两段式干煤粉加压气化技术及工程化应用
两段式干煤粉加压气化技术及工程化应用
中国是一个能源大国，但又是一个人均能源资源占有量的贫国。一次能源结构中75%以上是煤。预计到本世纪中叶，甚至到本世纪末，中国以煤为主的能源结构将不会改变。煤的高效、清洁利用，是中国经济和社会可持续发展的战略选择，是保证中国能源稳定可靠供应以及可持续发展的重要科技基础。这也充分表明了中国发展洁净煤技术的重要性和紧迫性。为了满足未来经济、社会和环境协调发展对能源的需求，煤炭的洁净利用必须以科学的发展观，依靠科技进步，走出一条兼顾高效、环保和经济的煤炭利用的新型工业化道路，发展基于煤气化的煤基能源及化工系统是在可预见范围内最有效的技术途径，已成为能源领域科技界和企业界的共识。
煤气化技术是发展煤基化学品、煤基液体燃料、联合循环发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的基础，是这些行业的共性技术、关键技术和龙头技术，对中国经济和保障国家安全具有重要的战略意义。长期的生产实践表明，在将煤炭转变成更便利的能源和产品形式的各种技术中，煤气化是最应优先考虑的一种加工方法。城市煤气、化工合成用原料气、先进的联合循环发电用燃气和综合利用系统是煤气化发展和应用的主要方向。
西安热工研究院白1994年就已开始了干煤粉气流床气化技术的研究，开发出了一种新型的两段式加压气流床气化炉。1997年建成1台0.7t/d的试验装置，并完成了14种中国典型动力煤种的加压气化试验研究。2004年建成了处理煤量为36～40t/d(10MWth)的中试装置，完成了多种煤粉的气化试验。目前该技术已经进入工程放大阶段，计划首先建设日气化原煤2000t级的“绿色煤电”煤气化发电示范装置，预计2009年投运。另外，在化工行业中，己与内蒙世林化工有限公司签订技术转让合同，目前已进入施工设计阶段。
1 两段式干煤粉加压气化技术的原理和工艺特点
1.1 两段式气化炉结构
现有干法进料气流床气化技术中，荷兰Shell和德国Prenflo气化炉均为以干煤粉形式进料的气化装置，但它们只有一级气化反应，为了让高温煤气中的熔融态灰渣凝固以免使煤气冷却器堵塞，不得不采用后续工艺中大量的冷煤气对高温煤气进行急冷，方可使高温煤气由1400℃冷却到900℃，其热量损失很大，气化炉的碳转化率，冷煤气效率和总热效率等指标均比较低，并且由于煤气流量较大，造成煤气冷却器、除尘和水洗涤装置的尺寸过大。为了解决这一问题，西安热工研究院开发出了一种新型的两段式干煤粉加压气流床气化炉(见图1)。
图片
该气化炉的外壳为一直立圆筒，炉膛采用水冷壁结构，炉膛分为上炉膛和下炉膛两段，下炉膛是第一反应区，用于输入煤粉、水蒸气和氧气的喷嘴设在下炉膛的两侧壁上。渣口设在下炉膛底部高温段，采用液态排渣。上炉膛为第二反应区，其内径较下炉膛的内径小，高度较长，在上炉膛的侧壁上开有两个对称的二次粉煤和水蒸汽进口。运行时，由气化炉下段喷入干煤粉，氧气(纯氧或富氧)以及蒸汽，所喷入的煤粉量占总煤量的80%～85%，在上炉膛进口处喷入过热蒸汽和粉煤，所喷入量占总煤量的15%～20%。该装置中上段炉的作用主要有二：其一是代替循环合成气使温度高达1400℃的煤气急冷至约900℃，其二则是利用下段炉煤气显热进行热裂解和部分气化，提高总的冷煤气效率和热效率。该气化炉已经获得国家发明专利。
1.2 两段式煤气化技术的两个工艺流程
为了满足发电行业和化工行业对于煤气化工艺的不同要求，两段式干煤粉加压气流床气化炉根据下游工艺的不同要求，可以采用有废锅和无废锅两种形式，即适合于煤化工工艺的煤气激冷流程和适合于发电工艺的废锅流程。在激冷流程中，用激冷水将煤气直接冷却至300℃以下，这种工艺方式的系统比较简单，投资较少。此工艺流程适合应用于化工领域及多联产。目前为内蒙世林有限公司设计的工艺流程即采用此流程。如果使用废锅流程，则粗煤气中15%～20%热能被回收为中压或高压蒸汽，气化工艺总体的热效率可以达到98%。此工艺过程比较适合于IGCC项目。目前为华能绿色煤电工程设计的工艺流程即采用此流程。图2是带废锅的工艺流程简图，图3是无废锅的激冷工艺流程简图。
图片
1.3 两段式干煤粉气化技术的特点
(1)气化反应温度约1400～1600℃，气化压力可达3.0～4.0 MPa，碳转化率高达99%以上，煤气中有效气体体积分数(CO+H2)高达90%以上。
(2)高温气化不产生焦油、酚等凝聚物，不污染环境，煤气质量好。
(3)在气化炉二段(1000～1200℃)送入少量煤、N2和蒸汽，主要进行煤的干馏热解、挥发分的二次裂解及水蒸气的分解等反应。能够显著降低气化炉出口的合成气温度，从而可以省略冷煤气循环激冷流程，使得系统自耗功大幅度降低，同时煤气冷却器及净化系统的设备尺寸减小，造价降低。
(4)气化炉采用水冷壁结构，以渣抗渣，无耐火砖衬里，维护量少，运转周期长，无需备炉。
(5)与国外同类技术相比冷煤气效率提高2～3个百分点，比氧耗减小，因而与之配套的空分装置投资较少。
(6)两段式气化炉后续工艺可配套激冷流程或废锅流程，满足不同工艺条件的要求。
2 两段式干煤粉加压气化技术的研发历程
2.1 模拟研究
在两段式气化炉的概念提出后，西安热工研究院建立了基于ASPEN PLUS(化工过程设计平台)的气化过程的模拟方法，并对其性能进行了模拟研究。数学模拟研究结果显示：采用两段式干煤粉气流床气化工艺，可显著降低炉膛出口煤气的温度，因而能够省略煤气激冷过程，减小进入煤气冷却器的煤气流量。另外，根据不同的一、二段给煤比，两段式干煤粉气流床气化工艺可降低气化过程中的氧气耗量并能较大幅度地提高气化炉的冷煤气效率，与Shell气化工艺相比可提高2%～3%。
2.2气化小型试验研究
自1994年开始，西安热工研究院就开始进行干煤粉气流床气化技术的研究。在国家电力公司和科技部的资助下，西安热工研究院于1997年建成了中国国内第一套干煤粉加压气化特性试验装置并进行了试验研究。该装置的气化能力为0.7～1.0t/d煤粉，压力为3.0MPa。利用该装置完成了14种中国典型动力煤种的干煤粉加压气化试验研究。研究的目标是积累中国主要动力煤在干粉气化状态下的气化数据库，形成一套干煤粉加压气化评价方法，对不同煤种在干煤粉加压气化条件下的气化反应特性进行了评价，研究了煤粉气化的着火和熔渣特性、煤种与煤气成分的关系以及操作条件与气化特性的规律等等。小型气化试验研究的成果为更大型的气化装置的设计和运行提供了依据。试验设备见图4。
图片
2.3干煤粉加压气化技术的中试试验研究
西安热工研究院在进行干煤粉加压气化小试的基础上，提出了两段式干煤粉加压气化工艺，并在中国科技部“十五”863计划的支持下，以西安热工研究院为牵头单位，联合国内其他六家研究院所和生产单位，于2004年在陕西渭河化肥厂建成日处理36～40t煤的两段式干煤粉加压气化中试装置，其流程图见图5。2005年完成试验研究。中试装置见图6。2006年5月16日通过中国科技部的验收。
图片
西安热工研究院在该装置上完成了若干种煤的气化试验研究，取得了充分的煤气化过程数据。试验煤种的灰分试验范围为5%～30%，挥发分试验范围为8%～40%，灰熔点试验范围为1100～1600℃，覆盖了从褐煤、烟煤、贫煤到无烟煤的各种煤种。不同煤种的气化煤气成分见表1。
图片
中试装置气化试验达到的气化指标如下：碳转化率98.9%，比氧耗298.6Nm3/1000Nm3(CO+H2)，比煤耗518 kg/1000 Nm3(CO+H2)，冷煤气效率83.2%，有效气成分(CO+H2)91.7%。与主要进口煤气化工业装置的合成气成分指标的对比显示：两段式气化炉的煤气成分明显好于水煤浆进料的TEXACO气化炉，与干法进料的SHELL气化炉相当，在部分成分上甚至高于SHELL气化炉。表2给出了与主要进口煤气化炉合成气成分指标的对比。
图片
36t/d(10 MWth)的中试装置气化试验表明，两段式干煤粉气化工艺具有良好的煤种适应性，气化指标先进，中试装置经过了168h的连续运行考核试验，已累计运行了2300h。
3 两段式干煤粉加压气化技术的工程化应用
3.1 千吨级干煤粉加压气化炉的应用实践
3.1.1 在发电领域
针对电力行业的用户，西安热工研究开发出2000t/d级两段式干煤粉加压气化废锅流程工艺。国家科技部在继“十五”之后继续在“十一五”863计划中对西安热工研究院开发成功的“两段式干煤粉加压气化技术”继续给予重点支持，在华能的“绿色煤电”第一阶段示范工程中实现2000t/d级具有自主知识产权的干煤粉加压气化技术的工程化。以该工艺技术为核心的“绿色煤电”第一阶段煤气化发电示范工程(250 MW)将于2009年建成投运。目前，西安热工研究院已经为华能集团“绿色煤电”项目的第一阶段——煤气化发电示范工程开发出2000t/d级的干煤粉加压气流床气化炉，并且完成了《2000t/d级两段式干煤粉加压气化岛工艺设计包(PDP)》，主要包括：设计范围、设计依据、设计基础(反应原理、设计规模、煤种、气化预测、气化炉主要条件、气化指标)、工艺流程图、工艺流程说明、物料能量和质量平衡数据表、主要设备清单、主要设备规范和参数等，现己进入详细工程设计阶段。
3.1.2 在化工领域
针对化工行业的用户，西安热工研究开发出1000t/d级两段式干煤粉加压气化激冷流程工艺，内蒙世林公司的300kt煤制甲醇项目(气化炉处理煤量约为1000t/d).采用了该工艺技术。西安热工研究院已经与内蒙古鄂尔多斯市世林化工有限公司签定技术转让合同，目前已进入工程设计阶段，该项目预计将于2009年建成投产。
另外，山西华鹿煤炭化工有限公司200kt甲醇/a项目也准备采用两段式干煤粉加压气化激冷流程工艺，已经进行了煤气化技术方案的评审。
4 结语
在多年来对气流床煤气化技术研究的基础上，西安热工研究院开发成功了具有自主知识产权的两段式干煤粉加压气流床气化炉，并完成了多煤种的试验研究。试验结果表明：采用两段式气化炉可降低煤气的出口温度，且冷煤气效率可提高2%～3%；约比一段炉降低10%左右的氧耗；废锅的体积和价格可降低1/2；省去循环冷煤气压缩机，并节省的压缩功耗，同时对于废锅流程工艺，干法除尘器的体积和造价可降低约1/2。
在充分借鉴国内外干煤粉加压气化成功的工程实践经验的基础上，理论研究和实践依据都证明：将具有自主知识产权的两段式干煤粉加压气化炉放大到1000～2000t/d级是可行的，条件是充分的。目前，西安热工研究院已经为华能集团“绿色煤电”项目和内蒙古鄂尔多斯市世林化工有限公司300kt甲醇项目开发出2000t/d级和1000t/d级的两段式干煤粉加压气化系统，而且山西华鹿煤炭化工有限公司200kt甲醇/a项目也准备采用两段式干煤粉加压气化激冷流程工艺，标志着该气化技术已经进入工程化实践阶段。并且两段式干煤粉加压气化工艺在冷煤气效率、空分规模、煤气冷却器、除尘和洗涤装置的几何尺寸、以及气化岛的总造价和系统综合经济性等方面都比其他的气化技术有比较明显的优势，更加适合于在我国煤气化和煤电领域的大规模工业化应用。
