淺議航天爐粉煤氣化在行業(yè)中的優(yōu)勢(shì)

郭興建，童維風(fēng)

（安徽晉煤中能化工股份有限公司，安徽 臨泉 236400）

我國(guó)能源特點(diǎn)是缺油少氣，煤炭資源相對(duì)豐富，因此煤在國(guó)內(nèi)合成氨和甲醇工業(yè)原料中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。我國(guó)也成為世界上最大的煤氣化爐市場(chǎng)，到2020年我國(guó)對(duì)煤氣化爐有巨大的需求，需求量將達(dá)到2250套。那么，目前，在我國(guó)煤化工建設(shè)中到底有多少種類煤氣化技術(shù)在應(yīng)用？存在哪些問題？從目前調(diào)查的情況看，包括正要準(zhǔn)備中試和已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外煤氣化技術(shù)有13種，國(guó)外技術(shù)有4種、國(guó)內(nèi)技術(shù)9種。我國(guó)已成為世界上應(yīng)用種類最多的國(guó)家，國(guó)外技術(shù)美國(guó)GE公司的水煤漿氣化工藝（原德士古水煤漿氣化工藝）進(jìn)入中國(guó)推廣較早，應(yīng)用業(yè)績(jī)最多，荷蘭殼牌、德國(guó)GSP煤氣化技術(shù)也有不錯(cuò)的業(yè)績(jī)。與此同時(shí)，我國(guó)自主煤氣化技術(shù)也發(fā)展迅速，以干煤粉氣化技術(shù)為代表的國(guó)產(chǎn)煤氣化技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平。北京航天煤化工工程有限公司研制的 HT－L氣化技術(shù)，其示范裝置自2008年10月在安徽臨泉化工股份有限公司一次開車成功以來，展示了優(yōu)良的工藝技術(shù)性能，三年的時(shí)間，被迅速推廣到10多家企業(yè)，參與中國(guó)這個(gè)世界最大的煤氣化技術(shù)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。

1 HT－L煤氣化工藝簡(jiǎn)介

航天爐是潔凈粉煤氣化工藝的一種，是航天十一所借鑒荷蘭Shell、德國(guó)GSP、美國(guó)Texaco煤氣化工藝中的先進(jìn)技術(shù)，配置自己研發(fā)的盤管式水冷壁氣化爐而形成的一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有效實(shí)用的煤氣化工藝。該工藝煤種適應(yīng)性廣，從煙煤、無煙煤到褐煤均可氣化，對(duì)于高灰分、高水分、高硫的煤種同樣適用。技術(shù)先進(jìn)，熱效率高（可達(dá)95%），碳轉(zhuǎn)化率高（99%），是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種國(guó)產(chǎn)化氣流床氣化工藝。

航天爐粉煤氣化裝置分為4個(gè)單元，即磨煤和干燥單元、加壓和輸送單元、粉煤氣化及合成氣洗滌單元、渣與灰水處理單元。

（1）磨煤和干燥單元 干燥系統(tǒng)的工藝流程、運(yùn)行原理、控制參數(shù)都與Shell工藝相同，兩套系統(tǒng)一開一備，單套能力35t／h，目的是制造出80%以上粒度小于90μm、水含量小于2%的煤粉。沒有單獨(dú)的石灰石加入系統(tǒng)，只是利用皮帶秤通過比值調(diào)節(jié)將粒狀石灰石加到輸煤皮帶上，一塊進(jìn)入磨煤機(jī)研磨。

（2）加壓和輸送單元 經(jīng)研磨分離合格的粉煤儲(chǔ)存在常壓粉煤倉內(nèi)，通過粉煤鎖斗連通粉煤給料罐；粉煤鎖斗常壓進(jìn)料，加壓向粉煤給料罐放料，循環(huán)運(yùn)行。粉煤給料罐連續(xù)向氣化爐燒嘴供料，并與氣化爐之間保持恒定的壓差。

（3）粉煤氣化及合成氣洗滌單元 采用單燒嘴頂燒式氣化，激冷工藝，煤粉經(jīng)3條煤粉管線進(jìn)入氣化爐燒嘴，氧氣經(jīng)預(yù)熱器加熱后在氧蒸混合器內(nèi)與蒸汽混合，按一定的比例進(jìn)入氣化燒嘴。粉煤在氣化爐內(nèi)燃燒并發(fā)生反應(yīng)，生成的合成氣主要成分是H2和CO。合成氣經(jīng)激冷環(huán)進(jìn)入激冷室，在激冷室內(nèi)合成氣經(jīng)過降溫、增濕、除塵和洗滌，被水飽和，熔渣迅速固化。合成氣出氣化爐后，經(jīng)文丘里洗滌器，合成氣洗滌塔進(jìn)一步增濕，除塵、洗滌。除塵后的合成氣進(jìn)入變換工序。粉煤燃燒后形成的灰渣沉積在激冷室水中，絕大部分灰渣迅速沉淀并通過渣鎖斗系統(tǒng)定期排出。

（4）渣及灰水處理單元 從氣化爐激冷室排出的渣經(jīng)破渣機(jī)、鎖斗，排到撈渣機(jī)，進(jìn)行渣水分離，水回收處理利用；氣化爐及合成氣洗滌塔底部排出的黑水，經(jīng)兩級(jí)閃蒸去除不凝性氣體并回收熱量，固體顆粒經(jīng)絮凝、沉淀、過濾后收集，灰水循環(huán)利用。

2 航天爐技術(shù)特點(diǎn)

（1）干煤粉進(jìn)料，惰性氣體輸送，加壓氣化

干煤粉進(jìn)料，煤被磨制成20～100μm煤粉顆粒，并以過熱空氣干燥；惰性氣體輸送，介質(zhì)為二氧化碳或氮?dú)猓患訅簹饣瑥?qiáng)化燃燒，提高單位體積產(chǎn)氣率。與常壓爐相比，在同樣生產(chǎn)能力下，航天爐氣化強(qiáng)度高，設(shè)備尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，燃燒效率高。

（2）單燒嘴頂燒組合燃燒器

燃燒火焰、爐內(nèi)物料流場(chǎng)與爐膛結(jié)構(gòu)匹配較好，爐內(nèi)煤粉熱解區(qū)、火焰燃燒區(qū)、煙氣射流區(qū)、煙氣回流區(qū)以及二次反應(yīng)區(qū)分布合理，煤粉反應(yīng)完全；火焰形狀、穩(wěn)定性好；燒嘴采用水冷夾套式冷卻方案，可保證燒嘴長(zhǎng)周期運(yùn)行穩(wěn)定可靠。設(shè)計(jì)壽命20年，燒嘴頭部局部維護(hù)時(shí)間6月一次。

（3）氣化操作溫度高，提高了碳轉(zhuǎn)化率

一般操作溫度為1400～1750℃，煤種適應(yīng)范圍廣，對(duì)煤的灰熔點(diǎn)要求范圍寬。碳轉(zhuǎn)化率99%，有效氣體（CO＋H2）體積分率在90%左右，CH4氣體僅有幾十至幾百10－6數(shù)量級(jí)。

（4）盤管式水冷壁結(jié)構(gòu)

多頭并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以保證管程流阻分布均勻，強(qiáng)制循環(huán)可防止局部傳熱惡化發(fā)生“爆管”故障。

（5）冷壁式耐火材料結(jié)構(gòu)

水冷壁與耐火材料組合，水冷壁降低耐火材料的蝕損率，保證耐火材料的使用溫度低于1300℃，水冷壁外形成3～5mm穩(wěn)定的固渣層，“以渣抗渣”，提高耐火材料使用壽命，降低爐膛散熱損失。

（6）水激冷方案

有成熟的工程業(yè)績(jī)和分析數(shù)據(jù)，技術(shù)成熟可靠，合成氣中增加的飽和水可直接用于變換工序。

（7）燃燒效率高、環(huán)保性能好

碳轉(zhuǎn)化率、冷煤氣效率、熱效率都高于水煤漿工藝，冷煤氣效率比濕法提高10%，熱效率提高6%，碳轉(zhuǎn)化率≥99.5%，盤管水冷壁副產(chǎn)中壓蒸汽回收爐內(nèi)燃燒熱量的3%～5%。高溫煤氣化，廢水有害成分極少，容易處理。合成氣中氮氧化物及硫氧化物含量很低。

3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）物化參數(shù)

粉煤水分含量＜2%，粒徑比例如下：

所用煤的化學(xué)成分如下：

（2）工藝參數(shù)

氣化爐操作壓力 3.7～4.0MPa

氣化爐操作溫度 1400～1700℃

氣化爐燒嘴流量 28810／22515／1204kg／h（粉煤／氧氣／蒸汽）

氧煤比 0.65～0.90

粗合成氣溫度 210℃

氣化爐液位 30%～60%

高壓閃蒸罐壓力 0.5MPa

真空閃蒸罐壓力 －0.06MPa

（3）考核指標(biāo)

有效氣（CO＋H2）比氧耗 ≤310m3／km3

有效氣（CO＋H2）比煤耗 ≤510kg／km3

碳轉(zhuǎn)化率 ≥99%

合成氣CO＋H2含量 ≥85%

冷煤氣效率 ≥84%

噸甲醇耗煤 1.300t

噸甲醇耗有效氣 2250m3

4 航天爐煤氣化工藝運(yùn)行狀況

晉煤中能化工股份公司HT－L航天粉煤加壓氣化裝置于2008年10月31日9：08一次投料開車成功。2009年氣化爐累計(jì)運(yùn)行326d，運(yùn)行率89.3%。2010年航天粉煤加壓氣化裝置累計(jì)運(yùn)行338d，運(yùn)行率92.6%。2011年，最長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)行周期156d。目前，氣化裝置及后部工序運(yùn)行穩(wěn)定。晉煤中能化工股份公司200kt／a合成氨原料路線改造工程項(xiàng)目（二期航天爐）2012年1月3日21點(diǎn)30分開始進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，經(jīng)過相關(guān)工藝調(diào)整后，于1月4日5點(diǎn)13分順利實(shí)現(xiàn)氣化爐開工點(diǎn)火；1月4日5時(shí)53分，氣化爐投料開車，目前已連續(xù)運(yùn)行170多天。

原料煤種試燒情況

HT－L爐自2008年10月運(yùn)行以來，試燒了多種原料煤：神木煤，神木與新鄭混煤，新疆煤，新疆與新鄭混煤，與晉城煤的混煤，甘肅煤，新疆保利煤、晉城無煙煤末混燒，神木煤配晉城高硫煤（原煤含硫2.35%）等等，前后運(yùn)行了五個(gè)煤種的單燒、多種配煤的混燒。試燒過的煤種及參數(shù)見表1，運(yùn)行情況見表2。

表1 試燒的煤種參數(shù)

表2 氣化運(yùn)行數(shù)據(jù)（2012年）

5 航天爐工藝與Shell、德士古各種參數(shù)的對(duì)比

以150kt／a甲醇裝置為例，航天煤氣化技術(shù)與國(guó)外兩種先進(jìn)煤氣化技術(shù)的比較見表3。

6 航天爐工藝的前景

HT－L煤氣化工藝是由航天十一所自主研發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的一種粉煤加壓氣化技術(shù)，各個(gè)單元的技術(shù)都有成熟的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，直接實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，沒有設(shè)計(jì)缺陷和運(yùn)行瓶頸。該工藝投資少，安徽臨泉150kt／a甲醇項(xiàng)目總投資6.4億元，其中氣化裝置投資3.1億元，比同規(guī)模Shell工藝投資要少三分之一；國(guó)產(chǎn)化率高。HT－L煤氣化裝置許多設(shè)備，如粉煤鎖斗閥、破渣機(jī)、燒嘴、氣化爐、煤粉循環(huán)三通閥、渣水循環(huán)泵、激冷水泵、鍋爐水循環(huán)泵、熱風(fēng)爐等都是由北京航天十一所設(shè)計(jì)、制造或委托制造的，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、操作維護(hù)方便，也帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展有重大意義。

表3 航天爐與國(guó)外兩種先進(jìn)煤氣化技術(shù)的比較

煤氣化技術(shù)是煤炭潔凈、高效、綜合利用的重要技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，在煤氣化技術(shù)高速發(fā)展的今天，德士古、殼牌和GSP氣化技術(shù)幾乎占據(jù)了我國(guó)全部市場(chǎng)，它們共同的特點(diǎn)是，國(guó)外技術(shù)，專利費(fèi)用高，投資大，備品備件費(fèi)用高，一般的國(guó)內(nèi)企業(yè)難以承受。擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的HT－L粉煤加壓氣化爐將打破國(guó)外氣化爐在世界上的壟斷。實(shí)現(xiàn)粉煤加壓氣化裝置的國(guó)產(chǎn)化，對(duì)國(guó)家調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，發(fā)展新型能源及實(shí)施國(guó)家能源安全有著重大的戰(zhàn)略意義。