干煤粉气化工艺煤粉输送载气的选择

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

近几十年来，第二代煤气化技术飞速发展，尤其是干粉煤气化技术在中国取得长足发展，1984年GSP首台商业设备(200 MW)气化炉使用褐煤，粉煤处理能力30t/h，1993年SHELL在荷兰Buggenum建成投产的投煤量2 000t/d的大型干煤粉气化装置运行，开启了干煤粉气化技术新的篇章，随着这些干粉煤气化技术在中国的推广，国内外陆续开发了近十种干煤粉气化技术(见表1)。

上述干煤粉气化技术均有运用的生产装置，大多数已成功工业化。而干煤粉气化工艺的一个重要特点，是干煤粉进气化炉需要载气输送，目前，工业化运用成熟的是采用加压N2或者CO2作为载气输送，其具有连续性好、气化炉操作稳定的特点。本文重点分析、探讨不同载气的选择。

表1 国内外干煤粉气化技术对比

1 不同载气输送的煤气化装置差异

干煤粉气化工艺的干煤粉需要采用惰性气体进行输送，原GSP煤气化工艺和SHELL煤气化工艺开发采用的是N2输送煤粉，且合成气用于发电，N2在粗合成气中含量约8%(φ)，若将此合成气用于生产甲醇或CO，N2为惰性组分，对于后续粗合成气处理不利，因此，中国五环工程有限公司(以下简称中国五环)先后在贵州天福项目和神华宁煤项目中，分别在SHELL气化炉工艺和神宁炉气化工艺中采用CO2进行煤粉输送的开发和工程化设计，两个项目开车运行后均取得良好效益。

以下重点介绍投煤量2 000t/d、产12.5万Nm3/h(CO+H2)神宁炉采用N2和CO2输送煤气化工艺的差异。

1.1 煤气化装置中关键设备差异

采用N2和CO2输送煤粉，其煤气化装置配置的设备有显著差异，考虑到N2和CO2的来源差异，在煤气化装置开车阶段，N2输送煤粉还需要保留，同时，因CO2特性的差异增加部分设备，其详细差异见表2。

表2 煤气化关键设备差异对比

1.2 煤气化装置工艺性能指标的差异

由于N2在煤气化过程中为惰性组分，而CO2在煤气化过程中为活性组分，两种不同载气输送煤粉，对煤气化装置工艺性能指标产生一定差异，其主要差异对比(典型数据)见表3。

2 煤气化装置采用不同载气输送煤粉生产不同产品的差异

两种不同载气输送煤粉的气化装置所产粗合成气的差别、输送煤粉载气的来源差别，导致相配套工艺的配置和消耗差别较大，以下以投煤量2 000t/a、产12.5万Nm3/h(CO+H2)神宁炉，采用N2输送和CO2输送煤气化分别生产合成氨和甲醇(典型工艺)为例，对比说明其配置差异和原料及公用工程消耗差异。

表3 煤气化装置工艺性能指标差异对比

(1)采用N2输送煤粉和CO2输送煤粉生产合成氨，其原料及公用工程消耗对比见表4。

从表中看出，干煤粉气化采用N2输送煤粉生产合成氨的经济性要优于CO2输送煤粉。

(2)采用N2输送煤粉和CO2输送煤粉生产甲醇的原料及公用工程消耗对比见表5。

表4 N2和CO2输送煤粉生产合成氨的原料及公用工程消耗对比

表5 N2和CO2输送煤粉生产甲醇的原料及公用工程消耗对比

从上表看出，干煤粉气化采用CO2输送煤粉生产甲醇的经济性要优于N2输送煤粉。

3 干煤粉气化装置载气输送煤粉的分析

3.1 N2作为载气输送煤粉

用N2作为载气输送煤粉，空分装置可以提供不同等级N2，相对空分装置流程配置简单，高中压N2可以采用液氮泵来供给，如果煤气化装置为合成氨生产合成气，氮气用量较大，空分需采用氮气循环流程，用于输送煤粉的载气N2就可以成为合成氨的一部分原料 N2的来源，合成气中N2不够，在液氮洗时进行配氮补充。因此，输煤N2作为产品的原料气，整个工艺装置流程相对较为简洁。

如果煤气化装置为甲醇生产合成气，N2作为载气输送煤粉，煤气化所产粗合成气中N2含量将达到8%，去甲醇合成的新鲜合成气中占比达9%，惰性气含量太高，大大影响甲醇合成的效率，尤其是甲醇合成和循环气压缩机能耗大幅增加，甲醇合成单元的有效气损失，导致投资增加。

另外，煤气化装置生产相同有效气(CO+H2)量，在用N2作为载气输送煤粉时，总气量比CO2输煤大3.7%，相对投资和能耗要稍高些。

3.2 CO2作为载气输送煤粉

煤气化装置考虑用CO2作为载气输送煤粉时，N2作为载气输送煤粉的系统仍然要保留，只是这套系统作为开车使用，配置可以按临时性来设计。空分装置可以考虑按临时性设计思路提供氮气，全厂用氮量会大幅减少，空分可以采用空气循环流程，能耗大幅减少。

如果煤气化装置为合成氨生产合成气，CO2作为载气输送煤粉时，相较于N2作为载气输送煤粉，CO2压缩功要高于空分增加的能耗，后续CO变换因CO和CO2浓度高，需要消耗的外加蒸汽多，CO2浓度高也会导致低温甲醇洗冷量消耗也高，但是液氮洗的H2损失少。

4 结语

中国五环近三十年来完成了大量的干煤粉气化装置，在干煤粉输送载气的选择上，需要根据后续产品来综合考虑。

(1)干粉煤气化工艺生产合成氨，从投资、消耗以及生产操作的角度看，选择N2作为载气是经济、可靠的选择。

(2)干粉煤气化工艺生产甲醇或其他CO/H2等下游产品，选择CO2作为载气是较为经济的选择，同时要充分考虑开车期间N2载气系统的设置和N2/CO2切换的问题。