西门子GSP煤气化技术

1  GSP煤气化技术概况

1.1  技术研发4 k; L& v0 `! [

 GSP煤气化技术是由德国西门子集团拥有的，由前民主德国燃料研究所(DBI)于20世纪70年代末开发并投入商业化运行的大型粉煤气化技术。该研究所创建于1956年，全称为DeutschesBrennstoff Institut Freiberg，一直致力于煤炭综合利用的开发工作，即使在国际市场石油过剩时，也没有中断过对煤气化技术的开发工作。针对化工行业，本着降低投资与成本，而研发出的GSP煤气化技术是世界先进的大型粉煤进料气流床加压技术之一。分别于1979年和1996年，在西门子的气化研发中心(Freiberg)建立了3MWth和5MWth两套气化中试装置。这两套装置试验过的煤种来自德国、中国、波兰、前苏联、南非、西班牙、保加利亚、加拿大、澳大利亚和捷克等国家。东西德合并后，该技术扩展应用到生物质、城市垃圾、石油焦、含氯废物和其他燃料等气化领域。1 Y! d5 @( Z$ _0 P&

1.2  技术应用: i" P9 D/ M* X  z0 ?9 j

 GSP煤气化技术自研发成功以后，其商业化应用扩展就丝毫没有停止过。1984年在德国黑水泵工厂采用GSP气化技术建立了1套200MWth的商业化装置，粉煤处理能力为30t/h。该装置在1984至1990年间，成功对普通褐煤及含盐褐煤进行了气化，生产民用煤气。东西德合并后，德国政府引进天然气取代了城市煤气，且对垃圾处理有补贴政策，故1990年后，该装置分别气化过天然气、焦油、废油、浆料和固态污泥等原料，生产出的合成气用于甲醇生产及联合循环发电(IGCC)。3 @9 p% I% H1 @" e: J图片

2001年，巴斯夫(BASF)在英国的塑料厂建成30 MWth工业装置，用于气化塑料生产过程中所产生的废料。2006年，捷克Vresova工厂采用GSP气化技术建设的175 MWth工业装置开车试运转，其气化原料为煤焦油，用于联合循环发电项目(IGCC)。具体应用成功范例见表1。+ 1.3  在中国的推广6 n$ \  O% e: T

 中国是能源消耗大国，更是煤炭大国，石油资源相对缺乏。为了更好的推动GSP煤气化技术在中国煤化工及煤制油领域的应用，北京杰斯菲克气化技术有限公司于2005年5月在中国北京成立，德国西门子发电集团与中国神华宁夏煤业集团有限责任公司各拥有该合资公司50%的股份。北京杰斯菲克气化技术有限公司独家负责GSP煤气化技术在中国及其周边地区的推广与使用许可。截止2007年6月底，北京杰斯菲克气化技术有限公司已经签订了两个技术转让合同，其中与神华宁夏煤业集团签订了520kt/a煤基烯烃(中间产品为1670kt/a甲醇)气化岛项目合同；与山西兰花煤化工有限责任公司签订300kt/a合成氨与甲醇气化岛项目合同。

2  GSP煤气化工艺    GSP煤气化工艺采用干粉进料、纯氧气流床气化、液态排渣、粗合成气激冷工艺流程。该流程包括干粉煤的加压计量输送、气化与激冷、气体除尘冷却、黑水处理等单元。图1为GSP煤气化工艺流程示意图。/ t8 x2 R

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2.1  备煤与加压计量输送系统, t; i9 c7 E0 s

 预先被破碎到≤25 mm的经过计量的去除金属的煤，通过输送机送入磨煤机，在磨煤机内将煤磨碎到适于气化的粒度(对不同煤种有不同的要求)。& D. K" b& I, 磨煤的同时采用加热的惰性气流将其干燥到符合输送要求的水份含量(对不同的煤种有不同的要求)。

 经研磨的干燥煤粉由低压氮气送到煤的加压和投料系统。此系统包括储仓、锁斗和密相流化床加料斗。锁斗完成加料后，即用加压气(N2或CO2)加压至与加料斗相同的压力，然后煤粉将依靠重力送至加料斗。再用输送气(N2或CO2)从加料斗中将干煤粉送到气化炉的组合喷嘴中。粉煤流量通过入炉煤粉管线上的流量计测量。图2为干粉煤的加压计量输送系统示意图。

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2.2  气化及合成气冷却除尘系统

 加压干煤粉、氧气及少量蒸汽(对不同的煤种有不同的要求)通过组合喷嘴进入到气化炉中。气化炉包括带水冷壁的气化室和激冷室。

 气化炉的操作压力为2.5～4.0MPa(g)。根据煤粉的灰熔特性，气化操作温度控制在1350～1750℃之间。高温气体与液态渣一起离开气化室向下流动直接进入激冷室，被喷射的高压激冷水冷却，液态渣在激冷室底部水浴中成为颗粒状，定期的从排渣锁斗中排入渣池，并通过捞渣机装车运出。

 从激冷室出来的达到饱和的粗合成气经两级文氏管洗涤后，使含尘量达到要求后送出界区。

2.3  黑水处理系统! k" w% A' U1 B8 q% E2 t" S5 Y  

激冷室和文氏管排出的黑水经减压后送入两级闪蒸罐去除黑水中的气体成分，闪蒸罐内的黑水则送入沉降槽，加入少量絮凝剂以加速灰水中细渣的絮凝沉降。沉降槽下部沉降物经过滤机滤出并压制成渣饼装车外送。沉降槽上部的灰水与滤液一起送回激冷室作激冷水使用，为控制回水中的总盐含量，需将少量污水送界区外的全厂污水处理系统。

3  GSP煤气化关键设备3.1  气化炉1 \- T, m6 a3 d; T8 h

 气化炉包括用耐热低合金钢制成的水冷壁和激冷室。水冷壁由多组冷却盘管组成，水冷壁向火面覆有碳化硅保护层。由于碳化硅及后形成的固态渣层保护，水冷壁的表面温度小于270℃。水冷壁仅在气化室的底部加以固定，由气化室顶部的导轨支撑，解决了水冷壁的热膨胀问题。出于安全考虑，水冷壁盘管内水的压力高于气化炉操作压力，防止盘管泄漏或损坏时气体进入盘管。气化炉外壳设有水夹套，用冷却水进行循环，故外壳温度低于60℃。气化炉的结构示意图见图3。

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 另外，气化炉可用氧气、煤粉流量调节加以控制，亦可参照在线分析的气体成分和气化室与激冷室压差加以调节。

 GSP气化炉使用干煤粉进料，产生的粗合成气的有效成分(CO+H2)可达到90%以上(依煤种及操作条件的不同有所差异)。表2为气化炉出口处典型气体组成。

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 GSP气化炉的高效率同时降低了煤和氧气的消耗量，这意味着生产中原料成本得到降低，表3给出了GSP煤气化工艺的消耗。

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 GSP气化炉可以根据用户的要求加以设计，表4为GSP气化炉的不同规模。7 G+ q0 s' F/ w& u图片

3.2  组合式气化喷嘴

 由配有火焰检测器的点火喷嘴和生产喷嘴所组成，故称为组合式喷嘴。承受较高热负荷的喷嘴部件由喷嘴循环冷却系统来强制冷却。喷嘴的材质为奥氏体不锈钢，高热应力的喷嘴顶端材质为高镍合金。. A- T+ }1 M2 f" {+ R$ E  Y7 R* T

 图4给出了组合气化喷嘴结构示意图。由图4可知，由中心向外的环隙依次为点火燃料气、点火氧气、氧气／蒸汽、煤粉通道。几根煤粉输送管均布进入最外环隙，并在通道内盘旋，使煤粉旋转喷出。给煤管线末端与喷嘴顶端相切，在喷嘴外形成一个相当均匀的煤粉层，与气化介质混合后在气化室中进行气化。因此从给煤管出口到喷嘴顶端之间只产生很小的热应力。

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3.3  水冷壁- [( A- O0 D( o

 水冷壁如图5所示，是由碳化硅保护层、冷却盘管和抓钉组成的。水冷壁应用了以渣抗渣原理，在气化过程中，炉内温度很高，燃烧产生的液态熔渣附着于水冷壁上，冷却形成固态渣层，以此保护水冷壁免受高温侵蚀与磨蚀。该固态渣层的厚度取决于炉内火焰温度和粉煤的灰熔特性。图6给出气化过程中水冷壁的温度分布示意图。当设备初始运行时，固态渣层会逐渐积累，直至达到稳定的固态渣层厚度。在气化过程中，固态渣层具有自动调节与自行修复功能，预计水冷壁的使用寿命在25年以上。

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4  GSP煤气化技术优点4.1 煤种适应性强：该技术采用干煤粉作气化原料，不受成浆性的影响；由于气化温度高，可以气化高灰熔点的煤，故对煤种的适应性更为广泛，从较差的褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤到石油焦均可使用，也可以两种煤掺混使用。即使是高水份、高灰份、高硫含量和高灰熔点的煤种基本都能进行气化；. u; C6 K8 u/ o; e7 q4.2 技术指标优越：气化温度高，一般在1350～1750℃。碳转化率可达99%，煤气中甲烷含量极少(CH4＜0.1%(V))，不含重烃，合成气中CO+H2高达90%(V)以上，冷煤气效率高达80%以上(依煤种及操作条件的不同有所差异)；6 v( _, w- t  ~* y4.3 氧耗低：可降低配套空分装置投资和运行费用；

4.4 设备寿命长，维护量小，连续运行周期长。在线率高：气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖，预计水冷壁使用寿命25年；只有一个组合式喷嘴(点火喷嘴与生产喷嘴合二为一)，喷嘴主体的使用寿命预计达10年；

4.5 开、停车操作方便，且时间短(从冷态达到满负荷仅需1h)；

4.6 操作弹性大：单炉操作负荷为70%～110%；9 e; Y7 J! d! J$ b! H* t: T9 L" K4.7 自动化水平高：整个系统操作简单，安全可靠；

4.8 对环境影响小：无有害气体排放，污水排放量小，炉渣不含有害物，可作建材原料；

4.9 工艺流程短，设备规格尺寸小，投资少，建设周期短，运行成本低。3 F8 v1 h4 ?9 5  GSP煤气化技术应用领域

5.1 合成氨

 中国是目前世界上最大的合成氨生产与消费国，2004年产量达到42222kt，—预计到2010年对合成氨的需求量大约为47000kt。中国现有的合成氨厂除少数以天然气、重油原料外，大多数工厂都以无烟块煤为原料，采用常压固定床间歇气化技术，生产能力小，能耗高，环境污染严重，GSP煤气化技术以粉煤为原料，适应煤种宽，气化效率高，生产能力大，且清洁环保，在合成氨生产领域有广阔的前景。

5.2 甲醇

 甲醇是化学工业中重要的中间产品之一，也是正在迅速发展的替代燃料之一。目前中国现有的甲醇生产装置大多数生产规模小，技术落后，缺乏竞争力。结合中国能源结构状况，以煤为原料，采用先进的大型煤气化技术来扩大生产能力，提高竞争力，以满足未来市场需求。针对特大型甲醇生产的需要，我们正在开发MEGA—GSP技术。

5.3 煤制油(CTL)9 |2 j* M6 A; b. R

 随着中国经济的快速发展，石油的需求量迅速增长，2005年进口原油已超过1.4亿t，到2010年将达到2.5亿t左右，国际油价长期保持在60美元/桶以上。因此，上游采用煤气化技术，下游采用F—T合成技术的间接液化在中国大有可为，并将成为中国能源战略的重要支柱之一。) c$ K5.4 煤气化联合循环发电(IGCC)

 中国的电力需求持续高速增长，且目前中国以燃煤发电为主，导致二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳等大量排放，造成严重的环境污染和温室效应。高效、清洁的煤气化联合循环发电(IGCC)有着广阔的前景。GSP气化技术也是最早应用于IGCC发电的技术之一4 W* L/ y( E(5.5 制氢    . @! n; R: `4 E1 i7 g

 氢气(H2)作为炼油、煤液化、燃料电池等领域重要原料，目前主要通过石脑油气化来制得，随着石油价格的不断上涨，以煤为原料的气化技术制氢更具有经济性。5.65燃料煤气

 随着经济的发展及环保要求的提高，民用燃气与工业燃气需求飞速增长，高效、清洁的GSP煤气化技术可以提供有效的解决方案。) t0 ~9 [9 |, o% b* c6  结论, R5 f7 L; b& M' m2 M& o

 GSP煤气化技术的优点是：煤种适应性强、气化效率高、设备制造安装周期短、投资较少、运行成本低，开停车操作维护方便，它是当今世界最先进的煤气化技术之一。此技术在合成氨、碳—化工、发电、制氢和燃料合成领域的应用，会带来巨大的经济效益，具有非常广阔的发展前景。