8魯奇碎煤固定床加壓氣化技術(shù)

主流煤氣化技術(shù)及市場(chǎng)情況系列展示（之八）魯奇碎煤固定床加壓氣化技術(shù)技術(shù)擁有單位：德國(guó)魯奇公司上世紀(jì)30年代,德國(guó)魯奇公司開(kāi)發(fā)出碎煤固定床加壓氣化技術(shù),應(yīng)用于煤氣化項(xiàng)目。其關(guān)鍵設(shè)備為FBDB（FixedBedDryBottom,固定床干底）氣化爐,俗稱(chēng)魯奇爐。幾十年來(lái)，經(jīng)過(guò)持續(xù)不斷地改進(jìn)與創(chuàng)新，魯奇公司先后開(kāi)發(fā)出第一代魯奇爐（1936～1954年）、第二代魯奇爐（1952～1965年）、第三代魯奇爐Mark4和Mark5（1969～2008年），在此基礎(chǔ)上，又推出第四代魯奇爐Mark+（已于2010年8月完成該爐的基礎(chǔ)工藝及機(jī)械設(shè)計(jì)）。同時(shí)，為滿(mǎn)足氣體排放標(biāo)準(zhǔn)，解決廢水達(dá)標(biāo)排放難題，魯奇公司相繼開(kāi)發(fā)出高效的煤氣化尾氣處理和酚氨廢水處理工藝技術(shù)。一、技術(shù)特點(diǎn)魯奇公司第四代FBDB氣化爐Mark+的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是：增加氣化爐的生產(chǎn)能力（為Mark4的兩倍）;增加設(shè)計(jì)壓力到6MPag，以保證氣化過(guò)程更好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，將從Mark4操作上獲得的改進(jìn)，以及魯奇設(shè)計(jì)安裝的干渣和濕渣排灰氣化爐（包括低到高階煤、不黏煤或黏結(jié)煤，還包括生物質(zhì)和各種廢物氣化）上獲得的經(jīng)驗(yàn)，反映在Mark+的設(shè)計(jì)上。通過(guò)應(yīng)用成熟的技術(shù)和創(chuàng)新的設(shè)備，上述目標(biāo)已全部實(shí)現(xiàn)。氣化爐Mark+和Mark4綜合比較見(jiàn)下表。項(xiàng)目Mark4Mark+設(shè)計(jì)壓力/MPag46外徑/m4.135.05總高/m12.517干基粗合成氣負(fù)荷/Nm3/h最多到60000最多到120000合成氣中甲烷（每噸干燥無(wú)灰基煤）/%100120氧耗（每噸干燥無(wú)灰基煤）/%10091蒸汽消耗（每噸干燥無(wú)灰基煤）/%10092煤氣水量（每噸干燥無(wú)灰基煤）/%10085焦油較高較低輕油較低較高石腦油較低較高SNG理論當(dāng)量CH4+（H2+CO）/4較低較高碳轉(zhuǎn)化率99%99%在線(xiàn)率單臺(tái)平均93%；全廠(chǎng)大于98%同Mark4冷煤氣效率大于87%大于87%在更高壓力下，Mark+主要改進(jìn)項(xiàng)目包括煤鎖、氣化爐、灰鎖系統(tǒng)、洗滌冷卻器、廢熱鍋爐、下游冷卻系統(tǒng)等。最顯著的改進(jìn)為：采用雙煤鎖、使用氣化爐緩沖容積，實(shí)現(xiàn)煤鎖全面控制；增加床層高度。改進(jìn)氣化爐內(nèi)件（包括爐箅、波斯曼套筒、粗合成氣出口、內(nèi)夾套），以及魯奇專(zhuān)有的煤分布器和攪拌器。Mark+氣化爐的設(shè)計(jì)壓力提高到6MPag。對(duì)于煤制天然氣項(xiàng)目，這將帶來(lái)整個(gè)氣化島投資成本和操作成本的降低。如對(duì)年產(chǎn)40×108Nm3的煤制天然氣項(xiàng)目，氣化爐臺(tái)數(shù)可比Mark4減少一半，氣化島投資節(jié)省17%，全廠(chǎng)可減少設(shè)備約300臺(tái)，煤制天然氣（SNG）成本可望下降10%。對(duì)于下游的低溫甲醇洗單元，由于吸收壓力的提高，冷凍需求量減少；對(duì)于甲烷化單元，由于入口氣中甲烷含量提高（50%的入口氣為甲烷），所需循環(huán)流量降低，反應(yīng)器尺寸減小。二、配套工藝（1）煤氣化單元魯奇FBDB煤氣化單元簡(jiǎn)化流程見(jiàn)上圖。粒度為5～50mm的煤從煤斗加入獨(dú)立的煤鎖，再用粗合成氣加壓后，打開(kāi)煤鎖送入氣化爐。煤以間歇操作方式加入氣化爐。幾乎所有用于給煤鎖加壓的氣體，在從煤斗加煤前的減壓過(guò)程中都可得到回收。氣化爐為雙壁容器，在外壁和內(nèi)壁間（即夾套）維持一定的鍋爐給水液位，以保護(hù)外層承壓殼體免受高溫。同時(shí)，通過(guò)氣化爐內(nèi)壁傳遞熱量，在夾套中產(chǎn)出與氣化壓力接近的飽和蒸汽，該蒸汽加入氣化過(guò)程所用的高壓過(guò)熱蒸汽中。從煤鎖來(lái)的煤通過(guò)氣化爐橫截面分布，緩慢下降并通過(guò)氣化床層。蒸汽和純氧的混合氣體（也稱(chēng)氣化劑）進(jìn)入氣化爐底部，通過(guò)回轉(zhuǎn)爐篦，在燒結(jié)灰的輔助作用下，分布于氣化床層。在熱灰和氣化劑之間存在部分熱量交換?；冶焕鋮s到300～400℃，排放到灰鎖，再由灰溜槽排出?；益i為間歇操作，灰鎖一旦裝滿(mǎn)，將與氣化爐隔離，減壓到常壓，灰排放到灰斗，用水進(jìn)行激冷。氣化劑蒸汽和氧氣通過(guò)位于氣化爐底部的回轉(zhuǎn)爐篦進(jìn)行分布。燃燒區(qū)溫度控制在灰軟化溫度和熔融溫度之間，防止熔渣的形成，使灰順利排入灰鎖。預(yù)熱后的氣化劑向上通過(guò)燃燒層，在燃燒層里，氧氣與煤焦反應(yīng)生成二氧化碳。燃燒層是氣化爐溫度最高的區(qū)域，為上部的其他主要發(fā)生吸熱反應(yīng)的反應(yīng)層提供熱量。隨著熱氣體（主要是二氧化碳和蒸汽）沿反應(yīng)器上升，最終到達(dá)氣化/還原層，大部分合成氣在此生成。之后，合成氣繼續(xù)上升到干餾層，在此下降的煤在惰性氛圍中加熱，并分解出富碳的固體殘?jiān)航梗┖秃袣怏w、蒸汽和焦油的富氫揮發(fā)分。隨著氣體進(jìn)一步上升，來(lái)自干餾區(qū)的揮發(fā)分及合成氣在氣化爐上部得以進(jìn)一步冷卻，而煤則得以預(yù)熱和干燥。最終離開(kāi)氣化爐的氣體溫度在480～700℃之間。氣體的最終組成，決定于煤質(zhì)和裝置的操作工況。在粗合成氣中，煤的揮發(fā)分以重質(zhì)和輕質(zhì)烴、含酚化合物、氨、含硫化合物等形式存在。生產(chǎn)的氣體在離開(kāi)氣化爐后，立即用煤氣水激冷。經(jīng)水飽和后的氣體在廢熱鍋爐中進(jìn)一步得以冷卻。冷卻獲得的冷凝物送去煤氣水分離單元。（2）煤氣水分離和酚氨回收單元FBDB煤氣化會(huì)產(chǎn)生較多含有焦油、輕油、酚、氨等物質(zhì)的煤氣水。煤氣水的處理和達(dá)標(biāo)排放是氣化工藝不可或缺的重要環(huán)節(jié)。魯奇公司提出了一個(gè)完整的煤氣水處理流程解決方案，并在南非塞康達(dá)薩索爾合成油工廠(chǎng)得到了很好的實(shí)施。煤氣水處理流程是一個(gè)完整的水凈化生產(chǎn)鏈，其中焦油/輕油在煤氣水分離單元回收，酚在魯奇Phenosolvan酚回收單元回收，液氨在CLL氨回收單元回收。經(jīng)過(guò)上述處理后，所獲得的汽提煤氣水可在后續(xù)的廢水處理單元輕松處理，并實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。酚回收：魯奇酚回收工藝采用五級(jí)混合——澄清槽連續(xù)逆流萃取工藝，經(jīng)酚回收單元處理后，煤氣水中輕油和顆粒含量小于50ｕg/g，單酚含量小于20ｕg/g，多元酚萃取率達(dá)到85%，總萃取率大于99%，遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)盤(pán)萃取塔的萃取率，并可顯著降低去廢水處理單元的汽提煤氣水中COD含量；溶劑和粗酚的分離在一個(gè)蒸餾塔中實(shí)現(xiàn)，使用來(lái)自氨回收單元的廢熱，溶劑損失小，能耗低；擁有專(zhuān)利設(shè)計(jì)的高效脫瀝青塔，可生產(chǎn)脫瀝青酚。該酚回收工藝在國(guó)外已經(jīng)商業(yè)運(yùn)行多年，但是尚未在國(guó)內(nèi)實(shí)施。氨回收：經(jīng)氨回收處理后，煤氣水中的游離氨含量小于50ｕg/g，COD含量小于3000mg/L，適于進(jìn)一步生化處理；氨及含硫酸氣通過(guò)汽提和洗滌工藝分別回收，無(wú)需額外的化學(xué)品和溶劑，無(wú)水液氨產(chǎn)品加壓或冷凍后，作為農(nóng)用或化學(xué)品級(jí)的產(chǎn)品；而具有一定壓力的無(wú)氨酸性氣體可送去硫回收單元；主要的公用工程是低壓和中壓蒸汽。廢水處理：在生化處理中，對(duì)異常高濃度的氰化物和多酚給予特殊考慮。按上述煤氣水處理工藝，其廢水排放可以滿(mǎn)足最嚴(yán)格的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。魯奇設(shè)計(jì)的南非薩索爾1600t/h（2×800t/h）煤氣水、美國(guó)北達(dá)科他州大平原煤制天然氣工廠(chǎng)640t/h煤氣水，處理后均能達(dá)到當(dāng)?shù)貒?yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。在最新開(kāi)發(fā)的廢水處理技術(shù)中，經(jīng)生化處理后，100%的水可作為工藝?yán)鋮s水或鍋爐給水回用，實(shí)現(xiàn)廢水的零排放。尾氣處理:尾氣處理技術(shù)主要特點(diǎn)如下：①無(wú)連續(xù)火炬氣，氣體送去煤粉爐產(chǎn)生蒸汽和/或發(fā)電；②鍋爐煙氣脫硫、脫硝，以滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)；③有效的廢氣熱回收；④顯著減少開(kāi)車(chē)氣體排放，開(kāi)車(chē)氣送去鍋爐；⑤對(duì)煤鎖氣、膨脹器氣體以及煤氣水分離馳放氣，予以收集并送去鍋爐；⑥由于采用了馳放氣儲(chǔ)存系統(tǒng)，不存在無(wú)組織排放。三、技術(shù)特點(diǎn)參數(shù)表項(xiàng)目參數(shù)氣化技術(shù)名稱(chēng)Mark+氣化爐參數(shù)直徑5.05米；高度17米；設(shè)計(jì)壓力6MPaG進(jìn)料方式碎煤進(jìn)料，頂部雙煤鎖氣化劑氧氣；水蒸汽運(yùn)行周期單臺(tái)氣化爐累計(jì)運(yùn)行3年；平均在線(xiàn)率超過(guò)93%煤的粒徑范圍5～50mm煤的適用范圍較優(yōu)范圍：水和灰的總和低于55%；灰熔點(diǎn)大于1200℃操作彈性正常負(fù)荷范圍：50～110%粗煤氣組成H2/CO：1.5～2.7；CH4：8%～16%碳轉(zhuǎn)化率99%在線(xiàn)率單臺(tái)平均93%；全廠(chǎng)大于98%冷煤氣效率大于87%適合的工業(yè)領(lǐng)域煤制天然氣、煤制油、合成氨、城市煤氣、甲醇四、技術(shù)優(yōu)勢(shì)1、魯奇FBDB煤氣化技術(shù)原料適應(yīng)范圍廣，除強(qiáng)黏結(jié)性焦煤外，從褐煤到無(wú)煙煤均可氣化，包括水分、灰分較高的劣質(zhì)煤；可副產(chǎn)焦油、輕質(zhì)油及酚等多種高價(jià)值產(chǎn)品。魯奇爐對(duì)氣化原料的要求如下：塊煤，典型粒度分布在5～50mm之間，低于5mm或高于50mm煤的比例均不超過(guò)5%；一般為非黏結(jié)性煤，對(duì)黏結(jié)性煤可加裝攪拌器；灰變形溫度大于1200℃（還原性氣氛下）；一定的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性（破碎指數(shù)低于55%）；經(jīng)驗(yàn)證的最低灰分含量為6%（干基，質(zhì)量分?jǐn)?shù)），最高灰分含量為40%（干基）；總水分含量不超過(guò)50%（收到基）；揮發(fā)分含量低于55%（干燥無(wú)灰基）?？傮w來(lái)看，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，魯奇爐尤其適于低階煤和高灰煤的氣化。2、由于采用碎煤進(jìn)料，相對(duì)氣流床干粉或水煤漿進(jìn)料，備煤系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資及運(yùn)行費(fèi)用大為降低，運(yùn)行可靠性大幅提高。3、氣化劑與煤逆流接觸，氣化過(guò)程進(jìn)行得比較完全，且熱量利用合理，具有較高的熱效率（最高可達(dá)94%），其冷煤氣效率明顯高于氣流床。由于逆流運(yùn)行，粗煤氣及灰渣均以較低溫度（典型值為400～700℃）離開(kāi)氣化爐，煤氣與灰渣的熱回收比干粉進(jìn)料的廢熱鍋爐流程簡(jiǎn)單可靠。4、為防止結(jié)渣，氣化采用高汽氧比，氧氣消耗低于流化床及氣流床，氧氣單耗只為干粉氣流床的50%～70%，顯著降低空分設(shè)備投資。5、粗煤氣中甲烷含量高（10%或更高），特別適用于生產(chǎn)城市煤氣和煤制天然氣（SNG）。6、粗煤氣中H2/CO在2左右，當(dāng)用褐煤為原料時(shí)，H2/CO可達(dá)2.7，高于氣流床，對(duì)于F-T合成、甲醇合成、SNG的生產(chǎn)，可減輕煤氣變換負(fù)荷。7、技術(shù)成熟可靠，在無(wú)備用的情況下，單臺(tái)氣化爐年運(yùn)轉(zhuǎn)率超過(guò)93%，氣化島年運(yùn)轉(zhuǎn)率大于98%（在薩索爾塞康達(dá)工廠(chǎng)和大平原工廠(chǎng)得到驗(yàn)證）。設(shè)備本地化率高，投資省，對(duì)于相同的產(chǎn)品規(guī)模，氣化島加上配套空分的投資，約比水煤漿氣化低20%。氣化工廠(chǎng)煤種南非塞康達(dá)合成燃料廠(chǎng)煙煤中國(guó)義馬煤氣廠(chǎng)次煙煤中國(guó)山西天脊煤化工公司半無(wú)煙煤印度Jindal鋼鐵電力公司次煙煤美國(guó)大平原氣化公司褐煤表/煤種使用情況五、市場(chǎng)應(yīng)用情況從上世紀(jì)50年代起，中國(guó)通過(guò)前蘇聯(lián)以及原東德、捷克等國(guó)，間接引進(jìn)魯奇固定床類(lèi)氣化爐；從80年代開(kāi)始直接引進(jìn)魯奇爐；90年代開(kāi)始國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)。目前中國(guó)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的碎煤固定床氣化爐也大多基于該爐型。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院完成設(shè)計(jì)的FBDB（Mark4衍生型）氣化爐已超過(guò)150臺(tái)。這些氣化爐主要用于煤制天然氣、煤制合成油、煤制甲醇、煤制合成氨及其他煤化工項(xiàng)目。隨著這些項(xiàng)目的建成投產(chǎn)，中國(guó)將成為世界上使用魯奇爐最多的國(guó)家。上世紀(jì)70年代，南非薩索爾合成油工廠(chǎng)建設(shè)了80臺(tái)