国内外常见干煤粉喷流床气化技术

1、国内外常见的干煤粉喷流床气化技术 管明，孙志翱(无锡华光锅炉股份有限公司) 摘要：介绍了国内外常用的几种干煤粉喷流床气化炉炉型及其特点，阐述了干煤粉喷流床气化工艺具有煤适应性广、碳转化率和气化效率高等优越性，从而为煤化工领域选择气化炉提供了参照。关键词：干煤粉喷流床气化炉；炉型；煤化工 我国目前已探明能源储量中煤炭占94.3%，石油和天然气仅占5.7%，缺油、少气、富煤是我国的基本国情。近年来，煤制合成氨、煤制甲醇、煤制油，二甲醚及其下游产品，煤制烯烃(MTO)以及煤气化联合循环发电(IGCC)等产业得到了快速发展。气化方式是煤化工产品的根源，因而，煤气化炉就成为煤化工产业

2、的龙头。我国煤气化技术还处于较低水平，近80%煤化工企业仍沿用落后的常压间歇式水煤气气化炉，这种炉型效率低下，越来越难以满足生产的需要。喷流床煤气化具有煤种适应性广，操作压力和温度高，碳转化率高，生产强度和规模大等特点，是当今先进的煤气化技术。按照原料煤的不同形态划分为干煤粉气化和水煤浆气化，其中干煤粉气化与水煤浆气化相比，又具有原料消耗低，碳转化率高，热效率高，煤种适应性强等优势，近年来倍受用户青睐。1 干煤粉喷流床气化炉的特点干煤粉喷流床气化炉中煤粉的直径小于0.1mm，粉煤由气化剂夹带入炉并进行燃烧和气化，受反应区空间的限制，气化反应必须在数秒内完成，因此，必须严格控制入炉煤的粒度，以保

3、证足够的反应面积。煤和气化剂的相对速度很低，为增加反应推动力，必须提高反应温度即反应速度。干煤粉喷流床气化炉火焰中心温度在2000左右，因而液态排渣是其必然结果。上世纪70年代后期以来，荷兰、前东德和前西德相继开发了干粉加压气化炉，其炉型分别为Shell炉、GSP炉和Prenflo炉。这些气化方法的基本原理相同，只在加煤方式、炉结构、排渣等方面略有差异。干煤粉喷流床气化装置在我国也得到较快发展，国内许多高校和科研院所在消化吸收国外技术的同时，不断开发出适合我国国情的具有自主知识产权的产品。2 Shell气化炉Shell公司开发煤气化技术，主要经历了以下三个阶段：1976年试验煤炭30余种；19

4、78年与德国Krupp-Koppers合作，在Harburg建设日处理150t煤装置；两家分手后，1978年在美国Houston的Deer Park建设日处理250t高硫烟煤或日处理400t高灰分、高水分褐煤。经过16年的发展研究，1988年Shell技术运用于荷兰Buggenum IGCC电站，单炉日处理煤2000t。该装置的设计工作为1.6年，1990年10月开工建造，1993年开车，1994年1月进入为时3年的验证期，目前已处于商业运行阶段。2001年6月，湖北双环科技股份有限公司与壳牌公司签订了国内第1套煤气化技术转让协议，并于2006年5月顺利投产。目前，该气化炉连续运行时间已达到1

5、24天，实行“油改煤”后，每天为企业节约生产成本109万元。到目前为止，我国共有19个项目与壳牌签订了技术转让协议，共计23台Shell气化炉。Shell煤气化工艺中，原煤的干燥和磨煤系统与常规电站基本相同，但送料系统是高压的N2浓相输送，整个系统必须采取防爆措施。煤经预破碎后进入干燥系统，使煤中水分小于2%，然后进入磨煤机制成煤粉，煤粉用N2送入煤粉仓中，再进入两级加压锁斗系统，用高压N2，以较高的固气比将煤粉送至4个气化炉喷嘴，煤粉在喷嘴里与95%纯度的氧气混合并与蒸汽一起进入气化炉反应；气化炉温度为14001600，灰分熔化并滴到气化炉底部，经淬冷后，变成一种玻璃态渣排出；粗煤气则随气流

6、上升到气化炉出口，经过一个过渡段，用除尘后的低温粗煤气(200左右)使高温热煤气急冷到900，然后进入废热锅炉。Shell炉壳体内布置垂直管膜式水冷壁，产生4.0MPa的中压蒸汽，向火侧有一层很薄的耐火涂层，当熔融态渣在上面流动时，起到保护水冷壁的作用。粗热煤气在废热锅炉中被进一步冷却到250左右，低温冷却段产生4.0MPa的中压蒸汽，这部分蒸汽与气化炉产生的中压蒸汽混合后，再与汽轮机高压缸排汽一起再热成中压再热蒸汽，高温冷却段可产生13MPa的高压蒸汽，它与余热锅炉里的高压蒸汽一起过热成主蒸汽。Shell煤气化技术主要有以下优点：采用干煤粉进料，氧耗比水煤浆低15%；碳转化率高，可达99%，

7、煤耗比水煤浆低8%；调节负荷方便，关闭一对喷嘴，负荷则降低50%；炉衬为水冷壁，据称其寿命为20年，喷嘴寿命为1年。主要缺点：设备投资大，气化炉及废锅炉结构复杂，加工难度大。3 其它国外的干煤粉喷流床气化炉3.1 GSP气化炉GSP煤气化技术的干粉进料方式和Shell炉不同，它是从气化炉上部进料，采用纯氧喷流床气化，粗合成气激冷工艺流程。经压缩的干煤粉由载气（N2或CO2）送到气化炉，加压干煤粉，氧气及少量蒸汽通过联合喷嘴进入气化炉中。气化炉包括一个带水冷壁的气化室和激冷室，气化炉的操作压力2.54.0MPa，气化温度13501600。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，热合

8、成气被喷射的激冷水冷却。液态渣在激冷室底部的水浴中成为颗粒状，定期从渣锁斗中排入渣池，并通过链条输送机装车运出。从激冷室出来的粗合成气经两级文氏管洗涤后，含饱和蒸汽的粗合成气含尘量小于1mg/Nm3。GSP煤气化技术对煤种的适应性强，气化效率高，设备制造和安装周期短，运行成本低，在合成氨、甲醇、IGCC、制氢等领域有很大的发展前景。江苏灵谷化工有限公司就采用了GSP煤气化炉。但是，目前GSP气化炉生产规模不大，煤日处理量相对较小。3.2 Prenflo气化炉Prenflo气化炉基本上与Shell炉相仿，但用纯度为85%的氧气作为气化剂。另外，与Shell气化炉不同之处：被急冷的煤气上升进入第一

9、级煤气冷却器时，煤气先从冷却器的中心圆筒上升至气化炉顶部，然后折转向下，进入中心圆筒与炉壁间的环形对流冷却区域，再从第一级冷却器的底部(即气化炉的腰部)离开进入第二级对流冷却器，第1级冷却器的环形冷却区布置有4层螺旋管换热器，热煤气在管外流动，水在管内流动，并产生高压饱和蒸汽。第二级冷却器的结构与Shell气化工艺的对流冷却器相似。西班牙的Puertollano IGCC电站即采用了Prenflo气化炉。4 干煤粉喷流床气化装置在我国的发展据了解，引进Shell煤气化技术的专利实施许可费，以及专有设备和现场技术服务耗资巨大，引进带废锅流程的Shell气化技术也存在很多弊端，因此，我们在消化吸收

10、国外技术的同时，结合我国的国情，不断开发出具有自主知识产权的产品。目前，国内一些高校和科研院所对干煤粉喷流床气化技术也进行了深入的研究，现已具有多项自主知识产权的煤气化装置和技术。4.1 两段式干煤粉加压气化技术两段式干煤粉加压气化技术是由西安热工院开发，两段式干煤粉加压气化炉与Shell炉不同，是对四喷嘴对称一段式气化炉的改进，即增加了二段进料，同样采用水冷壁结构。该气化炉内部分成两个反应区，气化炉下段为第一反应区，温度为14001700，在此煤粉、氧气和蒸汽进行高温化学反应，产生湿煤气；第二反应区内布置了两只喷嘴，分别喷入少量煤粉和蒸汽，利用来自第一反应区的高温煤气显热进行热解、气化，产生

11、额外蒸汽，气化炉二段温度为10001200。从第二反应区出来的飞灰经捕集后返回一段煤储斗返烧。气化炉上段的作用主要有：一是，代替循环合成气，使高温煤气降温，以达到凝渣的目的；二是，利用下段煤气显热进行热解和气化，从而提高总的冷煤气效率和热效率。其废热锅炉型气化装置适用于联合循环发电，投煤量2000t/d的废热锅炉型两段式干煤粉加压气化炉示范装置，将用于华能集团“绿色煤电”项目；另一套投煤量1000t/d级的激冷式两段式干煤粉加压气化炉示范装置，将用于内蒙古世林化工有限公司年产300Kt的甲醇项目。4.2 新型(多喷嘴对置式)气流床干煤粉加压气化技术山东省水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心，在国

12、家科技部支持和企业配套资金投入下，经联合攻关，具有自主知识产权的新型(多喷嘴对置式)气流床干煤粉加压气化技术中试装置运行成功。该中试装置建于兖矿鲁南化肥厂，煤日处理量1545吨，操作压力2.02.5MPa，操作温度13001400。其结构和华东理工大学开发的新型(多喷嘴对置式)气流床水煤浆加压气化炉相类似，位于气化炉上部的四个喷嘴呈水平对置式设置，两喷嘴间夹角为90°，物料进炉后形成撞击流，这种撞击流在强化热质传递方面有显著优势。气化炉为底部排气排渣的竖直圆筒式结构，内衬耐火砖。该煤气化技术流程为：原煤除杂后送入磨煤机破碎，同时由经过加热的低压氮气将其干燥，制备出合格煤粉存于料仓中，

13、加热用低压氮气大部分可循环使用。料仓中的煤粉先后在低压氮气和高压氮气的输送下，通过气化喷嘴进入气化炉。气化剂(氧气、蒸汽)也通过气化喷嘴进入气化炉，并在高温、高压下与煤粉进行气化反应。出气化炉的高温合成气经激冷、洗涤后送入合成气管线。熔融灰渣在气化炉激冷室中被激冷固化，经锁斗收集，定期排放。洗涤塔出来的黑水经过二级闪蒸，蒸汽及一部分溶解在黑水中的酸性气被迅速闪蒸出来，与生产系统的酸性气一并处理，而闪蒸黑水经换热器冷却后排入地沟，送往污水处理系统。4.3 非熔渣熔渣分级高压纯氧干煤粉气化技术清华大学正在进行非熔渣熔渣分级高压纯氧干煤粉气化技术的相关研究，并在研制干粉泵设备。此炉型在结构上和GSP

14、气化炉有些相似，同样从气化炉上部进料，主要区别在于清华大学的煤气化技术采用了分级给氧。气化炉氧气往往是一次加入，无法在反应过程中人为控制，非熔渣熔渣分级高压纯氧干煤粉气化技术在炉体回流区下缘部分设置有二级氧气喷嘴，能够调节炉内氧气分布，建立炉内不同温度区，优化反应条件，这样，不仅能延长给料烧嘴的寿命，也能提高气化炉容积利用率。目前，该气化技术还处于试验研究阶段，要推广应用还有一段距离。5 结论由于各种煤气化工艺复杂多样，目前世界上还没有万能的气化炉，各种煤气化工艺技术都有其优缺点，具有一定的适应范围。干煤粉喷流床气化技术具有氧耗比、煤耗比低，转化率较高，调节负荷方便等优点，正倍受人们关注，特别

15、是Shell气化炉在实际生产中已得到较为广泛的应用。干煤粉喷流床气化技术中同样也有多种炉型，在煤气化工艺选型时，要结合实际情况，选择适合自己的煤气化技术。目前，许多国家都在加大煤气化技术的研发力度。我国也要结合中国的国情和煤炭的不同特性，在顺应国际上煤炭气化技术发展趋势的基础上，形成更多具有自主知识产权的煤气化工艺，为新型煤化工和能源转化提供满足不同需要的龙头技术。 （责任编辑：钱大伟）两段式干煤粉加压气化炉文章来源 : 华能集团 西安热工研究院有限公司在国家863计划的支持下，历经10余年的研究，开发出两段式干煤粉加压气化炉。该气化炉采用水冷壁式炉膛、液态排渣。运行时，向下炉膛内喷

16、入粉煤、水蒸气和氧气，向上炉膛喷入少量粉煤和水蒸气。利用下炉膛的煤气显热进行上炉膛煤的热解和气化反应，以提高总的冷煤气效率；同时显著降低热煤气温度，使得炉膛出口的煤气降温至灰熔点以下，从而省去冷煤气激冷流程。两段式干煤粉加压气化炉结构见图1。该气化炉已经获得国家发明专利。 图1 两段式干煤粉加压气化炉结构示意已经建成的3640吨/天的两段式干煤粉加压气化半工业性装置（国家863重点项目“干煤粉加压气化技术”），通过了168小时连续运行考核试验，累计运行达2200小时以上。达到了如下的技术指标： 1.碳转化率98% 2.比氧耗：300Nm3O2/1000Nm3（CO+H2） 3.比煤耗：520k

17、g/1000Nm3（CO+H2） 4.冷煤气效率83% 5.有效气成份（CO+H2）91% 可气化煤种的范围包括：褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤等； 可气化的煤种水分范围为：4%35%可气化的煤种灰分范围为：5%31%可气化的煤种灰熔点范围为：1200>1500典型煤种的气化合气成分 煤种 褐煤 烟煤 贫煤 无烟煤 CO（%） 61.962.3862.3669.93H2（%） 27.8429.3628.9821.78CH4（%） 0.050.260.140CO2（%） 3.592.764.294.52H2S+COS（%） 0.110.370.240.14N2（%） 6.514.873.993.

18、613640 t/d两段式干煤粉加压气化半工业性装置3640 t/d半工业性装置控制机房3640 t/d半工业性装置火炬 3640 t/d半工业性装置DCS控制系统 两段式气化炉技术特色与优势： 1气化温度范围13001700，气化反应压力0.54.0 MPa，碳转化率达99%以上，有效气体成份（CO+H2）达90%以上。不产生焦油、酚等凝聚物，不污染环境，合成气质量好。 2煤种适应性好，可气化褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤以及高灰分、高灰熔点煤，运行稳定可靠。 3气化炉采用水冷壁结构，以渣抗渣，无耐火砖衬里，维护量少，无需备炉。水冷壁寿命长达20年，烧嘴寿命长达10年。 4与国外先进干法气化技术相

19、比，冷煤气效率提高23个百分点，比氧耗低1015；与水煤浆气化技术相比，冷煤气效率提高710个百分点，比氧耗降低2030； 5可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1/2； 6两段式干煤粉气化炉可配套适合于化工领域的激冷流程和适合于电力领域的废锅流程； 7气化系统全部国产化，比国外先进干法气化炉造价低40%左右。 工程应用情况： 1.2000吨/天级两段式干煤粉加压气化炉（废锅流程）已经应用于华能集团“绿色煤电”项目，将于2009年建成。 2.1000吨/天级两段式干煤粉加压气化炉（激冷流程）已经应用于内蒙古世林化工有限公司年产30万吨甲醇项

20、目，将于2009年投运。 西安热工研究院干煤粉加压气化技术1. 煤气化技术简介     西安热工研究院有限公司在国家863计划的支持下，历经10余年的研究，开发出两段式干煤粉加压气化技术。    气化炉采用水冷壁炉膛、液态排渣。运行时，向下炉膛内喷入粉煤、水蒸气和氧气，向上炉膛喷入少量粉煤和水蒸气。利用下炉膛的煤气显热进行上炉膛煤的热解和气化反应，以提高总的冷煤气效率；同时显著降低热煤气温度，使得炉膛出口的煤气降温至灰熔点以下，从而省去冷煤气激冷流程。两段式干煤粉加压气化炉结构下图。该气化炉已经获得国家发明专利。

21、两段式干煤粉加压气化炉结构示意 两段式干煤粉加压气化炉专利证书   2.技术特色与优势：· 气化温度范围13001700，气化反应压力0.54.0 MPa，碳转化率达99%以上，有效气体成份（CO+H2）达90%以上。不产生焦油、酚等凝聚物，不污染环境，合成气质量好； · 煤种适应性好，可气化褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤以及高灰分、高灰熔点煤，运行稳定可靠； · 气化炉采用水冷壁结构，以渣抗渣，无耐火砖衬里，维护量少，无需备炉。水冷壁寿命长达20年，烧嘴寿命长达10年； · 与国外先进干法气化技术相比，冷煤气效率提高23个百分点，比氧耗低

22、1015；与水煤浆气化技术相比，冷煤气效率提高710，比氧耗降低2030； · 可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1/2； · 两段式干煤粉气化炉可配套适合于化工领域的激冷流程和适合于电力领域的废锅流程； · 气化系统全部国产化，比国外先进干法气化炉造价低40%左右。   3.技术发展历程 · 上世纪九十年代，提出了两段式干煤粉加压气化技术的概念； · 1995年，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，并对两段式干煤粉加压气化性能进行了

23、模拟研究；  使用计算机模拟的两段式气化炉内温度场 · 1997年，建成了处理煤量为0.71.0t/d的干煤粉加压浓相输送和气化试验装置，并利用该装置完成了14种中国典型动力煤种的干煤粉加压气化试验研究。  0.71.0t/d的干煤粉浓相输送和气化试验装置 · 2004年，建成了处理煤量3640t/d（10MWth）的干煤粉加压气化中试装置。 3640t/h两段式干煤粉加压气化中试装置 · 2006年，开发成功10002000t/d级的干煤粉加压气化工业装置。    4.气化技术指标  

24、0; 已经建成的3640吨/天的两段式干煤粉加压半工业性装置（国家863重点项目“干煤粉加压气化技术”），通过了168小时连续运行考核试验，累计运行达2200小时以上，达到了如下的技术指标： · 碳转化率98% · 比氧耗：300Nm3O2/1000Nm3（CO+H2） · 比煤耗：520kg/1000Nm3（CO+H2） · 冷煤气效率83% · 有效气成份（CO+H2）91% 典型煤种的气化合气成分 煤种 褐煤 烟煤 贫煤 无烟煤 CO（%） 61.962.3862.3669.93H2（%） 27.8429.3628.9821.7

25、8CH4（%） 0.050.260.140CO2（%） 3.592.764.294.52H2S+COS（%） 0.110.370.240.14N2（%） 6.514.873.993.61与主要进口煤气化炉合成气成分指标的对比 煤气成分 国外湿法气化 国外干法气化 两段式气化炉 CO（%） 39.3563.562.38H2（%） 30.7826.5029.36CH4（%） 11.431.600.26CO2（%） 16.431.902.76H2S+COS（%） 0.040.020.37N2（%） 0.495.004.87可气化煤种的范围包括：褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤等； 可气化的煤种水分范围为：4

26、%35%可气化的煤种灰分范围为：5%31%可气化的煤种灰熔点范围为：1200>1500 3640 t/d半工业性装置控制机房 3640 t/d半工业性装置火炬 3640t/d半工业性装置DCS控制系统 冷煤气效率与合成气成份随二段给煤比的变化趋势   5.工程应用情况： · 2000吨/天级两段式干煤粉加压气化炉（废锅流程）已经应用于华能集团“绿色煤电”项目，将于2009年建成。 · 1000吨/天级两段式干煤粉加压气化炉（激冷流程）已经应用于内蒙古世林化工有限公司年产30万吨甲醇项目，将于2008年投运； 中国华能集团绿色煤电示范工程  

27、; 6.近年来国家重大科研项目的支持 · “八五”国家科技攻关计划课题“整体煤气化联合循环（IGCC）发电示范项目可行性研究”，19931996 · 国家电力公司重点科技项目“干煤粉加压气化评价装置和粉煤气化特性研究”，19962000 · “九五”国家重点科技攻关计划专题“煤气高温除尘工艺和设备的研究开发”，19972000 · 国家重大基础研究发展规划项目“煤热解、气化和高温净化”，19992004 · 国家国际合作重点项目“干煤粉加压气化技术研究开发”，中国科技部英国DTI合作项目，TPRI-Imperial College，2

28、0002002 · 国家“十五”863项目“干煤粉加压气化技术”（前期），20012002 · 国家“十五”863项目“带静电促进的移动颗粒层过滤高温除尘技术研究开发” ，20022004 · 国家“十五”863重点项目“干煤粉加压气化技术”（中试），20022005 · 陕西省科技计划项目“干煤粉加压气化中试研究技术”，20032005 · 973课题“高粘度煤灰熔渣流动、相变和传热规律研究”，20042009 · 国家“十五”863重点项目“干煤粉加压气化技术中试研究”（后续），20052006 · 国家“十一五”863

29、重大专项“1000t/d级干煤粉加压气化技术研究开发” ，20062009    7.联系方式     技术负责人：许世森     电话/传真：02982102309    Email：xushisen    技术联系人：徐越     电话/传真：02982102308    Email：xuyue    技术联系人：任永强     电话/传真：02982102521    Email：renyongqiang    地址：西安热工研究院有限公司    绿