幾種典型煤氣化工藝設備布置方案探討

胡慶麗，彭愛軍，唐 亮

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

幾種典型煤氣化工藝設備布置方案探討

胡慶麗，彭愛軍，唐 亮

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

結合工程實例，分析和探討了Shell干煤粉氣化工藝、WHG煤粉加壓氣化工藝、某新型粉煤氣化工藝以及多元料槳氣化工藝的裝置設備布置方案，總結氣化工藝設備布置的主要特點，以期對后續設計和生產改造在滿足設計規范、擴大生產規模、節約占地、減少項目投資等方面起到指導意義。

粉煤氣化工藝；水煤漿氣化工藝；設備布置

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.007

煤化工是我國化工行業的主導產業，煤氣化技術作為煤化工的核心所在，在我國新型煤化工產業中迅速發展。目前，隨著化工裝置生產規模的不斷增大，作為源頭的氣化爐，其單臺生產能力往往難以滿足下游產能或擴展生產的需要，有些化工企業在一臺氣化爐生產能力難以滿足生產需要的情況下，開始著手籌備建設一套新氣化爐裝置；對于新建煤制烯烴、煤制天然氣、煤制油等大型項目，企業更傾向于選擇直接新建多系列氣化爐(2臺氣化爐系列或多臺氣化爐系列)布置于同一結構框架。本文結合實際案例，對目前廣泛應用的幾種典型粉煤氣化工藝和水煤漿氣化工藝的裝置設備布置方案進行分析和探討，總結氣化工藝設備布置的主要特點，以期在滿足設計規范、擴大生產規模、節約占地、減少項目投資等方面，對后續設計和改造起到借鑒意義。

1 粉煤氣化工藝

粉煤氣化技術是當前世界上最先進的煤氣化技術之一，因其具有煤種適應性廣、原料能耗低、碳轉化率高、環境友好等優勢而備受關注。本文主要針對成熟先進的Shell干煤粉氣化技術、國產化五環爐粉煤加壓技術、由某煤炭研究所和某工程公司共同開發的新型干煤粉氣化技術，以下就這3種粉煤氣化工藝的設備布置方案展開討論。

1.1 Shell干煤粉氣化工藝

Shell干煤粉氣化工藝作為粉煤氣化技術的代表，具有發展迅速、技術領先、環境友好、開車運行穩定等特點，工藝主要流程包括：磨煤及干燥、煤粉加壓及給料、煤氣化、除渣、除灰、濕洗及初步水處理。目前市場上以單臺投煤能力1 000t/d和2 000t/d居多(典型案例分別見圖1和圖2)，單臺氣化爐能力最大可達到3 000t/d(案例見圖3)，氣化爐燒嘴由4個增加為6個；在設備布置方面，2 000t/d與1 000t/d相比，需考慮大型磨煤機檢修、大小濾袋布置、大型放空管道布置、框架基礎沉降等因素，將磨煤框架與煤氣化框架脫開適當距離布置。3 000t/d氣化爐因生產能力增大，下游單元處理能力及公用工程規模隨之增大，因除灰系統煤種含灰量較大需增加一套旋風除灰設備，氣化框架由原2跨增加為3跨，同時受現有磨煤機處理能力限制，磨煤系統由原2臺磨煤機(1開1備)增加到3臺磨煤機(2開1備)，設備布置單層建筑面積超過了GB50016—2014《建筑設計防火規范》規定的最大允許建筑面積2 000m2(耐火等級為一級)，故在磨煤框架和煤氣化框架之間設置了防火墻進行防火分區。Shell干煤粉氣化工藝的氣化爐設備結構復雜，體積龐大，質量較重，且配套有廢熱鍋爐系統，項目投資大，目前多系列氣化爐布置于同一框架還比較少見。某大型企業選擇3系列Shell干煤粉氣化爐(單臺投煤量3 000t/d)，基于規模較大等因素影響，3系列氣化爐分別位于3個獨立框架，依據合成氣(H2、CO、NH3、HCN等混合氣)爆炸極限，煤氣化裝置火災危險類別為乙類，設備布置參照GB50160—2008《石油化工企業設計防火規范》執行，根據表4.2.12石油化工廠總平面布置的防火間距(m)，乙類裝置之間最小距離為20m，三框架之間距離為30m，滿足防火規范要求。

圖1 Shell干煤粉氣化工藝1 000t/d典型設備布置

圖2 Shell干煤粉氣化工藝2 000t/d典型設備布置

圖3 某工程Shell干煤粉氣化工藝3 000t/d設備布置

圖4 某工程Shell下行水激冷流程氣化工藝1 000t/d設備布置

Shell公司新開發的下行水激冷流程氣化技術氣化爐結構簡單，質量較輕，單臺氣化爐能力1 000t/d，其工藝流程為：磨煤及干燥、煤粉加壓及給料、煤氣化、除渣、除灰、濕洗及初步水處理，比干煤粉氣化工藝流程減少了合成氣冷卻器、飛灰過濾器、激冷氣壓縮機等極易在運行中發生事故的大型設備，大大縮減了項目投資，單臺氣化爐設備布置見圖4。本案例煤種含水量較高，在氣化框架增加煤粉預干燥系統，框架增加為5跨。若此新工藝在實踐過程中環保性能好、運行穩定，為增大合成氣生產能力，則雙系列或多系列氣化爐布置在同一框架的設計方案將成為企業的優選。

1.2 五環爐(WHG)粉煤加壓氣化工藝

中國五環工程有限公司與科研院所及制造廠共同研究開發了五環爐粉煤加壓氣化技術，工藝流程包括：磨煤及干燥、煤粉加壓及給料、煤氣化、除渣、合成氣水浴激冷及濕洗、初步水處理，該工藝裝置于2009年和2010年分別建立了2套投煤量1 200t/d的示范裝置和1套投煤量1 200t/d的示范裝置，設備布置分別見圖5和圖6。五環爐單系列氣化工藝1 200t/d設備布置方案將灰水處理閃蒸工序布置在氣化框架，因而相比Shell干煤粉氣化工藝1 000t/d典型設備布置圖增加了1跨；五環爐(WHG)2套爐示范裝置則采用了雙系列氣化爐平行布置在同一框架，備煤框架布置3臺磨機(2開1備)供2臺氣化爐，在工藝流程上相比2臺氣化爐單獨布置節約了1臺備用磨機，氣化框架中兩系列共用的設備和公用工程占1跨，節約占地。除結構復雜的五環爐本體采用平行復制布置外，其他單元兩個系列采用了鏡像布置，這樣能使鏡像布置在外形方面更加美觀，但對于后期設備采購和配管提出了更高要求。五環爐雙系列布置方案在增大生產規模、節約工廠用地、減少項目投資等方面具有極大的優勢，為干煤粉氣化相似爐型的多系列布置提供了參考和借鑒。

圖5 五環爐雙系列氣化爐1 200t/d設備布置

圖6 五環爐單系列氣化爐1 200t/d設備布置

圖7 某新型氣化工藝4系列氣化爐2 200t/d設備布置

1.3 某新型粉煤氣化工藝

某煤炭科學研究所和某工程公司共同開發了投煤2 200t/d的新型干煤粉氣化技術，工藝流程包括：磨煤及低壓輸送、煤粉加壓輸送、氣化、除渣、合成氣洗滌、黑水閃蒸，該氣化技術除具有干煤粉氣化技術氧耗低、煤耗低、煤種適應性廣等一系列優點外，還具有氣化爐生產能力大、操作壓力高、采用新型組合燒嘴、氣化工藝系統相對簡單等優勢。某項目該煤氣化工藝技術設備布置方案以4系列氣化爐(A系列、B系列、C系列和D系列)為1個聯合生產區域，見圖7，該工藝布置方案區別于Shell工藝和WHG工藝布置的特點之一，是磨煤框架以獨立裝置布置，而沒有與氣化裝置聯合布置； A系列和B系列共用一個框架，C系列和D系列共用一個框架，相鄰的兩個氣化系列共用一個黑水處理工序、氣化介質供應工序和公用工程工序。根據結構專業的規定，AB系列框架與CD系列框架之間留出寬度為2m的伸縮縫，由于此聯合生產區域單層建筑面積>2 000m2，則在AB系列和CD系列之間設置了防火墻進行防火分區；對于設備布置和管道布置，A系列和B系列采用鏡像布置(包括氣化爐)，CD系列為AB系列的平行復制。

上述介紹的Shell和WHG粉煤加壓氣化工藝由于煤粉輸送易造成堵塞以及節約輸煤管線等問題，在布置方面通常將磨煤框架與氣化框架設計為聯合布置以縮短煤粉輸送距離，而該工藝裝置由于氣化爐集中布置，占地面積較大，則將磨煤框架與氣化框架脫開布置，并相應增加了一套低壓煤粉輸送系統(新增煤粉儲倉和煤粉發送裝置)，將大袋式過濾器布置在磨煤框架(新增煤粉儲倉上方)，可有效降低氣化框架的高度。多系列氣化爐集中布置方案使得裝置布置更為緊湊，安裝檢修生產維護更為方便，占地面積更為節約，是化工裝置大型化發展的必然趨勢。

2 水煤漿氣化工藝

水煤漿氣化工藝于20世紀80年代初進入我國，經過30多年的研究開發和推廣，已成為我國煤氣化技術的主導技術之一。其主要工藝流程包括：料漿制備、料漿加壓氣化、粗煤氣凈化、排渣和灰水處理。各種水煤漿工藝流程大致相似，設備布置也比較典型和完善，本文以某項目使用西北化工研究院開發的具有自主知識產權的多元料漿氣化技術為案例進行分析和探討，設備布置見圖8(氣化爐為2開1備)。

圖8 某工程多元料漿氣化工藝3系列氣化爐1 000t/d設備布置

因漿液(液固兩相流)極易對氣化爐燒嘴造成磨損，煤漿氣化工藝通常都有備爐系統，因此工業生產雙系列布置或多系列布置更為常見。多系列氣化爐集中布置易于施工吊裝、操作維修和生產管理，但由于氣化框架建筑面積較大，同時煤漿和渣水輸送較為穩定，通常將磨煤裝置、氣化裝置、渣水處理裝置分開布置，其防火距離要求根據各裝置火災危險類別滿足GB50160—2008《石油化工企業設計防火規范》表4.2.12石油化工廠總平面布置的防火間距(m)。上述某新型粉煤氣化工藝設備布置方案與水煤漿氣化工藝設備布置方案相似，比較煤粉輸送和水煤漿輸送系統，水煤漿氣化輸送系統更為簡單，設備少，無易堵塞的煤粉重力流系統，煤槳輸送框架和氣化框架相比較矮，投資成本較低，但水煤漿氣化爐燒嘴易于損壞，檢修頻率較高，且其在碳轉化率、冷煤氣效率和煤氣有效成分百分比等方面不如干煤粉氣化工藝高。水煤漿氣化因國產化技術成熟可靠、氣化爐結構簡單易于制造、煤漿液輸送穩定、煤氣除塵簡單、投資成本較低等優勢，在我國氣化技術發展中依然具有良好的應用前景。

3 結語

(1)Shell干煤粉氣化技術(廢鍋流程)在我國應用廣泛，運行穩定，熱量回收率高，經濟環保，單套系列設備布置方案成熟，由于其工藝系統復雜，設備較多，雙系列或多系列氣化爐集中布置尚有一定難度。新型Shell下行水激冷流程氣化技術氣化爐結構簡單，減少了廢鍋冷卻、飛灰處理、激冷氣壓縮等系統，簡化了工藝流程，縮減了項目投資，隨著項目規模的大型化，此技術在我國雙系列或多系列氣化爐集中布置領域具有很大的市場空間。

(2)五環爐氣化工藝和某新型粉煤氣化工藝屬于國產化技術，此兩種工藝技術提供了雙系列和多系列氣化爐集中布置方案，在增大生產規模、節約工廠用地、減少項目投資、方便維修操作管理等方面具有極大的優勢。

(3)水煤漿氣化工藝是成熟可靠的國產化氣化技術，具有氣化爐結構簡單、工藝流程簡潔、操作安全可靠、氣化框架高度較低、項目投資成本少等諸多優勢，其多系列氣化爐集中布置也比較典型和成熟，在我國已有多套成功投產經驗，也為其他氣化爐集中布置提供了經驗和值得借鑒之處。

(4)多系列氣化爐布置(當煤氣化裝置火災危險類別為乙類時)應注意根據GB50016—2014《建筑設計防火規范》規定，高層廠房的單層最大允許建筑面積2 000m2，當單層面積超過限制時，應依據此規范進行防火分區；適當時可將磨煤單元、氣化單元、渣水處理單元分開布置(單系列或雙系列布置時各單元可形成聯合布置)，各單元防火距離應滿足GB50160—2008《石油化工企業設計防火規范》表4.2.12石油化工廠總平面布置的防火間距(m)。

修改稿日期： 2016-10-11

Discussing on Equipment Layout of Several Representative Coal Gasification Process

HU Qing-li，PENG Ai-jun，TANG Liang

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223China)

Combined with the engineering examples，this paper analyzes and discusses the equipment layout of Shell coal gasification process，WHG coal gasification process，a new coal gasification process and multi-element slurry gasification process.It has also summarizes the main features of gasification process and equipment layout，hoping to provide guidance to the subsequent design，production and transformation in terms of meeting the design specifications，expanding the scale of production，saving industrial land and reducing project investment.

coal gasification process；slurry gasification process；equipment layout

胡慶麗(1982年—)，女，河南商丘人，2007年畢業于鄭州大學化學工程與工藝專業，碩士，高級工程師，現主要從事化工工程設計等工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.007

TQ 545

B

1004-8901(2017)01-0027-06