气流床气化技术的现状及对比

气流床气化技术的现状及对比1 技术简介气流床煤气化就是煤浆或煤粉和气化剂（或氧化剂）以射流的形式喷入气流床气化炉内，在均匀高温下，快速转化为有效气体的过程，炉内的高温使煤中的灰熔解，作为熔渣排出。

现代气流床气化的共同点是加压（3.0～6.5MPa）、高温、细煤粒，但在煤处理、进料形态与方式、实现混合、炉壳内衬、排渣、余热回收等技术单元存在不同，从而形成了不同风格的技术流派。

气流床对煤种（烟煤、褐煤）、粒度、含硫、含灰都具有较大的兼容性，其清洁、高效代表着当今煤气化技术的发展潮流。

目前最具代表性的气流床气化技术有美国的Texaco 水煤浆加压气化技术和荷兰的Shell 干煤粉加压气化技术；另外，还有与上述气流床气化技术相似的Destec 水煤浆加压两段式气化技术及Prenflo 干煤粉气化技术。

1.1 Texaco 煤气化工艺Texaco 气化炉有两种结构，一种是直接激冷式气化炉，一种为装有煤气冷却器的气化炉。

美国Texaco 公司开发的水煤浆气化工艺是将煤加水磨成浓度为60 %～65 %的水煤浆，用纯氧作气化剂，水煤浆和纯度为95 %的氧气从安装在炉顶的燃烧喷嘴喷入气化室，在高温、高压下进行气化反应，气化压力在3.0～8.5 MPa ，气化温度1 400 ℃左右，液态排渣，煤气中CO +H2 占80 %左右，不含焦油、酚等有机物质，对环境无污染，碳转化率为96 %～99 % ，气化强度大，炉子结构简单，能耗低，运转率高，而且煤种适应范围较宽，是目前较为先进的煤气化技术之一。

烧嘴是Texaco 气化工艺的关键部件，其寿命和运行状况直接决定着装置能否长周期经济运行。

烧嘴多为三通道结构，中间走煤浆，外层和内层走氧气，内层氧气通过量占总氧量的8 %～20 %。

气化炉内镶嵌耐火砖，使用寿命一般在6～18 个月，煤中灰分、烧嘴运行质量、炉内温度、开停车频度等都对耐火砖有较大的影响。

Texaco 水煤浆气化炉与1952 年开发成功的渣油气化炉相似。

在1975 年、1978 年的低压与高压中试装置（激冷流程）以及1978 年原西德Oberhausen 的RCH/ RAG 示范装置（日处理煤150 t ，410 MPa）基础上，于1982 年建成TVA装置（日处理煤180 t ，2 台炉，一开一备，6.5MPa），1984 年建成日本UBE 装置（日处理煤1 500 t ，4 台炉，三开一备，316 MPa）以及Cool Water IGCC （联合循环发电）电站（日处理煤910 t ，2 台炉，4.0 MPa），这些装置投运后都取得了成功。

目前Texaco 最大商业装置在Tampa 电站，属于DOE 的CCT23 ，1996 年7 月投运，12 月宣布进入验证运行。

该装置为单炉，日处理煤2 000 t ，气化压力2.8 MPa ，氧纯度95 % ，煤浆浓度68 % ，冷煤气效率76 % ，净功率250MW。

辐射锅炉直径5.18 m ，高30.5 m ，重900 t 。

水煤浆气化技术成熟，煤浆制备、计量、输送、控制简单，运行安全可靠，操作压力高（可达6.5 MPa），投资省，在世界范围内的商业化市场占有量大。

美国能源部提出近期将对现有技术进行完善与提高，以进一步降低成本、降低风险、提高效率。

1.2 Shell 煤气化工艺Shell 煤气化装置的核心设备是气化炉和废热锅炉。

煤粉、氧气和蒸汽是在加压条件下并流进入气化炉内，在极短暂的时间内完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化学过程。

气化炉设有侧壁烧嘴，根据气化炉能力中心对称分布4～8 个；炉上部为燃烧室，下部为激冷室，煤粉和氧气在燃烧室内反应，温度为1 600 ℃左右；为了确保气化炉长周期运行，内筒采取水冷壁结构。

废热锅炉用于回收高温煤气的显热，需要承受高温、高压以及煤粉的冲刷，操作条件较为恶劣。

壳牌公司的气化历史可回溯到20 世纪50 年代（首先开发了壳牌油气化技术SGP），1972 年开始煤气化技术的研究，1976 年在阿姆斯特丹建成一座6 t/ d 中试厂，试验了30 多种不同的煤种。

1978 年，壳牌公司在德国汉堡附近的哈尔堡炼油厂建成了一座处理煤量为150 t/ d 的示范厂，至1983 年，累计运行了6 100 h ，最长连续运行1 000 h 。

在汉堡试验的基础上，1987 年壳牌公司在美国休斯顿的Deer Park 石化中心建了一座示范工厂，规模为日气化250 t 高硫煤或400 t 高湿、高灰分褐煤。

该装置累计运行了15 000 h ，并验证了SCGP 气化多种类型煤的能力。

1989 年，荷兰国家电力局下属的Demkolec公司在荷兰南部的Buggenum 兴建了一座IGCC电厂，采用SCGP 煤气化技术，装置单炉设计能力为日处理2 000 t 煤，气化压力2.8 MPa ，1993 年试车，截止到2001 年，气化装置运转率为95 %以上，碳转化率达99 %。

1.3 Global E-Gas 煤气化工艺Global E2Gas（原称Dow Destec ，2000 年更名）工艺采用水煤浆加料，具有水煤浆进料的共同优缺点。

用于Plaquemine （L GTI）和Wabash工厂的Global E2Gas 气化炉像一个倒立的T 字，与Texaco 气化相比其显著特色是两段气化，下部（一段）为卧式炉，上部（二段）为立式炉。

水煤浆预热后与氧气由二段喷入炉内，炉内温度为1 400 ℃左右，压力为3.0 MPa ，灰渣呈熔融流动态，通过气化炉底部进入水中淬火，形成玻璃态矿渣，由压力螺旋式连续排渣系统排除。

该工艺通过两段气化，使合成气热值增加，有利于提高IGCC 电站的总效率，并且合成气温度降低，避免使用庞大、昂贵的辐射热交换器，降低了气化炉的造价。

两段气化的结果是降低了煤耗和氧耗。

从总体性能角度考虑，E-Gas 气化炉应该是IGCC 电站中值得优先考虑的炉型，但该气化炉的炉型结构难于承受高压，随着IGCC 工厂二氧化碳排放标准的日趋严格，这种炉型的应用受到限制。

今后的发展思路是两段气化应该和直筒炉型整合。

E-Gas 工艺最初由Dow 化学公司于20 世纪70 年代开发，1987 年Dow 普莱克明（路易斯安那）化学联合企业的商业化装置投入运营。

1989年，Dow 将气化和电力部分从公司剥离，另成立一公司，80 %股份为Dow 所有，称为Destec公司。

同年，该技术被印第安纳州的沃巴什河的IGCC 电厂增容项目选用。

美国Port Arthur GCCProject 计划采用E-Gas 气化技术气化石油焦，计划2005 年建成3 台气化炉，生产的煤气用于发电（1 100 MW）。

1.4 Prenflo 气流工艺Prenflo （Pressurized Ent rained Flow Gasification）气化工艺由克鲁勃·伍德开发，是一种加压、干式给料气流床工艺。

由于Krupp-Koppers曾与Shell 合作，所以两种工艺的气化炉极为相似，也采用干法进料系统。

该工艺对制粉系统的要求是：对烟煤，煤粉细度R100为25 % ，含水量小于2 %；对于褐煤，煤粉细度R100为25 % ，含水量小于6 %。

Prenflo 煤气化炉有4 个燃烧器，对称布置，从给料系统送来的煤粉与氧气（纯度85 %）和水蒸气一起喷入气化炉反应区进行反应，反应区的温度1 500 ℃左右，焰心的温度高达2 000 ℃。

煤气中碳氢化合物、焦油和酚含量不高。

反应区炉衬通过水冷壁来冷却，同时产生高压饱和蒸汽。

粗煤气在下部反应区形成后向上流动，在进入气化炉上部的煤气冷却器之前，采用除尘后的冷煤气对热煤气进行激冷，以迫使热煤气带有的熔融态灰渣凝固而落入气化炉底部排渣口。

被激冷的煤气继续上升进入第1 级煤气冷却器，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，经中心圆筒与炉壁间的环形对流冷却区，从第1 级冷却器的底部（即气化炉的腰部）离开进入第2 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，这是Prenflo 气化炉与Shell 气化炉的不同之处。

1986 ～1992 年，Krupp-Koppers 在德国Furstenhousen 建成日处理48 t 煤的加压气化装置（亦即Prenflo 示范厂）并取得成功。

该工艺气化炉煤粉（粒径为100μm）是靠氮气由风力输送到气化炉的，气化炉结构独特，气化炉体与合成气冷却器结合在一起，粉煤、氧气和蒸汽一起经装在气化炉下部的燃烧器给入，合成气在1 600 ℃的温度下产生。

合成气在气化炉出口被再循环的洁净合成气淬冷至800 ℃左右，然后向上流至中心分配器管，并经蒸发器段向下流动，在380 ℃左右离开气化炉。

气化过程形成的熔渣在水槽内淬冷，并通过闸斗仓排出。

2 气流床气化技术的对比国内外几种气流床技术对比见表1 。

本文重点以Texaco 的水煤浆加压气化和Shell 干粉煤加压气化（SCGP）为代表进行对比分析。

表1 气流床气化技术对比注: 国内最新技术指国家“十五”科技攻关课题———“粉煤加压气化制备合成气新技术”。

2.1 原料的适应性对SCGP ，煤种已不是制约因素，可以使用褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤等，也可以用混煤气化。

该工艺已成功气化了高灰分、高水分和高硫分的劣质煤。

该工艺对煤种有较强的适应性，但要求90 %以上的粉煤粒度在100 μm 以下。

SCGP 用加热的惰性气干燥粉煤，煤的水分含量控制在2 %以下，以满足气相进料的要求。

Texaco 气化炉也能使用很多煤种，如：烟煤、次烟煤、煤液化残渣等。

为制得高浓度、高质量的煤浆，应选择含水低、固定碳含量高、发热量高的原料煤；为了控制合适的气化温度，延长耐火砖的寿命，应选择灰熔点低的煤。

煤浆的制备采用湿磨工艺，煤浆中一般通过40 目筛的占90 %～95 % ，通过325 目筛的占25 %～35 %。

煤浆中加入表面活性剂可提高煤浆浓度，使煤浆浓度达到60 %～67 %的应用要求。

2.2 加料方式SCGP 粉煤用氮气输送至贮仓，经煤锁斗入加压粉煤仓，再由高压氮气送至气化炉喷嘴。

该工艺操作和保护要求严格，进料系统的防爆和防泄漏问题十分关键。

该工艺装置占地和造价高，粉尘排放量较大。

Texaco 工艺制备的煤浆通过中间槽、低压煤浆泵、煤浆筛入煤浆槽，再由高压煤浆泵送至气化炉烧嘴。

输送过程较安全，但对高压煤浆泵的要求较高。

2.3 喷嘴SCGP 通常使用多个喷嘴，采用成双对称布置。

装置负荷调整可通过调整进喷嘴的粉煤流量，也可以通过调整喷嘴运行的个数。

其喷嘴使用寿命长，目前已超过8 000 h 。