干粉煤气化技术之废锅流程与激冷流程的比较和选择
日期：2010-8-30 21:23:08 点击：
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作者： 未知
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对于干粉煤气化产生的高温合成气的冷却方式一般有2种。一种是以Shell煤气化工艺为代表的废锅流程，即先采用循环煤气激冷，然后采用废热锅炉进一步对合成气进行冷却；另一种是以GSP煤气化技术为代表的激冷流程，即采用水激冷的方式对合成气进行直接冷却。
2009年，根据业主要求，中国五环工程有限公司在国内某干煤粉气化技术应用于60万t／a甲醇项目中，针对废锅流程和激冷流程的选择进行了综合比较。该比较以专利商提供的废锅流程和激冷流程的工艺包为基础，对2种不同流程的工艺方案、公用工程消耗、能耗、技术经济指标等进行了全面比较。
考虑到采用激冷流程的煤气化工艺尚无2000 t／d投煤量的业绩，为保证装置的运行率、可靠性和经济性，还进行了采用单套废锅流程、单套激冷流程以及2套激冷流程等3种煤气化配置方式的综合比较。以下简要介绍。
1原料煤规格
该项目拟采用内蒙古褐煤为原料，经过预干燥装置降低原料煤中部分水分后送至煤气化装置生产合成气。原料煤质数据见表1。
2废锅流程煤气化工艺方案
废锅流程煤气化装置制取粗合成气装置构成见表2，主要工艺流程如下述。
(1)煤粉制备。碎煤仓中的经预干燥的原料煤经称重给煤机送入中速磨煤机磨煤制粉。在中速磨煤系统同时完成制粉和干燥过程。出磨煤机粒度和水含量合格的煤粉吹入煤粉袋式收集器分离，收集的煤粉送入贮仓中贮存。分离后的尾气经循环风机加压后大部分循环至热风炉循环使用，部分排入大气。
(2)煤粉加压及给料。常压煤粉进入锁斗加压后自流进入煤粉给料仓中，由CO2气体密相输送导入气化炉烧嘴。锁斗是一个变压操作系统，实现煤粉由常压至加压的输送。
(3)气化及合成气冷却。煤气化烧嘴喷入的煤粉和氧气，在气化炉内反应区在压力4.0 MPa、温度1500 ℃条件下，瞬间完成煤的气化反应，生成 (CO＋H2)含量很高的粗煤气。为防止气化炉出口的高温煤气夹带的熔融飞灰黏结在后序设备，在气化炉上部激冷区喷入循环返回的低温煤气，以降低出炉煤气温度，使飞灰冷却为固态。煤气从气化炉顶排出，温度为900 ℃左右。出炉煤气进入合成气冷却器回收热量，煤气温度降至350 ℃左右进入后序设备。高温粗煤气携带的大量显热，在合成气冷却器内得到回收，产生的中压饱和蒸汽送管网。原料煤中的灰分，在高温下呈熔融态，沿水冷壁向下流动，在气化炉下部渣池水浴中，激冷、固化、脆裂成细小颗粒，经集渣罐定时排至脱水槽，再由捞渣机将其取出转运至渣场。
(4)粗煤气净化。离开合成气冷却器的粗煤气通常夹带入炉煤总灰量20％～30％的飞灰，经过干法除尘和文丘里洗涤器串洗涤塔2级湿法洗涤处理后，出口煤气中含灰量小于1 mg／m3。干法除尘采用高温陶瓷过滤器，过滤掉大部分飞灰。经过滤后，煤气中含灰量通常小于5 mg／m3。出干法除尘煤气中的残余灰尘，在文丘里洗涤器和洗涤塔中，被热水洗涤脱除，同时还洗涤除去煤气中所含微量卤化物、HCN和NH3等杂质，出洗涤塔的煤气送至变换系统。干法过滤得到的飞灰经过冷却、气提后送至飞灰储罐贮存、外售。
(5)灰水处理。从洗涤塔排出的含灰排放水，经过气提、澄清处理后，大部分循环利用，少量处理水被抽出送污水处理系统，以防止有害物质的累积。
3激冷流程煤气化工艺方案
(1)激冷流程在磨煤及干燥、粉煤加压给料、排渣3个工序的流程与废锅流程完全相同，没有除灰工序。两者之间主要的变化在合成气冷却以及粗煤气净化的方式上。
(2)在合成气冷却方式上，在气化炉上部激冷区采用喷入锅炉给水代替循环的激冷煤气，以降低出炉煤气温度，使飞灰冷却为固态。煤气从气化炉顶排出，温度为900 ℃左右。
(3)在粗煤气净化方式上，激冷流程仅采用湿法洗涤对煤气进行净化。气化炉出口煤气送至激冷罐，经过水激冷和除尘后，温度降至210 ℃左右，
进入洗涤工序。从激冷罐出来的含饱和水蒸气的合成气进入文丘里洗涤器。出文丘里洗涤器的合成气进入洗涤塔的下部。出洗涤塔的合成气水气比可根据需要进行控制，一般控制在1.0～1.4之间，含尘量小于1 mg／m3。
4不同流程的原材料和公用工程消耗比较
采用单套废锅流程、单套激冷流程、2套激冷流程煤气化装置的原材料及公用工程消耗比较见表3。
5不同流程对变换系统的影响
采用废锅流程时，出煤气化的合成气中水蒸气含量较低，为满足变换系统水汽比的要求，需要在变换工序加入较多的水蒸气。采用激冷流程时，由于合成气在激冷和湿洗过程中饱和了大量的水，在变换工序不需要或仅加入少量蒸汽即可。这样，不同的煤气化流程会带来变换流程和消耗的不同，进而影响公用工程消耗和投资的不同。废锅流程和激冷流程时变换系统公用工程消耗比较见表4。
6不同流程对锅炉的影响
采用废锅流程时，煤气化合成气冷却器可副产约178 t／h的中压蒸汽。采用激冷流程时，由于没有煤气热回收设备，仅能在气化炉部分副产约 58 t／h的中压蒸汽。考虑到激冷流程在变换系统比废锅流程少加入中压蒸汽43 t／h，采用废锅流程时整个煤气化以及变换系统可以减少锅炉产汽约 77 t／h。考虑到锅炉及热工配置，煤气化装置采用激冷流程时需要对热工系统进行扩容。
7不同流程的综合比较
单套废锅流程、单套激冷流程、2套激冷流程的 3种不同煤气化配置综合比较结果见表5。
8结论
(1)采用3种不同流程时，煤气化装置的原料煤消耗和氧气消耗大致相同，一次水消耗废锅流程低于激冷流程，用电消耗废锅流程略高于激冷流程，废锅流程的蒸汽产量则远高于激冷流程。
(2)废锅流程煤气化装置的单位有效合成气的能耗最低，按每年运行330天计算，废锅流程比单套激冷流程每年减少标准煤消耗9.46万t，节能效果十分明显。
(3)尽管单套废锅流程的煤气化装置工程投资高于单套激冷流程，但仍比采用2套激冷流程时低。煤气化装置采用单套废锅流程时生产的有效合成气的单位制造成本最低。
(4)综合考虑不同流程对变换的影响，煤气化装置单套废锅流程时生产的有效净化气的单位制造成本最低。若后续装置采用相同的流程，每生产 1 t甲醇，采用单套废锅流程比采用单套激冷流程降低制造成本约31.5元，比采用2套激冷流程降低制造成本约78.75元。
(5)采用废锅流程的技术难点在于煤粉的气力输送、气化炉以及配套设备的设计与制造、高温过滤器及配套设备的设计与使用，这些技术在国内均有成功运用的经验，整体而言不存在颠覆性的困难和问题。而采用激冷流程时，不论使用单套还是2套，均采用锅炉水直接喷入冷却的方式，该方式的安全性和可靠性还需要进一步的论证和研究。如果采用单套激冷流程，虽然投资可以稍稍降低，但目前尚无此规模的装置运行经验，激冷、洗涤系统以及水处理系统均存在放大风险和技术困难。
综上所述，结合国内外煤气化装置的设计、建设、运行经验，为稳妥可靠，推荐该项目采用废锅流程，并且建议与项目二期规划的120万t／a甲醇项目统一考虑，设置多台气化炉，形成相互备用，以保证项目完全建成后能够实现长周期稳定运行。
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考虑到采用激冷流程的煤气化工艺尚无2000 t／d投煤量的业绩，为保证装置的运行率、可靠性和经济性，还进行了采用单套废锅流程、单套激冷流程以及2套激冷流程等3种煤气化配置方式的综合比较。以下简要介绍。
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1原料煤规格
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该项目拟采用内蒙古褐煤为原料，经过预干燥装置降低原料煤中部分水分后送至煤气化装置生产合成气。原料煤质数据见表1。
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2废锅流程煤气化工艺方案
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废锅流程煤气化装置制取粗合成气装置构成见表2，主要工艺流程如下述。
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(1)煤粉制备。碎煤仓中的经预干燥的原料煤经称重给煤机送入中速磨煤机磨煤制粉。在中速磨煤系统同时完成制粉和干燥过程。出磨煤机粒度和水含量合格的煤粉吹入煤粉袋式收集器分离，收集的煤粉送入贮仓中贮存。分离后的尾气经循环风机加压后大部分循环至热风炉循环使用，部分排入大气。
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(2)煤粉加压及给料。常压煤粉进入锁斗加压后自流进入煤粉给料仓中，由CO2气体密相输送导入气化炉烧嘴。锁斗是一个变压操作系统，实现煤粉由常压至加压的输送。
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(3)气化及合成气冷却。煤气化烧嘴喷入的煤粉和氧气，在气化炉内反应区在压力4.0 MPa、温度1500 ℃条件下，瞬间完成煤的气化反应，生成 (CO＋H2)含量很高的粗煤气。为防止气化炉出口的高温煤气夹带的熔融飞灰黏结在后序设备，在气化炉上部激冷区喷入循环返回的低温煤气，以降低出炉煤气温度，使飞灰冷却为固态。煤气从气化炉顶排出，温度为900 ℃左右。出炉煤气进入合成气冷却器回收热量，煤气温度降至350 ℃左右进入后序设备。高温粗煤气携带的大量显热，在合成气冷却器内得到回收，产生的中压饱和蒸汽送管网。原料煤中的灰分，在高温下呈熔融态，沿水冷壁向下流动，在气化炉下部渣池水浴中，激冷、固化、脆裂成细小颗粒，经集渣罐定时排至脱水槽，再由捞渣机将其取出转运至渣场。
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(5)灰水处理。从洗涤塔排出的含灰排放水，经过气提、澄清处理后，大部分循环利用，少量处理水被抽出送污水处理系统，以防止有害物质的累积。
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3激冷流程煤气化工艺方案
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(1)激冷流程在磨煤及干燥、粉煤加压给料、排渣3个工序的流程与废锅流程完全相同，没有除灰工序。两者之间主要的变化在合成气冷却以及粗煤气净化的方式上。
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(2)在合成气冷却方式上，在气化炉上部激冷区采用喷入锅炉给水代替循环的激冷煤气，以降低出炉煤气温度，使飞灰冷却为固态。煤气从气化炉顶排出，温度为900 ℃左右。
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(3)在粗煤气净化方式上，激冷流程仅采用湿法洗涤对煤气进行净化。气化炉出口煤气送至激冷罐，经过水激冷和除尘后，温度降至210 ℃左右，
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进入洗涤工序。从激冷罐出来的含饱和水蒸气的合成气进入文丘里洗涤器。出文丘里洗涤器的合成气进入洗涤塔的下部。出洗涤塔的合成气水气比可根据需要进行控制，一般控制在1.0～1.4之间，含尘量小于1 mg／m3。
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4不同流程的原材料和公用工程消耗比较
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采用单套废锅流程、单套激冷流程、2套激冷流程煤气化装置的原材料及公用工程消耗比较见表3。
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5不同流程对变换系统的影响
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采用废锅流程时，出煤气化的合成气中水蒸气含量较低，为满足变换系统水汽比的要求，需要在变换工序加入较多的水蒸气。采用激冷流程时，由于合成气在激冷和湿洗过程中饱和了大量的水，在变换工序不需要或仅加入少量蒸汽即可。这样，不同的煤气化流程会带来变换流程和消耗的不同，进而影响公用工程消耗和投资的不同。废锅流程和激冷流程时变换系统公用工程消耗比较见表4。
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6不同流程对锅炉的影响
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采用废锅流程时，煤气化合成气冷却器可副产约178 t／h的中压蒸汽。采用激冷流程时，由于没有煤气热回收设备，仅能在气化炉部分副产约 58 t／h的中压蒸汽。考虑到激冷流程在变换系统比废锅流程少加入中压蒸汽43 t／h，采用废锅流程时整个煤气化以及变换系统可以减少锅炉产汽约 77 t／h。考虑到锅炉及热工配置，煤气化装置采用激冷流程时需要对热工系统进行扩容。
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7不同流程的综合比较
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单套废锅流程、单套激冷流程、2套激冷流程的 3种不同煤气化配置综合比较结果见表5。
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8结论
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(1)采用3种不同流程时，煤气化装置的原料煤消耗和氧气消耗大致相同，一次水消耗废锅流程低于激冷流程，用电消耗废锅流程略高于激冷流程，废锅流程的蒸汽产量则远高于激冷流程。
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(2)废锅流程煤气化装置的单位有效合成气的能耗最低，按每年运行330天计算，废锅流程比单套激冷流程每年减少标准煤消耗9.46万t，节能效果十分明显。
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(3)尽管单套废锅流程的煤气化装置工程投资高于单套激冷流程，但仍比采用2套激冷流程时低。煤气化装置采用单套废锅流程时生产的有效合成气的单位制造成本最低。
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(4)综合考虑不同流程对变换的影响，煤气化装置单套废锅流程时生产的有效净化气的单位制造成本最低。若后续装置采用相同的流程，每生产 1 t甲醇，采用单套废锅流程比采用单套激冷流程降低制造成本约31.5元，比采用2套激冷流程降低制造成本约78.75元。
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