氣流床氣化技術(shù)的現(xiàn)狀及對(duì)比

1、氣流床氣化技術(shù)的現(xiàn)狀及對(duì)比1 技術(shù)簡(jiǎn)介氣流床煤氣化就是煤漿或煤粉和氣化劑（或氧化劑） 以射流的形式噴入氣流床氣化爐內(nèi)，在均勻高溫下，快速轉(zhuǎn)化為有效氣體的過程，爐內(nèi)的高溫使煤中的灰熔解，作為熔渣排出?，F(xiàn)代氣流床氣化的共同點(diǎn)是加壓（3.06.5M Pa ）、高溫、細(xì)煤粒，但在煤處理、進(jìn)料形態(tài)與方式、實(shí)現(xiàn)混合、爐殼內(nèi)襯、排渣、余熱回收等技術(shù)單元存在不同，從而形成了不同 風(fēng)格的技術(shù)流派。氣流床對(duì)煤種（煙煤、褐煤）、粒度、含硫、含灰都具有較大的兼容性， 其清潔、 高效代表著當(dāng)今煤氣化技術(shù)的發(fā)展潮流。 目前最具代表性的氣流床氣化技術(shù)有美國 的 Texaco 水煤漿加壓氣化技術(shù)和荷蘭的 Shell 干煤粉加

2、壓氣化技術(shù)； 另外， 還有與上述氣流 床氣化技術(shù)相似的 Destec 水煤漿加壓兩段式氣化技術(shù)及 Prenflo 干煤粉氣化技術(shù)。1.1 Texaco 煤氣化工藝Texaco 氣化爐有兩種結(jié)構(gòu)，一種是直接激冷式氣化爐，一種為裝有煤氣冷卻器的氣化 爐。美國 Texaco 公司開發(fā)的水煤漿氣化工藝是將煤加水磨成濃度為60 % 65 %的水煤漿，用純氧作氣化劑，水煤漿和純度為 95 %的氧氣從安裝在爐頂?shù)娜紵龂娮靽娙霘饣?，在?溫、高壓下進(jìn)行氣化反應(yīng)，氣化壓力在3.08.5 MPa，氣化溫度1 400 C左右，液態(tài)排渣，煤氣中 CO +H2 占80 %左右， 不含焦油、 酚等有機(jī)物質(zhì)， 對(duì)環(huán)境無污

3、染， 碳轉(zhuǎn)化率為 96 % 99 % ，氣化強(qiáng)度大，爐子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，運(yùn)轉(zhuǎn)率高，而且煤種適應(yīng)范圍較寬，是目前 較為先進(jìn)的煤氣化技術(shù)之一。燒嘴是 Texaco 氣化工藝的關(guān)鍵部件，其壽命和運(yùn)行狀況直接決定著裝置能否長周期經(jīng) 濟(jì)運(yùn)行。燒嘴多為三通道結(jié)構(gòu)， 中間走煤漿， 外層和內(nèi)層走氧氣， 內(nèi)層氧氣通過量占總氧量 的8 %20 %。氣化爐內(nèi)鑲嵌耐火磚，使用壽命一般在 618 個(gè)月，煤中灰分、燒嘴運(yùn)行質(zhì)量、爐內(nèi)溫 度、開停車頻度等都對(duì)耐火磚有較大的影響。Texaco 水煤漿氣化爐與 1952 年開發(fā)成功的渣油氣化爐相似。 在1975 年、 1978 年的低 壓與高壓中試裝置 （激冷流程） 以及19

4、78年原西德Oberhausen的RCH/ RAG 示范裝置（日 處理煤150 t , 410 MPa）基礎(chǔ)上，于1982年建成TVA裝置（日處理煤180 t , 2臺(tái)爐，一 開一備， 6.5MPa）， 1984 年建成日本 UBE 裝置（日處理煤 1 500 t ， 4 臺(tái)爐，三開一備， 316 MPa）以及Cool Water IGCC （聯(lián)合循環(huán)發(fā)電）電站（日處理煤910 t , 2臺(tái)爐，4.0 MPa）,這些裝置投運(yùn)后都取得了成功。目前Texaco最大商業(yè)裝置在 Tampa電站，屬于DOE的CCT23 , 1996年7月投運(yùn)，12 月宣布進(jìn)入驗(yàn)證運(yùn)行。該裝置為單爐，日處理煤 2 000

5、 t ，氣化壓力 2.8 MPa ，氧純度 95 % ,煤漿濃度68 % ,冷煤氣效率76 %，凈功率250MW。輻射鍋爐直徑5.18 m，高30.5 m ， 重 900 t 。水煤漿氣化技術(shù)成熟，煤漿制備、計(jì)量、輸送、控制簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠，操作壓力高（可達(dá)6.5 MPa）,投資省，在世界范圍內(nèi)的商業(yè)化市場(chǎng)占有量大。美國能源部提出近期將 對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行完善與提高，以進(jìn)一步降低成本、降低風(fēng)險(xiǎn)、提高效率。1.2 Shell 煤氣化工藝Shell 煤氣化裝置的核心設(shè)備是氣化爐和廢熱鍋爐。煤粉、氧氣和蒸汽是在加壓條件下 并流進(jìn)入氣化爐內(nèi)， 在極短暫的時(shí)間內(nèi)完成升溫、 揮發(fā)分脫除、裂解、 燃燒及轉(zhuǎn)化等

6、一系列 物理和化學(xué)過程。氣化爐設(shè)有側(cè)壁燒嘴，根據(jù)氣化爐能力中心對(duì)稱分布4 8 個(gè)；爐上部為燃燒室，下部為激冷室，煤粉和氧氣在燃燒室內(nèi)反應(yīng)，溫度為1 600 C左右；為了確保氣化爐長周期運(yùn)行，內(nèi)筒采取水冷壁結(jié)構(gòu)。廢熱鍋爐用于回收高溫煤氣的顯熱，需要承受高溫、 高壓以及煤粉的沖刷，操作條件較為惡劣。殼牌公司的氣化歷史可回溯到 20 世紀(jì)50 年代（首先開發(fā)了殼牌油氣化技術(shù) SGP），1972 年開始煤氣化技術(shù)的研究， 1976 年在阿姆斯特丹建成一座 6 t/ d 中試廠，試驗(yàn)了 30 多種不 同的煤種。 1978 年，殼牌公司在德國漢堡附近的哈爾堡煉油廠建成了一座處理煤量為 150 t/ d 的

7、示范廠，至 1983 年，累計(jì)運(yùn)行了 6 100 h ，最長連續(xù)運(yùn)行 1 000 h 。在漢堡試驗(yàn)的基礎(chǔ) 上，1987 年殼牌公司在美國休斯頓的 Deer Park 石化中心建了一座示范工廠， 規(guī)模為日氣化 250 t 高硫煤或 400 t 高濕、高灰分褐煤。該裝置累計(jì)運(yùn)行了 15 000 h ，并驗(yàn)證了 SCGP 氣 化多種類型煤的能力。 1989 年，荷蘭國家電力局下屬的 Demkolec 公司在荷蘭南部的 Buggenum興建了一座IGCC電廠，采用SCGP煤氣化技術(shù)，裝置單爐設(shè)計(jì)能力為日處理 2 000 t 煤，氣化壓力 2.8 MPa ， 1993 年試車，截止到 2001 年，氣化

8、裝置運(yùn)轉(zhuǎn)率為 95 %以上，碳 轉(zhuǎn)化率達(dá) 99 %。1.3 Global E-Gas 煤氣化工藝Global E2Gas （原稱Dow Destec，2000年更名）工藝采用水煤漿加料，具有水煤漿進(jìn) 料的共同優(yōu)缺點(diǎn)。用于 Plaquemine （L GTI） 和Wabash工廠的Global E2Gas氣化爐像一個(gè) 倒立的 T 字，與 Texaco 氣化相比其顯著特色是兩段氣化， 下部（一段） 為臥式爐， 上部（二 段）為立式爐。水煤漿預(yù)熱后與氧氣由二段噴入爐內(nèi)，爐內(nèi)溫度為1 400 C左右，壓力為3.0MPa ，灰渣呈熔融流動(dòng)態(tài)，通過氣化爐底部進(jìn)入水中淬火，形成玻璃態(tài)礦渣，由壓力螺旋 式連續(xù)

9、排渣系統(tǒng)排除。該工藝通過兩段氣化， 使合成氣熱值增加， 有利于提高 IGCC 電站的 總效率， 并且合成氣溫度降低， 避免使用龐大、 昂貴的輻射熱交換器， 降低了氣化爐的造價(jià)。 兩段氣化的結(jié)果是降低了煤耗和氧耗。從總體性能角度考慮， E-Gas 氣化爐應(yīng)該是 IGCC 電站中值得優(yōu)先考慮的爐型， 但該氣 化爐的爐型結(jié)構(gòu)難于承受高壓， 隨著IGCC工廠二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格， 這種爐型的 應(yīng)用受到限制。今后的發(fā)展思路是兩段氣化應(yīng)該和直筒爐型整合。E-Gas工藝最初由Dow化學(xué)公司于20世紀(jì)70年代開發(fā)，1987年Dow普萊克明（路 易斯安那）化學(xué)聯(lián)合企業(yè)的商業(yè)化裝置投入運(yùn)營。1989年， D

10、ow 將氣化和電力部分從公司剝離，另成立一公司，80 %股份為Dow所有，稱為Destec公司。同年，該技術(shù)被印第安納 州的沃巴什河的 IGCC 電廠增容項(xiàng)目選用。美國 Port Arthur GCCProject 計(jì)劃采用 E-Gas 氣 化技術(shù)氣化石油焦，計(jì)劃 2005 年建成3 臺(tái)氣化爐，生產(chǎn)的煤氣用于發(fā)電（ 1 100 MW） 。1.4 Prenflo 氣流工藝Prenflo （ Pressurized Ent rained Flow Gasification ）氣化工藝由克魯勃 伍德開發(fā)，是一 種加壓、干式給料氣流床工藝。由于 Krupp-Koppers 曾與 Shell 合作，所以

11、兩種工藝的氣化爐 極為相似，也采用干法進(jìn)料系統(tǒng)。該工藝對(duì)制粉系統(tǒng)的要求是：對(duì)煙煤，煤粉細(xì)度R10 0為25 %，含水量小于2 % ;對(duì)于褐煤，煤粉細(xì)度 R100為25 %，含水量小于6 %。Prenflo煤氣 化爐有 4 個(gè)燃燒器，對(duì)稱布置，從給料系統(tǒng)送來的煤粉與氧氣（純度85 %）和水蒸氣一起噴入氣化爐反應(yīng)區(qū)進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)區(qū)的溫度1 500 C左右，焰心的溫度高達(dá)2 000 Co煤氣中從第 1 級(jí)冷卻器的底部（即氣4 層螺旋管換 氣化爐與 Shell碳?xì)浠衔?、焦油和酚含量不高。反?yīng)區(qū)爐襯通過水冷壁來冷卻，同時(shí)產(chǎn)生高壓飽和蒸汽。 粗煤氣在下部反應(yīng)區(qū)形成后向上流動(dòng)， 在進(jìn)入氣化爐上部的煤氣冷卻

12、器之前， 采用除塵后的 冷煤氣對(duì)熱煤氣進(jìn)行激冷，以迫使熱煤氣帶有的熔融態(tài)灰渣凝固而落入氣化爐底部排渣口。 被激冷的煤氣繼續(xù)上升進(jìn)入第 1 級(jí)煤氣冷卻器， 煤氣先從冷卻器的中心圓筒上升至氣化爐頂 部，然后折轉(zhuǎn)向下， 經(jīng)中心圓筒與爐壁間的環(huán)形對(duì)流冷卻區(qū)， 化爐的腰部） 離開進(jìn)入第 2 級(jí)對(duì)流冷卻器。 第1 級(jí)冷卻器的環(huán)形冷卻區(qū)布置有 熱器，熱煤氣在管外流動(dòng)，水在管內(nèi)流動(dòng)，并產(chǎn)生高壓飽和蒸汽， 這是Prenflo 氣化爐的不同之處。煤的加壓氣化100 ym） 是靠氮?dú)庥?986 1992 年，Krupp-Koppers 在德國 Furstenhousen 建成日處理 48 t 裝置（亦即 Prenf

13、lo 示范廠）并取得成功。該工藝氣化爐煤粉（粒徑為風(fēng)力輸送到氣化爐的，氣化爐結(jié)構(gòu)獨(dú)特，氣化爐體與合成氣冷卻器結(jié)合在一起，粉煤、 氧氣和蒸汽一起經(jīng)裝在氣化爐下部的燃燒器給入，合成氣在1 600 C的溫度下產(chǎn)生。合成氣在氣化爐出口被再循環(huán)的潔凈合成氣淬冷至800 C左右，然后向上流至中心分配器管，并經(jīng)蒸發(fā)器段向下流動(dòng)，在380 C左右離開氣化爐。氣化過程形成的熔渣在水槽內(nèi)淬冷，并通過閘斗 倉排出。2氣流床氣化技術(shù)的對(duì)比國內(nèi)外幾種氣流床技術(shù)對(duì)比見表1。本文重點(diǎn)以Texaco的水煤漿加壓氣化和 Shell干粉煤加壓氣化（SCGP）為代表進(jìn)行對(duì)比分析。表1氣流床氣化技術(shù)對(duì)比項(xiàng)目TexacoDftStKS

14、hellRfenflo國內(nèi)卑新枝求P化煤沖禎煙煤*犧煤汝就崔*煙煤福at、無煙艱剛琨甘式上加水煤漿卜加術(shù)煤喘卜加煤粉對(duì)罟四威嘴氯氣排沽狀態(tài)戟態(tài)懂液卷沽戟態(tài)港磁渣氣化yy力*MPS:E.L 52.2L 0-4.0J.C3.0吒比皚度/ 15401 320 1 4302 COQJ 300 - 2 ODD1 3M -1 400出爐盥度f t：S00 1 0389001 350 T 6001 1M-1 250比氣粕山tm-*旳0-410刑350?gOio壟汽杭f kg堆-1000. 30-5站（人爐菸育J諜湍仇10.19. 310.8Ihl碳轉(zhuǎn)牝荊%97.29S. 99S999S. 2障煤氣iS半%7

15、4-S77.0S5.0Sl-OS4. 2合處氣中有建咒悴（CO + H1J - %44 +站50-5265-12M +理注：國內(nèi)最新技術(shù)指國家十五”科技攻關(guān)課題“粉煤加壓氣化制備合成氣新技術(shù)”。2.1 原料的適應(yīng)性對(duì)SCGP，煤種已不是制約因素，可以使用褐煤、次煙煤、煙煤、無煙煤等，也可以用 混煤氣化。該工藝已成功氣化了高灰分、高水分和高硫分的劣質(zhì)煤。該工藝對(duì)煤種有較強(qiáng)的 適應(yīng)性，但要求90 %以上的粉煤粒度在100卩m以下。SCGP用加熱的惰性氣干燥粉煤，煤 的水分含量控制在2 %以下，以滿足氣相進(jìn)料的要求。Texaco氣化爐也能使用很多煤種，如：煙煤、次煙煤、煤液化殘?jiān)取橹频酶邼舛取?

16、高質(zhì)量的煤漿，應(yīng)選擇含水低、固定碳含量高、發(fā)熱量高的原料煤；為了控制合適的氣化溫 度，延長耐火磚的壽命， 應(yīng)選擇灰熔點(diǎn)低的煤。煤漿的制備采用濕磨工藝，煤漿中一般通過40目篩的占90 %95 %，通過325目篩的占25 %35 %。煤漿中加入表面活性劑可提高 煤漿濃度，使煤漿濃度達(dá)到 60 %67 %的應(yīng)用要求。2.2 加料方式SCG P粉煤用氮?dú)廨斔椭临A倉，經(jīng)煤鎖斗入加壓粉煤倉，再由高壓氮?dú)馑椭翚饣癄t噴嘴。 該工藝操作和保護(hù)要求嚴(yán)格，進(jìn)料系統(tǒng)的防爆和防泄漏問題十分關(guān)鍵。該工藝裝置占地和造價(jià)高，粉塵排放量較大。Texaco工藝 制備的煤漿通過中間槽、低壓煤漿泵、煤漿篩入煤漿槽，再由高壓煤漿 泵送

17、至氣化爐燒嘴。輸送過程較安全，但對(duì)高壓煤漿泵的要求較高。2.3 噴嘴SCG P通常使用多個(gè)噴嘴，采用成雙對(duì)稱布置。裝置負(fù)荷調(diào)整可通過調(diào)整進(jìn)噴嘴的粉煤流量，也可以通過調(diào)整噴嘴運(yùn)行的個(gè)數(shù)。其噴嘴使用壽命長，目前已超過 8 000 h 。Texaco 工藝 燒嘴位于氣化爐頂部（ 1 個(gè)），固定不可調(diào)，通常是三流道型，負(fù)荷調(diào) 節(jié)通過噴嘴進(jìn)行，目前最長運(yùn)行時(shí)間已超過 2 500 h 。2.4 熱利用SCG P出爐高溫煤氣迅速用循環(huán)煤氣激冷降至900 C,經(jīng)廢鍋回收熱量后，煤氣溫度降至350 C,可根據(jù)需要用于生產(chǎn)高壓蒸汽、低壓蒸汽或過熱蒸汽。Texaco 工藝 熱回收形式有兩種 : 輻射鍋爐 + 對(duì)流鍋

18、爐；噴水激冷，在洗滌的同時(shí)熱 量直接轉(zhuǎn)換為蒸汽，水/氣可達(dá)1.31.45 。2.5 排渣、除塵煤氣中夾帶的爐渣粉塵采用干法分離后的粉塵含碳量很低，可SCGP 煤氣化后， 爐渣大部分以粒狀經(jīng)過渣斗排出， 和濕法除去。煤氣熱利用后，大部分粉塵在干法除塵時(shí)分離，作為制備水泥的原料；小部分粉塵經(jīng)洗滌塔洗滌除塵，黑水經(jīng)過減壓分離、汽提、沉降，然 后進(jìn)行生化處理，粉塵循環(huán)利用。Texaco 工藝 煤經(jīng)氣化后，大部分以粒狀爐渣及隨激冷水除掉的粉塵經(jīng)鎖斗排出，煤 氣中夾帶的粉塵通過洗滌塔洗滌除塵， 洗滌的灰水與氣化爐灰水一起經(jīng)閃蒸、 沉降、 生化處 理除掉。Shell 氣化爐 4 個(gè)噴嘴位于爐子下部同一水平面，沿圓周均勻布置，借助撞擊 ，爐殼20 % -2.6 氣化爐結(jié)構(gòu)SCGP流強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞過程，使?fàn)t內(nèi)同截面氣速均勻。爐襯為水冷壁（ Membrame Wal