煤炭气化技术评价分析.docx
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煤炭气化技术评价分析
煤炭气化技术评价及分析
煤炭气化技术评价及分析
一、煤气化技术概况
煤的气化是煤化工生产的基础。
由于煤的品质、目标产品、建设及生产条件的变化不同，决定了煤气化工艺的多样性和复杂性。
至今尚未开发出能适应各种不同情况的十全十美的煤气化技术。
气化的核心装置是气化炉，国内外工业上使用过的气化炉型非常繁多，各有其特点和优缺点，适用范围各不相同。
按照物质在气化过程中的状态一般将炉型按固定床（也称移动床）、流化床（也称沸腾床）、气流床三类划分，现将有代表性的炉型分别简介如下：
1．固定床
UGI炉——以块状无烟煤或焦炭为原料，煤块52~75m/m，常压操作，空气与蒸汽底吹间歇制气。
此法古老，为我国中小氮肥厂普遍采用，原料利用率低、单耗高、操作繁杂、污染严重、属落后技术未来会被淘汰。
Lurgi加压气化炉——主要用于褐煤、弱粘结性煤，要求煤热稳定性高，化学活性好，灰熔点高，机械强度高。
因气化温度较低，煤气中含焦油、酚及高碳氢化物，甲烷含量高，一般适用于作城市煤气。
2．流化床
恩德炉——原型为Winkler沸腾炉，经朝鲜改进适用于气化褐煤和长焰煤，要求煤种灰分小于25%~30%，灰熔点ST＞1250℃，低温活性好，弱粘接性，床层温度1000~1050℃，富氧常压气化。
该炉尚存在飞灰量大、污染重、单炉气化能力低等缺点，一般可用于中小型氮肥厂改变原料路线。
灰熔聚粉煤气化炉——为中科院山西煤化所开发研制技术，煤种适应性强，可用褐煤、低化学活性烟煤及无烟煤＜6m/m的碎煤作原料，床温1100℃，煤灰不熔融而只使之熔聚成球状或块状排出。
此工艺用于2007年完成了1MPa下的工业试验，此技术仅适用于中小氮肥厂就地利用资源的改造。
3．气流床
以煤浆为原料——有GETexaco炉、Dow二段炉（Texaco炉改进）、Destec
气化炉、四喷嘴对置气化炉（国内首创）、多元料浆炉之分。
以粉煤为原料——有Shell炉（SCGP）、西门子GSP气化炉（原东德黑水泵厂工艺）、二段进料式炉以及科林炉、航天炉等等。
近年我国大型煤化工工程的气化技术大都选择优点较多的Texaco水煤浆气化炉、Shell干粉煤气化炉及国内自主研发的四喷嘴对置气化炉。
这些技术效率高、污染小、规模大、对煤种适应性强，本报告仅对这几种气化技术作介绍和比较其优缺点。
二、GE-Texaco水煤浆加压气化
原料煤适应性较广，气煤、烟煤、次烟煤、无烟煤、高硫煤及低灰熔点劣质煤皆可用，但要含灰量低、灰熔点小于1300℃，灰渣粘温特性要好、原料煤经棒磨机磨制成粉（2~5m/m以下），制成60%~65%的水煤浆，泵送至气化炉顶部单烧嘴，与氧气混合同时下行进气化炉，气化压力从2.5、4.0、6.5至8.5MPa皆有工业生产装置在运行，稳定可靠。
气化炉结构简单，制造方便，造价较低。
Texaco炉由喷嘴、气化室、激冷室（或废热锅炉）组成，炉体用耐火材料衬里，炉内无转动装置，单喷嘴设计水煤浆及气化剂氧气并流下行。
喷嘴为三通道，工艺氧走一、三通道，水煤浆走二通道，介于两股氧射流之间，开停车和正常生产中不需连续燃烧部分液化气（LPG）或合成气（CO+H2），煤气除尘较简单，无需飞灰过滤器等设施。
碳转化率可达96%~98%，有效气成分CO+H2约为80%~83%，有效气比氧耗336~410m3/km3，比煤耗550~620kg/km3，投煤量气化炉衬里耐火砖寿命较短，仅1~2年（国产耐火砖寿命1年），烧嘴寿命更短，一般使用2~3个月即需停车检查维修或更换，为不影响连续开车生产，最好设置备用炉。
国外已建成投产的Texaco气化装置6套共15台炉，产品有电力、合成氨、甲醇、二氧化碳等。
至2004年国内引进投产的有7套21台炉，具体见表1。
从上世纪九十年代开始，国内各企业对Texaco气化炉不断探索和熟悉，目前已充分掌握了气化工艺特性，积累了丰富的工程技术经验，培养出一批从设计、设备制造、安装、开车到正常运营的技术骨干力量。
表1至2004年我国引进的Texaco气化炉一览
序号
企业
规模
产品
引进时间
1
鲁南化肥厂（原属兖矿集团）
Ⅰ期2台750t/a
合成氨
1990年
2
上海焦化厂
城市CO、甲醇、煤气
1995年
3
陕西渭河化肥厂
合成氨
1996年
4
安徽淮南
合成氨
2000年
5
黑龙江浩良河化肥厂
合成氨
2000年
6
中石化金陵石化公司
合成氨
2000年
7
神木Ⅰ
2004年
2004年至今又有十余家企业引进Texaco炉，它们是中石化齐鲁分公司丁辛醇装置，南京惠生煤制甲醇及CO，渭河Ⅱ、Ⅲ期合成氨、甲醇，山东兖矿国宏甲醇，上海焦化Ⅱ、Ⅲ期，神木Ⅱ期，榆林炼油厂、吉林长山化肥厂“油改煤”等等。
由此可见，Texaco气化技术在我国有广阔市场。
三、Shell干粉煤加压气化
最早的干粉煤气化炉为K-T炉（Koppers-Totzek），在此领域Shell公司开发出了全新的SCGP工艺流程。
早在1976年Shell公司对30余种煤炭进行了试验，随后在美国Houston的PeerPark建立日处理250吨高硫烟煤和日处理400吨高灰分高水分褐煤的工业试验装置。
1990年才在荷兰布根努姆（Buggenum）电厂建设单炉日处理煤2000吨的气化装置，1993年开车。
该装置用于IGCC发电（Integratedgasificationcombinedcycle）而不是用于化工生产。
Shell炉壳体直径4.5m，总质量约500吨，设四个进料喷嘴于底部同一水平面上，沿圆周对置，借助撞击以强化传热传质过程，喷嘴寿命为1年。
炉壁为水冷壁，不衬耐火砖，据称寿命在20年以上，炉壳与水冷管排之间有0.5m的间隙，用于安装检修空间。
气化系统中，装置有废热锅炉以回收热能。
Shell炉一般不用设备用炉。
煤粉由氮气携带送入喷嘴，同时送入气化剂：
95%的氧气及蒸汽，工作压力为3.5MPa，气化温度1500℃左右。
为了防止高温气体排出时夹带熔融态和粘结性飞灰在输气导管换热器及废热锅炉管壁上沉积，采用将高温除灰后的部分300~350℃气体与部分水洗后的160~165℃气体混合，用返回气循环泵加压送至气化炉顶部，将气化炉排出的合成气降温至900℃再进入废热锅炉系统回收热量，返回的气量相当于产气量的80%~85%，对返回气循环压缩机的操作条件要求十分严格。
出废锅炉的合成气，用高温中压陶瓷过滤器除去夹带的飞灰。
据资料介绍，Shell炉可气化褐煤、烟煤、无烟煤、石油焦等，适用煤种范围较宽。
碳转化率高达99%，冷煤气效率高达80%~83%，合成气有效成分（CO+H2）高达90%，有效气比煤耗550~600kg/km3，比氧耗330~360kg/km3。
值得注意的是，国外至今只有一套Shell炉装置用于联合循环发电（同时设有备用调峰电厂），尚没有化工生产的经验。
近年我国许多化工企业对Shell炉的功能看好，认为该炉对煤种适应性强，单台能力大、效率高，代表了煤转化发展的方向，故纷纷引进，截至目前，有16家引进了20台炉，详见表2。
表2近年国内引进的Shell炉装置
序号
企业
产品类型
煤处理量
（t/d）
炉数
（台）
1
湖北双环化工集团
合成氨
900
1
2
广西柳州化工股份公司
合成氨
1100
1
3
中石化岳阳壳牌煤气化公司
合成氨、氢气
2000
1
4
中石化湖北化肥分公司
合成氨
2000
1
5
中石化安庆分公司
合成氨、氢气
2000
1
6
云南天安化工有限公司
合成氨
2700
1
7
云南沾化有限责任公司
合成氨
2700
1
8
大连大化集团
甲醇
1100
1
9
神华煤制油公司
氢气
4400
2
10
河南永城煤电集团公司
甲醇
2100
1
11
河南中原大化公司
甲醇
2100
1
12
河南义马开祥化工
甲醇
1100
1
13
大唐国际发电公司（内蒙多伦）
甲醇
8400
3
14
天津渤海化工集团天津碱厂
甲醇、合成氨
4400
2
15
贵州天福化工
甲醇、合成氨
2000
1
16
河南鹤壁煤电股份公司
甲醇
2700
1
以上可见，Shell气化技术的引进，在我国大有后来居上之势。
四、喷嘴对置式煤气化炉
华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂及中国天辰化学工程公司共同开发研制了有自主知识产权的水煤浆气化技术，2000年10月由原国家石油和化工局对投煤量22t/d的中试炉进行了鉴定，认为已达到水煤浆气化领域的国际先进水平。
此项技术取得发明专利和实用新型专利共15项，获得国内各等级的科技进步奖11项。
国内开发的水煤浆气化技术特点在于以下几个方面。
1．全新设计的四喷嘴对置式气化炉及新型预膜式喷嘴的气化效率高，与采用国外引进技术的兖矿鲁南化肥厂同期运行结果相比，有效气成份提高2~3个百分点，CO2含量降低了2~3个百分点，碳转化率提高了2~3个百分点，比氧耗降低7.9%，比煤耗降低2.2%。
2．气化炉喷嘴之间有协同作用，可大幅度调节气化负荷，如关闭一对喷嘴，负荷即降低50%，负荷调节速度快，适应能力强，有利于灵活操作。
3．煤气洗涤冷却用的复合床传质传热效果好，液位平移，避免了带水带灰等问题。
4．分级式合成气初净化工艺节能高效，表现为系统压降低，分离效果好，合成气中细灰含量低于1mg/Nm3。
5．渣水处理系统采用直接换热，热回收效率高，克服了设备易结垢和堵塞等难题。
“十五”期间，这一国产化技术已成功应用于工业生产装置中。
2004年12月山东华鲁恒升化工股份有限公司建成了750t/a投煤量、6.5MPa的气化装置，该装置开车以来，气化炉运转正常，稳定可靠，工艺指标达到先进。
2005年7月兖矿国泰化工有限公司（山东鲁南）建成1150t/d投煤量、4.0MPa的气化装置，生产24万t/a甲醇，联产71.8MW的发电。
气化压力40MPa，气化温度~1300℃，该装置由天辰化学工程公司设计，气化炉由哈尔滨锅炉厂制造，中国化学工程第三建设公司施工建设（包括空分工程），从2005年10月正式运行以来，至今A号和B号炉累积运行超过3.5万小时，2006年甲醇产量已达30万吨。
经考核，该装置主要技术指标达到：
比氧耗309Nm3/km3（CO+H2）
比煤耗535kg/km3
合成气有效成分CO+H284.9%
碳转化率＞98%
由于国产化四喷嘴水煤浆气化技术已经受了长周期工业运行的考验，在稳定性、可靠性方面表现良好，工艺技术指标较先进，因此国内多家企业的煤气化项目纷纷选择该技术。
目前已签约专利实施许可合同12项，合计拟建气化炉31台，见表3。
据测算，这些装置日处理总煤量约4000吨，可生产甲醇、合成氨、CO、氢气、二甲醚及发电等，年产值约200亿元。
表3四喷嘴气化炉国内用户情况
单位
压力（MPa）
台数
规模（单台日投煤量，t/d）
产品
所处阶段
华鲁恒升
6.5
1
750
甲醇、合成氨
2004年12月投产
兖矿国泰
4.0
3
1150
甲醇、发电
2005年10月投产2台，2007年9月投产1台
兖矿鲁南
4.0
1
1150
甲醇、合成氨
2008年7月投产
凤凰化肥
6.5
3
1500
甲醇、合成氨
2008年投产
江苏灵谷
4.0
2
1800
合成氨
在建，2009年投产
索普集团
6.5
3
1500
甲醇、CO
在建，2009年投产
神华宁煤
4.0
3
2000
甲醇
在建，2009年投产
宁波万华
6.5
3
1200
甲醇CO、H2
在建，2009年投产
杭州半山
4.0
1
2200
发电
在建，2009年投产
山东久泰
6.5
6
2000
甲醇、二甲醚
设计
安徽华谊
6.5
3
1500
甲醇
设计
山东盛大
6.5
2
2000
甲醇、二甲醚
设计
近年国产化技术迅速被推广运用，其业绩堪与引进技术媲美。
五、三种气化技术比较
两种引进气化技术及一种国产化技术各有自己的用户群，由于各地煤的品质千差万别，气化目的各有不同，气化规模差异很大，如何在同等条件下进行定量的比较并非易事。
文献中公布的数据都是在特定工况条件下取得的，遇到不同情况时会有变化。
对于一个恒定的煤种，最好是经过模拟炉的试烧来获取工艺参数进行比较，可能获取更确切的信息。
根据现有资料，对三种炉型按炉体结构特点及气化工艺参数、建设投资、合成气生产消耗指标、合成气生产成本测算、操作及运行经验等五个方面进行比较评价，现分别的表列方式介绍如表4。
表4三种气化炉结构及工艺参数比较
项目
Shell技术
Texaco技术
国产四喷嘴水煤浆气化
适应煤种
褐煤、烟煤、无烟煤、高灰熔点煤
气煤、烟煤、次烟煤、无烟煤、高硫煤，要求碳熔点＜1300℃
同Texaco技术
进料方式
干粉，＜1m/m，占90%，用氮气或CO2输送入炉
水煤浆60%~70%，泵送入炉
同Texaco技术
喷嘴
四喷嘴，对置于炉底，寿命长
单喷嘴，置于炉顶，寿命短，约3~6个月需维修或更换
四个喷嘴对置于炉顶部
炉壁
水冷壁、水膜保护、不需耐火砖，寿命据称20年以上
热炉壁，炉膛衬耐火砖，寿命1年
同Texaco技术
热回收方式
废锅回收热
激冷式，也可装废锅
同Texaco技术
排渣
液态
液态
同Texaco技术
单炉投煤量
2000~3000
900~2000
250~2200
气化温度，℃
1400~1700
1350~1500
~1300
气化压力，MPa
3.5~4.0
2.5~8.5
4~6.5
碳转化率
＞99%
96%~98%
＞98%
在采取同等规模条件下，三种工艺的建设投资比较见表5。
表5三种工艺建设投资比较表（可比部分）
单位：
万元
序号
项目
Shell
Texaco
国产四喷嘴
1
煤贮运单位
4200
4200
4200
2
干粉煤制备及输送系统
12500
-
-
3
水煤浆制备及输送系统
-
5000
5000
4
气化炉硬件费
85400
41000
50000
5
气化炉软件费
6520
2772
1386
6
气化装置投资合计（含煤贮运）
108620
52972
60586
7
空分装置
30000
32000
30000
8
可比项目合计
146220
90172
95786
9
投资比
1
0.62
0.66
由表5可见，采用Texaco炉及四喷嘴炉比采用Shell炉投资可省约34%~38%，但这里没考虑年运转时间。
Shell炉占优势，不需备用炉，而水煤浆炉可能需备用炉，增加大量投资。
表6三种气化工艺（可比部分）消耗指标比较
（按生产合成气量160km3/h规模测算）
序号
项目
单位
Shell
Texaco
国产四喷嘴
1
原料煤消耗
kg/km3合成气
515
547
535
2
需投煤量
t/d
1998
2100
2067
3
耗纯氧量
m3/km3合成气
305
336
314
4
需供氧量
m3/h
48800
53760
50240
5
耗电
kW
10370
4000
4000
6
5MPa过热蒸汽
t/h
20
-
-
7
副产4.5MPa蒸汽
t/h
-130
-22
-22
8
副产0.5MPa蒸汽
t/h
-20
-10
-10
9
脱盐脱氧水
t/h
200
36
36
表7三种工艺合成气（CO+H2）的成本比较（可比部分）
（按年开车7200小时，产气量160km3/h测算）
序号
项目
单价
Shell
Texaco
国产四喷嘴
年耗量
价值（万元）
年耗量
价值（万元）
年耗量
价值（万元）
1
原料煤（干基）
250元/t
60万t
15000
63万t
15750
62万t
15500
2
氧气
0.25元/m3
3.514×108m3
8785
3.87×108m3
9675
3.617×108m3
9043
3
电
0.48元
7466.4×104kwh
3584
2880×104kwh
1382
2880×104kwh
1382
4
5MPa蒸汽
100元/t
14.4万吨
1440
-
-
-
-
5
副产蒸汽
80元/t
-23×104吨
-1840
-23×104吨
-1840
6
脱盐脱氧水
10元/t
151万吨
1510
26万吨
260
26万吨
260
7
水煤浆添加剂及耐火砖
-
-
2300
2300
8
过滤器内件
1000
-
-
9
折旧及维修（按投资额13%计）
19008
11722
12452
10
1~9合计
50327
39249
39097
11
（CO+H2）成本，元/m3
0.436
0.341
0.339
表8三种工艺操作及运行经验比较
序号
项目
Shell
Texaco
国产四喷嘴
1
原料制备
磨粉
磨粉、制浆，有时需加入助熔剂
1~6项基本与Texaco气化技术类似
2
进料
氮气带入，需精心控制，防爆
直接泵送
3
热利用
装废热锅炉，回收高压蒸汽，利于发电
水激冷式回收热，适于化工生产也可装废锅
4
除尘
需装高温变压飞灰陶瓷过滤器，操作复杂
无需飞灰过滤
5
炉体保护
炉膛装有膜式水冷壁，可长期运行
炉膛衬耐火砖，1~2年需更换
6
排渣
熔渣激冷后排出，另有飞灰排出
熔渣激冷后排出
7
国外投产情况
1台炉用于发电（荷兰布根努姆电厂）
6套15台炉用于发电及化工生产（合成氨、甲醇、CO、制H2等）
尚待开发国外市场
8
国内引进情况
16套20台炉，从数套投产装置情况看，可达设备的高效转化、需继续积累长期稳定生产经验
11套34台炉，已有7套21台建成投产开车，正常稳定
已投产或在建的有9家20台炉，设计拟建的有10台炉，开车稳定
从上述比较表中可以看出，Shell技术在碳转化率、比煤耗、比氧耗等指标上确实具有一定优势，在生产规模上，单炉投煤量也可以最大，但由于炉体结构较复杂，设备投资较高，操作运行上也有要求更苛刻更复杂之处，所以测算出的产品合成气（CO+H2）生产成本高于两种水煤浆造气方法。
至于Texaco技术与国产四喷嘴技术，基本上同属一个类型，差别不大。
除喷嘴数量制造工艺不同外，国产技术在换热、合成气净化等方面也作了一些改进，在一些关键的工艺参数上也有所提高，如碳转化率提高了2~3个百分点，比氧耗降低7.9%，比煤耗降低2.2%等，受到企业欢迎，虽然国产技术在专利费上有优势，但由于四喷嘴需4套泵送系统较单喷嘴复杂，因而在同是在国内加工制造的前提下，国产技术的设备费用要高于单喷嘴的Texaco技术设备费用，最终结果是两者合成气生产成本相差无几。
总体上看，两种水煤浆气化技术在化工应用上胜于干煤粉气化技术，在运行经验上也有更多的积累。
近年我国一些以油为原料的化肥企业开展“油改煤”工程项目，纷纷引进Shell的干煤粉气化装置，有些已经开车运转。
Shell技术在煤的高效利用和清洁生产方面已得到业内的肯定，但也存在一些问题，如飞灰的处理等，鉴于在化工利用上经验积累尚显不足，2009年1月国家发改委提出对Shell炉运转情况进行综合调查评估，对于短期内大规模引进Shell气化技术，已有专家持不同看法，认为要谨慎从事，避免不当投资。
六、关于采用国产炉的可行性
由于发展煤化工在我国受到极大重视，国内众多科研院所及高等院校对煤气化技术的研究工作蓬勃展开并取得重大进展。
除了对引进技术进行改进完善和创新之外，更加重视开发一些有自主知识产权的气化炉设计和工艺创新，国内水煤浆气化技术正在进行工业化试验或示范建厂的研究项目如表9。
表9国内正在开发的气化炉技术一览
序号
研发单位
炉型
原料
进展情况
1
华东理工大学
四喷嘴对置
干煤粉
建有15~45t/d中试装置
2
西安热工研究院
两段炉
干煤粉
进行过36t/d试验，正设计日投煤量千吨级的工业炉
3
航天部
航天炉
干煤粉
进行工业试验
4
清华大学
分级气化炉
水煤粉
进行工业试验
5
西北化工研究院
多元料浆气化炉
水煤粉
建有500t/d工业炉
6
山西煤化所
灰融聚流化床
碎煤
已完成工业试验，适用于中小规模制气
上述各项研究工作都取得不同程度的进展，有的已进入工业试用阶段，一旦成功，未来国产化的气化技术会有更多的选择和优化余地，值得业内密切关注。
七、关于不同气化工艺对甲醇成本的影响问题
甲醇生产成本由原料费、催化剂及化学品费、公用工程（水、电、气、仪表风）费、人工费及制造成本（包括折旧、维修及其它车间费用）等项构成。
一般情况下原料费由消耗的原料煤或天然气或焦炉气等及其价格测算出。
本报告设定的条件是采用不同工艺生产合成气作甲醇原料、进料组分要符合（H2+CO2）/（CO+CO2）=2.03的要求，假定不同气化工艺所产合成气（CO+H2）组分大致相同，甲醇合成过程在同一装置按同一工况操作生产则合成气耗量、催化剂及化学品耗量、公用工程消耗、制造成本都应相同，甲醇生产成本的变化仅取决于原料气价格变化。
按每吨甲醇消耗合成气约2800m3/t，另加其它各项费用1000元/t（假定数），则得出单位甲醇生产成本如表10。
表10单位甲醇成本测算值
项目
Shell
Texaco
国产四喷嘴
合成气用量，m3/t
2800
2800
2800
合成气单价，元/m3
0.436
0.341
0.339
合成气成本，元
1220.8
954.8
949.2
甲醇成本，元/t
2220.8
1954.8
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