，加装流量控制设备和回流管线，把压差改为流量控制。回流管线令煤粉在未进入气化炉时运用三通阀重新回到低压煤粉仓，于回流设备上加装减压仪器，于减压仪器前增加背压阀，在煤粉循环时提高煤粉管线的压力与气化炉的压力一致，投料阶段三阀切到气化炉方向就可以满足要求。通过这样的方式，煤粉在投料阶段不会有很大的改变，提高回流管线的作用，避免投料初煤粉结块带来投料时锁斗进料以及卸料不畅通，导致煤粉给料不能满足要求出现跳车情况。

3 优化效果分析

3.1 优化后粗煤气中含尘量的变化

GSP干煤粉气化技术在经过相应的优化以后，其相应的含尘量问题得到了有效的解决，见表1所示。

表1 粗煤气在优化前、后含尘量的变化

从表1可以看出，GSP干煤粉气化技术的优化有效地降低了粗煤气中的含尘量。在技术优化前，粗煤气中的含尘量超过了2 mg·m-3，而经过优化以后，其相应的含尘量普遍低于0.5 mg·m-3，表明该优化的效果较好。

3.2 气化炉中有效气体成分的变化

将优化前、后的气化炉中的气体通过多次测量发现，通过技术优化以后，能将气化炉煤气中的有效成分进行相应的提高，其测试结果如表2所示。

表2 优化前、后有效气体含量测定

从表2可以看出，GSP干煤粉气化技术在经过优化以后，其生产气当中的有效气(即氢气与一氧化碳的总量)出现了一定的提升，其中，2#炉有效气的含量提升了超过2%。同时，对比优化前、后的CO2含量发现，优化之后，能有效地降低CO2的生成。

优化后的工艺参数见表3。

表3 优化后相关的工艺参数

4 总结

GSP干煤粉气化技术作为一种煤转化为气的技术，因其具有众多的优点，而在生产当中具有较大的应用价值。由于该技术属于一种较为先进的技术，其在工业上大规模应用较少，所以在具体的应用当中，出现了众多的问题，针对这一系列问题，通过相应的技术优化，能有效地提高烧嘴的使用寿命，点火的成功率，同时，优化以后，煤气的含尘量从之前的超过2 mg·m-3，降到低于0.5 mg·m-3，同时，有效成分也上升了2%左右。