GE水煤浆气化炉是一种以水煤浆为原料.docx
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GE水煤浆气化炉是一种以水煤浆为原料
GE水煤浆技术
概述
世界能源界自上世纪七十年代就开始了对水煤浆的研究，我国是世界上较早开发这一项目的国家，“水煤浆制备与燃烧技术”从“六五”到“八五”都列为国家重点科技攻关项目。
八十年代初，我国在这一技术上就取得了成功，走在世界的前列，多次获得国家科技进步奖和国家专利。
但自水煤浆问世以来，主要是进行大规模制浆与电站锅炉燃用水煤浆的工业示范。
水煤浆作为中国洁净煤技术的重要组成部分，经过近二十年的技术开发，工业性实验和商业性示范应用，已显示出它所具有的代油、节能、高效率燃烧和低污染等许多优势，已被愈来愈多的企业所认识。
水煤浆是一种新型、高效、清洁的煤基燃料，是燃料家族的新成员，国际上称为CWM（CoalWaterMixture）或CWF（CoalWaterFuel），它是由66%~69%不同分布的煤，30%左右的水和约1%的化学添加剂制成的混合物，经过多道严密工序，层层筛选煤炭中燃烧不充分成份及产生污染的S.A等杂质，仅将碳本质保留下来，成为水煤浆的精华，它具有石油一样的流动性，热值相当于石油的一半，被称为液态煤炭产品。
水煤浆其中的水并不能提供热量，在燃烧过程中还会因蒸发造成热损失，不过这种损失并不大。
以含煤70％的水煤浆为例，1公斤水煤浆中含水0.3公斤，水的气化潜热不到600大卡/公斤，故燃烧1公斤水煤浆因其中水造成的热损失不到180大卡，约占水煤浆热值的4％。
它使煤炭从传统的固体燃料转化为一种流体燃料，从而带来很多优点。
水煤浆像油一样，可以泵送、雾化、贮存与稳定着火燃烧。
两吨水煤浆可代一吨油。
水煤浆技术包括水煤浆制备、储运、燃烧、添加剂等关键技术，是一项涉及多门学科的系统技术，水煤浆具有燃烧效率高、污染物排放低等特点；可用于电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉代油代气、代煤燃烧，是当今洁净煤技术的重要组成部分。
由于水煤浆与燃油在相同热值下相比，其价格仅为重油的1/2左右，以水煤浆代油具有显著的经济效益，因此是目前企业通过技术改造解困的有效途径之一。
燃用水煤浆与直接烧煤相比，具有燃烧效率高、负荷易调控、节能和环境效益好等显著优点。
水煤浆经长距离管道输送到终端后可直接燃用，储运过程全封闭，既减少损失又不污染环境，是解决我国煤炭运力不足的重要运输方式之一.
水煤浆和一般的煤泥水不同，因为它是一种燃料，所以必须具备某些便于燃烧、使用的性质，主要有：
1．为利于燃烧，水煤浆的含煤浓度要高。
通常要求在62％～70%左右；
2．为便于泵送和雾化，粘度要低。
通常要求在100（1/秒）剪切率及常温下，表观黏度不高于1000～1200毫帕秒；
3．为防止在贮运过程中产生沉淀，应有良好的稳定性。
一般要求能静置存放一个月不产生不可恢复的硬沉淀；
4．为提高煤炭的燃烧效率，其中煤粒应达到一定的细度。
一般要求粒度上限为300微米，其中小于200网目（74微米）的含量不少于75％。
水煤浆满足其中单项性能并不难，但要同时满足各项要求就会遇到许多困难，因为有些性能间是相互制约的。
例如，要使水煤浆中含煤浓度高，就不能多用水；水少了，又会引起粘度高，流动性差；要流动性好，粘度就应低，但粘度低又会使稳定性变差。
所以它的制备技术难度大，涉及煤化学、颗粒学、胶体与有机化学及流变学等多学科技术。
1美国GE德士古气化水煤浆气化技术。
德士古气化工艺是20世纪70年代推出的世界上第二代煤气化工艺,装置采用湿法进料系统,煤与水研磨成浆后用泵送入气化炉,水煤浆的浓度一般在60%～65%之间,煤中灰分含量以不超过20%为宜。
GE水煤浆加压气化技术具有煤种适应性较广、气化效率高、气体成分较好、环境污染小和自动化程度高的特点。
是目前国内工业化程度较为成熟的煤气化技术。
与干法进料系统相比,湿法进料工艺简单,安全可靠,进料灵活性高。
其技术特点是对煤种的适应性较宽,对煤的活性没有严格的限制,但对煤的灰熔点有一定的要求（一般要低于1400℃）;单炉生产能力大;碳转化率高,达96%～98%,生产废水中不含焦油、酚等污染物;煤气质量好,有效气（CO+H2）高达80%左右,甲烷含量低,适宜做合成气。
2Texaco（德士古）气化工艺
原料煤与水、添加剂、石灰石、氨水,经磨机研磨成具有适当粒度分布的水煤浆由煤浆泵送入煤浆槽中。
水煤浆经高压煤浆泵加压后，与空分来的高压氧气一起经过特制的工艺烧嘴喷入气化炉内后，水煤浆被雾化成细小的颗粒；与氧气在炉内1300℃—1400℃的高温下发生氧化---还原反应，产生煤气（也称合成气），同时生成少量熔渣。
合成气与熔渣出气化炉燃烧室后在下降管的引导下进入气化炉激冷室液面以下，熔渣被冷却固化后沉降到气化炉激冷室底部，经锁斗收集后排出；合成气被洗涤冷却后出下降管，沿下降管与上升管之问的环隙鼓泡上升，离开上升管后被激冷室顶部的折流挡板阻挡折流后由气化炉激冷室合成气出口排出；经文丘里洗涤器去水洗塔进一步洗涤除尘后送变换工序。
水洗塔的补充水来自三路：
一路是由文丘里加人的高压灰水；另两路分别是高温变换冷凝液和灰水。
从水洗塔储液槽上部排出的黑水作为气化炉激冷室的激冷水，水洗塔底部排出的黑水与气化炉激冷室排出的黑水一起送至渣水处理工序处理，具体工艺见图1
3GE加压水煤浆气化技术特点
1）水煤浆气化工艺要求原料水煤浆要有良好的稳定性、流动性，较低的灰熔点及泵易输送等。
2）气化炉内结构简单，操作性能好，操作弹性大，可靠程度高。
3）高温加压气化，气化效率高，气化采用1300—1500℃的高温，气化压力达6．5MPa。
气化炉能力与压力成正比，气化压力高，反应的速度快，反应物在气化炉内的停留时间长，碳的转化率高，增加单台气化炉的生产能力，同时可节省后工序气体压缩功。
4）碳转化率较高，一般可达90％～93％，灰渣中粗渣含碳量约5％，少量细渣含碳量约25％。
单位体积产气量大，粗煤气质量好，有效气成分较高，产品气中（CO+H2）可达80％左右。
5）水煤浆进料与干粉进料比较，简化了干粉煤给料及加压煤仓加料的问题，具有安全并容易控制的特点，取消了气化前的干燥，节约了能量。
6）采用半封闭供煤、湿法磨煤以及气流床气化，全过程污染轻微，无焦油等污染物，是一种先进、可靠的气化工艺。
（7）气化炉结构简单，内部无运动的机械部件，操作可靠性高；
（8）灰渣以液态形式排出后呈玻璃状，无污染和公害；并可用作建筑材料；
（9）操作压力范围广，有利于产品煤气的进一步高压下利用；
（11）煤气净化可在压力下进行，且可与现有的煤气净化技术兼容；
（11）气化阶段用水循环和回收，产生的污水量少，而且其外排废水中酚、氰化氢及氨的含量极少，环境特性好；
4GE加压水煤浆气化工艺存在的不足
1）受气化炉耐火砖操作条件和使用寿命的限制，气化温度不宜过高，一般气化操作温度不高于1400℃。
2）气化炉内砌耐火砖冲刷侵蚀严重，更换火砖费用大，增加了生产运行成本。
3）喷嘴使用周期短，一般情况下每2个月检查更换1次，若由于操作不当，烧嘴头则更易烧损。
停炉更换喷嘴对生产连续运行或高负荷运行有影响，一般需要有备用炉，增加了建设投资。
4GE水煤浆气化炉
GE水煤浆气化炉是一种以水煤浆为原料、氧气为气化剂的加压气化技术。
水煤浆经原料加压泵加压后与高压氧通过气化炉顶部的气化烧嘴进人气化炉（下图），在燃烧室（气化反应室）内在表压6．5MPa、约1400℃条件下水煤浆与氧发生部分氧化反应，生成CO、H2、CO2、H2O和少量CH4、H2S、COS及微量的NH3、HCOOH等气体。
从气化反应室出来的粗合成气直接向下通过下降管进入气化炉的激冷室完成合成气的激冷洗涤，出激冷室的合成气温度约250~C左右。
粗合成气中的碳黑在激冷室中大部分被清除，由渣水出口（N1）进入破渣机温度可达1540度左右。
气化炉壳体外壁设有壁温监测系统，反应室内的温度通过伸人到耐火材料内的热电偶来测量，当反应室外壁某区域（0．1ms）温度达到345～370℃时高温报警。
因合成气中含有少量的H2S气体，为防止湿H2S腐蚀，气化炉外壁温度不应低于225℃，以避免内壁结露造成露点腐蚀。
5工艺比较
目前国际上技术比较成熟、工艺指标比较先进、业绩较多的主要是英国SHELL（壳牌）公司干煤粉气化工艺和美国GE公司水煤浆气化工艺，两者均为加压纯氧气流床液态排渣的气化工艺。
5.1SHELL和GE两种煤气化技术
（1）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（250-400）t的示范装置投产；日投煤量2kt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。
工艺流程如下图：
（2）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。
该工艺技术已在山东鲁南、上海焦化、陕西渭河、安徽淮化4套装置投运，最长的已具有近8年生产操作经验。
运行基本良好，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，特别是对煤种的可选择性限制了其发展。
SHELL煤气化工艺与GE水煤浆气化工艺，是当前先进而叉成熟的两种煤气化技术，已成功地在工业规模上应用多年
5.1原料的适应性
（1）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，并成功地将高灰分（5．7％～24．5％，最高35％）、高水分（4．5％-30．7％）和高硫分的劣质煤种进行气化。
对于原料煤和燃料煤价差较大地区有可能使其两者合一，既简化贮运系统叉可降低生产成本，可见该工艺在煤种应用上有很大灵活性。
（2）GE水煤浆气化工艺能使用较多煤种：
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，尤其是内水分低的煤种，否则不利于制取高浓度水煤浆；②选用灰融点低和灰粘度适宜的煤种。
灰融点宜低于1300℃，否则会影响气化炉内耐火砖的使用寿命。
5．2煤的准备
原煤通常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。
（1）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％（wt）煤的粒度<100，煤中含水量控制在2％（wt）以下，以利于气相输送干粉进料的要求。
（2）在GE水煤浆气化工艺中，通常采用一段湿磨工艺，小于10ram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420煤粉占90％～95％，440煤粉占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。
5．3加煤方式
（1）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。
（2）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。
5．4气化系列配置
（1）在SHELL煤气化工艺开发过程中作了大量基础工作，在不同规模中试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2kt／d生产装置中得到验证，气化装置运转率达到95％以上。
（2）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，设有2～4台气化炉，无论是1开1备（2×100％能力），2开l备（3×50％能力）方式运行，装置均有很高运转率。
5．5气化炉结构
（1）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。
但水冷壁结构比较复杂，制造难度高。
（2）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，一般为1～2年需要更换。
5．6烧嘴
（1）SHELL煤粉气化炉通常使用多个烧嘴，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。
（2）GE水煤浆气化炉仅有1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，只能用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。
5．7合成气冷却与热量回收
（1）在SHLL煤气化工艺中，出气化炉高温煤气用粗煤气冷激至900*2。
经合成气冷却器回收热量后，煤气温度降至350E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含10％-20％的水分。
使高温煤气显热得到充分利用。
（2）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／气比可达1．3-1．45，虽然热利用率很高，但是对激冷室排出黑水的热量回收是影响回收效率高低的一个重要因素。
5．8煤气除尘
煤气中含灰量应达约lppm，以防止给后工序带来不良影响。
（1）在SHELL煤气化工艺中，采用于法（高温高压飞灰过滤器）十湿法洗涤（水洗塔）的除灰流程。
干法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、CI一等有害微量组分。
（2）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。
5．9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。
（1）在SHELL煤气化工艺中，煤气夹带的细灰大部分（≥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、沉降后排放去生化处理，分离出细煤泥可返回至磨煤系统。
（2）在GE水煤浆气化工艺中，夹带在煤气中所有灰分全部转入激冷室排出之黑水中，温度高、水量大，通常设置2～4级减压闪蒸回收热量，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，对减压阀、部分管道磨损较为严重。
5．1O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。
（1）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％，因而排出炉渣中含C<1％。
干法除尘排出之细灰含C<5％，可直接用作水泥生产原料。
（2）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，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％。
5．11运行周期
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。
（1）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。
（2）GE气化炉内砌耐火砖，目前国产耐火砖使用寿命不到1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的影响，连续运行周期受到限制。
5.12两种工艺的应用美国加利福尼亚州冷水工程（气化炉1+1台。
4．2MPa）以大同煤峪121矿煤为基准，两种煤气化工艺的气体成分见表1，工程应用见表2和表3。
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工艺起步较晚，但是发展迅速，后来居上。
结论
根据以上比较可知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。
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。
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方案略高。
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8O00h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，同时排出的废水也较多。
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