现代煤化工企业气化工艺

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摘 要：随着中国对天然气的需求的增大,煤制天然气在国内已经掀起一场风暴,气化工艺的选型直接关系着整个工厂的水平,目前气化工艺种类较多,每种都有其自身的特点,根据不同煤种及客观条件,哪种是最适合企业的炉型,是目前一个较大的课题.煤制天然气属于大型煤化工项目,全厂由很多不同单元组成,各单元可供选择的技术较多,因此可能有很多种技术组合,但不管每个单元选用何种技术,总工艺路线基本是一定的,因此气化工艺关系着整个煤化工工程的水平.

关 键 词：煤化工天然气气化技术

基于我国“多煤少油缺气”的资源特征,近年来国家大力推进石油替代战略,与之密切相关的煤化工产业异军突起.各地煤化工项目蜂拥上马,动辄投入过百亿元,对于一个大型煤化工企业来说,由于其原始投资数额巨大、工艺技术复杂、且往往一套设备对应一套工艺、投资一旦形成不易改动,针对此种情况,在原始投资确定选定何种工艺,选择何种设备时就一定要慎重,评估其经济效益是否是最优非常重要.谁采用的技术适合于所选每种、谁的经济效益就好,谁就会在激烈的市场竞争中占有优势.

随着中国对天然气的需求的增大,煤制天然气在国内已经掀起一场风暴,气化工艺的选型直接关系着整个工厂的水平,目前气化工艺种类较多,每种都有其自身的特点,根据不同煤种及客观条件,哪种是最适合企业的炉型,是目前一个较大的课题.煤制天然气属于大型煤化工项目,全厂由很多不同单元组成,各单元可供选择的技术较多,因此可能有很多种技术组合,但不管每个单元选用何种技术,总工艺路线基本是一定的.

一、碎煤加压气化技术

碎煤加压气化技术工艺主要有Lurgi碎煤加压气化和BGL气化技术,二者比较如下：

(一)Lurgi碎煤加压气化技术

用于生产合成天然气,在装置投资方面,相对于水煤浆气化和干粉煤气化,Lurgi气化装置投资最低,空分装置投资较低,净化及甲烷化装置投资也稍低.但由于Lurgi气化工艺污水排放量大,相应的后处理投资和处理成本也都大幅增加,蒸汽消耗量大,锅炉投资也高.同时,Lurgi气化技术对煤的粒径要求较严,其粒径要求是5～50mm,对煤的冷、热强度要求高.由于本项目所使用的煤机械强度很差,特别容易风化.而大规模原料煤加工成型是一大难题.根据对国内成型加工技术的了解,目前国内对此煤成型加工有一定困难,该技术必须进口.煤成型增加的投资也较大.计入锅炉、污水处理和煤成型三项增加的投资.

从装置操作维护角度,由于Lurgi气化炉单炉产量较低,设备台数较多.操作维护复杂,运行人工费用大.Lurgi炉污水含有高浓度的挥发性酚、多元酚、氨氮等组份,无法直接进污水处理装置,需要先进行酚、氨回收.经回收后的排放污水中CODcr、BOD5、酚、氨氮、油等各类污染物质浓度仍很高,仅靠生化处理无法处理达标排放,还需要增加物化处理的手段.污水处理部分的流程长,投资、运行费用高.且迄今还没有什么有效办法达到完全处理.对于本项目,由于污水不得外排,属于零排放工厂.污水需要尽可能回用,采取减量化和零排放的技术措施.在这种情况下废水处理操作一旦不正常,回用水水质受到影响后,循环水系统也会受到影响,从而影响全厂装置的稳定运行.

(二)BGL气化技术

BGL气化技术克服了Lurgi气化的一些缺点,由固态排渣改为液态排渣方式,蒸汽分解率大大提高,废水处理量仅为碎煤加压气化炉的1/4～1/5.但同时也继承了其某些缺点,如：对原料的粒径要求、热稳定性要求等；粗煤气成分复杂,杂质含量多,煤气净化系统较为繁杂；污水处理方面,只是污水的浓度提高,杂质数量丝毫没有得到改善,同样无法回避环保问题.

二、水煤浆气化

水煤浆气化工艺,特别是GEGP、多元料浆气化工艺和多喷嘴对置气化工艺在合成气生产中得到了广泛的应用,无论是合成氨装置或甲醇装置都有装置在成功的运行,可靠性更高,在技术开发、工程设计、设备制造、工程建设、生产管理和运行操作等方面,积累了丰富的经验.设备的国产率高,国内的技术支持性更好.但所使用的褐煤原料煤的成浆性较差（含固量仅52%）,因此原料煤耗、氧耗都较高,需要的空分能力大,粗合成气中的有效气含量低,后系统处理的气体量也较大,装置总投资较大,运行成本也较高.

三、干煤粉加压气流床煤气化技术

干煤粉加压气流床煤气化工艺主要有壳牌、GSP、科林和Shell工艺技术,该技术煤种适应性强、技术指标优越、单炉能力大、洁净环保、技术成熟可靠.GSP和Shell都是干煤粉加压气流床煤气化工艺技术,二者比较如下：

GSP煤气化技术开发时,其目标定位在煤制合成气生产甲醇,所以采用简单特殊的水冷壁和冷激、洗涤除尘流程.由于Shell气化废锅和干法除尘流程用于吹扫的CO2或N2气量很大,除制氨外,其他合成气均不能用N2只能用CO2.Shell用于煤输送和吹扫的CO2气量要比GSP高1.5倍,CO2的压力高1倍.煤气进入废锅前必须将煤气温度由1500℃降至900℃,将煤气中熔融物固化,防止黏结在废锅换热管上.因此要增设一台离心式压缩机将除尘后温度为40℃的煤气返回气化炉出口的冷激管.同规模气化装置GSP电耗比Shell低60%.

（二）Shell煤气化技术开发目标定位在联合循环发电,因此采用废热锅炉回收煤气中的废热和干法陶瓷过滤器除尘,以获取最高的热效率,然而用于制合成气,煤气中大量的CO需在催化剂作用下与水蒸气转化为H2和CO2.GSP只是简单将煤气喷水冷激到220℃左右,这时煤气中饱含的水蒸气量完全满足CO变换所需的蒸汽.Shell煤气化技术花大量投资生产出的蒸汽大部分用于变换,这是非常不合理、不经济的.

（三）GSP技术电耗低由于Shell气化废锅和干法除尘流程用于吹扫的CO2或N2气量很大,除制氨外,其他合成气均不能用N2只能用CO2.Shell用于煤输送和吹扫的CO2气量要比GSP高1.5倍,CO2的压力高1倍.煤气进入废锅前必须将煤气温度由1500℃降至900℃,将煤气中熔融物固化,防止黏结在废锅换热管上.因此要增设一台离心式压缩机将除尘后温度为40℃的煤气返回气化炉出口的冷激管.同规模气化装置GSP电耗比Shell低60%.

(四)GSP水冷壁结构简单

GSP水冷壁属圆筒盘管型,水路简单,碳钢材质易制造.Shell水冷壁呈多段竖管排列,水路复杂,合金钢材质,制造难度大.废锅处在高温高压、高含固体颗粒冲刷、强腐蚀介质的工作环境中,废锅要定期吹扫和敲打除灰.若干组干式陶瓷过滤器要周期地交替进行反吹扫除灰,设备需进口.总之这不仅大大增加了投资,而且还增加了操作控制难度及设备维修量,降低了装置运行的可靠性.

(五)气化炉大型化带来的大件运输问题

GSP日投煤2000t的气化炉外径3.5m～4m,可以整体通过公路运输,而同样生产能力的Shell气化炉外径约为4.5m,需在现场加工及组装,大大增加制造成本和交货进度.

由以上比较可知,对于煤制天然气工艺来说,Lurgi炉出口合成气甲烷含量高,气化工艺具有较大的优势,但同时产生的废水难处理、粉煤难利用；而水煤浆气化具有环保效果好,气化效率高,可使用一定污水制浆的优势.水煤浆气化的优势一定程度上弥补了Lurgi气化工艺的不足.对于稳定性较好、价格低廉的褐煤作为Lurgi气化工艺的原料,选用褐煤提质改性或者褐煤配煤制浆进行水煤浆气化,采用Lurgi+水煤浆气化炉型或粉煤气化炉组合作为煤制天然气项目的气化工艺方案,可以实现很好的经济性效益.

综上所述,气化炉选型要综合考虑煤种适应性、能耗、投资、技术成熟度、工业应用情况、合成气产物处理难易程度、与上下游的配合等因素,进行详细比较块煤加压气化、水煤浆气化、干粉煤气化技术中,都有各自的优缺点,而相对于煤制天然气而言,面对劣质煤,选用适合的气化炉是重中之重.煤制天然气在国内属新兴产业,仍未步入成熟期,因此在今后的研究中要加大对煤质的研究与炉型的研究相结合,以达到因煤而择炉的资源型气化炉.