唐宏青著-大型煤气化后续流程辨析

大型煤气化后续流程辨析唐宏青（中科合成油工程有限公司，北京 100195）摘要：叙述后续流程的含义，简介三种后续流程，对激冷流程和废锅流程在投资、能耗和运行周期上作了分析，否定了“激冷流程没有工业实践经验”的说法，认为煤化工是大有希望的。

关键词：煤气化，后续流程，辨析1. 后续流程的含义大型煤气化技术已经日趋成熟，其中气流床技术更加受人瞩目。

在煤质条件合适的情况下，水煤浆技术往往是被人首先考虑的，在煤质稍差的情况下，选择粉煤气化也是比较常见的意见。

这种气流床气化技术，包括备煤、气化炉和后续流程三个部分。

通常把这三个部分合起来统称某某流程。

这样的流程中，备煤的讨论比较少，因为它是一个物理过程。

气化炉分为上喷(向下喷射)和下喷(向上喷射)两种形式，上喷有顶喷和平喷两种情况，而下喷只有平喷一种情况。

平喷就是侧喷，顶喷就是从顶部向下直喷。

后续流程有激冷流程和废热锅炉流程两种形式，两者后面都可以有洗涤过程。

气化炉后面跟什么样的后续流程，与气化炉无关。

在以前有一些讨论中，比较两者气化工艺时，把Shell气化炉与废热锅炉作为固定搭配，把水煤浆气化与激冷流程作为固定搭配，这是误解。

国内就有水煤浆搭配废热锅炉的流程，也有下喷粉煤气化搭配激冷流程的。

因此，我们应该将这件事作必要的解释：气化炉是气化炉，后续流程是后续流程。

无论是Shell、GSP、HT-L、CHOREN、两段炉、E-GAS中的哪一种，后续流程可以采用激冷流程和废热锅炉中的任何一种。

读者可能质疑这一条：为什么我们只见到Shell-废热锅炉和GSP-激冷流程?没有见到相反的情况呢？道理非常简单，在国外只有一套Shell-废热锅炉和GSP-激冷流程，然后就是引进了，前者用于IGCC发电上，后者用于化工上。

它们没有更多的机会去表现自己，就被国内引进作为经典，这就是固定搭配的来源。

国内有一个热工研究所，在承担的IGCC项目中，采用废热锅炉流程，在甲醇项目上，采用激冷流程，两个项目的气化炉是同样的，说明清楚这个道理的人是有的。

而国内引进的23台Shell气化炉后面，却全部跟着废热锅炉。

有人可能会说，这不是很好嘛，Shell气化炉后面跟着废热锅炉也能做出合成氨。

而且用了这样的数据：最高连续开车多少天，最高负荷多少。

把体育比赛的规则引入化工，也是近期国内的新发明，这是在向传统观念的挑战。

什么是‘传统观念’？可以简单地回答：“安稳常满，节能省钱”。

要把这些问题解释清楚，在今天似乎变得越来越困难了。

Shell-废热锅炉流程的持有者不听劝告，正在国内煤化工行业大举推广。

有人声称水煤浆气化激冷流程和粉煤气化的投资是一样的[2][3]，而今天我们所看到的是Shell-废热锅炉和下喷式激冷流程的投资比不是这个数[1]。

有人说，用什么样的流程做出我们所需要的产品就行，用Shell-废热锅炉流程可以得到合成氨，很好嘛。

这就更加离奇了，能够得到产品的流程就可以工业化吗？我们可以用电解水得到氢气，再用空分得到氮气，然后将氢气和氮气合成氨。

我国能接受这样的工业化流程吗？目前在新型煤化工中常用的说法，即认为能够“打通流程得到产品就是成功”的说法，是极不恰当的。

用优化的方法来进行流程设计，是历来的优良传统。

可是这个传统今天正在失传，为此国家付出了巨大的代价，23套Shell-废热锅炉流程就是化工上多花钱的典型。

为了弄明白这个问题，我们应该讨论一下这两种流程的具体情况。

2后续流程介绍2.1激冷流程简述激冷流程有两种形式，一种是经典的全水激冷形式，另一种是气水双激冷形式。

(1) 经典的全水激冷形式用N2或CO2输送的粉煤、高压氧气/水蒸汽进过喷嘴混合、在1400℃高温及操作压力约3-4MPa的条件下自上而下地喷入气化炉，煤粉中的碳与氧发生部分氧化反应，生成以CO、H2、CO2为主要成分的粗煤气。

见图1。

高温煤气夹带着未完全反应的碳粒及少量熔渣颗粒并流向下，经气化炉下部的出气口进入激冷器，在激冷器中高温煤气与激冷水充分接触，使煤气降温冷却并饱和，煤气降温、熔渣固化。

固化后的熔渣和未反应的碳粒进入激冷器下部的渣罐定期减压排出。

冷却后的煤气和激冷水由激冷器流入气水分离器，分离器下部的灰水经减压后去沉淀池进行灰水处理，上部出来的煤气进入文丘里后进入洗涤塔，在塔中用逆流水洗涤，经洗涤脱除煤气中的灰后气体进入下游的变换工序，洗涤后的碳黑水水碳颗粒后送入处理系统。

激冷流程中粗煤气的水蒸汽含量约为50-60％，适合于进入后续的变换工艺，因此激冷流程主要用于煤化工项目，作IGCC用是不合适的。

图1下喷式粉煤气化激冷流程图现在称这样的流程为GSP、HT-L、CHOREN气化流程，它们的原理是一样的，在细节上可以有区分。

气化炉是一个冷壁炉，反应室是由齿形蛇管卷水冷壁围成的圆柱形空间，上部为烧嘴, 下部为排渣口, 原料与氧气、水蒸气的气化反应就在此空腔内进行。

第一次开车后水冷壁被挂上一层渣，在后续运行中利用以渣抗渣的原理保护水冷壁。

正常运行时炉体内温度为1400-1700 ℃, 经过5.5 mm渣层以后, 温度降低到500℃左右, 再经过16.5 mm 屏壁和碳化硅填充物, 温度降低到270 ℃左右, 水冷壁内的加压冷却水的温度为250 ℃左右。

水冷壁气化炉体的优点是炉体实际承受的温度较低，故可以气化灰熔点较高的煤种。

(2) 气水双激冷流程壳牌公司曾经提出气水双激冷流程，该工艺保留了原有的气化炉设计（下部进料、多喷嘴、合成气上行、灰渣靠重力分离），且仍然使用后续工段的洁净合成气做激冷气，将气化炉上部出口的热合成气从1600ºC 激冷到900ºC后进入水激冷室，喷入雾化的水将温度进一步降低到500ºC，然后使用一级旋风分离器除去大部分的干灰。

之后，用两级文丘里洗涤器洗去合成气中残留的飞灰，并进入洗涤塔。

出洗涤塔后的合成气温度为 220- 230ºC，水蒸汽含量达到 60%，可以完全满足耐硫变换对水蒸汽的要求。

见图2。

，该工艺的特点是省去了合成气冷却器，并且用普通的旋风分离器代替了陶瓷过滤器，虽然灰水量略有增加，但整个气化装置投资仍然可以下降 20%左右。

同时，由于大部分的飞灰以干法除去，灰水处理量较低，降低了灰水系统结垢、堵塞的风险，保证了干粉煤气化工艺对中/高灰煤种适应性的优势。

由于省去了合成气冷却器，整个装置的热效率会下降。

例如对于一个投煤量2000 吨/天的气化装置，使用神府煤，原来的工艺可以外送 2000 吨/天的中压过热蒸汽（400ºC，5.2Mpa）。

现在改为激冷流程后，上述蒸汽产量就没有了，同时下游耐硫变换单元不需要补充蒸汽，会产生一定量的低位能中/低压饱和蒸汽。

图2Shell气化双激冷工艺流程图尽管这个流程很有特点，由于气化炉和循环压缩机没有改变，因此流程仍然比较复杂。

特别是气激冷的循环机使用，并没有使原来的废锅流程有明显简化。

因此，尽管Shell推出这个流程，至今没有被用户接受。

2.2废热锅炉流程简述用N2或CO2输送的粉煤、高压氧气/水蒸汽进过喷嘴混合、在1400℃高温及操作压力约3-4MPa的条件下，自下平喷地喷入气化炉，煤粉中的碳与氧发生部分氧化反应，生成以CO、H2、CO2为主要成分的粗煤气。

由反应室顶部出来的气体，被来自后续工序的合成气冷激至900℃左右，使其中飞灰固化。

然后通过输气管、气体返回室和废热锅炉(合成气冷却器)内的膜式水冷壁冷却至330 ℃左右，同时产生高压或中压蒸汽。

上述粗合成气流中所夹带的灰分颗粒通过旋风分离器和陶瓷过滤器分离清除。

分离后的气体中的一部分通过循环压缩机返回反应器顶部的输气管作冷激气源，另一部分进入文丘里除尘器和煤气洗涤塔，进一步除尘，送至后续变换工艺。

气化炉中的大部分渣以熔融状态从反应室锥形底部流入渣池，经灰水淬冷形成均匀的玻璃状颗粒，经破渣机借助一个锁斗系统送出界区。

见图3。

图3Shell气化废锅工艺流程图气化炉原理与激冷流程采用的气化炉大体相同。

区别在于煤粉喷射的位置，下喷式气化炉采用侧壁烧嘴,位于气化炉下部，并且可根据气化炉能力由4～8个烧嘴呈中心对称分布。

3 后续流程比较：关于对流程的比较，通常可以列出很多项[1]，但是决定采用什么流程的，在确定原料煤的品质和环保一票否决的前提下，只有三条：投资、能耗和运行周期。

(1)投资过去这个问题的比较已经见得很多，有许多比较并不在一个平台上，即一个是水煤浆气化，另一个是粉煤气化，比较的数据就不一定可靠。

尽管许多文章上谈到的投资计算很细致，但是精确性存在问题。

投资的计算影响因素太多，难以把握。

假如我们都在粉煤气化的基础上讨论问题，对于同样的煤种，究竟应该采用什么流程？首先应该考虑的是投资。

不同流程的投资差别比较明显，见表1。

* GSP、HT-L、CHOREN中最低者其中，1、3两项的比较出自学者文章[1]和其它报价后推出，第2项的数据是根据Shell自己的介绍。

根据近年来实际装置的测算，这个数据并不出格。

从单套装置的数据来说，似乎差别不大，仅几个亿而已，并不引起企业的注意。

但是，目前在一些大型项目上，煤气化的系列数往往在10-20套，气化投资在百亿元以上，这样两者的差别就大了，选择合理的方法，投资节省几十亿是轻而易举的。

(2)能耗这是指整个装置的能耗，不是单独气化的能耗。

单独比较气化的能耗是不够的，对于同一种煤种，不同流程的气化炉冷煤气效率可以设计得一样。

气化后续流程是整个流程中的一部分，在气化得到或损失的能量，要看在后面全部工序中能否补充回来。

在同样原料不同的设计中，动力系统(蒸汽平衡)十分重要，蒸汽平衡做得好，全系统的能耗就低。

因此，单独讨论气化炉和废热锅炉能回收多少能量是没有意义的。

采用废锅流程可以回收干煤气显热，产生的蒸汽部分参于动力系统的蒸汽平衡，部分回到粗煤气中，用以保持一定的水气比(H2O/干气)，同时消耗一定量的蒸汽，用于循环压缩机。

这部分蒸汽约占废锅回收蒸汽的多少,视气化温度和产品的性质而定。

对于制氢来说，大约只能多回收10-20％。

这个问题就显得复杂了，在同样原料、同样产品和同样规模的情况下，如果作全流程的模拟计算，优化蒸汽平衡，废锅流程和激冷流程的吨产品能耗应该差别不大。

甲醇工艺和合成氨工艺有区别，甲醇工艺的低位能比较富裕，可以用这部分能量来节水，并没有浪费。

从工程上来说，由于煤质不稳定，废锅结垢严重，因此用废锅多产蒸汽不见得有多大好处。

(3) 运行周期有关Shell废锅流程运行时间的问题，已经讨论很久。

在这个问题上，质疑者和支持者的意见相左。

客观来说，应该拿2009年的数据来说明问题，以前的历史帐可以不必再追究。

因为在这个工艺的运行问题上，在‘安全-稳定-长周期-满负荷’的表现上有所进步，中国的企业出了大力。