GSP干煤粉氣化技術的應用與優化

趙保強

(陽煤集團太原化工新材料有限公司,山西 太原 030400)

引 言

隨著世界經濟的不斷發展，對能源的需求量將越來越大。煤作為一種儲存量極大的能源，由于其在使用過程當中存在較為嚴重的粉塵污染，以及其相應能源利用率不高的問題，極大地限制了其應用[1-3]。探討煤的高效清潔利用，將是我國乃至世界在能源與環境保護領域當中的一個重大研究課題。

GPS氣化技術因其具有能源利用效能高、環保性能好、容量大等優點，成為了解決當前能源問題和環保問題的一個較好的選擇。GPS干煤粉氣化技術是20世紀70年代由德國的燃料研究所研究開發，并將其投入到實際商業運行當中的一種煤粉的氣化的技術。該技術的特點就是以干粉的方式將原料煤進行入爐，在燃燒器和燒嘴的夾帶下，將該氣化劑與煤粉一起送入到氣化爐當中，在爐中的高壓、高溫作用下，其混合物迅速并充分混合，進行燃燒和氣化，生成主要由CO與H2所組成的混合氣體[4-6]。神華煤業集團50萬t/a商業化運行的煤基烯烴項目，于2010年試車成功，它是我國同時也是世界上第一套采用GSP干煤粉氣化技術進行生產的項目。由于這是GPS技術在我國乃至世界上的首次工業化的應用，所以其在具體的工業化生產過程當中，暴露出了眾多工藝設計上所存在的不合理的問題，所以，改進并優化GSP干煤粉氣化技術就顯得十分必要[7-10]。

1 GSP干煤粉氣化技術的應用

1.1 GSP干煤粉氣化技術特點分析

GSP干煤粉氣化技術作為一種較為先進的煤氣化技術，其特點主要表現為：

1) 所用煤的種類適應性強。采用GSP干煤粉氣化技術進行煤氣轉化，所使用的煤原料具有較為廣泛的適應性，從品質較差的褐煤，到次煙煤和煙煤，再到石油焦和無煙煤，都可以作為進行氣化的煤原料。而且，也可以將不同的煤原料進行摻雜混燒[11]。

2) 對環境的污染小。采用GSP干煤粉氣化技術具有污水排放量較小，不存在有害氣體排放問題，而且生產過程中所產生的爐渣因其不含有有害物質，可以作為建筑材料使用。

3) 生產技術指標較好。采用GSP干煤粉氣化技術能實現煤中碳的轉化率超過99%以上，其轉化氣當中，不含有重烴，CO和H2的含量超過90%以上，甲烷的含量低于0.05%，其對應冷煤氣的效率超過了80%以上。同時，在整個生產過程中，煤的能耗低、耗氧量小[12]。

4) 生產的操作彈性大。采用GSP干煤粉氣化技術，其生產負荷量為70%～110%，生產設備的維護費用較低，所使用的設備壽命較長。

5) 其他特點。采用GSP干煤粉氣化技術還具有生產自動化水平較高，生產較為安全，生產設備的停、開車較為方便等特點。

1.2 GSP干煤粉氣化技術的應用

采用GSP干煤粉氣化技術所生產的產品可以用于不同的領域。

1) 用于甲醇的生產。甲醇是當前化工和能源行業應用較廣泛的一種產品。與國外的生產技術相比較，我國生產甲醇的技術較為落后，競爭力不強。依據我國的能源結構特點，采用以煤作為原料，采用煤氣化技術來擴大生產甲醇的能力，這對于提高我國在甲醇生產方面的能力將會具有十分重要的意義。

2) 用于氨的合成。當前，我國是世界上合成氨的最大消費和生產國，除了少數廠家是以重油和天然氣作為原料來生產氨之外，其他企業大多數都是以無煙煤作為原料來進行生產的，但是傳統的常壓間歇固定床氣化技術能耗較高，生產能力不大，而且生產當中污染還較為嚴重。相比之下，采用GSP干煤粉氣化技術則具有適應性強、生產能力大、環保、氣化率高等優點，其在氨的合成中有著廣闊的應用前景。

3) 用于煤制油的生產。煤制油就是在前期采用煤粉氣化技術，在后期采用F-T合成技術，該技術成為我國能源戰略當中一個比較重要的戰略措施。

4) 用于循環發電。發電是最早應用GSP干煤粉氣化技術的一個領域。隨著中國經濟的持續發展，我國對電力的需求量也在不斷的上升，目前我國發電主要采用燃煤的方式，但該方式存在大量硫化物和氮氧化物的排放問題，而采用煤氣化循環發電的方式，則能去有效地解決該問題。

5) 其他應用。除了上述應用之外，GSP干煤粉氣化技術還可以用于大量生產氫氣、制備燃料煤氣等。

2 GSP干煤粉氣化技術的優化方案

神華煤業集團50萬t/a煤基烯烴項目自2010年試車以來，出現了眾多的問題，并有針對性地進行了多次優化。

2.1 組合燒嘴上的優化

組合燒嘴位于GPS的氣化爐當中，其在使用過程中存在的問題有：1) 燒嘴的面端容易被燒壞，使用壽命較短。2) 點火燒嘴在點火時，存在穩定性不好的問題，從而嚴重地影響到生產的正常開車；3) 氣化爐內存在流暢狀態不好的問題，長期運行會導致氣化爐的水冷壁出現燒穿破裂。而且，在投煤的過程當中，還存在氣化爐爐壁熱損失大的問題。

相應的優化方案為：1)針對燒嘴端面燒壞問題，可以采用冷卻水強制冷卻的方法對其進行保護,同時，將燒嘴內的冷卻水由對流優化成強制的旋流，通過流速的提高，來提高降溫效果，并且，將燒嘴的材料改為薄壁的管材；2) 針對點火不穩定問題，可以使用高能量的點火方式，來避免由于積灰結焦或者低溫、積水而導致的點火不穩定的問題。3) 針對流場不佳的問題，可以通過增大最外層夾套冷卻水的流通面積來實現。

2.2 粗煤氣洗滌上的優化

在粗煤氣洗滌上存在的問題有：1) 在氣化爐激冷室的出口，合成氣所攜帶的灰渣量較大，氣化室除渣效果較差，使得粗煤氣當中所含的灰渣量加大；2) 黑水旁路的閃蒸系統在使用的過程當中存在堵塞和磨損嚴重問題；3) 由于文丘里洗滌水當中存在較多的固體顆粒，從而導致閥門被磨損嚴重，且排液管容易被堵塞；4) 旁路的閃蒸系統無法實現閃蒸分離的作用。

相應的優化措施為：1) 通過在氣化爐的出口增加一套鼓泡塔，來對合成氣進行粗洗，從而實現顆粒與灰分的有效分離；2) 在預熱器之前通過增加一套氣液分離罐，從而實現既能除塵，又能進行氣液分離，這樣就能有效地解決堵塞原料氣換熱器的問題；3) 在原來原料氣的分離罐上再增加3層相應的塔盤，用來強化其清洗過程；4) 將現有的閃蒸系統進行優化，使用單管程的換熱器，防止堵塞；5)通過靜態混合器的設置，來提高冷測合成氣體的溫度，從而降低熱、冷端的溫差，防止換熱器因結垢出現堵塞。

2.3 水冷壁燒損后工藝調整措施

提高水冷壁的循環水量，從之前既定的量提高到300 t/h，改變氧氣旋風照的角度和煤粉噴入的角度，調整火焰的形狀，降低氧氣與煤粉的螺旋混合強度，降低給水冷壁上層所帶來的影響，調節主燒嘴氧煤比開車大小，防止主燒嘴氧煤比的改變造成系統短時間的過氧改變，改變氣化用煤質，開車最早階段，運用容易掛渣的煤，改變氣化爐無掛渣作用。

2.4 煤粉輸送系統特殊元件問題

對特殊元件進行測繪，調整材料，將疏松的元件上層增加防護擋板，而且適當進行延長，讓其和容器的內壁保持平齊，完善之后，煤粉的流量十分穩定，能夠給整個工藝流程奠定基礎。

2.5 氣化爐投煤流量波動問題處理

完善煤粉的進料管線，加裝流量控制設備和回流管線，把壓差改為流量控制。回流管線令煤粉在未進入氣化爐時運用三通閥重新回到低壓煤粉倉，于回流設備上加裝減壓儀器，于減壓儀器前增加背壓閥，在煤粉循環時提高煤粉管線的壓力與氣化爐的壓力一致，投料階段三閥切到氣化爐方向就可以滿足要求。通過這樣的方式，煤粉在投料階段不會有很大的改變，提高回流管線的作用，避免投料初煤粉結塊帶來投料時鎖斗進料以及卸料不暢通，導致煤粉給料不能滿足要求出現跳車情況。

3 優化效果分析

3.1 優化后粗煤氣中含塵量的變化

GSP干煤粉氣化技術在經過相應的優化以后，其相應的含塵量問題得到了有效的解決，見表1所示。

表1 粗煤氣在優化前、后含塵量的變化

從表1可以看出，GSP干煤粉氣化技術的優化有效地降低了粗煤氣中的含塵量。在技術優化前，粗煤氣中的含塵量超過了2 mg·m-3，而經過優化以后，其相應的含塵量普遍低于0.5 mg·m-3，表明該優化的效果較好。

3.2 氣化爐中有效氣體成分的變化

將優化前、后的氣化爐中的氣體通過多次測量發現，通過技術優化以后，能將氣化爐煤氣中的有效成分進行相應的提高，其測試結果如表2所示。

表2 優化前、后有效氣體含量測定

從表2可以看出，GSP干煤粉氣化技術在經過優化以后，其生產氣當中的有效氣(即氫氣與一氧化碳的總量)出現了一定的提升，其中，2#爐有效氣的含量提升了超過2%。同時，對比優化前、后的CO2含量發現，優化之后，能有效地降低CO2的生成。

優化后的工藝參數見表3。

表3 優化后相關的工藝參數

4 總結

GSP干煤粉氣化技術作為一種煤轉化為氣的技術，因其具有眾多的優點，而在生產當中具有較大的應用價值。由于該技術屬于一種較為先進的技術，其在工業上大規模應用較少，所以在具體的應用當中，出現了眾多的問題，針對這一系列問題，通過相應的技術優化，能有效地提高燒嘴的使用壽命，點火的成功率，同時，優化以后，煤氣的含塵量從之前的超過2 mg·m-3，降到低于0.5 mg·m-3，同時，有效成分也上升了2%左右。