水煤漿水冷壁氣化和固定床氣化的對比分析

水煤漿水冷壁氣化和固定床氣化的對比分析清華大學(xué)煤燃燒工程研究中心王帥李相軍

目前，我國固定床間歇?dú)饣趪鴥?nèi)的煤氣化行業(yè)占有率在60%以上，近幾年，固定床氣化的技術(shù)水平也得到了較快的發(fā)展，富氧連續(xù)氣化、純氧連續(xù)氣化等技術(shù)也不斷完善，但原料的來源問題和安全、環(huán)保的問題一直不能很好的解決，也制約了固定床氣化的發(fā)展。

水煤漿水冷壁氣化是清華大學(xué)開發(fā)的煤氣化技術(shù)，2011年在山西陽煤豐喜一次開車成功，由于其煤種適用性強(qiáng)，運(yùn)行安全、穩(wěn)定，對環(huán)境友好，近幾年應(yīng)用業(yè)績較多，為煤化工的主要選擇爐型。以下對采用固定床和水煤漿水冷壁氣化的合成氨裝置進(jìn)行全流程比較。一、兩種氣化技術(shù)主要特點(diǎn)1、固定床氣化的流程特點(diǎn)

固定床氣化一般采用晉城、陽泉、河南焦作的無煙塊煤、焦炭或型煤，氣化溫度一般在1200℃左右，固態(tài)排渣，利用空氣作為氣化劑，常壓間歇運(yùn)行，并配套建設(shè)有吹風(fēng)氣回收裝置，副產(chǎn)的蒸汽可以滿足固定床氣化的正常使用。固定床氣化必須配套有氣柜。2、水煤漿水冷壁氣化技術(shù)特點(diǎn)

水煤漿水冷壁采用水煤漿進(jìn)料，對煤的粒度沒有要求，純氧氣化，氣化溫度一般比煤的灰熔點(diǎn)高50℃左右，液態(tài)排渣，連續(xù)氣化。水煤漿氣化不需要配備氣柜。二、使用煤種的區(qū)別1、常壓固定床對煤種的要求

（1）煤種：必須采用無煙煤或焦炭；

（2）粒度：煤的粒度必須大于6mm，必須使用塊煤或型煤；

（3）熱穩(wěn)定性：要求TS+6＞60%；

（4）煤的軟化溫度：T1＞1250℃2、水煤漿水冷壁氣化爐對煤種的要求

（1）粒度：采用水煤漿進(jìn)料，對煤的粒度沒有要求；

（2）揮發(fā)分：在點(diǎn)火階段采用燃料氣直接點(diǎn)燃煤漿，對揮發(fā)分沒有要求；

（3）熱穩(wěn)定性：因?yàn)槭且簯B(tài)排渣，對熱穩(wěn)定性沒有要求；

（4）灰熔點(diǎn)：越低越好，灰熔點(diǎn)高爐溫會(huì)相應(yīng)提高，煤耗、氧耗會(huì)提高；

（5）成漿性：越高越好，煤的成漿性越高，煤耗、氧耗越低。3、晉華爐目前使用過的煤種

（1）低灰熔點(diǎn)煤

低灰熔點(diǎn)煤是水煤漿最常用的原料，水煤漿水冷壁氣化爐使用的煤灰熔點(diǎn)最低1180℃，灰分最低5%，最高28%。

（2）高灰熔點(diǎn)煤

2012年，晉華爐進(jìn)行考核驗(yàn)收，按照石化聯(lián)合會(huì)的要求，在山西陽煤豐喜采用陽泉白煤和神木煤的混煤，最高摻混比例60%左右，經(jīng)過在煤漿槽連續(xù)取樣，在連續(xù)三天的考核中，灰熔點(diǎn)均大于1520℃。2015年，陽煤集團(tuán)朔州公司在陽煤豐喜臨猗公司對朔州煤進(jìn)行試燒經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，朔州煤灰熔點(diǎn)＞1550℃，陽煤朔州公司用5000噸煤，經(jīng)過60%、80%、100%朔州煤運(yùn)行，證明水煤漿水冷壁氣化爐可以使用100%朔州煤進(jìn)行氣化。目前使用水煤漿水冷壁氣化爐的山西陽煤平定乙二醇項(xiàng)目，山西陽煤壽陽乙二醇項(xiàng)目，山西南耀20萬噸甲醇項(xiàng)目均使用當(dāng)?shù)馗呋胰埸c(diǎn)煤作為原料。

（3）半焦氣化

目前煤炭提質(zhì)利用過后，大量半焦如何使用成為一個(gè)問題，神華集團(tuán)北京低碳研究所承擔(dān)的國家863項(xiàng)目，“低階煤熱解半焦制漿及氣流床半焦氣化研究”2015年在山西陽煤豐喜臨猗公司的水煤漿水冷壁氣化爐進(jìn)行試燒，經(jīng)過中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織專家現(xiàn)場考核，證明水煤漿水冷壁氣化爐可以利用半焦進(jìn)行氣化且運(yùn)行數(shù)據(jù)良好。

（4）焦炭氣化

焦炭和半焦氣化一直是水煤漿氣化的一個(gè)禁區(qū)，因?yàn)樵瓉淼乃簼{氣化多采用耐火磚形式，耐火磚氣化爐采用蓄熱式點(diǎn)火，氣化爐必須先用預(yù)熱燒嘴將爐溫升至800℃，然后更換為工藝燒嘴投煤漿，水煤漿進(jìn)入氣化爐后，首先脫水分和揮發(fā)分，然后利用耐火磚的蓄熱將揮發(fā)分點(diǎn)燃，然后將煤點(diǎn)燃，所以耐火磚型氣化爐要求煤的揮發(fā)分＞20%。

水煤漿水冷壁氣化爐采用一個(gè)組合燒嘴進(jìn)行點(diǎn)火，先用燃料氣將氣化爐爐溫升至800℃，然后在常壓下直接投煤漿，燃料氣和煤漿、氧氣一起從燒嘴口噴出，利用燃料氣放出的熱量實(shí)現(xiàn)水分的蒸發(fā)和揮發(fā)分析出，直接將煤點(diǎn)燃，所以可以使用焦炭氣化。

新疆天業(yè)將電石剩余的焦末直接制漿然后和煤混合進(jìn)行氣化，裝置運(yùn)行穩(wěn)定。

（5）褐煤

褐煤因?yàn)槠鋬?nèi)水含量較高，成漿性較差，一直是水煤漿氣化的禁區(qū)，2009年，清華大學(xué)承擔(dān)了大唐呼倫貝爾化肥項(xiàng)目的低濃度水煤漿氣化項(xiàng)目，煤漿濃度46~50%，目前運(yùn)行穩(wěn)定，這是世界上唯一的低濃度水煤漿氣化裝置，由于水煤漿濃度較低，煤耗和氧耗較高，但由于煤價(jià)也較低，單位尿素的成本也較低。

（6）高堿性渣煤

在我國新疆及其他一下地方，煤的灰組分中Na2O和K2O的含量較高，有的煤灰分中，Na2O+K2O＞4%，在新疆廣匯、新疆慶華和大唐克旗項(xiàng)目中均出現(xiàn)了堿渣的腐蝕，水煤漿耐火磚氣化爐使用高堿渣煤也造成耐火材料大量侵蝕的問題。水煤漿水冷壁氣化爐在新疆天業(yè)的項(xiàng)目中使用當(dāng)?shù)氐母邏A渣煤，可以穩(wěn)定運(yùn)行，沒有發(fā)生任何腐蝕現(xiàn)象。三、氣化反應(yīng)原理和氣體成分1、固定床氣化

固定床間歇?dú)饣捎每諝?、蒸汽作為氣化劑進(jìn)行氣化，氣化過程分為吹風(fēng)、上吹、下吹、二次上吹、吹凈幾個(gè)工序。在吹風(fēng)階段，向爐內(nèi)通入空氣，空氣中的氧氣和煤中的碳進(jìn)行燃燒反應(yīng)，放出的熱量積蓄在燃料層，為水蒸氣和碳的反應(yīng)提供熱量，在制氣階段通入蒸汽，蒸汽和灼熱的碳反應(yīng)，生成氫和一氧化碳。

固定床純氧連續(xù)氣化采用氧氣和蒸汽作為氣化劑進(jìn)行氣化，從爐底連續(xù)加入氧氣和蒸汽進(jìn)行連續(xù)氣化，氧氣主要和煤發(fā)生燃燒反應(yīng)，為碳和水蒸氣的反應(yīng)提供熱量，同時(shí)部分水蒸氣和一氧化碳在爐內(nèi)發(fā)生變換反應(yīng)，生成二氧化碳和氫氣。氣體成分：（無煙煤）氣體成分COH2CO2CH4N2O2備注組成%314180.219.60.2常壓間歇?dú)饣M成%4535190.50.50純氧連續(xù)氣化

2、水煤漿水冷壁氣化

水煤漿水冷壁氣化采用水煤漿和純氧進(jìn)行氣化，氧氣和煤漿從一個(gè)燒嘴口混合后噴出，進(jìn)入氣化爐后，煤漿首先進(jìn)行脫水分、揮發(fā)分，然后煤中的碳和氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，將氣化爐溫度提高至煤的灰熔點(diǎn)以上，高溫的碳和煤漿中的水蒸氣發(fā)生氣化反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣，同時(shí)部分一氧化碳和水蒸氣在高溫下發(fā)生變換反應(yīng)，生成二氧化碳和氫氣。氣體成分：（神木煤）氣體成分COH2CO2CH4N2O2組成%4535190.50.50四、氣體的凈化工段的比較1、固定床氣化的氣體凈化

固定床氣體凈化一般流程為，出氣柜的氣體先經(jīng)過洗氣塔降溫、洗滌、分離后進(jìn)入羅茨風(fēng)機(jī)，加壓后的氣體先進(jìn)入靜電除焦工段，除去煤氣中含有的煤焦油，然后進(jìn)入濕法脫硫工段，出脫硫工段的氣體經(jīng)過壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入變換工段。

目前和固定床間歇?dú)饣涮椎淖儞Q工段，壓力為0.8MPa的居多，也有采用1.4MPa和2.0MPa的，出變換的氣體經(jīng)過變換氣脫硫工段后進(jìn)入脫碳工段。

固定床氣化一般采用兩級濕法脫硫，一級為常壓脫硫，另一級為變換氣脫硫，兩級脫硫一般均采用純堿脫硫，利用純堿和硫化氫進(jìn)行反應(yīng)生成硫氫化物，再借助溶液中的栽氧體（催化劑）的氧化作用，將硫氫化物氧化成單質(zhì)硫，同時(shí)獲得副產(chǎn)品硫磺，然后還原栽氧體，再用空氣將栽氧體氧化為氧化態(tài)，使脫硫溶液循環(huán)使用。根據(jù)栽氧體的不同，脫硫方法分為栲膠、DDS、888等好多種。

進(jìn)入變換工段的粗煤氣為常溫，所以變換工段必須外加蒸汽以滿足變換反應(yīng)的需要。

固定床氣化配套的脫碳工藝主要有碳酸丙烯酯脫碳、NHD脫碳、MDEA脫碳和PSA脫碳，其中NHD脫碳屬于低溫脫碳，其余均為常溫脫碳。

近年也有固定床氣化配套低溫甲醇洗脫硫脫碳的項(xiàng)目，但較少。2、水煤漿氣化的氣體凈化

由于水煤漿氣化的壓力較高，出氣化工段的粗煤氣溫度較高，為了更好的利用粗煤氣含有的熱量，一般采用耐硫變換，粗煤氣中含有的水蒸氣可以滿足變換反應(yīng)的需要，即使是生產(chǎn)合成氨，也不用外加蒸汽

水煤漿氣化的脫硫和脫碳按照氣化壓力的高低和規(guī)模大小，主要采用NHD脫硫脫碳、MDEA脫硫脫碳和低溫甲醇洗脫硫脫碳，一般壓力較高、規(guī)模較大的裝置采用低溫甲醇洗脫硫脫碳。

對于常壓固定床氣化和水煤漿氣化的凈化工段，區(qū)別較大的工段為變換工段和壓縮工段的區(qū)別，其余工段區(qū)別不大。

變換工段的主要區(qū)別是由于兩者進(jìn)入變換工段的硫含量、氣體溫度和汽氣比不同，所以變換催化劑選型和消耗不同。常壓固定床氣化配套的變換工段一般噸氨需要添加0.5噸蒸汽，水煤漿氣化配套的變換工段一般噸氨可以副產(chǎn)1.8噸蒸汽。

壓縮工段的區(qū)別更大，固定床氣化一般采用羅茨風(fēng)機(jī)和多段往復(fù)式壓縮機(jī)，噸氨壓縮耗能較高。水煤漿氣化由于氣化壓力較高，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力較高，氣體凈化度較高，一般采用離心式壓縮機(jī)，如果氣化4.0MPa的水煤漿氣化，壓縮電耗和常壓固定床相比，噸氨可以節(jié)約電耗400度，如采用6.5MPa的水煤漿氣化，壓縮工段的耗能更低，同時(shí)低溫甲醇洗工段的能耗也更低。五、投資和占地常壓固定床間歇?dú)饣饕鞒?/p>

水煤漿氣化主要流程

主要投資對比表序號項(xiàng)目常壓固定床間歇?dú)饣簼{水冷壁氣化1空分不需要需要2氣化常壓氣化投資低，氣化爐數(shù)量多加壓氣化投資高，氣化爐數(shù)量少3氣柜需要不需要4靜電除焦需要不需要5羅茨風(fēng)機(jī)需要不需要6變換變換壓力低投資大變換壓力高投資低7脫硫常壓濕法脫硫+變換后脫硫變換后脫硫8脫碳投資相同投資相同9壓縮進(jìn)口壓力低投資高進(jìn)口壓力高投資低

從以上比較可知，常壓固定床比水煤漿氣化多投資的工段為氣柜、靜電除焦和羅茨風(fēng)機(jī)；水煤漿氣化比常壓固定床多投資的工段為空分；變換、脫硫和壓縮機(jī)的投資常壓固定床比水煤漿氣化略高。

整體比較，對于規(guī)模相同的裝置，水煤漿水冷壁氣化加上變換工段和凈化工段和常壓固定床氣化