几种煤气化工艺的优缺点.pdf

浅谈几种煤气化工艺的优缺点我国石油、天然气资源短缺，煤炭资源相对丰富发展煤化工产业，有利于推动石油替代战略的实施， 满足经济社会发展的需要， 煤化工产业的发展对于缓解我国石油、 天然气等优质能源供求矛盾， 促进钢铁、化工、轻工和农业的发展，发挥了重要的作用因此，加快煤化工产业发展是必要的1．各类气化技术现状和气化特征煤化工要发展， 一个重要的工艺环节就是煤气化技术要发展我国自上世纪80 年代就开始引进国外的煤气化技术， 包括早期引进的Lurgi 固定床气化、U-gas流化床气化、 Texaco水煤浆气流床气化， Shell 气流床粉煤气化、以及近期拟引进的 BGL 碎煤熔渣气化、 GSP气流床粉煤气化等等，世界上所有的气化技术在我国几乎都是有应用， 正因为我国是一个以煤为主要燃料的国家，世界上也只有我国使用如此众多种类的煤气化技术随着 煤 气 化 联 合 循 环 发 电 (IGCC) 、 煤 制 油 (CTL) 、 煤 基 甲 醇 制 烯烃(MTP&MTO) 等煤化工技术的发展，用煤生产合成气和燃气的加压气化工艺近年来有了较快的发展 Lurgi 固定床气化、 Texaco 水煤浆气化、 Shell 干粉加压气化、GSP 干粉加压气化、 BGL 碎煤熔渣气化、以及我国自有知识产权的多喷嘴水煤浆气化、 加压两段干煤粉气流床气化、 多元料浆气化等等技术在我国的煤化工领域展开了激烈的竞争，对促进煤化工的发展做出了贡献。

Lurgi 固定床气化工艺在我国有哈气化、义马、天脊、云南解肥、兰州煤气厂等 6 个厂；Texaco 水煤浆气化工艺已在我国鲁南、上海焦化、 渭化、淮化、浩良河、金陵石化、南化等9 个厂投入生产，情况良好；Shell 干粉加压气化技术在我国已经有双环、洞氮、枝江、安庆、柳化等5 个厂投产，还有 10 余个项目正在安装， 将于今后几年陆续投产； 多喷嘴水煤浆气化已在山东华鲁恒升、兖矿国泰 2 个厂投运，还有 7 个厂家正在安装，最晚在2009 年投产； GSP 干煤粉气化技术在神华宁夏煤业集团和山西兰花煤化工有限责任公司的煤化工厂也将投入建设； 加压两段干煤粉气流床气化技术已通过中试验收，华能集团“绿色煤电”项目 2000t/d 级和内蒙古世林化工有限公司1000t/d 级的气化装置正在设计安装中在我国，目前不少煤化工生产企业都在选择适合自己的气化工艺技术，有不少想采用气流床气化工艺 现有的气流床气化工艺按进料形式不同，可分成干煤粉进料和水煤浆进料两大类； 以炉内气流方向分， 可分为上行和下行两类； 以工艺流程可分为废锅型和激冷型两类；按喷嘴的数量和布置来分， 又可分为单喷嘴直喷和多喷嘴对喷两类； 以气化炉内是否衬有耐火保温材料来分，又有热炉壁和水冷壁两种；以进料方式来分，又有一段和两段两种。

气化炉特点分类气化特点shell Texaco 多喷嘴水煤浆GSP 两段干煤粉气化Lurgi进料形式干煤粉水煤浆水煤浆干煤粉干煤粉碎煤块气流方向上行下行下行下行上行上行喷嘴的数量多个单个多个单个多个单个（气化剂）炉壁形式水冷壁耐火砖耐火砖水冷壁水冷壁夹套水冷壁进料方式中间对喷顶部直喷中间对喷顶部直喷中间二段顶部排渣方式液态排渣液态排渣液态排渣液态排渣液态排渣固态排渣热量回收废锅激冷激冷激冷废锅和激冷废锅2．各类气化技术的特点2.1 Lurgi 固定床气化工艺鲁奇加压气化是移动床逆流固定床气化炉工艺过程，属于是固态排渣 鲁奇碎煤加压气化对原料煤种的适应性广，能气化从无烟煤到褐煤的各种煤系列，要求煤的灰熔点高、煤的活性和挥发性较高、入炉煤粒度范围限制在4～30mm，蒸汽消耗是比较高的气化可用空气、富氧、纯氧作气化剂，制取低热值工业燃料气、中热值城市煤气和合成气，由于煤气中含有较多甲烷，适宜作城市煤气，或在生产合成气时联产城市煤气若把其中甲烷再转化成合成气， 将使生产流程复杂而且煤气化排水中含有较多的焦油、酚类、氨等物质，需要配置庞大污水处理装置现在我国运行的除云南解化和山西天脊是用来生产合成氨外，其余均是用来生产城市煤气。

工厂名称气化炉数量气化压力MPa气化炉规格产品投产时间云南解化化肥厂5 台2.95 Φ2760 合成氨不详山西天脊化肥厂5 台2.95 Φ3800 合成氨1992 兰州煤气厂5 台2.95 Φ2760 城市煤气1994 哈尔滨依兰气化厂5 台2.95 Φ3800 城市煤气1988 长春第一汽车制造厂3 台2.95 Φ1800 城市煤气1988 河南义马煤气厂4 台2.95 Φ3800 城市煤气1996 2.2 德士古 (Texaco)水煤浆气化工艺德土古气化技术是下喷式单喷嘴水煤浆气化技术，在它应用的工程项目中，大部分是采用水激冷工艺流程，但在用于IGCC 发电项目时，也采用废锅流程国内单炉容量目前最大可达1000t ／d 投煤量，操作压力大都采用4.0MPa 、6.5MPa ，个别项目也已达到8.4MPa 我国引进该技术最早的是山东鲁南化肥厂，于 1993 年投产，目前已有近十个厂家使用工厂名称气化炉数量气化压力MPa投煤量 t/d 热量回收产品投产时间鲁南化肥厂2 台2.7 360 激冷合成氨1993 上海焦化厂4 台4.0 500 激冷甲醇、 CO 1995 渭河化肥厂3 台6.5 500 激冷合成氨1996 淮南化肥厂3 台4.0 500 激冷合成氨2000 金陵石化厂3 台4.0 800 激冷合成氨2005 浩良河化肥厂3 台4.0 480 激冷合成氨2005 南化公司2 台8.4 1000 激冷合成氨、甲醇2006 神木化工厂3 台4.0 450 激冷甲醇2006 南京惠生化学4 台4.0 500 激冷甲醇、 CO 2007 德士古气化技术在我国经过10 多年的应用，无疑是最成熟的技术。

从技术的掌握和操作的熟练，到设备的国产化和配套的耐火材料的制造都有较大的优势它的主要优点是较易升高压力，南化的气化炉压力达到了8.4MPa ；这样就可能实现甲醇的等压合成， 对合成气的生产十分有利 它存在的主要问题是水煤浆中约有40％的水，使合成气的热值降低对煤质的要求较严格，如煤的含水率不能高于 8%、灰分不宜大于20%、灰熔点不宜高过1350 ℃，而且气化效率相对较低 (碳转化率约为 94％-95％，气化效率约 65％)，比氧耗是各种气流床气化工艺中最高的，约为420~450m3/km3(CO+H2)；耐火衬里的寿命短，喷嘴易磨损2.3 壳牌(Shell) 干粉煤气化技术壳牌(Shell)干粉煤气化技术是采用多喷嘴上行干煤粉气化工艺，采用水冷壁炉，冷煤气回炉激冷热煤气．煤气冷却国内目前采用的均是废锅流程，Shell 公司目前正在开发激冷流程该气化工艺具有如下特点：(1) 采用干煤粉作气化原料，煤粉用惰气输送，操作十分安全对煤种的适应性比较广泛，从较差的褐煤、次烟煤、烟煤到无烟煤、石油焦均可使用； 对煤的灰熔点适应范围比其它气化工艺更宽，即使是高灰分、高水分、高硫的煤种也能使用2) 气化温度高，一般在1400～1600℃，碳转化率高达99% ，合成气质量好。

煤气中甲烷含量极少，不含重烃，CO+H2达到90% 由于气体中有效组分高， 煤气总量有所减少， 因而气化消耗煤量也可降低3) 氧耗低采用干煤粉进料与水煤浆气化相比不需在炉内蒸发水分，氧气用量因而可减少 15～25% ，从而降低了成本配套空分装置规模相对缩小，投资也可相应降低 (4) 气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖衬里水冷壁设计寿命按25年考虑正常使用维护量很小，运行周期长，也无需设置备用炉单台炉日处理煤量大 , 目前已达 2800 吨5) 每台气化炉设有 4～6 个烧嘴，故对生产负荷调节比 GSP 或 Texaco 单个烧嘴更为灵活，范围也更宽Shell 烧嘴保证寿命为 8000小时，已超过连续 16000小时运行 烧嘴的使用寿命长， 也是气化装置能长期运行的一个重要保证 (6) 热效率高 Shell 煤气化的冷煤气效率达到78～83% ，其余～15% 副产高压或中压蒸汽，总的原料煤的热效率达98% ，处于很高水平 (7)对环境影响小 气化过程无废气排放 系统排出的融渣和飞灰含碳低，可作为水泥等建筑材料，堆放时也无污染物渗出气化污水不含焦油、酚等，容易处理，需要时可作到零排放该技术由于采用了废锅流程，其最大的缺点就是投资较大。

我国引进该技术最早的是湖北双环化工厂，于2006 年 5 月投产，目前已有15 个厂家使用工厂名称气化炉数量气化压力MPa投煤量t/d 热量回收产品投产时间湖北双环化工厂1 台2.8 1000 废锅20 万吨 /年合成氨2006.5 中石化洞庭化肥厂1 台4.0 2000 废锅30 万吨 /年合成氨2006.12 中石化安庆氮肥厂1 台4.0 2000 废锅30 万吨 /年合成氨2006.11 中石化湖北化肥厂1 台4.0 2000 废锅30 万吨 /年合成氨2006.12 柳州化肥厂1 台4.0 1300 废锅30 万吨 /年合成氨2007.1 云天化股份有限公司1 台4.0 2600 废锅50 万吨 /年合成氨预计 2007.12 云维集团沾化股份公司1 台4.0 2600 废锅50 万吨 /年合成氨预计 2007.12 大连大化集团公司1 台4.0 1300 废锅30 万吨 /年甲醇预计 2008.1 河南开祥煤电公司1 台4.0 1300 废锅30 万吨 /年甲醇预计 2008.2 中原大化集团1 台4.0 2200 废锅50 万吨 /年甲醇预计 2008.2 河南永城煤电集团1 台4.0 2200 废锅50 万吨 /年甲醇预计 2008.1 神华煤制油公司2 台4.0 2400 废锅100 万吨/年油品预计 2008.6 大唐国际发电公司3 台4.0 2800 废锅48 万吨 /年聚丙烯预计 2009.8 天津碱厂2 台4.0 2200 废锅30 万吨 /年合成氨50 万吨 /年甲醇预计 2009.5 贵州天福化工有限公司1 台4.0 2200 废锅30 万吨 /年合成氨15 万吨 /年二甲醚预计 2009.10 2.4 GSP 气化技术GSP 气化技术是单喷嘴下喷式干煤粉加压气流床气化技术，国外现在没有用户，根据煤气用途不同可用直接水激冷，也可用废锅回收热量。

该技术由我国神华宁煤集团与德国西门子合资组建的北京杰斯菲克公司负责在我国推广这项技术 GSP 技术采用了干煤粉进料、水冷膜壁，既扩大了煤种范围，又避开了耐火砖的麻烦 下喷的直接水激冷使其装置投资大幅度下降干煤粉气化有诸多优点，如适用煤种广、效率高、可用水冷壁、氧耗低在GSP 气化炉采用的是一个组合式的喷嘴， 喷嘴中心有一个点火喷嘴， 点火初期用天然气， 正常生产时可以改用合成气驰放气目前采用设计能力1000t ／d 以下的气化炉，应该不会有太大的风险再放大（如2000t／d）时，一般单喷嘴容易受到限制，这也是应该考虑的但 GSP 气化技术目前最大的缺点是没有一个成功运行的经验，在单炉生产能力和长期运行方面还存在不足 目前已运行过的装置在德国黑水泵厂也只有运行 2000 多小时的运行记录，单炉能力只有720 t/d 的规模 2000t／d 的装置还需几年后才能在宁夏投入生产（52 万吨/年煤基烯烃）安徽淮化厂和江苏灵谷集团都已经和杰斯菲克公司签定了GSP 的技术转让合同，但是在看到神华宁煤集团公司的40 万吨/年二甲醚项目中 GSP 工艺包迟迟不能交付、工艺包中的问题较多以及将GSP 技术不用在该（ 40 万吨/年二甲醚）项目的消息后，先后停止了与GSP 技术的合作，而改为德士古(Texaco)水煤浆和多喷嘴水煤浆技术生产合成气。

2.5 多喷嘴水煤浆气化技术该项技术是由兖矿集团有限公司、华东理工大学共同承担 “十五”国家高技术研究发展计划 （863 计划）的重大课题， 2000 年 10 月通过国家石油和化学工业局组织的鉴定和验收 示范厂为兖矿国泰化工有限公司，建设了 2 套日处理煤1150t 的多喷嘴对置式水煤浆气化装置(4．0MPa) ，配套生产 24 万吨甲醇，联产 71．8MW 发电，装置已于2005 年 10 月投入运行 2005 年 7 月，气化装置化工投料一次成功， 10 月装置实现正常运行，目前正处于稳定的运转状态该技术从工艺技术到设备的国产化和配套的耐火材料的制造都具有较大的优势由于该技术还是采用的水煤浆的气化原理，它仍然存在着同德士古(Texaco)一样对煤质要求较严格的主要问题，如水煤浆中约有40％的水，使合成气的热值降低如煤的含水率不能高于8%、灰分不易大于20% 、灰熔点不易高过1350℃，而且气化效率相对较低、氧耗高、对煤质要求高、耐火砖寿命短、喷嘴寿命短等， 不会有根本性的改变， 多喷嘴多路控制系统还增加了设备投资和维修工作量2005年12 月 对 该 装 置 进 行 了 考 核 ， 碳 转 化 率 〉 98 ％ ； 比 氧 耗309m3/km3(CO+H2)；合成气中有效成分CO+H2 84.9％，气化温度 ~1300 ℃。

工厂名称气化炉数量气化压力MPa气化炉规格投煤量 t/d 产品投产时间兖矿国泰2 台4.0 Φ3400 1150 甲醇、发电2005 华鲁恒升1 台6.5 Φ2800 750 甲醇2005 兖矿国泰1 台4.0 Φ3400 1150 甲醇、醋酸预计 2007.8 鲁南化肥厂1 台4.0 Φ3400 1150 合成氨、甲醇预计 2008.6 江苏灵谷2 台4.0 Φ3880 1800 合成氨预计 2009.1 滕州凤凰化肥厂2 台6.5 Φ3400 1500 合成氨、甲醇预计 2008.11 江苏索普有限公司3 台6.5 Φ3400 1500 甲醇、醋酸预计 2009.3 神华宁煤集团3 台4.0 Φ3880 2000 甲醇预计 2009.7 宁波万华聚氨酯公司3 台6.5 Φ3200 1000 甲醇、 CO 预计 2009.7 2.6 加压两段干煤粉气化技术加压两段干煤粉气化技术是由西安热工研究院等单位在科技部支持下，于1994 年开始研究， 2004 年建成一套日处理煤量36~40 吨（10MW/h ）的中试装置该技术同 shell 干粉煤气化技术理念相同，是采用多喷嘴上行干煤粉气化工艺，采用水冷壁炉，上部喷煤粉激冷。

该气化炉的外壳为一直立圆筒，炉膛采用水冷壁结构， 炉膛分为上炉膛和下炉膛两段，下炉膛是第一反应区， 用于输入煤粉、水蒸气和氧气的喷嘴设在下炉膛的两侧壁上渣口设在下炉膛底部高温段，采用液态排渣上炉膛为第二反应区，其内径较下炉膛的内径小，高度较长，在上炉膛的侧壁上开有两个对称的二次粉煤和水蒸气进口运行时，由气化炉下段喷入干煤粉、氧气(纯氧或富氧 )以及蒸汽，所喷入的煤粉量占总煤量的80％~85％，在上炉膛进口处喷入过热蒸汽和粉煤，所喷入量占总煤量的15％~20％该装置中上段炉的作用主要有二：其一是代替循环合成气使温度高达1400℃的煤气急冷至约 900℃，其二则是利用下段炉煤气显热进行热裂解和部分气化，提高总的冷煤气效率和热效率 煤气冷却可以采用废锅流程和激冷流程避免了水煤浆气化中对煤质要求较严格的问题、煤的含水率、灰分、灰熔点不易高、氧耗高、耐火砖寿命短、喷嘴寿命短等问题该气化技术同样具有对煤种的适应性比较广泛、气化温度高、 氧耗低、气化炉采用水冷壁结构寿命长、 多烧嘴、热效率高、 对环境影响小等干煤粉气化所具有的优点目前最大的缺点是没有一个工业化成功运行的经验该技术目前已有 2 个厂家使用。

工厂名称气化炉数量气化压力MPa投煤量t/d 热量回收产品投产时间华能集团“绿色煤电”项目1 台2.8 2000 废锅250MW IGCC发电预计 2009 内蒙古世林化工有限公司1 台4.0 1300 激冷30 万吨 /年甲醇预计 2009 2.7 BGL 碎煤熔渣气化技术BGL(British Gas-Lurgi 英国燃气—鲁奇 )碎煤熔渣气化炉技术是在原鲁奇固定床加压气化炉 2、 3、 4 型炉技术基础上， 由当时的英国燃气公司科技开发部(现Advantica公司 )在德国鲁奇公司的协助下，在位于英国爱丁堡附近的西田(Westfield) 煤气化试验厂开发出来的新型煤气化技术BGL 熔渣气化技术将高温熔渣气化与加压固定床气化的技术结合在一起，上部还是Lurgi 固定床区域，下部增加了一个高温熔渣区，克服固定床气化技术的一些缺点，提高了气化强度、降低了氧耗、提高了气化效率BGL 气化技术开发的初期，主要针对大规模高效生产替代天然气， 应对当时可能发生的欧美天然气供应源由于国际政治原因或开采生产原因枯竭云南解化集团与 Advantiea 公司合作，采用英国西田煤气化试验厂的设计方案，改造了一台 Lurgi 固定床加压气化炉，作为试验和示范炉，探索直接试烧当地高含水量 (约 35％水分)褐煤的途径。

2006 年 7 月完成炉体改造，截至2007年 5 月，进行了 8 次开车试验，并未达到预期目标合成气中CH4 的含量仍然高达 6~8% ，目前在改进中目前最大的缺点是没有一个工业化成功运行的经验3 各类技术中特点的优缺点对比目前工业生产上各类可采用的气化技术如上所述，这些工艺各有优缺点 在具体的气化工艺选择中，还要考虑拟使用的煤种的水含量、灰份、灰融点、可磨性、气化特性等等；以及合成气的用途和质量要求；作为业主和设计人员，在选择新技术时，首先考虑的应是技术成熟性、可靠性及经济性等方面的因素3.1 水煤浆与干粉水煤浆中近40％的水会吸收大量的热，为了维持热平衡，所以合成气中的CO2 含量高水煤浆气化工艺对耐火砖内层是要求较高的，没有好的耐火砖内衬，水煤浆气化就无法进行 为了维持耐火砖的一定寿命，炉内的操作温度不得高过 1400~C 煤浆浓度对煤的成浆性有要求；对煤中的灰含量和灰熔融性温度也会有要求等， 这些要求造成可用煤的范围变窄但水煤浆的制备和加压输送比干煤粉要容易，投资和运行成本低，在高压下气化可以节省后面工序的压缩功3.2 水冷壁炉和耐火砖热壁炉对于高温熔融态排渣的加压气化技术来说，冷、热壁炉是影响气化温度的主要因素。

气化温度越高， 所适用的煤质范围就越广； 气化后的气体成分也就越好内衬耐高温熔渣侵蚀的耐火砖虽然可以大量减少炉壁的热量损失，有利于较好气化热平衡的实现， 但在长期高温熔渣冲蚀的耐火衬里容易损坏，为了满足工艺生产的需要， 它必须要有备用炉， 我国现在对耐火衬里材料的生产也基本实现了国产化 水冷壁炉虽然可以承受较高温度的生产，也不需备用炉， 但它也需要采用高铬镍的特种钢制造，制造难度和制造成本较高，国内目前无法生产3.3 单喷嘴和多喷嘴水煤浆的德士古工艺和干煤粉的GSP 工艺均采用单喷嘴直喷，而壳牌（shell） 、华东理工大学和西安热工研究院的都采用多喷嘴对喷单个喷嘴的容量总是受一定的限制， 要扩大单炉的投煤量和调节生产负荷，多喷嘴是比单喷嘴要较为方便的多；如壳牌大容积的气化炉(4000t ／d)就考虑增加一对喷嘴，即6喷嘴的；单喷嘴在结构制造和维护上要比多喷嘴的复杂和难度大些；多喷嘴在对喷过程中因气流对撞和折流的结果使气固相间的相对速度加大，有利气化反应进行，多喷嘴水煤浆气化技术的运行结果中的碳转化率比德士古工艺提高就是证明3.4 废锅流程与激冷流程德士古、 GSP、多喷嘴水煤浆气化的几种工艺均采用激冷流程，激冷工艺设备简单、 投资低、煤气中夹带的大量水蒸气可供后边CO 变换使用， 一般认为较适合于合成气生产使用。

废锅流程可回收高温煤气中的大量显热，产生高压蒸汽，达到较高的热效率， 但燃气在废锅前的煤气激冷、去除渣尘等措施使得该系统变得庞大、复杂、和投资较高采用冷合成气激冷，需要对大量的冷合成气加压，投资和动力消耗都增加了结合中国的国情，在用于化工合成气生产时，是否应采用激冷流程？而且废锅流程的高投资会使一些企业作出改选其它流程的决定从原则上讲， 提高热效率的综合利用是符合我国政府目前提出的循环经济目标要求的， 但如果付出的代价过高， 就会适得其反， 通常认为废锅流程较适用于生产 IGCC 发电用的3.5 效率与投资正如上述的废锅流程与激冷流程问题一样，废锅流程可以得到较多的高压蒸汽、得到较高的热效率， 但投资必然也要上去； 激冷所得到的低压蒸汽在化工厂的用处是十分有限的， 其热效率也是很低的； 这是一对矛盾的主题 在解决效率和投资这对矛盾时，应从局部扩大到整体来考虑， 从整个项目和全厂总体来考虑，权衡利弊，优化选择3.6 冷合成气和喷煤激冷气流床气化炉的出口温度很高， 为了防止爬渣堵塞， 在工艺中都采用激冷来解决这个问题壳牌（ shell）气化炉采用了增压的回炉冷煤气来激冷，加压两段干煤粉气化技术采用的是上部喷煤粉激冷。

用冷合成气激冷虽然可以免除产生的灰渣黏结后部系统的问题，但冷合成气激冷等措施的实施使得该系统变得庞大、复杂、和投资较高，需要对大量的冷合成气加压，投资和动力消耗都增加了；喷煤粉激冷是利用下段炉煤气显热进行热裂解和部分气化，提高总的冷煤气效率和热效率，但控制难度大，易造成合成气中CH4 的含量上升，不利于后续工段的操作如果能用水或者蒸汽激冷代替冷煤气激冷，即可降低升气管的复杂化也省去冷煤气加压机及其消耗功率，应该是十分有利的4．结束语煤气化的技术很多，有气流床、流化床、移动床和熔渣池等，这些技术都是根据不同的煤种特性和不同的合成气后工段的要求而开发，各有其特点， 有各自的优缺点，所谓的“十全十美炉”实际上是不存在的。