干煤粉氣化工藝煤粉輸送載氣的選擇

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

近幾十年來，第二代煤氣化技術(shù)飛速發(fā)展，尤其是干粉煤氣化技術(shù)在中國取得長足發(fā)展，1984年GSP首臺(tái)商業(yè)設(shè)備(200 MW)氣化爐使用褐煤，粉煤處理能力30t/h，1993年SHELL在荷蘭Buggenum建成投產(chǎn)的投煤量2 000t/d的大型干煤粉氣化裝置運(yùn)行，開啟了干煤粉氣化技術(shù)新的篇章，隨著這些干粉煤氣化技術(shù)在中國的推廣，國內(nèi)外陸續(xù)開發(fā)了近十種干煤粉氣化技術(shù)(見表1)。

上述干煤粉氣化技術(shù)均有運(yùn)用的生產(chǎn)裝置，大多數(shù)已成功工業(yè)化。而干煤粉氣化工藝的一個(gè)重要特點(diǎn)，是干煤粉進(jìn)氣化爐需要載氣輸送，目前，工業(yè)化運(yùn)用成熟的是采用加壓N2或者CO2作為載氣輸送，其具有連續(xù)性好、氣化爐操作穩(wěn)定的特點(diǎn)。本文重點(diǎn)分析、探討不同載氣的選擇。

表1 國內(nèi)外干煤粉氣化技術(shù)對(duì)比

1 不同載氣輸送的煤氣化裝置差異

干煤粉氣化工藝的干煤粉需要采用惰性氣體進(jìn)行輸送，原GSP煤氣化工藝和SHELL煤氣化工藝開發(fā)采用的是N2輸送煤粉，且合成氣用于發(fā)電，N2在粗合成氣中含量約8%(φ)，若將此合成氣用于生產(chǎn)甲醇或CO，N2為惰性組分，對(duì)于后續(xù)粗合成氣處理不利，因此，中國五環(huán)工程有限公司(以下簡稱中國五環(huán))先后在貴州天福項(xiàng)目和神華寧煤項(xiàng)目中，分別在SHELL氣化爐工藝和神寧爐氣化工藝中采用CO2進(jìn)行煤粉輸送的開發(fā)和工程化設(shè)計(jì)，兩個(gè)項(xiàng)目開車運(yùn)行后均取得良好效益。

以下重點(diǎn)介紹投煤量2 000t/d、產(chǎn)12.5萬Nm3/h(CO+H2)神寧爐采用N2和CO2輸送煤氣化工藝的差異。

1.1 煤氣化裝置中關(guān)鍵設(shè)備差異

采用N2和CO2輸送煤粉，其煤氣化裝置配置的設(shè)備有顯著差異，考慮到N2和CO2的來源差異，在煤氣化裝置開車階段，N2輸送煤粉還需要保留，同時(shí)，因CO2特性的差異增加部分設(shè)備，其詳細(xì)差異見表2。

表2 煤氣化關(guān)鍵設(shè)備差異對(duì)比

1.2 煤氣化裝置工藝性能指標(biāo)的差異

由于N2在煤氣化過程中為惰性組分，而CO2在煤氣化過程中為活性組分，兩種不同載氣輸送煤粉，對(duì)煤氣化裝置工藝性能指標(biāo)產(chǎn)生一定差異，其主要差異對(duì)比(典型數(shù)據(jù))見表3。

2 煤氣化裝置采用不同載氣輸送煤粉生產(chǎn)不同產(chǎn)品的差異

兩種不同載氣輸送煤粉的氣化裝置所產(chǎn)粗合成氣的差別、輸送煤粉載氣的來源差別，導(dǎo)致相配套工藝的配置和消耗差別較大，以下以投煤量2 000t/a、產(chǎn)12.5萬Nm3/h(CO+H2)神寧爐，采用N2輸送和CO2輸送煤氣化分別生產(chǎn)合成氨和甲醇(典型工藝)為例，對(duì)比說明其配置差異和原料及公用工程消耗差異。

表3 煤氣化裝置工藝性能指標(biāo)差異對(duì)比

(1)采用N2輸送煤粉和CO2輸送煤粉生產(chǎn)合成氨，其原料及公用工程消耗對(duì)比見表4。

從表中看出，干煤粉氣化采用N2輸送煤粉生產(chǎn)合成氨的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于CO2輸送煤粉。

(2)采用N2輸送煤粉和CO2輸送煤粉生產(chǎn)甲醇的原料及公用工程消耗對(duì)比見表5。

表4 N2和CO2輸送煤粉生產(chǎn)合成氨的原料及公用工程消耗對(duì)比

表5 N2和CO2輸送煤粉生產(chǎn)甲醇的原料及公用工程消耗對(duì)比

從上表看出，干煤粉氣化采用CO2輸送煤粉生產(chǎn)甲醇的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于N2輸送煤粉。

3 干煤粉氣化裝置載氣輸送煤粉的分析

3.1 N2作為載氣輸送煤粉

用N2作為載氣輸送煤粉，空分裝置可以提供不同等級(jí)N2，相對(duì)空分裝置流程配置簡單，高中壓N2可以采用液氮泵來供給，如果煤氣化裝置為合成氨生產(chǎn)合成氣，氮?dú)庥昧枯^大，空分需采用氮?dú)庋h(huán)流程，用于輸送煤粉的載氣N2就可以成為合成氨的一部分原料 N2的來源，合成氣中N2不夠，在液氮洗時(shí)進(jìn)行配氮補(bǔ)充。因此，輸煤N2作為產(chǎn)品的原料氣，整個(gè)工藝裝置流程相對(duì)較為簡潔。

如果煤氣化裝置為甲醇生產(chǎn)合成氣，N2作為載氣輸送煤粉，煤氣化所產(chǎn)粗合成氣中N2含量將達(dá)到8%，去甲醇合成的新鮮合成氣中占比達(dá)9%，惰性氣含量太高，大大影響甲醇合成的效率，尤其是甲醇合成和循環(huán)氣壓縮機(jī)能耗大幅增加，甲醇合成單元的有效氣損失，導(dǎo)致投資增加。

另外，煤氣化裝置生產(chǎn)相同有效氣(CO+H2)量，在用N2作為載氣輸送煤粉時(shí)，總氣量比CO2輸煤大3.7%，相對(duì)投資和能耗要稍高些。

3.2 CO2作為載氣輸送煤粉

煤氣化裝置考慮用CO2作為載氣輸送煤粉時(shí)，N2作為載氣輸送煤粉的系統(tǒng)仍然要保留，只是這套系統(tǒng)作為開車使用，配置可以按臨時(shí)性來設(shè)計(jì)。空分裝置可以考慮按臨時(shí)性設(shè)計(jì)思路提供氮?dú)猓珡S用氮量會(huì)大幅減少，空分可以采用空氣循環(huán)流程，能耗大幅減少。

如果煤氣化裝置為合成氨生產(chǎn)合成氣，CO2作為載氣輸送煤粉時(shí)，相較于N2作為載氣輸送煤粉，CO2壓縮功要高于空分增加的能耗，后續(xù)CO變換因CO和CO2濃度高，需要消耗的外加蒸汽多，CO2濃度高也會(huì)導(dǎo)致低溫甲醇洗冷量消耗也高，但是液氮洗的H2損失少。

4 結(jié)語

中國五環(huán)近三十年來完成了大量的干煤粉氣化裝置，在干煤粉輸送載氣的選擇上，需要根據(jù)后續(xù)產(chǎn)品來綜合考慮。

(1)干粉煤氣化工藝生產(chǎn)合成氨，從投資、消耗以及生產(chǎn)操作的角度看，選擇N2作為載氣是經(jīng)濟(jì)、可靠的選擇。

(2)干粉煤氣化工藝生產(chǎn)甲醇或其他CO/H2等下游產(chǎn)品，選擇CO2作為載氣是較為經(jīng)濟(jì)的選擇，同時(shí)要充分考慮開車期間N2載氣系統(tǒng)的設(shè)置和N2/CO2切換的問題。