煤氣化工藝原稱Dow煤氣化工藝

1、 Destec煤氣化工藝原稱Dow煤氣化工藝，是由美國Dow化學公司于1973年開發(fā)的，1987年成功應用于商業(yè)性的熱電廠。該工藝與Texaco煤氣化工藝齊名，同樣是水煤漿進料，加壓純氧氣流床氣化工藝，因此Destec不僅具有Texaco工藝的優(yōu)點，同時因其氣化爐結構及工藝過程的特點，工藝性能和技術經濟指標比Texaco工藝略勝一籌。因此，有必要對Destec煤氣化工藝進一步認識，借鑒其優(yōu)點，也許對今后潔凈煤氣化技術的發(fā)展有所裨益。1 開發(fā)過程與商業(yè)性應用 在70年代世界能源危機中，美國Dow化學公司為了競爭的需要，制定了以煤代替天然氣能源的計劃。擬定以燃氣透平技術和美國豐富的煤資源作為推進計

2、劃的主要內容，為獲得更可靠和成本相當?shù)奈磥砟茉吹於ɑA。而煤的完全轉換必須具備一種可靠的煤氣化工藝來生產合成氣，以代替天然氣直接用于燃氣透平，即使用廉價的煤提供高效率的燃氣透平聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。煤氣化項目是由路易斯安那氣化技術公司(LGTI)研究和開發(fā)的，計劃歷時10年，包括在1975年氣化爐原理的研究、在1979年建設36 t/d試驗裝置和在1982年1 600t/d的示范裝置。在此基礎上于1987年在路易斯安那州的Plaquemine的工廠建成第1個商業(yè)性Dow氣化裝置IGCC項目。以次煙煤為原料，每天處理約2 400t，或其他相對應的煤，包括褐煤為原料，每天處理約2 900t。該裝置能力

3、為31.8109kJ/d中熱值煤氣并聯(lián)產2 467t/d的蒸汽，發(fā)電160MW，其能量平衡示意見圖1。 從1987年4月投運到1995年11月，該裝置累積運行了34 000h，積累了豐富的經驗。 1989年Dow公司創(chuàng)立Destec能源公司，占有80股份，將其擁有的Dow煤氣化工藝改名為Destec。1997年NGC公司收購Destec公司，其成為NGC的子公司，現(xiàn)更名為Dynegy Power Corp。1995年，Destec能源公司和PSI公司在印第安納州聯(lián)營建成并投運了Wabash River IGCC電站，Destee負責建造和經營氣化島25年，PSI負責建造和經營動力島。機組的凈出

4、力為261.61MW，氣化爐處理煤量為2 500td。2 Destec煤氣化工藝的特點2.1 工藝概念 Destec煤氣化工藝建立的裝置所提供的系統(tǒng)與燃氣透平緊密結合，提供安全、可靠的操作，并且滿足以下要求： (1)加壓操作 為燃氣提供足夠的壓力進入透平，氣化爐在2.03.5 MPa進行操作。這有利于減小氣體加工設備的尺寸，降低投資。 (2)水煤漿進料 通過多種進料系統(tǒng)的評價，如機械灰閘、螺旋式和水煤漿等，確定以水煤漿進料是最可靠的。 (3)適用于各種品質的煤 主要利用褐煤，也提供利用其他煤種的靈活性。 (4)不污染環(huán)境 潔凈運行，沒有烴類副產品產生，灰渣容易處理，可作為建筑或鋪路材料。2.2

5、 氣化爐的特點 Destec氣化爐如圖2所示，兩段氧氣氣化、連續(xù)排渣、內襯耐火磚。第1段在1 3201 430的熔渣條件下操作，準確的溫度取決于熔渣的粘滯特性。第1段為水平圓柱體，每端各有1個水煤漿和氧氣的進料燒嘴。80的水煤漿和氧氣混合后噴入第1段。在圓柱體中央為熔渣的排出口，經過淬水段流出。第1段反應產生的熱煤氣由頂部進入第2段。第2段為直立在第1段上的垂直圓柱體，為向上流動型的氣化段，在此設置1個燒嘴，20水煤漿射入熱氣體，不加氧氣，利用氣體的顯熱把水煤漿的水分氣化，煤被加熱、高溫分解進行部分氧化反應，這對于煤的有效能轉化為化學能是有利的。由于吸熱過程使混合煤氣溫度大幅度降低到1 050

6、左右。3 Destec煤氣化工藝過程3.1 路易斯安那160MW熱電聯(lián)產電站 160MW熱電聯(lián)產電站的Destec煤氣化流程見圖3，為單系列，2臺氣化爐，其中1臺備用。 主要工序說明 (1)磨煤和水煤漿制備 水煤漿的制備是采用來自貯倉的煤和水混合后棒磨而成，使用次煙煤時固體濃度為5254，水煤漿制備裝置距氣化爐裝置約1.2km。 (2)氣化和高溫熱回收 煤漿泵送到氣化界區(qū)的水煤漿進料罐，為防止堵塞采取了反沖洗管線和水煤漿回流的措施。水煤漿用加壓泵送至水煤漿預熱器，加熱到氣化壓力下水煤漿沸點溫度以下2856。煤漿泵具有在高壓下操作液固混合物的能力，并能控制水煤漿進入預熱器的流量。預熱后的水煤漿送

7、入氣化爐，與氧氣通過燒嘴混合，氧氣由專用的1 500td空氣裝置加壓提供。因煤的性質而異，氧氣量需精確控制，以維持氣化爐溫度在設定范圍內。在此條件下，煤幾乎全部進行部分氧化反應而獲得合成氣，主要成分包括H2、CO、CO2和H2O，次煙煤(或褐煤)中的硫幾乎全部轉化為H2S和少量的COS。煤中灰分在氣化爐中熔融，從底部排出用水淬冷而脫除，固體渣通過破碎機連續(xù)排出，渣和水減壓至適當壓力進入常壓脫水罐，采用3臺罐，其中2臺交替運行，脫水的渣用車運出裝置，分離的水在界區(qū)內循環(huán)。 由于Destee煤氣化爐特有的二段反應，離開第1段的熱氣體被引入二段的水煤漿冷卻，使氣化爐出口的合成氣溫度冷卻至1 000左

8、右，在二段反應后未轉化的碳經過旋風分離器有效分離后返回到第1段。該廠包括備用氣化爐、旋風分離器和破渣機是為了保證裝置具有85利用率。從旋風分離器出來的熱氣體進入高溫熱回收裝置，該裝置由火管式鍋爐、蒸汽過熱器和給水預熱器組成。合成氣中熱量被分級回收，鍋爐使合成氣溫度由1 038降至649，過熱器和預熱器使氣體溫度進一步降至371，產生的過熱蒸汽(371、4.5MPa)進入工廠蒸汽系統(tǒng)。 (3)合成氣洗滌和低溫熱回收 離開高溫熱回收系統(tǒng)的合成氣進入文丘里洗滌器和濕式洗滌塔系統(tǒng)脫除殘余固體顆粒，用循環(huán)水洗滌。濕式洗滌塔在稍低于循環(huán)水的沸點下操作。洗滌后的排水呈稀薄漿狀物，經凝聚、濃縮后摻入氣化爐進料

9、水煤漿中。洗滌后的合成氣在脫除H2S前通過串聯(lián)的熱交換器以及強制通風的翅片管空氣冷卻器被冷卻到49進入脫硫裝置。熱交換器產生低壓蒸汽，為酸性氣體氣提塔、最終產品氣的再熱和預熱冷凝提供熱量。從合成氣分離的冷凝液脫除NH3、H2S和其他溶解氣體后，經冷卻回收到工藝及水煤漿制備裝置。 煤氣化裝置運行性能 (1)處理不同煤種的能力 操作初期使用懷俄明州的次煙煤，正常生產使用西部次煙煤，海灣的褐煤曾作為替換原料。從次煙煤轉換成褐煤進料，裝置仍可保持相同的生產能力，說明具有適應不同煤種的能力。原料煤種分析數(shù)據(jù)見表1。 (2)能量利用效率裝置 碳轉化率達99，冷煤氣效率，褐煤為69.2，次煙煤為了7%。 (

10、3)環(huán)境保護性能 產品中不含焦油、酚等物質。爐渣可作建筑材料。隨氣體夾帶的未轉化碳經旋風分離器分離后循環(huán)回氣化爐?；宜h(huán)使用，排放污水量少，經處理后符合排放標準。 (4)氣體的有效成分 合成氣有效成分(CO+H2)高，甲烷含量低，適合作燃料氣和化工原料氣。典型的合成氣組成見表2。 (5)單爐氣化強度 可處理煤量為1 2002 200td(干)。3.2 Wabash River 260 MW IGCC電站 1995年Destec能源公司和PSI公司聯(lián)營建成并投運了Wabash River IGCC電站，電站系統(tǒng)流程見圖4。 工藝過程改進要點 Destec公司總結了已運行8年的路易斯安那熱電站煤

11、氣化裝置的經驗和教訓，重新設計Wabash River電站的氣化島，除保持原有特點外，還進行了一些改進，使其工藝性能和技術經濟指標得到進一步改善，其要點如下： (1)安裝2臺100負荷的氣化爐，1開1備，煤氣冷卻器只有1套。在煤氣冷卻器之前設置1根與氣化爐高度相當?shù)膶Я鲌A筒，垂直布置，內襯耐火材料。導流圓筒的作用：將粗煤氣導流至對流冷卻器的底部；增加煤氣在高溫區(qū)的停留時間，提高碳的轉化率；具有一定的除塵作用。 從導流筒出來的煤氣進入火管式對流煤氣冷卻器，熱煤氣在管內流動，水在管外流動，產生11.03MPa壓力的飽和蒸汽，流量90110 th，這部分蒸汽再進入余熱鍋爐過熱。煤氣被冷卻到371，然

12、后進入煤氣除塵和脫硫系統(tǒng)。該電站的煤氣冷卻器直徑約3 m，造價和安裝費用較低，檢修和清洗方便。 (2)提高水煤漿的固體濃度達67(煙煤或次煙煤)，氣化爐兩段氧氣(純度95)氣化，提高了煤氣的熱值，減少了氧耗，降低了煤氣的出口溫度，省去了龐大而昂貴的輻射式廢熱鍋爐，使氣化爐造價降低。 (3)排渣系統(tǒng)采用壓力螺旋式，實現(xiàn)連續(xù)排渣，轉動部件少，沒有鎖斗。泄壓和破渣設備的造價都比較低。 (4)采用干法除塵系統(tǒng)，容易實現(xiàn)飛灰再循環(huán)，有利于碳轉化率的提高，同時降低后續(xù)的濕式洗滌的負荷，減小灰水處理裝置的規(guī)模。 煤氣經過對流冷卻器后進入2個并聯(lián)的陶瓷 管式過濾器，操作溫度371，粗煤氣中的飛灰被過濾器收集后

13、經過1個壓力鎖斗，用高壓N2將飛灰送回氣化爐，以提高碳的轉化率。 陶瓷過濾器及反吹和灰鎖斗的結構示意見圖5。該設備分上下3組布置，每組內有7根1.5m和7根2.4 m長的燭狀陶瓷過濾元件，還有12根0.9m的陶瓷元件。反吹氣流是用高壓N2和部分再循環(huán)煤氣，并被預熱到與被除塵煤氣的相當溫度。反吹氣流進入1個脈沖吹掃貯氣罐，然后依次脈沖吹掃每個過濾元件。反吹氣流使附著在過濾器外壁的飛灰落下，進入壓力鎖斗。該鎖斗具有貯存13 h運行飛灰的能力，收集的飛灰經鎖斗送回氣化爐。 運行中存在問題及解決措施 (1)曾出現(xiàn)2次連續(xù)排渣口堵塞，1次是因鍋爐給水故障造成停爐10h，使渣口結渣而堵塞；另1次是因水煤漿

14、中粗大顆粒較多，使水煤漿供給波動，導致氣化不穩(wěn)定而堵塞。2次堵塞均需進行機械清除。解決的措施：嚴格執(zhí)行運行操作規(guī)程，控制水煤漿質量，保證氣化過程穩(wěn)定。 (2)煤氣冷卻器入口管道飛灰沉積，影響裝置運行。解決的措施：改進對流冷卻器前煤氣管道的尺寸、形狀，使煤氣流速提高，減輕管道中大塊沉積物的形成，從而避免這些大塊沉積物隨氣流進入煤氣冷卻器，并嚴格控制氣化爐操作溫度。為了保險，在煤氣冷卻器入口管道上裝有濾網，以防止較大沉積物進入煤氣冷卻器。 (3)原設計氣化爐耐火磚3年更換1次，因調試和1996年運行中氣化爐啟動次數(shù)多達100次，造成液態(tài)渣對耐火磚的腐蝕加劇，導致氣化爐第1段耐火磚進行更換。 (4)

15、陶瓷過濾器可靠性問題 19951996年陶瓷過濾器出現(xiàn)以下問題：由于陶瓷過濾元件固定方式問題，導致陶瓷元件與管板間的密封失效，陶瓷元件移位破裂，停機檢修達100多天，改進后采用管板式結構，有所好轉；陶瓷元件之間有固體顆粒搭橋現(xiàn)象，嚴重影響過濾性能；陶瓷元件內外壁積灰堵塞嚴重，造成過濾器壓降劇增。主要原因是反吹氣流壓力太小，不能有效清灰；由于過濾器內部煤氣流場不均勻，造成局部元件濃度太高，容易使元件失效。 1997年以后存在的問題：發(fā)現(xiàn)造成陶瓷過濾器內、外壁堵塞的原因還有微量堿金屬在元件上發(fā)生相變沉積所導致；使用高硫煤時，陶瓷元件也存在被腐蝕的問題。 解決措施：改善過濾器內部含塵氣流的分配狀況，

16、使每個元件的過濾入口條件均衡，清灰的狀況也基本一致，從整體上提高過濾器的運行性能；建立1套兩級過濾的旁路試驗系統(tǒng)，在陶瓷過濾器之后加裝1套金屬濾網除塵器。將原來的陶瓷過濾元件改為金屬過濾除塵元件，其可用率和可靠性在370左右還是較高的，但在運行中也曾出現(xiàn)材料腐蝕損壞等問題。4 Destec與Texaco煤氣化工藝比較4.1 工藝參數(shù)對比 Texaco煤氣化工藝于上世紀50年代開發(fā)成功并投入商業(yè)應用，而Destec煤氣化工藝是70年代開發(fā)的。雖然兩者都是水煤漿進料的加壓純氧氣流床氣化工藝，但因為Destec氣化爐兩段氣化的特點，使水煤漿氣化技術得到一定程度的發(fā)展和提高，因此其工藝性能和主要技術經

17、濟指標優(yōu)于Texaco工藝。兩者對比見表3。4.2 可行性研究對比 美國EPRI曾經進行過以Shell、Texaco和Destec煤氣化工藝組成IGCC的預可行性研究，其部分研究結果見表4。 針對采用未來GE公司的H型燃機，EPRI也對3種氣化工藝做了可行性研究比較，見表5。 由表4、表5可知，Destec煤氣化工藝應用于IGCC在造價方面具有一定的優(yōu)勢，并且能保證較高的機組效率。 Destec公司認為，若采用2臺負荷為7580氣化爐組成IGCC，僅比單爐負荷為100的方案在總造價方面提高3，但氣化島的可用率卻能提高510。若采用3臺50負荷氣化爐(2開1備)組成IGCC方案，其總造價比單臺方

18、案提高67，但可用率能提高10。5 結語 (1)Destec是一種潔凈的煤氣化工藝，已應用在美國建成并投運的2座IGCC電站，單爐投煤量為2 500td左右，各項技術經濟指標具備與其他先進煤氣化工藝競爭的能力。 (2)從Destec煤氣化裝置生產的合成氣品質的評價，不僅適用于IGCC，也適用作為化工產品的原料氣，如合成氨、甲醇、碳一化學品等。 (3)由于Destec氣化爐采用兩段氣化反應，其比氧耗、煤氣熱值、冷煤氣效率及碳轉化率等指標比Texaco優(yōu)越；由于氣化爐出口溫度較低，只需要對流式煤氣冷卻器回收熱量，不需設置昂貴的輻射式鍋爐，因而造價比Texaco低；由于氣體處理工序采用先干洗除塵后水

19、洗，故灰水循環(huán)量較小，濕灰量少，對環(huán)保有利。 (4)采用水煤漿進料方式，其原料制備和加壓進料工序相對簡單，安全可靠，但因原料中含水分3540，因而氧耗比以干粉煤為原料的氣化工藝高1525。 (5)氣化爐內襯耐火磚，沒有水冷系統(tǒng)，結構簡單，初投資較小，但由于爐內溫度較高，以及磨損及腐蝕等因素，耐火磚壽命僅23a。為保證耐火磚壽命，氣化區(qū)溫度不宜過高，適合于氣化灰熔點(煤灰流動溫度FT)在1 350以下的煤種，因此對煤種的選用范圍有一定局限性。 (6)根據(jù)已投運的商業(yè)性氣化裝置酌經驗，為保證年可用率在85以上，化爐需考慮備用。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

20、陽 550300） 2007-01-01 貴州開陽年產500 kt/a合成氨項目是兗礦貴州能化公司與貴州開磷集團共同出資建設目前國內規(guī)模最大、技術最先進的合成氨裝置之一，裝置以無煙煤為原料，在吸收國內外先進技術的基礎上,按照先進、節(jié)能、可靠、成熟和經濟合理的原則，合理選擇工藝技術路線。通過考察調研，采用了德國未來能源公司GSP粉煤加壓氣化工藝，該技術對貴州煤種有廣泛的適應性，但我們公司不引進此煤氣化技術的渣水處理系統(tǒng)技術，而是采用國內設計的兗礦國泰化工有限公司水煤漿氣化渣水處理技術。下面介紹我們選擇的緣由。1 GSP煤氣化技術發(fā)展史 前東德的德意志國家燃料研究所（DeutschesBrenns

21、toffInstitut Freiberg，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，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。 未來能源公司GSP粉煤氣化技術開發(fā)過程 未來能源公司位于德國弗賴貝格（Freiberg），其前身是前東德的德意志燃料研究所。1990年東西德合并

22、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，由瑞士可持續(xù)技術公司(SUSTEC AG)收購其煤氣化技術部門，成立了其全資子公司未來能源有限責任公司。GSP技術的開發(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，用作城市煤氣，主要燃燒東德當?shù)氐暮置海?1996年建成5MW水冷壁氣化爐； 19901999年被No

23、ell GmbH收購，氣化廢油、焦油、木屑、禾桿、工業(yè)廢物等及生物有機質液化； 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，因為國外GSP氣化主要用于生產燃料氣及循環(huán)發(fā)電（IGCC），遠不如作化工原料氣對含塵量的要求那樣嚴格，很難設想德國人粗煤氣凈化及渣水處理設計會比德士古水煤漿技術先進很多。眾所周知，GSP氣化合成氣的含塵量將會直接影響到后工序變換催化劑的使用壽命，影響裝置的運行周期。另外國內引進的德士古氣化的粗煤氣凈化、渣水處理系統(tǒng)在中國也經歷

24、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)長周期運行的一個因素。各廠在渣水處理方面做了較多的努力和技術改造，雖然最終都恢復了正常穩(wěn)定生產，但其中的經驗和教訓值得吸取。兗礦國泰化工水煤漿氣化粗煤氣凈化及渣水處理系統(tǒng)由華東理工大學設計，此設計完全不同于德士古水煤漿氣化引進技術。經過近一年的運行考驗，顯示出很好的長周期運行效益優(yōu)勢。所以引進范圍統(tǒng)一到把粗煤氣凈化及黑水處理系統(tǒng)切分出來，交給華東理工大學設計，既解決了可靠性的問題，又降低了投資風險，是比較合理的。2 國內引進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

25、料開車以來，最近十幾年國內又陸續(xù)上了十多套該類型裝置，并且都已經取得成功。德士古氣化渣水系統(tǒng)是該工藝的一個重要技術環(huán)節(jié)，渣水系統(tǒng)運行的正常與否，直接影響整個系統(tǒng)能否長周期安全穩(wěn)定運行。針對該類裝置國內各廠在渣水系統(tǒng)方面經過不斷的革新、改造，渣水系統(tǒng)已經運行得比較穩(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第一套示范裝置，世界第五套生產裝置。該項目于1989開工建設，1993年4月建成投入試生產。該裝置灰水處理系統(tǒng)采用了三級閃蒸,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

26、行的情況來看，渣水系統(tǒng)的運行周期較短,一般為23個月，主要缺點有：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)結垢嚴重，尤其是該系統(tǒng)使用的大多為U形管換熱器，運行周期短，一般檢修后運行兩個月便制約整個系統(tǒng)正常運行，換熱器列管堵塞比例高達三分之二，閃蒸罐清理難度大，罐內汽液分離器短時間內無法清理徹底，有時被迫拆下清理，檢修周期過長；管道和閥門更換頻繁，檢修費用較高。經過不斷的革新、改造，魯南的氣化系統(tǒng)運行較穩(wěn)定，但運行周期仍不是很長，維修量大且費用高。 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

27、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) 渭河煤化工集團有限公司的德士古水煤漿加壓氣化裝置于1997年正式進入生產運營，2000年生產達標，2001年實現(xiàn)盈利。作為我國第一套采用6.5MPa水煤漿加壓氣化技術的大型化肥裝置，投產后經過三年的消化吸收與技術改造，才掌握了這套技術。渣水處理采用四級閃蒸，如圖2。能更有效地閃蒸出黑水中的酸性氣體，黑水被濃縮，但由于工藝流程過于復雜，不但增加了設備投資，而且U形管換熱器也存在結垢堵塞嚴重的問題，系統(tǒng)運行周期短。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。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)