王廣，張雪梅，顧軍

(1.寧夏百川新材料有限公司，寧夏銀川750409；2.延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西延安716000；3.南京沃譜瑞環(huán)境研究院有限公司，江蘇南京210000）

我國煤炭資源豐富，但是燃?xì)赓Y源匱乏，因此導(dǎo)致煤炭能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)占比超過60%。所以，確保煤炭資源應(yīng)用的高效性，能夠維護(hù)能源長期安全供應(yīng)。確保煤炭資源應(yīng)用的集約化，實現(xiàn)煤炭轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，將其作為高附加值的清潔型技術(shù)，能夠有效發(fā)展多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、煤基化學(xué)產(chǎn)品、煤制氫與先進(jìn)發(fā)電工藝。當(dāng)前，我國大型煤化工項目多采用氣流床加壓氣化技術(shù)，本文將針對代表性技術(shù)進(jìn)行分析。

1 工藝流程比較分析[1～5]

1.1 GE 氣化技術(shù)

利用煤儲運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)輸原料煤，將其投入煤貯斗中。通過稱量給料機(jī)實施定量處理，能夠進(jìn)入到磨機(jī)，適當(dāng)添加定量水、添加劑，對水煤漿進(jìn)行研磨。利用煤漿加壓泵實行加壓處理，與高壓氧氣進(jìn)入到氣化爐內(nèi)，以此完成氣化過程，生成氫氣與一氧化碳。高溫粗合成氣離開汽化爐反應(yīng)段后，全面進(jìn)入至激冷室水浴。經(jīng)過激冷固化處理后，可以確保熔渣進(jìn)入激冷室，采用鎖斗排除。出激冷室，進(jìn)行洗滌、除塵操作，使溫度在245℃。通過碳洗塔、氣化爐，進(jìn)入高、低壓閃蒸罐、兩級真空閃蒸罐，且水分閃蒸為蒸汽，從而回收到特定位置。針對溶解黑水的合成氣，進(jìn)行解吸處理后，進(jìn)入回收系統(tǒng)進(jìn)行二次處理。對黑水進(jìn)行壓縮處理，溫度下降約為45℃，進(jìn)入沉降槽內(nèi)。經(jīng)過濾機(jī)的脫水處理后，可以將細(xì)渣漿運(yùn)輸?shù)綀鐾?，沉降槽?nèi)澄清灰水，進(jìn)入到匯水槽內(nèi)。利用低壓灰水漿泵加壓，進(jìn)入氣化系統(tǒng)內(nèi)，實現(xiàn)循環(huán)使用。

1.2 GSP 粉煤氣化

通過給煤機(jī)對原料煤進(jìn)行稱量，進(jìn)入至磨煤機(jī)，全面做好磨粉處理。利用熱風(fēng)爐能夠?qū)岫栊詺怏w進(jìn)行傳輸，同時進(jìn)入磨煤機(jī)，將粒徑達(dá)標(biāo)煤粉進(jìn)行干燥處理后，可以吸入煤粉過濾器內(nèi)，分離與收集后，排入至煤粉貯倉室。經(jīng)過煤粉鎖斗，可以送入至煤粉給料倉內(nèi)，經(jīng)過高壓二氧化碳輸送，經(jīng)過粉煤管線，進(jìn)入到氣化爐頂部噴嘴位置。在1450℃、4.1MPa 條件下，產(chǎn)生氣化反應(yīng)，生成氫氣和一氧化碳的粗組合氣。氣化爐內(nèi)壁為水冷壁結(jié)構(gòu)，為了避免粗合成氣進(jìn)入到水冷壁環(huán)形空間內(nèi)，對設(shè)備造成腐蝕影響，環(huán)形空間內(nèi)充注高壓力惰性氣體。在氣化爐內(nèi)充分反應(yīng)，涉及到飛灰、高溫粗合成氣、液態(tài)熔渣，利用排渣口進(jìn)入激冷室，實施冷卻處理，固化熔渣。對于水飽和合成氣體，在出激冷室后，會經(jīng)過鼓泡塔、洗滌器、冷凝器、氣液分離器，進(jìn)入下游系統(tǒng)。熔渣通過鎖斗，能夠進(jìn)入渣池。對于粉煤顆粒、飛灰，能夠進(jìn)入渣池泵，同時進(jìn)入到渣水處理系統(tǒng)，在處理操作后，實現(xiàn)循環(huán)使用。氣化爐、洗滌裝置排出高溫廢水，經(jīng)過閃蒸濃縮、澄清處理后，可以送回至循環(huán)系統(tǒng)。

1.3 Shell 粉煤氣化

為了滿足煤化工生產(chǎn)需求，通過Shell 技術(shù)，能夠?qū)Ψ勖簹饣鞒踢M(jìn)行開發(fā)，運(yùn)行效果良好，指標(biāo)達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)。Shell 粉煤氣化技術(shù)，接近GSP工藝。通過高壓煤粉倉，實現(xiàn)煤粉運(yùn)輸，還可以通過高壓CO2，促使煤粉進(jìn)入噴嘴中心。對空分高壓氧氣進(jìn)行加熱，確保溫度為180℃，混合過熱蒸汽，進(jìn)入到噴嘴外環(huán)隙，經(jīng)過多個工藝噴嘴，進(jìn)入到氣化爐?；旌厦悍?、氧氣，利用氧化反應(yīng)，生成合成氣。利用噴嘴，能夠使煤粉噴出，通過氧氣流，當(dāng)氣化爐產(chǎn)生反應(yīng)后，能夠形成旋流。離心力會拋起液態(tài)熔渣，使其到達(dá)拋到水冷壁，沿著水冷壁，當(dāng)進(jìn)入激冷室。確保熔渣固化，就會形成碎玻璃體，通過鎖斗排出。針對氣化爐反應(yīng)，可以形成高溫粗合成氣、飛灰，通過下降管，能夠進(jìn)入激冷室，實現(xiàn)水浴、激冷處理。確保合成氣水飽和后，利用洗滌器、合成氣洗滌塔，實現(xiàn)洗滌處理。灰水處理系統(tǒng)、GE 工藝基本相同，通過閃蒸進(jìn)行處理后，能夠進(jìn)入沉降槽，從而實現(xiàn)沉降。

在開車初期，經(jīng)過火炬燃燒后，可以使不合格煤氣放空。開車結(jié)束后，將粉煤燒嘴投入，開工燒嘴、點火燒嘴，則氣化爐退出。

2 對比煤種適應(yīng)性

2.1 GE 煤質(zhì)適應(yīng)性

原料煤應(yīng)用到氣化爐內(nèi)，發(fā)熱量、固定碳含量中等，具備良好反應(yīng)活性，及灰熔點、灰分角度。GE 水煤漿氣化，對于水煤漿的要求高：粘度低，濃度高，具備良好的流動性與穩(wěn)定性。在氣化反應(yīng)前，能夠促使水煤漿內(nèi)部水蒸發(fā)，會增加濃度，水蒸發(fā)處理后，還會增加熱量需求度，相應(yīng)降低比煤耗、比氧耗、煤炭水含量，對煤漿濃度。內(nèi)水多由煤炭親水基、毛細(xì)孔吸附所致。煤炭中親水基、毛細(xì)孔吸附水張力，可以在煤炭顆粒周邊形成水膜。若原煤料內(nèi)存在大量親水基、且毛細(xì)孔多，則會加大水膜厚度，降低煤漿濃度。GE 氣化爐內(nèi)為耐火磚，特別為堿性的金屬氧化物，因具備較高組分，會侵蝕耐火磚，縮短服役壽命。液態(tài)灰渣沿著耐火磚流下，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷作用，使磚體厚度減弱。實踐顯示，灰渣最佳粘度為15～40Pa，在爐磚表面，可以形成標(biāo)準(zhǔn)厚度。通過灰渣保護(hù)層，不但有助于延長爐磚壽命，能夠避免扎口堵塞。對于灰渣流動粘度，應(yīng)確保其達(dá)到最佳溫度。如果氣化爐溫度低，會增加粗煤氣的甲烷含量。當(dāng)溫度比較高，特別是＞1400℃，將會導(dǎo)致耐火磚熱時增加。當(dāng)溫度＞1400℃，每提升20℃，會加大爐磚熔蝕速率，約為1 倍，因此原料煤灰熔點控制在1300℃以內(nèi)。

圖1 為常見原料粘溫特性。按照圖示可知，煤種3：氣化操作溫度小，不能實現(xiàn)水煤氣氣化。煤種1:1390℃灰熔點，不能產(chǎn)生水煤漿氣化。煤種2:灰溶度中等，低灰分，操作溫度約為1255 ～1340℃，可以實現(xiàn)水煤漿氣化反應(yīng)。

圖1 常見原料煤粘溫特性曲線圖

2.2 煤質(zhì)適應(yīng)性

粉煤氣化煤灰分應(yīng)當(dāng)高于8%，最佳灰分為12%～25%。原料煤灰熔點1250～1550℃。在粉煤氣化爐內(nèi)，灰熔點較低時，碳轉(zhuǎn)化率較低，無法掛渣。當(dāng)煤炭灰熔點較高時，則應(yīng)當(dāng)添加助溶劑，以此產(chǎn)生氣化反應(yīng)。以免導(dǎo)致氣化爐鎖斗堵塞，爐渣結(jié)塊，影響氣化爐內(nèi)件運(yùn)行時長。

在應(yīng)用粉煤氣化工藝時間，灰渣粘度為25～40Pa，這樣才可以確保掛渣、排渣的正?；?。按照原料煤黏溫曲線，在進(jìn)行粉煤氣化時，應(yīng)當(dāng)確保氣化溫度適宜。當(dāng)溫度較低時，則碳轉(zhuǎn)化率低，相應(yīng)增加灰渣粘度，對渣流動影響較大，還會導(dǎo)致渣口下降。在氣化反應(yīng)中，如果溫度比較高，致使水冷壁掛渣變薄，加快液態(tài)渣的流動速度，還會加劇水冷壁沖刷磨損，影響水冷壁的使用壽命，加劇氣化爐熱損失、比煤耗、比氧耗。粉煤氣化裝置初始化運(yùn)行時，水冷壁首次掛渣，應(yīng)用高灰熔點、結(jié)渣性的原料煤，防止氣化爐運(yùn)行期間，由于氣化爐溫度波動，造成水冷壁渣層減薄。

與水煤漿氣化相比，粉煤氣化可以有效適應(yīng)原料煤，不僅可以應(yīng)用無煙煤，也可以應(yīng)用褐煤，特別是高灰熔點、高灰分、劣質(zhì)煤，適應(yīng)性非常強(qiáng)。由圖1 可知，按照煤種3 的黏溫特性曲線，操作溫度應(yīng)當(dāng)在1340～1495℃，溫度范圍比較寬，可以應(yīng)用于粉煤氣化反應(yīng)中。煤種1 與2 也可以應(yīng)用到粉煤氣化中。相比于水煤漿氣化，粉煤氣化的能效綜合比、比氧耗、比煤耗、檢修工程量與成本的優(yōu)勢顯著，可以確保運(yùn)行穩(wěn)定性，相應(yīng)增加經(jīng)濟(jì)效益。合理分析粉煤氣化裝置的運(yùn)行狀態(tài)，加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益。

3 氣化性能參數(shù)比較

3.1 比較工藝操作參數(shù)

結(jié)果如表1 所示。通過表1 數(shù)據(jù)可知，相比于GE 水煤漿氣化工藝，Shell、GSP 粉煤氣化工藝的有效氣含量、碳轉(zhuǎn)化率比較接近，明顯高于GE水煤漿氣化工藝；Shell、GSP 粉煤氣化工藝的水冷壁，能夠產(chǎn)生蒸汽，特別是粉煤氣化工藝，可以生產(chǎn)中壓蒸汽，全面提升裝置能效，使能源消耗下降。雖然水煤漿氣化技術(shù)成熟度高，工藝操作簡便，得以廣泛應(yīng)用；粉煤氣化工藝技術(shù)起步晚，工藝復(fù)雜，進(jìn)料控制難度大，然而應(yīng)用Shell、GSP 粉煤氣化工藝，具備多種應(yīng)用優(yōu)勢，技術(shù)認(rèn)可度高。

表1 不同煤種氣化工藝操作參數(shù)

3.2 技術(shù)性能指標(biāo)比較

表2 為三種煤氣化技術(shù)性能指標(biāo)，通過表2 數(shù)據(jù)可知，GE 水煤漿氣化細(xì)渣、粗渣殘?zhí)悸矢?，且?xì)渣與粗渣比例為2∶7。Shell 粉煤氣化技術(shù)渣滓中，殘?zhí)悸瘦^低，碳轉(zhuǎn)化率比較高，粗渣多為玻璃體大顆粒，粗渣殘?zhí)剂啃?，?xì)渣殘?zhí)悸蕿?%，細(xì)渣、粗渣比例為1∶6。GSP 粉煤氣化工藝，原料為二氧化碳輸送的有效氣，含量達(dá)到95%。細(xì)渣中的殘?zhí)悸史浅８撸壹?xì)渣、粗渣比例為3∶7。通過上述分析可知，粉煤氣化工藝能夠增加有效氣含量，在有效氣組分中，包含大量氫氣，因Shell 技術(shù)應(yīng)用期間，激冷環(huán)下降管配置合理，在下降管內(nèi)，優(yōu)化雙水噴頭設(shè)置，確保高溫合成氣和水產(chǎn)生變換反應(yīng)。同時保證煤粉均勻分布在氣化爐內(nèi)，形成流場與氣化反應(yīng)。在爐膛內(nèi)，保證煤粉停留時間長達(dá)8s，可以充分氣化，全面提升碳轉(zhuǎn)化率與氣化效率，還可以使比氧耗、比煤耗降低。通過多個噴嘴結(jié)構(gòu)，可以將氣化負(fù)荷分散，且粉煤會減少噴嘴磨損度，延長燒嘴運(yùn)行壽命。此外，由由于爐膛內(nèi)氣化狀態(tài)良好，粗渣比例大，會降低灰渣殘?zhí)悸?，降低灰水系統(tǒng)負(fù)荷，提升水質(zhì)，拉大氣化工藝裝置的差距。沉降槽內(nèi)，灰水清澈，可以為環(huán)境予以保護(hù)，減少水資源浪費(fèi)。

表2 比較3 種煤氣化工藝技術(shù)性能指標(biāo)

4 關(guān)鍵設(shè)備比較

GE 進(jìn)料多為泵送方式，簡化運(yùn)輸流程圖，安全性高。但是，高壓煤漿泵發(fā)生故障，將會嚴(yán)重影響生產(chǎn)。通過應(yīng)用此種工藝，會縮短燒嘴運(yùn)行時間。通過三通道燒嘴，可以確保中心、外環(huán)隙通氧，煤漿經(jīng)過環(huán)隙，會導(dǎo)致內(nèi)、外噴管的磨損度，使燒嘴壓差下降，還會影響燒嘴給料穩(wěn)定性，還會加大碳轉(zhuǎn)化率。燒嘴磨損后，會導(dǎo)致爐磚、內(nèi)件燒壞。燒嘴冷卻水盤管、水夾套，極易受到高溫?zé)嵛g影響，縮短燒嘴壽命。

GSP 氣化技術(shù)，需要將多個燒嘴組合在一起，通過螺栓緊固、法蘭連接方式，可以設(shè)置在氣化爐正方，包含主燒嘴、點火燒嘴。主燒嘴中間位置，防止點火燒嘴，外部為冷卻水夾套，應(yīng)用冷卻點火燒嘴。對于燒嘴外表面、內(nèi)表面，相互間存在環(huán)狀縫隙，可以作為輸氧通道。在輸氧通道、外部環(huán)狀輸煤通道之間，設(shè)置管壁，配置冷卻水夾套。在主燒嘴上，帶有兩個冷卻水夾套，能夠避免燃燒室內(nèi)高溫，熱腐蝕主燒嘴外部。在主燒嘴煤粉通道出口位置，設(shè)置煤粉輸送管線，切線進(jìn)入到環(huán)狀煤粉通道，保證煤粉分布的均勻性。氧氣在主燒嘴出口，表現(xiàn)為旋流狀，且為分散狀態(tài)，與外部煤粉接觸后，會出現(xiàn)氣化反應(yīng)。GSP 技術(shù)中，燒嘴使用壽命為三個月。

Shell 燒嘴為雙通道，利用中心噴管環(huán)隙，噴出煤粉。外環(huán)管道為冷卻水夾套，能夠延長運(yùn)行壽命。多水平噴嘴的合理設(shè)置，相比頂置式噴嘴，可以確保爐膛內(nèi)部煤粉的均勻分布，提升碳轉(zhuǎn)化率、氣化效率，還能夠使水冷壁掛渣，避免出現(xiàn)爐壁超溫問題。在渣口渣屏背面，安裝Shell 激冷環(huán)，能夠?qū)⒏邷睾铣蓺飧綦x開，防止燒毀Shell 激冷環(huán)。在激冷環(huán)下方，存在環(huán)形縫隙，便于激冷水噴出均勻，并且形成水膜。將雙水噴頭設(shè)置在下降管道內(nèi)，可以對下降管起到保護(hù)作用。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過本文比較分析，在原料適用范圍、水耗、比煤耗、能效綜合應(yīng)用、比氧耗等指標(biāo)中，粉煤氣化技術(shù)具備顯著優(yōu)勢，并且燒嘴運(yùn)行時間長。應(yīng)用水冷壁技術(shù)，可以消除水煤漿氣化爐的弊端，無需頻繁更換耐火磚與燒嘴，確保長期處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。