煤气化及多元料浆气化技术简介

煤气化及多元料浆气化技术简介

(西北化工研究院) 2007-03-07

多元料浆新型气化技术属湿法气流床加压气化技术，是指对固体或液体含碳物质(包括煤/石油焦/沥青/油/煤液化残渣)与流动相(水、废液、废水)通过添加助剂(分散剂、稳定剂、PH值调节剂、湿润剂、乳化剂)所制备的料浆，与氧气进行部分氧化反应，生产CO+H2为主的合成气。水煤浆加压气化属多元料浆气化的特定型式。

1 开发背景

本院在多年煤气化技术研究基础上，特别是水煤浆加压气化技术开发研究及工业化应用积累的经验和教训，结合国内市场背景及需求情况，本项技术开发基于以下几方面原因：

(1)配合实现国家”煤代油”的能源发展战略。

(2)解决水煤浆加压气化技术在工业化应用过程中暴露的问题，更有利于实现装置长周期安全稳定运行，克服水煤浆气化技术缺陷。

(3)获得自主知识产权、节省技术引进费。

(4)实现气化原料多样化，扩大原料使用范围。

在国家、中石化、中石油及企业的支持下，先后承担并完成了“煤油水混合料浆制备及气化研究”、“煤焦水乳化制浆及气化研究”、“煤沥青水浆制备及气化研究”和国家科技部攻关项目“多元料浆新型气化技术开发研究”。并同相关企业进行了卓有成效的研究，成功开发了多元料浆新型气化技术(MCSG)，并实现工业化应用。

2 技术特点、创新点和关键技术

多元料浆新型气化技术使用工艺氧气，对固态或液态含碳物质所制备的料浆进行部分氧化反应，生产合成气(CO+H2)。

工艺技术包括：

料浆制备

料浆气化

粗煤气洗涤净化

灰水处理

主要技术特点：

(1)通过不同原料(特别是难成浆原料)的制浆技术研究，大大提高料浆的有效组成，降低气化过程的消耗。

(2)该技术原料适应性广，包括煤、石油焦、石油沥青、渣油、煤液化残渣、生物质等含碳物质以及纸浆废液、有机废水等。

(3)长距离料浆输送技术，解决了高浓度、高粘度料浆难输送的问题。

(4)新型结构的气化炉，具有结构简单，操作安全易控的特点，而且有利于热量回收和耐火材料保护，使用周期延长两倍左右。

(5)富有特色的固态排渣和液态排渣工艺技术，不仅解决了高灰熔点原料的气化难题，而且从技术角度解决了原料适应性问题。

(6)通过配煤技术，优化资源配置，既解决了原料成浆性问题，又解决了灰熔点问题，为多元料浆主要特色之一。

(7)独具特色的灰水处理技术(Ⅰ～Ⅲ级换热闪蒸技术)，减少了设备投资，简化了工艺流程。

(8)成熟完善的系统放大技术，解决了不同规模、不同压力等级装置的气化工程化问题。

(9)设备完全立足于国内，投资少，效益显著。

(10)三废排放少，环境友好，属洁净气化技术。

(11)通过十余年的开发和完善，多元料浆气化技术形成了完整、系统的气化专利技术。

技术主要创新点：

(1)多元料浆组成的优化设计，提高料浆有效组成，降低消耗的系统技术；

(2)多元料浆制备工艺技术和添加剂技术；

(3)多元料浆气化工艺技术；

(4)新型结构的气化炉；

(5)灰水处理系统及排渣技术；

(6)系统放大技术；

(7)多元料浆气化软件评价体系。

技术所形成的关键技术：

(1) 完备的多元料浆制备技术

料浆组成优化技术，研磨体级配技术，难成浆原料的料浆制备工艺技术，添加剂技术，料浆长距离输送技术等。

(2)系统的多元料浆气化技术

料浆气化工艺技术，气化喷嘴技术，新型结构气化炉，煤气激冷系统，排渣系统，气化过程自控及测温系统等。

(3)一体化的粗煤气洗涤净化及灰水处理技术

简洁的换热闪蒸技术、真空过滤技术等。

3 工业化应用业绩

已工业化并实现长周期稳定运行的装置：

浙江丰登公司，3万吨/a合成氨装置

浙江巨化公司，6万吨/a甲醇装置

山东华鲁恒升公司，30万吨/a合成氨装置

已签订技术转让合同并开工建设的项目：

山东华鲁恒升化工股份有限公司，二期20万吨/a甲醇项目

内蒙古三维资源集团有限公司，20万吨/a甲醇项目

华亭中煦煤化工有限责任公司，60万吨/a甲醇项目

内蒙伊泰煤制油有限公司，16万吨/a煤制油项目

久泰能源内蒙古有限公司，60万吨/a甲醇项目

陕西咸阳化学工业有限公司，60万吨/a甲醇项目

山西华鹿煤炭化工有限公司，20万吨/a甲醇项目

淮南化工集团有限公司，30万吨/a合成氨项目

内蒙古奈伦集团有限责任公司，30万吨/a合成氨项目

4 多元料浆项目与工程公司合作情况

浙江丰登项目，与浙江省化工设计院合作；

浙江巨化项目，与巨化集团公司设计院合作；

久泰项目，与天辰公司(一院)合作；

伊泰项目，与中石化宁波工程公司(五院)合作；

淮南项目，与东华工程科技有限公司(三院)合作；

其余项目均与华陆工程科技有限公司(六院)合作。

5 多元料浆气化技术主要工作内容及进度

1．原料选择及评价

(1)原料的分析：工业分析、元素分析、发热量、灰熔点、灰组成、可磨指数、反应活性等。

(2)成浆性能试验：浓度、粘度、稳定性、PH值、重度、流动性、粒度分布、添加剂种类及加入量筛选等。

(3)气化性能评价：对气化温度、压力、气体组成、碳转化率、产气率、冷煤气效率、比原料消耗、比氧气消耗等进行模拟计算和预估。

(4)推荐设计基础数据：推荐设计基础数据主要是为PDP设计提供基础和依据。主要内容包括：装置产品、生产规模、生产系列、压力等级的选择、原料性能、多元料浆性能、气化性能指标、主要原料的消耗、主要产品的生成量、三废排放量等。

上述工作内容的时间为一个月。

2．工艺设计软件包(PDP)的内容

(1)设计基础

工作范围、设计基础、项目设计数据

(2)原料的确定

(3)工艺过程(PFD)

多元料浆制备、多元料浆气化、工艺气洗涤、灰水处理，物热平衡、公用工程及化学品概要、装置排出物概要。

(4)设备规格

设备清单、设备制造厂清单、设备数据表及设备结构简图(容器、换热器、槽罐、泵及其它设备)。

(5)材料选择原则

(6)带控制点的工艺流程图(PID)

(7)特殊仪表控制系统

(8)装置操作手册

(9)分析及其它

上述工作内容的时间为三个月。

3．人员培训

分析人员培训、工艺操作人员培训，由西北化工研究院负责联系工业生产装置进行现场培训。

4．试车现场技术服务

5．收费标准

技术转让费按所建装置的生产规模收取，收费标准为：24小时CO+H2总量×4元人民币(每立方米CO+H2收费4元人民币)。不再另收煤种试验评价、工艺设计软件包(PDP)编制、技术服务和人员培训等费用。

煤气化技术方案比较及选择

何正兆，宫经德，郑振安，汪寿建（五环科技股份有限公司，湖北武汉 430079） 2005-09-16

1 煤气化技术概述

以煤为原料生产合成气，国内过去常用常压固定层气化炉。该工艺虽然技术成熟可靠，设备全部国产化，投资较省，但能耗高、煤质要求高，需用无烟块煤或焦炭，资源利用率低，而且是常压操作，生产强度小，操作时“三废”排放量大，对环境污染比较严重，显然与国外煤气化技术相比，存在较大差距。

多年以前，国内研究部门也曾开发过以粉煤为原料的K－T炉和熔渣炉，并在常压固定层气化炉中采用富氧连续气化的工艺，以及近年开发的恩德粉煤气化炉和灰熔聚气化炉等，因种种原因这些技术尚未达到大型工业化装置推广的程度。

早在20世纪初煤气化技术在国外已实现工业化，50年代后因天然气、石油大量开发，煤气化技术发展一度停止不前。

20世纪70年代，国际上出现能源危机，发达国家出于对石油天然气供应紧张的担忧，纷纷把煤气化技术作为替代能源技术重新提到议事日程，并加快了对煤气化新工艺的研究。近二十年来，国外很多公司为了提高燃煤电厂热效率，减少对环境的污染，对煤气化联合循环发电技术进行了大量的开发研究工作，促进了煤气化技术的发展。

目前已成功开发了对煤种适应性广、气化压力高、生产能力大、气化效率高、对环境污染少的新一代煤气化工艺。其中具有代表性的有荷兰壳牌（SHELL）公司的干煤粉气化工艺、美国GE公司的水煤浆气化工艺［原称德士古（TEXACO）水煤浆气化工艺］、美国DYNEGY 公司的DESTEC气化工艺、德国KRUPP UHDE公司的PRENFLO工艺（加压K－T法）及德国鲁奇（LURGI）工艺。其中DESTEC气化工艺与GE 工艺相近，但其业绩及经验不如GE；PRENFLO工艺的工艺指标较好，但目前仅有一套示范装置，生产操作经验较少；鲁奇（LURGI）工艺虽然工业装置较多，生产操作经验也比较丰富，但由于煤气中CH4含量高，有效成分（CO+H2）含量低，且煤气中焦油及酚含量高，污水处理复杂，不宜用来生产合成氨和甲醇的原料气。

目前国际上技术比较成熟、工艺指标比较先进、业绩较多的主要是SHELL 公司干煤粉气化工艺和GE的水煤浆气化工艺，两者均为加压纯氧气流床液态排渣的气化工艺。SHELL公司在渣油气化技术取得工业化成功经验的基础上，于1972年开始从事煤气化技术的研究。1978年第一套中试装置在德国汉堡建成并投入运行；1987年在美国休斯敦附近建成的日投煤量250～400t的示范装置投产；日投煤量2000t 的大型气化装置于1993年在荷兰的Buggenum建成投产（Demkolec电厂），用于联合循环发电，该气化装置为单系列操作，装置的开工率在95%以上。生产实践证明，SHELL煤气化工艺是先进成熟可靠的。目前该技术在国内推广比较迅速。

GE（TEXACO）公司很早就开发了以天然气和重油为原料生产合成气技术，20世纪70年代的石油危机促进其寻找替代能源和洁净的煤气化技术，经多年研究以后，推出了水煤浆气化工艺。该工艺技术自引进中国以来已有山东鲁南、上海焦化、陕西渭河、安徽淮化四套装置投运，最长的已有10年生产操作经验。基本运行良好，显示了水煤浆气化的先进性，但使用该项技术所建的生产装置，要达到长周期满负荷运行，尚较困难，特别是对煤种的选择性限制了其发展。

2 SHELL和GE两种煤气化技术的主要特点

SHELL煤气化工艺与GE水煤浆气化工艺，是当前先进而又成熟的两种煤气化技术，已成功地在工业上应用多年。两种气化工艺对比分析如下。

2.1 原料的适应性

SHELL煤气化是洁净的煤气化工艺，可以使用褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤等煤种以及石油焦为原料，也可使用两种煤掺合的混煤。并可气化高灰分（5.7%～24.5%，最高35%）、高水分（4.5%～30.7%）和高硫分的劣质煤。对于原料煤和燃料煤价差较大的地区有可能使其两者合一，既简化贮运系统又可降低生产成本。对SHELL煤粉气化工艺，煤种选择已经不是气化技术的制约因素，而是经济因素。可见该工艺在煤种选择上有很大灵活性。

GE水煤浆气化工艺也能使用较多煤种：如烟煤、次烟煤、石油焦和煤液化残渣。但是在煤种选择上需考虑以下两点：①应选用含水低，尤其是内水低的煤种，否则不利于制取高浓度的水煤浆；②选用灰熔点低和灰粘度适宜的煤种。灰熔点FT（T3）宜低于1300℃，否则会影响气化炉内耐火砖的使用寿命。

2.2 煤的准备

原料用煤通常是粉、粒混杂不均，需筛选和研磨破碎使其达到一定粒度，以满足输送和气化操作要求。

在SHELL 煤气化工艺中，将煤研磨至气化合适粒度的同时，用惰性气体的热风进行干燥。出磨机时90%的煤粒度<100μm，煤中含水量控制在2%以下，以利于气相输送干粉进料的要求。

在GE水煤浆气化工艺中，通常采用湿磨工艺，小于10mm粉煤与水、添加剂同时加至磨煤机，过筛后制得高浓度水煤浆。制浆要求煤粉的“粗”“细”颗粒要有合理比例：一般通过420μm煤粉占90%～95%，通过44μm占25%～35%较为适宜。研磨操作中加入稳定剂后，可使煤浆浓度提高1%～2%，达到60%～67%工业应用的水平。

2.3 加煤方式与安全性

在SHELL煤气化工艺中，干燥后煤粉用氮气（或二氧化碳气）输送至贮仓，经煤锁斗入加压粉煤仓，再由高压氮气（或二氧化碳气）将煤粉均匀送至气化炉烧嘴。由于整个过程用氮气（或二氧化碳气）密封输送，并由程序控制自动进行，实践证实这种加压下输送粉煤的进料方式，操作可靠，安全性有保证。但对系统的防爆和防泄漏要求严格，锁斗系统操作相对比较复杂。

在GE水煤浆气化工艺中，制备的煤浆通过中间槽、低压泵、煤浆筛入煤浆槽，再由高压煤浆泵送至气化炉。因而输送过程操作非常安全。但是对重要设备如高压煤浆泵的质量要求较高，泵内隔膜衬里需定期更换，才能使该泵能长期稳定运行。

2.4 气化系列配置

由于SHELL煤气化工艺在开发过程中做了大量基础工作，在不同规模的试验装置中解决了各种技术关键。因而在工业装置中采用单系统配置，不设备用系列，并已在投煤量为2000t/d生产装置中得到验证，气化装置运转率达到95%以上。

而GE水煤浆气化装置通常是多系列配置，且必须设有备用系列。根据生产规模要求，设2～4台气化炉，可以是1开1备（2×100%能力），2开1备（3×50%能力）方式运行。

2.5 气化炉结构

SHELL气化炉为水冷壁结构，运行时熔融灰渣在壁面形成渣层，不仅提供气化炉壁隔热功能，而且使热能损失减少到最低，因此冷煤气效率高，合成气中CO2含量低；同时渣层“以渣抗渣”，即使高热负荷的变化亦可保护气化炉壁免受熔渣的侵蚀，因此牢固可靠，设备维护量小。相比之下水冷壁结构比较复杂，制造难度高。

GE气化炉结构比较简单。以耐火砖为衬里，高温合成气与熔融灰渣直接侵蚀耐火衬里，因此衬里使用周期受到限制，寿命一般为1～2年。

2.6 烧嘴

SHELL煤粉气化炉通常是使用多个烧嘴，采用成双对称布置。遇到负荷变动时，可以增减进烧嘴的粉煤量，也可调整烧嘴运行个数来适应生产要求。平时维护量极少，可连续使用8000h，目前最长使用寿命已超过16000h。

而GE水煤浆气化炉，仅有一个装在气化炉顶部的烧嘴。用于合成气生产时，烧嘴通常是三流道型固定式非可调的，只能由烧嘴本身的弹性范围来适应生产负荷变动的工况。目前运行1500h左右就需要进行检查和维护，并需作预防性更换。

2.7 合成气冷却与热量回收

在SHELL煤气化工艺中，出气化炉高温煤气用粗煤气冷激至900℃，经合成气冷却器回收热量后，煤气温度降至350℃左右。合成气冷却器可根据需要，生产高压蒸汽、中压蒸汽或过热蒸汽。出合成气冷却器煤气经干法除尘后，再经热水洗涤，作合成气用时可控制煤气中水分含量在10%～20%之间，使高温煤气显热得到充分利用。

在GE水煤浆气化工艺中，煤气显热回收采用水激冷，在洗涤的同时将煤气的显热直接转化成蒸汽。出激冷室煤气中水/气可达1.3～

1.45，虽然热利用率很高，但是回收激冷室排出黑水的热量是影响回收效率高低的一个重要因素。

2.8 煤气除尘

煤气中含灰量应达到1×10－6水平，以防止给后工序带来不良影响。在SHELL煤气化工艺中，采用干法（高温高压过滤器）+湿法洗

涤（水洗塔）的除灰流程。干法（高温高压飞灰过滤器）除下的细灰可以出售，亦可返回磨煤系统。在湿法洗涤除灰的同时，也脱除了煤气中NH3、HCN、Cl－等有害微量组分。

在GE水煤浆气化工艺中，通过激冷室、文丘里洗涤器、高效洗涤塔组成的湿法洗涤操作来分离煤气中固体颗粒。

2.9 渣水分离

煤气在湿洗过程中排出含灰洗涤水，又称黑水。通常经过减压闪蒸、澄清增浓操作进行灰水分离。两种气化工艺由于排水温度及含灰量差异，致使渣水分离流程繁简程度有所不同。

在SHELL煤气化工艺中，煤气中携带之细灰大部分（99%）在干法除尘中分离，因而湿法洗涤之排水含灰低，温度也不高，大部分循环使用。少量排水经一级减压放出溶解气后，经过汽提、澄清、沉降后去生化处理，分离出的细煤泥可返回至磨煤系统。

在GE水煤浆气化工艺中，夹带在煤气中的所有灰分全部转入激冷室排出之黑水中，温度高（220℃）、水量大，通常设置2～4级减压闪蒸装置回收热量，再经澄清絮凝，灰浆经真空过滤以滤饼形式排出。分离后的洗涤水返回气化，少量送污水处理。渣水系统流程较长，而且减压阀、部分管道磨损较为严重。

2.10 炉渣与细灰

煤中的灰分经气化后，大部分以粒状炉渣从渣斗中排出，小部分成细灰从系统中分离。灰渣中还含有少量的碳。

在SHELL煤气化工艺中，因炉内气化温度高、反应速度快，碳的转化率＞99%，因而排出的炉渣中含碳＜1%。干法除尘排出之细灰含碳＜5%，可直接用作水泥生产原料。

在GE水煤浆气化工艺中，碳转化率为96%～98%，由于碳转化率随气化温度上升而增大，出于延长气化炉砖使用寿命考虑，实际碳转化率经常在94%～96%。因此排出炉渣含碳2%～5%，而在滤饼中含碳量达15%～30%。

由于气化炉结构上的差异导致气化炉运行周期有较大差别。GE气化炉内砌耐火砖，目前国产耐火砖使用寿命不到一年，国外耐火砖也只有1～2年。GE气化装置受耐火砖的寿命、气化烧嘴运行时间等关键设备的影响，连续运行周期受到限制。SHELL煤气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖内衬，对气化炉操作温度的要求比GE气化炉宽松，同时气化烧嘴运行周期长，故能保证气化装置长周期运行。

两种煤气化技术的主要特点列于表1、表2。

表1 SHELL干煤粉气化工艺与GE水煤浆气化工艺比较

注：GE工艺制得的煤气含大量水蒸气。

表2 两种煤气化工艺的典型气体成分（以大同煤峪口矿煤为基准）

3 SHELL工艺与GE工艺的应用与比较

3.1 两种煤气化技术的工程应用

目前两种煤气化技术在国内外都有较好的应用业绩，GE（TEXACO）工艺推广较早，应用业绩较多，SHELL工艺总起步较晚，但是发展迅速，后来居上。现将两种煤气化技术的工程应用列于表3。

表3 两种煤气化技术的工程应用

3.2 两种煤气化技术的主要流程配置

两种煤气化技术用于生产甲醇的经典工艺流程配置如图1、表4。

图1 生产甲醇的经典配置

表4 生产甲醇的经典配置（年产600kt精甲醇）

流程说明如下。

原料煤经备煤装置（制成合格的煤粉或水煤浆）后，与空分装置来的氧气一起被分别加压送至煤气化装置的煤气化炉内，发生部分氧化反应，产生的粗煤气经煤气洗涤、CO变换、酸性气体脱除等工序，得到合格的精合成气，再经合成气压缩机压缩送至甲醇合成工序，合成的粗甲醇经甲醇精馏工序后送罐区装车，甲醇合成工序弛放气经氢回收后送燃料气管网，回收的氢返回合成气压缩机入口作为原料气使用。

两种煤气化技术主要消耗及投资的综合比较见表5、6，操作费用比较见表7。

表5 两种煤气化技术的主要消耗比较（以每小时产75t精甲醇计）

表6 两种煤气化技术投资的比较（以年产600kt精甲醇计）万元

注：①甲醇装置包含变换+酸性气体脱除+压缩及甲醇合成+氢回收+甲醇精馏

表7 两种煤气化工艺操作费用的比较（以年产600kt精甲醇计）

3.3 比较结论

以上为以大同煤矿的煤峪口矿煤为基准（注：以上比较假设该煤种是可以制成60%以上浓度的水煤浆的情况，如不能，则没有比较的必要），采用SHELL或GE的煤气化工艺年产600kt精甲醇的投资及运行费用比较。

可以看出，虽然SHELL方案投资比GE方案约高10%，但从技术先进性及操作费用上看，采用SHELL干粉煤气化工艺明显优于GE水煤浆气化工艺，其吨甲醇操作费用比GE约低7%，静态差额投资回收期约3.6年。此外SHELL干粉煤气化工艺可以不受煤种的限制，在经济允许的情况下，可以使用目前大同煤矿提供的任何一种煤制取合成气。

本文比较所选取的煤价为每吨200元，如果煤价再升高，采用SHELL干粉煤气化工艺技术的优越性将更加显著。

以上比较结论是假设煤种是可以制成60%以上浓度水煤浆的情况，如果我们所能得到的煤种（中国有很多地方的煤质量很差）中含水分太高，或不能制成合格水煤浆，将只能选择SHELL煤气化工艺方案，特别是世界能源越来越紧张的今天，煤粉价格不断上涨，对煤种适应范围宽的煤气化技术将越来越受到重视和关注。

4 煤气化技术选择的推荐意见

根据以上比较，我们可以看出SHELL煤气化工艺在以下几方面都有明显的优越性。原料煤种的适应性。SHELL煤气化工艺可以使用褐煤等煤种，可以不受煤种的限制，使用原料范围更广，属洁净煤技术，为环保性新工艺。

②工艺特点。SHELL煤气化工艺碳转化率高、热效率高、氧耗低，气化关键设备及控制系统安全可靠。

③投资、消耗及运行费用。虽然SHELL方案投资比GE方案约高，但从技术先进性及操作费用上，采用SHELL干粉煤气化工艺明显优于GE水煤浆气化工艺。

④运转周期。SHELL煤气化工艺煤烧嘴可以连续运行8000h以上；GE水煤浆气化工艺煤烧嘴运行1500h就需检查更换。

⑤环保。SHELL煤气化工艺排出的炉渣含碳＜1%、飞灰含碳<5%，可以再利用，同时排出的废水少；GE水煤浆气化工艺排出的炉渣

含碳2%～5%，难以再利用，同时排出的废水也多。

因此，在今后相当长的一段时间内，我们推荐采用SHELL煤气化工艺方案改造或新建化肥或甲醇装置，而且这也是大势所趋。