对GSP干法粉煤加压气化工艺技术的评述

对GSP干法粉煤加压气化工艺技术的评述
作者/来源：章荣林（中国天辰化学工程公司，天津 300400) 日期：2007-3-6
近来我国继Shell煤气化热以后，又掀起了一阵GSP煤气化热，主要是由甲醇热和煤化工热引起的，化工界都在致力于寻找一种十全十美的洁净煤气化新工艺技术，国外煤气化的专利商也都来中国寻求商机，来华推销各自的煤气化技术。

GSP干法粉煤加压气化工艺技术是1979年发展起来的，1979年前民主德国燃料研究所在弗来堡建立了一套热负荷为3MW的煤气化中试装置，气化炉内有耐火材料衬里。

1996年又建了一套热负荷为5MW的煤气化中试装置，气化炉采用水冷壁。

曾试烧过各种不同原料和煤种。

1984年在黑水泵市建立了一套热负荷为130MW的气化装置，气化炉内有水冷壁内件，每天投煤量为720t褐煤，产气量为50000 m3/h，是一套商业性示范装置，用以生产燃料气，气化操作压力为2.8MPa，操作温度为1400℃。

1984~1990年采用褐煤为原料气化，约有6年气化褐煤的经验。

1990~1992年气化天然气，1992~1994年气化煤油，后来又气化过城市垃圾、工业废物、焦油等物料，主要是气化焦油。

从1998年开始气化焦油，生产出来的煤气与固定层气化炉生产出来的煤气联网，用以生产甲醇和联合循环发电（IGCC）。

这套装置至今尚在正常运行。

2001年在英国建成了一套GSP气化装置，用以处理化工厂排出的含氯废水，液态供料，气化炉热负荷为30MW，气化压力为2.9MPa，气化温度为1400℃，激冷型。

2004年在捷克建成了一套GSP气化装置，进料为焦油，气化炉热负荷为140MW，气化操作压力为2.8MPa，操作温度为1400℃，用于联合循环发电。

GSP气化工艺技术有气化褐煤、焦油、天然气、煤油、城市垃圾等用以处理废料、生产燃料气、发电、生产甲醇的经验。

1 特点
⑴原料煤经备煤、破碎后，用燃煤粉的烟道气加热干燥磨粉，干燥至煤粉中含水分＜2%（褐煤为8%~10%），经球磨机磨成粒径＜0.2mm 占80%以上的粉煤。

如原料煤的灰熔点较高，可在磨粉时加入助溶剂混磨。

干燥后的粉煤可用氮气或二氧化碳气经煤锁斗、加料斗送至气化炉气化。

基本上与壳牌干法粉煤加压气化技术的煤粉制备系统相似。

⑵气化炉采用单喷嘴、顶喷，底部排渣。

喷嘴可采用组合式喷嘴。

GSP炉与Shell炉一样，正常时也要燃烧液化气或其他可燃气体，以便于点火、防止熄火和确保安全生产。

⑶气化压力可以在2.5~4.0 MPa之间，气化温度为1400~1600℃，比灰渣的流动温度高100~150℃。

为调节炉温，需向气化炉内输入蒸汽。

⑷气化炉内不衬耐火砖，炉内设有水冷壁，水冷壁的向火面是碳化硅耐火材料涂层，涂层厚度为20mm，其外是水冷盘管组成的水冷壁，盘管上有密集的抓钉，用以固定碳化硅涂层。

水冷盘管内有水强制循环冷却，水的压力为4 MPa（应高于气化操作压力），水温250℃左右。

循环水冷却系统中有一个废热锅炉，副产0.5MPa低压蒸汽。

⑸水冷壁外层与气化炉内径间隙为50mm，间隙内充以合成气。

气化炉外壳有水夹套，用冷却水循环冷却，故气化炉外壳温度低于60℃。

⑹气化炉上部用大法兰连接，便于安装和维修内件。

水冷壁内件仅在气化室的底部加以固定，内件顶部由气化室和喷嘴顶部的导轨来支撑。

⑺气化炉为激冷型，煤气出气化室后，在下部的激冷室内以喷水激冷，使煤气温度降至200℃左右，并饱和水，然后去两级文氏管洗涤除尘。

2 优点
⑴气化炉内不砌耐火砖，炉内设置水冷壁，使煤气化产生的溶渣在其表面冷却后结成一层薄薄的固体熔渣层，达到以渣抗渣的目的。

从其使用10年后的水冷壁外观和内侧表面来看，还比较完好。

⑵已有气化装置的单炉投煤量为720t/d褐煤，水冷壁气化炉的气化室尺寸为Φ内2000mm,炉膛高3500mm。

⑶可采用点火与生产联合的组合式喷嘴，开车时不需要更换喷嘴。

⑷喷嘴的结构为给煤管末端与喷嘴顶端相切，在喷嘴外能形成一个相当均匀的煤粉层，与气化介质混合后，在气化室内进行气化。

所以给煤管出口到喷嘴顶端之间，只产生很小的热应力。

⑸由于采用水冷壁，气化温度才有可能提高，碳转化率可达98%~99%。

⑹合成气有效气成分（CO+H2）高达90%以上。

⑺冷煤气效率为80%~83%，与Shell法相同。

煤气化总热效率与Texaco法相似。

⑻适应的煤种较宽。

可以气化褐煤、烟煤、次烟煤、无烟煤、石油焦以及焦油。

⑼相同能力的气化炉体积、直径、高度都比Shell气化炉要小。

⑽氧耗较低，比气化水煤浆的氧耗低15%~20%。

因此，配套的空分装置产氧量可以减少，空分装置的投资可以相应降低。

⑾气化炉水冷壁的盘管内有压力为4MPa、温度达250℃的水冷却，在盘管内不产生蒸汽，只在器外冷却水循环系统中副产0.5 MPa的低压蒸汽。

水冷壁寿命长，维修工作量小。

⑿气化室气化后的煤气及熔融渣直接进入激冷室，用喷水激冷，并使合成气饱和水，适用于煤化工后续工序的需要。

⒀据专利商介绍，气化炉水冷壁的降温效果为：在气化室内气体及液态熔融渣温度为1400℃左右。

经固渣层由1400℃左右降至500℃左右。

经碳化硅层由500℃左右到水冷壁表面降温至300~400℃。

水冷壁内循环冷却水温在250℃左右。

⒁气化炉外壳还设计有水夹套，用冷却水进行循环冷却，故外壳温度低于60℃。

⒂GSP法有效气(CO+H2)的消耗指标为：
比煤耗550～600 kg/km3
比氧耗330～360 m3/km3
比蒸汽耗120～150 kg/ km3
其消耗基本上与Shell法相似。

3 缺点和存在的问题
⑴世界上目前采用GSP气化工艺技术的有3家，但是现在都没有用来气化煤炭，在英国的那一套GSP气化装置，热负荷为30MW，是液态供料，用以处理化工厂排出的废水。

在捷克的那一套GSP气化装置，热负荷为140MW，是以焦油为原料气化，用于联合循环发电。

真正采用过以煤为原料气化的，只有在德国黑水泵煤气化厂的那一套装置，热负荷为130MW。

这套装置于1984年建成，气化炉内有水冷壁内件，1984~1986年气化褐煤和固定床气化炉副产的焦油，1986～1990年气化褐煤，达到满负荷生产，约有6年气化褐煤的经验。

1990～1992年气化天然气达到满负荷生产，1992~1994年气化过煤油，1994～1998年气化过污泥、焦油等。

1998年开始气化焦油等制甲醇和联合循环发电（IGCC）。

此外，还有二套中间试验装置。

即1979年建成热负荷为3MW的中间试验装置，气化炉为耐火砖衬里；1996年建成另一套热负荷为5MW的中间试验装置，采用水冷壁气化炉，那是用作煤种试烧的。

GSP干法粉煤加压气化装置，没有长期气化高灰分、高灰熔点煤的业绩。

只有6年气化褐煤的业绩。

至于气化其他煤种，只有短期试烧煤种的经验。

虽然采用水冷壁气化炉可以适当提高气化温度，但还是必须添加助熔剂才能实现气化高灰熔点的煤。

所以从使气化炉能长期稳产高产考虑，在煤种选择上，还是应该首选低灰分、低灰熔点的煤。

⑵烟道气制备、煤干燥、磨制粉煤、用氮气或二氧化碳气气动输送粉煤是一套复杂而又庞大的系统，投资和动力消耗与Shell法相当，远比水煤浆法的水煤浆制备系统大得多，绝非一般想像的那样简单。

⑶专利商介绍水冷壁寿命长，可以不需要备用炉。

喷嘴寿命长，可用1年以上。

但是，实际上还是需要检查和维修的。

尤其是喷嘴，一般每隔一个半月左右要停炉检查一次。

因此，作者认为应该设置二套50%～75%生产能力的气化炉系统比较可靠，才能长期稳产高产。

⑷因为水冷壁与气化炉外壳间隙小，为便于安装和检查维修水冷壁，GSP气化炉在设计上考虑在炉顶部用大法兰连接。

从工程设计上考虑，为便于吊装气化炉顶盖和水冷壁，在气化炉框架上必须设大能力的起重吊车，或在框架旁预留大型起重机的位置和检查维修水冷壁的位置。

⑸无论是用氮气或二氧化碳气气动输送粉煤，必须设高压氮气或二氧化碳气压缩机。

⑹与Shell法气化一样，为便于调节炉温，需向气化炉内送入4.5 MPa的过热蒸汽（压力根据气化压力而定）。

因此，需另设供应4.5 MPa过热蒸汽的系统。

以日处理1000t煤的气化装置为例，每小时需供蒸汽8.5~10.5t。

⑺与Shell法气化炉一样，因采用水冷壁，气化炉内热容量有限，而气化炉的热损失很大。

同时，气化炉是用氮气或二氧化碳气气动输送粉煤供料的。

为便于开工点火，防止熄火和保证安全生产，在开工点火和正常生产时要单独供一部分氧气和液化气或其他可燃气体，但这部分液化气或可燃气的需要量是多少，是一个比较大的问题。

有文献记载，如烧液化气，以一套日处理720t煤的气化装置为例，每小时要消耗777.7kg液化气，即每天约消耗19 t液化气，每吨液化气按5000元计，每天要烧掉9.5万元，一年就是2850万元。

如只在开工时烧液化气，在正常生产时烧自产的煤气，但供液化气的设施和投资仍是必需的（如本厂或当地有天然气或其他可燃气体供应的除外）。

如正常生产时烧自产的煤气，按热值折算，每小时要消耗自产煤气约3500 m3，每天约84000 m3，以煤价450元/t计，自产煤气成本价约0.45~0.5元/ m3（包括氧耗、电耗、折旧、维修费、增加压缩机、辅助设备及扣除副产等）每天要烧掉3.8~4.2万元，一年就是1140~1260万元。

这笔费用是很可观的。

这是一个不能忽视的问题。

专利商曾介绍正常生产时可以不烧液化气或其他可燃气体。

作者认为专利商应该详细介绍黑水泵气化厂6年气化褐煤的经验，第一个问题是建GSP装置时是否要考虑建两套燃料供应系统，即供液化气系统和自产煤气供应系统；第二个问题是从安全生产考虑，正常时是否一定要点燃液化气或其他可燃气体，供应量是多少，相应的单独供应氧气量是多少；第三个问题是要注意到粉煤供料是采用氮气或二氧化碳气气动输送供料，随着粉煤入炉也会带进大量惰性气体入炉的因素；第四个问题是要注意到水冷壁气化炉内热容量有限，且热损失大的因素。

⑻激冷后合成气的洗涤除尘系统，黑水和灰水处理系统，防止灰水系统结垢和灰水絮凝系统都是不可忽视的部分。

如流程不畅也会影响整个气化装置的长期稳定运行。

⑼与Shell气化炉一样，水冷壁气化炉的热损失比砌耐火砖的气化炉要大，煤耗和氧耗应该比理论上计算的要大。

同时专利商和工程公司在做几种气化方案的比较时，所提出的煤耗和氧耗，往往忽略了采用同一种煤作对比，带有片面性。

⑽已有的130MW气化炉气化室高径比约1.7∶1，比较小，应增加高度，至高径比（2.5～3）∶1，以增加合成气在炉内停留时间。

4 总结
⑴激冷型的GSP干法粉煤加压气化工艺技术适用于煤化工制合成氨、氢气、甲醇、合成气等，但制氢、制甲醇、制合成气必须采用以二氧化碳气作为粉煤气动输送介质。

⑵GSP气化炉带有水冷壁，适应于在较高温度下气化较高灰熔点的煤种，但仍应添加助熔剂进行气化，煤耗和氧耗将有所增加。

如当地只有高灰分、高灰熔点的煤，而且煤价低廉，可以采用高灰熔点的煤种。

如当地高灰分、高灰熔点的煤价格不低，并且当地又能采购到较低价的低含灰量、低灰熔点的煤种，应做技术经济分析比较，合理选用，不应局限于只选用高灰分、高灰熔点的煤种。

⑶水冷壁内件的安装和内件吊出炉外的检查维修，需要打开气化炉顶盖，从工程设计上考虑，必须在设备布置上留有顶盖和水冷壁内件落地检查维修的场地和起吊设施。

⑷气化炉顶盖及水冷壁内件吊装检查、燃料气供应系统、洗涤除尘系统、黑水与灰水处理系统、防止灰水系统结垢和灰水絮凝系统都是不可忽视的问题，在工程基础设计和详细设计中应给以足够的重视。

⑸GSP气化炉的气化室高径比较小，应增加高径比，并增加合成气在炉内的停留时间。

⑹燃料气供应系统是开工点火、防止熄火和保证安全运行所必需的，但是正常生产时是否也必须保证供气（包括供燃料气和单独供应氧气），供应量应该多少是一个不被人们重视的问题，但是对投资和操作费用的影响很大，专利商应给予慎重考虑，向业主和工程设计单位介绍清楚。

⑺近来对几种气化方法的方案比较都带有片面性，对比煤耗、比氧耗所做的对比，往往不是在同一个煤种、同一个气化压力条件下比较的，只是以各专利商的介绍为依据，缺乏可比性。

⑻目前，一套气化压力为6.5 MPa、日处理750 t煤的Texaco气化炉系统，由于国产化率高，装置总投资只需约8000万元。

一套气化压力为4MPa、日处理1000t煤的Texaco气化炉系统，由于国产化率高，装置总投资只要约9500万元。

而一套气化压力为4 MPa、日处理1000t煤的GSP气化炉系统，装置总投资在2亿元以上，太贵了。

虽然，投资低于Shell气化炉，但也是难以接受的。

如Texaco法设置备用炉，Shell法和GSP法不设置备用炉。

一个日处理3000t煤的气化装置，采用三种不同方法的投资比为Shell法∶GSP法∶Texaco法=2.5∶1.5∶1。

所以GSP法只有走技术装备国产化的道路，做到关键设备、阀门和控制仪表在国内制造才能将投资降下来。

否则用户只能另选其他的气化工艺技术。