GSP煤氣化渣水系統(tǒng)的選擇

1、GSP煤氣化渣水系統(tǒng)的選擇譚成敏，丁振偉（貴州開陽化工有限公司，貴州開陽 550300 ） 2007-01-01貴州開陽年產(chǎn)500 kt/a合成氨項(xiàng)目是兗礦貴州能化公司與貴州開磷集團(tuán)共同出資建設(shè)目前國內(nèi)規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的合成氨裝置之一，裝置以無煙煤為原料，在吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上, 按照先進(jìn)、節(jié)能、可靠、成熟和經(jīng)濟(jì)合理的原則，合理選擇工藝技術(shù)路線。通過考察調(diào)研，采用了德國未來能源公司GSP粉煤加壓氣化工藝，該技術(shù)對(duì)貴州煤種有廣泛的適應(yīng)性，但我們公司不引進(jìn)此煤氣化技術(shù)的渣水處理系統(tǒng)技術(shù)，而是采用國內(nèi)設(shè)計(jì)的兗礦國泰化工有限公司水煤漿氣化渣水處理技術(shù)。下面介紹我們選擇的緣由。1 GSP 煤氣

2、化技術(shù)發(fā)展史前東德的德意志國家燃料研究所（DeutschesBrennstoffInstitutFreiberg，簡稱 DBI）于 1956 年成立，一直致力于煤炭綜合利用的研究開發(fā)工作，最初開發(fā)固定床氣化技術(shù)，即使在國際市場石油過剩的年代也沒有中斷過褐煤的氣化開發(fā)工作。為了進(jìn)一步開發(fā)褐煤及其他煤種的氣化，提高粉煤的利用率，減少塊煤的需要和減少焦油的生成，于1976 年研究開發(fā)了基于水冷壁的粉煤加壓氣化工藝，因位于東德黑水泵地區(qū)，故取名GSP（德文黑水泵Gaskombiant Schwarze Pumpe的簡稱）煤氣化技術(shù)。未來能源公司GSP粉煤氣化技術(shù)開發(fā)過程未來能源公司位于德國弗賴貝格（F

3、reiberg），其前身是前東德的德意志燃料研究所。1990 年東西德合并后被諾爾公司收購（ Noell ）,1999 年又被德國巴博高克電力公司收購，2002 年德國巴博高克電力公司破產(chǎn)，由瑞士可持續(xù)技術(shù)公司(SUSTEC AG)收購其煤氣化技術(shù)部門，成立了其全資子公司未來能源有限責(zé)任公司。GSP技術(shù)的開發(fā)歷程如下：19561977 年東德的德意志燃料研究所（DBI），在黑水泵煤氣化廠建成24 臺(tái)固定床氣化爐；19781989 年在弗賴貝格示范裝置建成3MW流化床氣化爐，試驗(yàn)氣化褐煤、鹽化泥煤等42 種煤種， 15 種硬煤，石油焦、飛灰等； 1984 年黑水泵廠建成 130MW氣化爐，用作城

4、市煤氣，主要燃燒東德當(dāng)?shù)氐暮置海?1996 年建成 5MW水冷壁氣化爐； 19901999 年被 Noell GmbH 收購，氣化廢油、焦油、木屑、禾桿、工業(yè)廢物等及生物有機(jī)質(zhì)液化； 20002002 年被德國巴高克公司收購，氣化焦油； 20022004 年被未來能源公司收購，氣化焦油，開發(fā)新的水冷壁氣化爐。從 GSP氣化發(fā)展的歷史來看，其粗煤氣凈化及渣水處理效果是很難考證的，因?yàn)閲釭SP氣化主要用于生產(chǎn)燃料氣及循環(huán)發(fā)電（ IGCC），遠(yuǎn)不如作化工原料氣對(duì)含塵量的要求那樣嚴(yán)格，很難設(shè)想德國人粗煤氣凈化及渣水處理設(shè)計(jì)會(huì)比德士古水煤漿技術(shù)先進(jìn)很多。眾所周知， GSP氣化合成氣的含塵量將會(huì)直接影響

5、到后工序變換催化劑的使用壽命，影響裝置的運(yùn)行周期。另外國內(nèi)引進(jìn)的德士古氣化的粗煤氣凈化、渣水處理系統(tǒng)在中國也經(jīng)歷了不少改造，各廠的變換催化劑所受的影響也各不相同，到目前為止，渣水系統(tǒng)仍然是影響氣化系統(tǒng)長周期運(yùn)行的一個(gè)因素。各廠在渣水處理方面做了較多的努力和技術(shù)改造，雖然最終都恢復(fù)了正常穩(wěn)定生產(chǎn)，但其中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)值得吸取。兗礦國泰化工水煤漿氣化粗煤氣凈化及渣水處理系統(tǒng)由華東理工大學(xué)設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)完全不同于德士古水煤漿氣化引進(jìn)技術(shù)。經(jīng)過近一年的運(yùn)行考驗(yàn)，顯示出很好的長周期運(yùn)行效益優(yōu)勢。所以引進(jìn)范圍統(tǒng)一到把粗煤氣凈化及黑水處理系統(tǒng)切分出來，交給華東理工大學(xué)設(shè)計(jì)，既解決了可靠性的問題，又降低了投資風(fēng)險(xiǎn)

6、，是比較合理的。2 國內(nèi)引進(jìn)的典型德士古水煤漿氣化渣水系統(tǒng)情況自從德士古第一套水煤漿加壓氣化裝置在魯南化肥廠投料開車以來，最近十幾年國內(nèi)又陸續(xù)上了十多套該類型裝置，并且都已經(jīng)取得成功。德士古氣化渣水系統(tǒng)是該工藝的一個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)，渣水系統(tǒng)運(yùn)行的正常與否，直接影響整個(gè)系統(tǒng)能否長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)該類裝置國內(nèi)各廠在渣水系統(tǒng)方面經(jīng)過不斷的革新、改造，渣水系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行得比較穩(wěn)定，但仍然存在著不少問題。2. 1魯南渣水系統(tǒng)兗礦魯南化肥廠的德士古水煤漿加壓氣化裝置是國內(nèi)第一套示范裝置，世界第五套生產(chǎn)裝置。該項(xiàng)目于1989 開工建設(shè)， 1993 年 4月建成投入試生產(chǎn)。該裝置灰水處理系統(tǒng)采用了三級(jí)閃蒸,

7、 壓力分別為：高壓0.71MPa，中壓 0.20 MPa ，真空 0.055 MPa 0.065 MPa，如圖 1。從早期運(yùn)行的情況來看，渣水系統(tǒng)的運(yùn)行周期較短, 一般為 2 3 個(gè)月，主要缺點(diǎn)有：因閃蒸罐氣相（廢氣）均放空之火炬，開停車過程中閃蒸罐壓力、液位較難控制；系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重，尤其是該系統(tǒng)使用的大多為U 形管換熱器，運(yùn)行周期短，一般檢修后運(yùn)行兩個(gè)月便制約整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，換熱器列管堵塞比例高達(dá)三分之二，閃蒸罐清理難度大，罐內(nèi)汽液分離器短時(shí)間內(nèi)無法清理徹底，有時(shí)被迫拆下清理，檢修周期過長；管道和閥門更換頻繁，檢修費(fèi)用較高。經(jīng)過不斷的革新、改造，魯南的氣化系統(tǒng)運(yùn)行較穩(wěn)定，但運(yùn)行周期仍不是很長

8、，維修量大且費(fèi)用高。圖 1魯南渣水系統(tǒng)流程簡圖1高壓閃蒸罐；2中壓閃蒸罐；3真空閃蒸罐；4高壓閃蒸罐頂換熱器（）；5高壓閃蒸罐頂換熱器（）；6高壓閃蒸分離器；7中壓閃蒸換熱器；8中壓閃蒸分離罐；9真空閃蒸換熱器；10真空閃蒸分離罐；11沉降槽； 12灰水罐2. 2渭河渣水系統(tǒng)渭河煤化工集團(tuán)有限公司的德士古水煤漿加壓氣化裝置于1997 年正式進(jìn)入生產(chǎn)運(yùn)營，2000 年生產(chǎn)達(dá)標(biāo)， 2001 年實(shí)現(xiàn)盈利。作為我國第一套采用6.5MPa 水煤漿加壓氣化技術(shù)的大型化肥裝置，投產(chǎn)后經(jīng)過三年的消化吸收與技術(shù)改造，才掌握了這套技術(shù)。渣水處理采用四級(jí)閃蒸，如圖2。能更有效地閃蒸出黑水中的酸性氣體，黑水被濃縮，但

9、由于工藝流程過于復(fù)雜，不但增加了設(shè)備投資，而且U 形管換熱器也存在結(jié)垢堵塞嚴(yán)重的問題，系統(tǒng)運(yùn)行周期短。不同于魯化裝置的是閃蒸汽入變換工段汽提塔，不在火炬排放，有利于環(huán)境保護(hù)。圖 2渭化渣水系統(tǒng)流程簡圖1高壓閃蒸罐；2低壓閃蒸罐；3灰水加熱器；4氣液分離器；5真空閃蒸罐；6真空換熱器；7蒸汽噴射泵；8澄清槽； 9灰水槽2. 3淮化渣水系統(tǒng)淮化 2000 年建成投產(chǎn)的“ 18·30”工程是一套年產(chǎn)180 kt 合成氨， 300 kt 尿素的生產(chǎn)裝置。其中氣化部分采用的也是美國德士古公司的水煤漿加壓氣化工藝，是國內(nèi)第四套水煤漿加壓氣化裝置。渣水系統(tǒng)采用二級(jí)閃蒸，如圖 3，流程簡單， 操作方

10、便， 但長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，閃蒸罐及管壁同樣出現(xiàn)結(jié)垢，真空閃蒸除沫器堵塞嚴(yán)重，壁垢脫落堵塞管道或卡住閥門，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。一般運(yùn)行3 個(gè)月必須停車清理閃蒸系統(tǒng)，這已成為影響系統(tǒng)長周期運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。后經(jīng)過較多的技術(shù)改造，包括增加設(shè)備開工冷卻器，在開、停車過程渣水處理系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞時(shí)，可把系統(tǒng)排放黑水全部導(dǎo)入開工冷卻器，為灰水處理系統(tǒng)騰出檢修清理時(shí)間，檢修完畢后再把黑水重新切回。圖 3淮化渣水系統(tǒng)流程簡圖1高壓閃蒸罐；2低壓閃蒸罐；3灰水加熱器；4氣液分離器；5真空閃蒸罐；6真空換熱器；7蒸汽噴射泵；8澄清槽； 9灰水槽； 10開工冷卻器3 國內(nèi)設(shè)計(jì)的專利技術(shù)（國泰德士古水煤漿氣化渣水系統(tǒng)）國泰

11、公司于 2005 年7 月建成投產(chǎn)，采用新型四噴嘴對(duì)置氣化技術(shù)， 兩套渣水處理系統(tǒng)， 其關(guān)鍵設(shè)備蒸發(fā)熱水塔的操作壓力為0.45 MPa，真空閃蒸罐的壓力為 0.07 0.08 MPa 。蒸發(fā)熱水塔分為黑水閃蒸室和填料塔兩部分，裝置的渣水在黑水閃蒸室蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽與灰水直接接觸，同時(shí)完成傳質(zhì)、傳熱過程，如圖4。其先進(jìn)性為：無影響長周期運(yùn)轉(zhuǎn)的隱患；回收熱量充分，高溫灰水與閃蒸汽溫差小于2，熱效率高 , 同時(shí)也大大減少了換熱器的配置；基本避免了系統(tǒng)結(jié)垢堵塞；閃蒸廢氣去火炬，閃蒸罐壓力不受其他系統(tǒng)的影響；其操作靈活性和穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于其他渣水處理技術(shù)。經(jīng)過一年多的工業(yè)運(yùn)行，已證實(shí)有較長的操作周期和很好的能

12、量回收效果。圖 4國泰渣水系統(tǒng)流程簡圖1蒸發(fā)熱水塔；2灰水換熱器；3真空閃蒸罐；4真空閃蒸換熱器；5酸性氣分離器；6真空閃蒸分離罐；7澄清槽； 8灰水槽4 結(jié)語對(duì)于國內(nèi)引進(jìn)的各種煤氣化技術(shù)，我們要?jiǎng)?chuàng)造性地加以吸收和利用，同時(shí)注意利用各種新技術(shù)新設(shè)備。由于我們利用國內(nèi)德士古煤氣化的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，相對(duì)簡化 GSP流程，不但大大節(jié)省了投資，降低了投資風(fēng)險(xiǎn)，大大提高了項(xiàng)目的競爭力，而且將會(huì)打造一個(gè)磷煤化工生產(chǎn)科研基地。Shell煤氣化技術(shù)吳 迎 ( 中國五環(huán)化學(xué)工程公司，武漢430079) 2006-08-041概述謝爾粉煤加壓氣化工藝( 簡稱 Shell煤氣化工藝 ) ，是荷蘭殼牌公司開發(fā)的一種先進(jìn)的煤

13、氣化技術(shù)，與先進(jìn)的德士古(Texaco) 水煤漿加壓氣化技術(shù)相比，Shell煤氣化具有對(duì)煤質(zhì)要求低，合成氣中有效組分(CO+H2 >90 ) 含量高，原煤和氧氣消耗低，環(huán)境污染小和運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，已成為近年來國內(nèi)外設(shè)計(jì)單位和生產(chǎn)廠家首選的氣化工藝。我國正在設(shè)計(jì)和建設(shè)中的洞庭氮肥廠、柳州化學(xué)工業(yè)公司等廠家，已將該技術(shù)應(yīng)用于合成氨生產(chǎn)。湖北化肥廠和安慶化肥廠也準(zhǔn)備將該技術(shù)用于本廠的“油改煤”制氨流程。湖北雙環(huán)科技股份有限公司引進(jìn)Shell公司基礎(chǔ)設(shè)計(jì)， 由我院做工程設(shè)計(jì)， 正在建設(shè)規(guī)模為800t d( 相當(dāng)于 20 萬 t a) 的工業(yè)示范裝置， 即將投運(yùn)。 Shell煤氣化技術(shù)是我國建設(shè)

14、大型煤化工項(xiàng)目或中氮肥改造的主要方向。Shell工藝雖屬先進(jìn)，但投資偏高，一般企業(yè)不易接受，建議盡快實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的國產(chǎn)化。2Shell煤氣化工藝原理、技術(shù)特點(diǎn)及主要設(shè)備2.1 Shell煤氣化工藝原理Shell煤氣化過程是在高溫高壓下進(jìn)行的，Shell煤氣化屬氣流床氣化。粉煤、氧氣及水蒸汽在加壓條件下并流進(jìn)入氣化爐，在極為短暫的時(shí)間 (3 10s) 內(nèi)，完成升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒及轉(zhuǎn)化等一系列物理和化學(xué)過程，其工藝流程如圖1 所示，氣化工藝指標(biāo)如表1 所示。2.2技術(shù)特點(diǎn)a. 煤種適應(yīng)性廣。從無煙煤、煙煤、褐煤到石油焦化均可氣化，對(duì)煤的灰熔融性適應(yīng)范圍寬，即使高灰分、高水分、高含硫

15、量的煤種也同樣適應(yīng)。b. 氣化溫度約1 600 ，碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99以上，產(chǎn)品氣體潔凈，不含重?zé)N，甲烷含量低，煤氣中有效氣體(CO+H2) 高達(dá)90以上。c. 氧耗低，單爐生產(chǎn)能力大。氧氣消耗低，比水煤漿氣化工藝低15 25，因而配套的空分裝置投資相對(duì)降低；目前已投入運(yùn)轉(zhuǎn)的單爐氣化壓力3.0MPa，日處理煤量已達(dá)2000t ，因此，單爐生產(chǎn)能力大，目前更大規(guī)模的裝置正在工業(yè)化。d. 熱效率高，排渣易處理。煤中約 83的熱能轉(zhuǎn)化為合成氣，約15的熱能被回收為高壓或中壓蒸汽，總的熱效率為98；其氣化爐高溫排出的熔渣經(jīng)激冷后成玻璃狀顆粒，性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境幾乎無影響，氣化污水含氰化物少，易處理。e.Sh

16、ell氣化爐關(guān)鍵部件燒嘴的設(shè)計(jì)壽命為8000h，已有使用4a 仍未更換的記錄；另外控制系統(tǒng)安全可靠，設(shè)有必要的安全聯(lián)鎖，使氣化操作始終處于最佳狀態(tài)下運(yùn)行。f.Shell氣化爐爐壁采用水冷壁結(jié)構(gòu)，無耐火磚襯里，維護(hù)量少，氣化爐內(nèi)無傳動(dòng)部件，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長，無需備爐。2.3主要設(shè)備Shell氣化裝置的核心設(shè)備是氣化爐和廢熱鍋爐。氣化爐結(jié)構(gòu)如圖2 所示。Shell煤氣化爐由內(nèi)筒和外筒兩部分組成，包括膜式水冷壁、環(huán)形空間和高壓容器外殼。內(nèi)筒采用水冷壁結(jié)構(gòu)，僅在向火面有一層薄的耐火材料涂層，其一，為了減少熱損失；其二，主要是為了掛渣，充分利用渣層的隔熱功能，以渣抗渣，以渣護(hù)爐壁，使氣化爐熱損失減少到最低，以

17、提高氣化爐的可操作性和氣化效率。環(huán)形空間位于壓力容器外殼和膜式水冷壁之間，即內(nèi)筒與外筒之間有空隙氣層，設(shè)計(jì)環(huán)形空間的目的是為了容納水蒸汽的輸入輸出管和集氣管，同時(shí)，環(huán)形空間還有利于檢查和維修。其內(nèi)筒僅承受微小壓差。氣化爐燒嘴是Shell煤氣化工藝的關(guān)鍵設(shè)備及核心技術(shù)之一，與其它氣化爐不同的是Shell氣化爐采用側(cè)壁燒嘴，根據(jù)氣化爐能力由4 8 個(gè)燒嘴呈中心對(duì)稱分布。氣化爐外殼為壓力容器，一般小直徑氣化爐用鎢合金鋼制造，其它用低鉻鋼制造。由于氣化爐的特殊設(shè)計(jì)，保證了Shell煤氣化工藝指標(biāo)先進(jìn)可靠。廢熱鍋爐用于回收高溫煤氣的顯熱，其內(nèi)件由圓筒形水冷壁和若干層盤管形水冷壁組成，盤管形水冷壁各層之間密封分隔。為消除水冷壁上的積灰、設(shè)置了氣動(dòng)敲擊除灰裝置，定期或不定期進(jìn)行振動(dòng)除灰。氣化爐和廢熱鍋爐頂部用導(dǎo)氣管連接，導(dǎo)氣管內(nèi)部也為水冷