煤气化技术方案比较及选择.docx
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煤气化技术方案比较及选择
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，国际上岀现能源危机，发达国家岀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DESTE（气化工艺、德国KRUPPJHDE公司的PRENFUX艺（加压K—T法）及德国鲁奇（LURG）工艺。
其中DESTE（气化工艺与GE工艺相近，但其业绩及经验不如GEPRENFLOC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（LURG）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CH含量高，有效成分（CO+H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。
2SHELL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1300C，否则
会影响气化炉内耐火砖的使用寿命。
22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＜100^m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420^m煤粉占90%^95%通过44gm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（2X100%
能力），2开1备（3X50%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CQ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900C，经合成气冷却器回收热量后，煤气温度降至350C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%720%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1X10「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NH、HCNCl「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（220C）、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V1%。
干法除尘排出之细灰
含碳V5%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1SHELL干煤粉气化工艺与GE水煤浆气化工艺比较
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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）
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3SHELL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
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3.2两种煤气化技术的主要流程配置
1、表4
两种煤气化技术用于生产甲醇的经典工艺流程配置如图
图1生产甲醇的经典配置
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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）
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表6两种煤气化技术投资的比较（以年产600kt精甲醇计）
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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）
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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。
①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V1%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%r5%,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
煤气化技术进展
李永恒（湖南湘氮实业有限公司，湖南株洲412005）2001-09-16
当前化肥生产形势严峻，企业为了生存和发展，从降低化肥生产成本着手，狠抓造气技术改造。
为此，本文介绍一些技术先进、效
益好的煤气化方法，供大家借鉴。
1德士古水煤浆气化技术
兖矿鲁南化肥厂的德士古水煤浆加压气化装置于1993年投入运行，经过几年的摸索，取得了较好的成果。
国家为了推广德士古技
术，专门成立了“水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心”。
该中心设计出多种完整的方案，供我国中小型化肥厂技术改造时选用。
1.1水煤浆气化原理
水煤浆气化属于气流床气化技术，即水煤浆与气化剂（纯氧）经特殊喷嘴混合后，快速进入气化炉反应室，遇室内灼热的耐火砖瞬间
燃烧，直接发生火焰反应。
微小的煤粒与气化剂在火焰中并流流动，煤粒在火焰中来不及相互熔结就迅速发生气化反应，反应在数秒钟内
完成。
此间放热反应和吸热反应几乎是同时进行的。
因此，水煤浆中的碳基本上全部参加了反应，高温下所有干馏产物都迅速分解转变为均相水煤气的组分，所以产生的煤气中只含有极少量的CH。
1.2水煤浆气化特性
（1）该气流床气化的特点是每颗煤粒均被气流隔开，能单独膨胀、软化、燃烧尽而形成
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