气流床煤气化技术分析

陈 寅

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西西安 710075）

我国拥有丰富的煤炭资源，目前煤炭在我国能源结构中仍占有主导地位，怎样合理使用煤炭资源成为我国煤炭资源处理的首要问题。在煤炭利用技术中，煤气化技术作为煤炭能源转化的基础技术，在煤炭能源使用方面占有重要的地位。

按照燃料在气化炉内的运动状态，煤气化工艺技术一般分为三种类型：移动床（也被称为固定床）、流化床和气流 床。其中，气流床气化炉是最清洁，也是效率最高的煤气化类型。气流床技术中，粉煤或水煤浆在1 200~1 700℃时被氧化，高温保证了煤的完全气化，煤中的矿物质成为熔渣后离开气化炉。气流床可用煤种要比移动床和流化床的范围更广泛。使用纯氧气化可以使煤的气化过程更有效，并可避免合成气被氮气稀释，所产合成气的热值也将高于空气氧化炉所产生的合成气的热值。

目前以煤为原料生产合成气的气流床气化工艺中较为成熟的有水煤浆加压气化工艺和干粉煤加压气化工艺。

1 水煤浆加压气化工艺

水煤浆加压气化工艺，国外有GEGP（原TEXACO工艺、单喷嘴、以下简称为GEGP工艺）；国内有华东理工大学的多喷嘴水煤浆气化工艺以及清华大学的晋华炉。

1.1 GEGP工艺

GEGP工艺为目前世界上先进的气化技术之一，属气流床加压气化法。其特点是该工艺对煤的适应范围较宽，可利用粉煤，单台气化炉生产能力较大，气化操作温度高，液态排渣，碳转化率高，煤气质量好，甲烷含量低，不产生焦油、萘、酚等污染物。排出粗灰渣可以用作水泥的原料和建筑材料。三废处理简单，易于达到环境保护的要求。生产控制水平高，易于实现过程自动化及计算机控制。

GEGP工艺技术特点如下：

①煤种适应性广；②气化压力范围大；③炉内无传动装置，结构比较简单；④产气量大；⑤热量利用率高，冷煤气效率可达70%~75%；⑥有效气成分高，干基有效气中（CO+H2）≥ 80%（φ）[1]；⑦碳转化率高，最高可达96%。

1.2 新型（对置式多喷嘴）水煤浆加压气化

新型（对置式多喷嘴）水煤浆加压气化技术是华东理工大学开发的目前最先进的水煤浆气化技术之一。多喷嘴对置式水煤浆气化技术中试装置（22t煤/d）结果表明：有效气成分83%，比相同条件下的GEGP技术高1.5%~2%；碳转化率> 98%，比GEGP高2%~3%；比煤耗、比氧耗均比GEGP技术低7%。

多喷嘴对置式水煤浆气化技术以纯氧和水煤浆为原料制合成气，该技术包括磨煤单元、气化及初步净化单元及含渣水处理单元，具有以下特点：

①煤种适用范围较粉煤气化窄；②气化压力范围大； ③具有带压连投设计；④投入运行最大单炉投煤量可达到4 000t/d；⑤多喷嘴对置式设计，实现煤浆在炉内对撞流，提高碳转化率；⑥预混式烧嘴结构设计，延长烧嘴使用寿命；⑦旋风+水洗的工艺，减少合成气的含尘量；⑧渣水处理流程，减少灰渣对设备管道的堵塞和磨蚀；⑨独特的激冷室除雾装置，减少合成气带水量。

1.3 晋华炉

晋华炉是在原清华炉（水冷壁结构）基础上发展形成的一种新型煤气化技术，上部气化燃烧室采用水冷壁结构，在气化燃烧室和激冷室之间增加废锅段以便于回收大量的合成气显热，回收热量后的合成气进入气化炉下段激冷室。该技术主要是针对三高煤、成浆性差的褐煤研究开发的气化技术，通过辐射废锅回收高温合成气的热能并转化为高压饱和蒸汽，提高煤的利用率，降低生产成本。

晋华炉工艺技术特点：①稳定性好，不需设置备炉；煤种适应性强；②无须停炉检修耐火砖，装置连续运转率高；③水冷壁废锅结构合理，安全性强；④生产过程中通过废锅回收粗合成气中的显热，可副产高压蒸汽，能量利用率高；⑤气化炉系统启动快；⑥流程设计更优化；⑦经济效益好；⑧冷煤气效率可达74%[4]；碳转化率＞98%[4]。

2 干粉煤加压气化工艺

干粉煤加压气化工艺代表性技术有荷兰壳牌干粉煤加压气化工艺（以下简称Shell工艺）、航天炉HT-L粉煤加压气化技术等。

2.1 Shell工艺

Shell 粉煤气化所用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。水冷壁与简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；环形空间内充满250~300℃的有压合成气。炉体设有对称的四个煤粉烧嘴，烧嘴使用寿命保证期为一年。

Shell工艺技术特点如下：

（1）原料煤适用范围较宽，煤种适应性强，如褐煤、烟煤、无烟煤等各种煤均可使用；对煤的性质，如粒度、结焦性、灰分、水分、硫分、氧分等含量均不敏感。

（2）气化炉为水冷壁式，基本消除频繁检修、炉内耐火衬里更换频繁和耗费昂贵的弊端。单台气化炉产气能力大，具有高效、大型化和长周期运行的显著特点。

（3）具有较高的热效率，碳转化率可高达99%，原料煤能量回收率高，冷煤气效率可达86%，比煤耗可达600kg/ 1 000m3（CO+H2），比氧耗为365m3O2/1 000m3（CO+H2），粗煤气成分中，CO+H2的比例可达86%[2]。

2.2 航天炉HT-L粉煤加压气化技术

国内气流床粉煤气化技术的代表为航天万源的航天炉（HT-L），航天炉与西门子GSP气化技术十分接近，该技术热效率可达95%，碳转化率可高达99%；气化炉为水冷壁结构，气化温度能到1 500~1 700℃，对煤种要求低，可实现原料本地化。与西门子GSP气化炉的最大区别在于激冷室不同，航天炉的激冷室与通用德士古水煤浆气化的激冷室相似，其他部分较为通用，几乎所有设备及备品备件全部国产化。

航天炉HT-L工艺技术特点如下：煤种适应范围较宽；关键设备全部实现国产化，有利于减少投资，并缩短采购周期；关键设备结构不同于传统设备，利于现场安装并方便维护；气化炉激冷管结构优化，利于减少合成气的带水带灰；最大单炉处理量为3 000t/d，规模较大；现有业绩多。

3 煤气化技术的比较

水煤浆加压气化法、干粉煤加压气化工艺均为目前世界上较先进的气化技术，同属气流床加压气化法。其共同特点是对煤的适应范围较宽，可利用原煤，单台气化炉生产能力较大，气化操作温度高，液态排渣。碳转化率高，煤气质量好，甲烷含量低，不产生焦油、萘、酚等污染物，所产灰渣可用做水泥原料和建筑材料，三废处理简单，易于达到环境保护的要求、生产控制水平高，易于实现过程自动化及计算机控制。

3.1 进料方式

GEGP工艺：水煤浆进料，安全、操作方便，简单，对煤的含水量要求比较宽松。

晋华炉工艺：水煤浆进料，安全、操作方便，简单，对煤的含水量要求比较宽松。

航天炉HT-L工艺：干煤粉进料，用高压氮气或CO2气送入气化炉，煤需干燥并磨成细粉，煤的含水量越小越好，干燥过程需消耗不少的热量。

3.2 气化炉结构

GEGP工艺：采用耐磨耐高温耐火砖衬里，一般检修周期为1a。

晋华炉工艺：气化炉上段燃料室采用盘管式水冷壁结构，中间采用辐射废锅换热器、整体气化炉寿命30a。

HT-L工艺：气化炉上段燃料室采用盘管式水冷壁结构。激冷室结构与GEGP工艺较为相似。

3.3 有效气（CO+H2）含量

GEGP工艺：合成气有效气（CO+H2）≥76%；

晋华炉工艺：合成气中有效气（CO+H2）≥80%[4]；

HT-L工艺：合成气中有效气（CO+H2）为86%~92%[3]。

3.4 耗煤量和耗氧量

不同气化技术的原料（煤、氧气）消耗指标（如比煤耗和比氧耗）主要取决于原料煤的进料形式和气化炉结构，对于GEGP和晋华炉同属于水煤浆湿法进料，气化炉均为气流床和单烧嘴顶喷形式，因此，其原料煤和氧气消耗量接近，比煤耗约610kg/km3（CO+H2），比氧耗约390~405m3/km3（CO+H2）。

航天炉HT-L采用粉煤气力输送进料，省去水煤浆加压气化技术中水气化所需负荷，降低比氧耗和比煤耗，比煤耗约550kg/km3（CO+H2），比氧耗约310m3/km3（CO+H2）。

3.5 对下游装置的影响

GEGP工艺：气化装置出口CO干基含量约52%，H2干基含量约31%，由于采用全激冷流程，水气比约为1.3~1.4，足以满足下游变换反应对水蒸气的需要，且流程设置按耐硫中温变换串低温变换比较顺畅。

晋华炉工艺：气化装置出口CO干基含量约52%，H2干基含量约31%，由于采用废锅+激冷流程，水气比可调控范围0.5~1.0，具体可根据下游变换对合成气水气比的要求来调整，实现在满足下游化工合成的基础上最大限度地回收合成气中的高品位热量。

航天炉HT-L工艺：气化装置出口合成气中CO高达60%， 由于是4.0MPaG气化，则合成气中水气比约0.9，基于高CO含量和中等比例水气比的特点，对于本项目下游合成气H2/CO要求，变换装置在设计和运行时需要特别注意防止超温的问题，针对该工况，变换装置多采用多级变换炉串联工艺（双等温、等温+绝热等流程），同时还需要可靠的变换炉急冷气措施。

3.6 热量回收方法

GEGP工艺：可选用激冷流程和废锅+激冷两种流程，其中绝大多数采用激冷流程。

晋华炉工艺：可采用废锅+激冷流程，废锅回收的高品位显热约相当于原料煤低温热值15%，同时副产10.0~12.0MPaG高压饱和蒸汽，过热后可用于驱动空分透平。

航天炉HT-L工艺：可采用激冷流程和废锅+激冷流程两种，其中绝大部分为激冷流程。

3.7 装置投资

GEGP工艺：由于GEGP工艺烧嘴有效周期短，故需考虑备炉。

晋华炉工艺：气化炉为可靠的水冷壁结构+组合式烧嘴，可考虑不留备炉，减少装置投资。

HT-L工艺：气化炉为可靠的水冷壁结构+组合式烧嘴，可考虑不留备炉，减少装置投资。

4 煤气化技术选择原则

1）煤资源的可利用性、适应性：原料煤的性质，如煤化程度、灰熔点（和T4温度）、煤灰黏温特性、成浆性等指标直接决定了煤气化技术的选型。

2）技术的可靠性：目前干粉煤气化技术（如航天炉HT-L）技术虽然绝大部分设备和仪表均已经实现国产化，但部分设备及仪表阀门仍然需要进口；而气流床水煤浆加压技术如GEGP技术、晋华炉技术在国内煤气化市场上占据大部分比例，所有设备、仪表等均已完全实现国产化，这对项目建设进度、后续运行过程中的维修更换都非常有利。

3）项目投资：干粉煤气化技术由于在磨煤干燥、煤粉密相输送、气化炉水冷壁结构、较高的气化框架等方面的特点，在相同产气规模下单系列气化炉投资高于比湿法水煤浆气化技术。

4）技术的成熟度：目前气流床气化技术（含干法粉煤和湿法水煤浆）在国内均有多套成熟的商业化业绩，技术成熟性方面均不存在问题。

5）项目规模及产品方案：结合项目规模和下游装置对于上游气化运行可靠性的要求，应重点考虑气化装置有无备台对下游的影响。

5 结束语

通过简述水煤浆加压气化技术及干粉煤加压气化技术，比较各煤气化技术的特点，并从原料煤特性、煤气化技术可靠性、项目投资、技术成熟度及总项目规模及产品方案安排五个方面，阐述了煤气化技术的选择原则。煤气化工艺技术是煤化工的关键技术，在选择煤气化工艺技术时，应针对各种炉型的主要特点，并结合煤种、技术成熟度、投资成本和环保等方面的因素来选择适合的煤气化工艺。