干粉气化和水煤浆气化综合成本比较.docx

1、 1干粉气化和水煤浆气化综合成本的对比目前成熟的高压粉煤气化技术从进料方式上可以分为干法（干粉进料）和湿法（水煤浆进料）。干法气化目前在国内应用较多的主要有 Shell、GSP 和航天炉；湿法气化目前在国内应用较多的主要有 GE、四喷嘴和清华炉。这些气化技术各有优缺点，就气化炉本身而言也有很多科研单位和应用单位对其优缺点、性能、使用情况进行了介绍和对比。由于甲醇工程是技术集成度很高的综合工程，涉及多个单元，尤其气化方式的不同会影响到原料制备、合成气净化、合成气变换等单元，因此仅仅从气化炉本身进行对比不尽全面，不尽合理。本文从甲醇整个流程上选取航天炉作为干粉气化的代表，选取清华炉作为湿法气化的代

2、表，从全流程的消耗进行比较，以便从整个流程上对两种气化方法有更全面的认识，以便于气化技术的选择。为便于比较，选用国内目前较成熟的工艺路线进行比较，航天炉流程为：4.0MPa气化，两段耐硫变换，低温甲醇洗，合成气压缩，甲醇合成。清华炉流程为：6.5MPa气化，一段耐硫变换，低温甲醇洗，合成气压缩，甲醇合成。其中两种气化技术的甲醇合成装置均相同，故不作比较，仅对前面工序进行对比。对于空分工段，不是本文比较的重点，仅对氧耗进行比较。一般 4.0MPa 气化，配套氧气压力为 5.1MPa； 6.5MPa 气化，配套氧气压力为 8.1MPa。如均采用内压缩流程，5.1MPa 和 8.1MPa 相比，1N

3、m 3 氧气的能耗相差约 0.02KW，在国内实际的运行案例中，两者的实际差别几乎没有，例如，神华宁煤采用 4.0MPa 气化，神华包头采用6.5MPa 气化，但是宁煤空分单位氧气的能耗却比包头的还要高。1. 气化反应不论是干法气化还是湿法气化，其气化原理是相同的，目前在国内应用的高压气流床气化均是采用纯氧气化，主要的反应式为： mn22nnCH()+(O=mC+H4挥 发 分2C+O2=2CO22CO+=221HC+H2O=CO+H2CO+H2O=CO2+H2C+CO2=2COC+2H2=CH4对于湿法进料清华炉，由于大量水分随水煤浆进入气化炉，因此气化室内有大量的水蒸气存在，在炉内会发生部

4、分 CO 变换反应，有比较多的 CO 会转化成 CO2，同时得到相同摩尔数的 H2，而且在高温下变换反应的速率很大，所以清华炉出气化炉的粗煤气中 CO 含量比航天炉低，H 2 含量比航天炉高。航天炉和清华炉的消耗比较业界意见多不统一，参照两种炉型气化神木煤的气化代表性数据作为比较，以 1000 Nm3 有效气为比较基准 :航天炉数据（采用高压 N2 输送煤粉）：组分 CO H2 CO2 N2 其他气体 合计气化出口全变换前（V% ）65 25 4 5 1 100气化出口气量（Nm3） 722 278 44 55 11 1110全变换后气量（Nm3） 0 1000 766 55 11 1832清

5、华炉数据：组分 CO H2 CO2 其他气体 合计气化出口全变换前（V% ）45 35 19 1 100气化出口气量（Nm3） 562.5 437.5 237.5 12.5 1250全变换后气量（Nm3） 0 1000 800 12.5 1812.53上面两表以 CO 全部变换为 H2 的极端情况作为比较，主要是要说明由于在气化炉内变换程度的不同而产生的差异，通过上表我们可以得出以下结论： 航天炉和清华炉在相同有效气产量的情况下，干粉气化采用氮气输送，变换后的气量大于水煤浆气化； 航天炉的煤耗比清华炉低，（800-766）800=0.0425=4.25%，氧耗低4.252=8.5%根据项目公司

6、提供的煤种，航天炉和清华炉消耗见下表：表 1 氧耗和煤耗比较表项目 清华炉 航天炉 备注吨醇煤耗 1552.3Kg 1486.3Kg 干煤吨醇氧耗 870.8Nm3 796.8Nm3以上比较的基础是相同煤种2. 煤浆（粉）制备2.1 干粉制备干粉气化采用干磨，原料煤在微负压条件和热惰性气条件下，原料煤在磨煤机中磨粉的同时被热惰性气体干燥，热惰性气由热风炉提供。惰性气体对煤粉进行吹扫并将煤粉夹带出磨煤机，同时将蒸发出来的水分带走。惰性气体和煤粉在煤粉袋式过滤器中分离后，进入循环风机加压，部分气体放空，剩余部分通过热风炉加热后循环使用。如果煤中的水分过高，则必须采用两级干燥进行。对于此项目项目，煤

7、中水分为 14.75%，采用一级干燥即可。研磨后的干煤粉含水量一般控制在 2%左右，粒度要求大于 90 微米的小于 10%、小于 5 微米的小于 10%。干粉制备主要消耗的物料有燃料气、工厂空气、氮气和电。根据经验，制备一吨干煤粉的电耗为 30KW（根据煤种不同会有所不同），燃料气耗一般根据煤的含水量不同而不同，如 1 吨含水量为 14.75%的煤种，在干燥时需消耗的能量为 1000（0.1475-0.02）26700.7=486321KJ（燃料气能量利用率按 70%计）。4干粉气化一般利用液化气、天然气、工厂废气或粗煤气燃烧产生热量进行干燥,如利用粗煤气进行干燥，则烘干 1 吨含水 14.7

8、5%的煤，约需消耗粗煤气 38.78m3（粗煤气热值按照 12540KJ/Nm3）。干燥时温度控制非常关键，如果温度过高，极有可能发生燃烧、爆炸的事故。2.2 水煤浆制备水煤浆气化采用湿磨，原料煤通过煤称重给料机和水、添加剂一起加入磨煤机，磨机采用溢流式，合格的煤浆从磨机的出口流出，煤浆浓度一般为 60%68%。煤浆浓度一般和煤的内水有关，煤的内水越低，成浆性能越好，煤浆浓度越高。水煤浆制备主要消耗的物料有水、添加剂和电。添加剂的种类、添加量与煤种、水煤浆浓度，粒度等因素有关，通常通过试验确定，添加剂的加入量一般为煤浆量的 0.10.3 。根据经验，制备一吨水煤浆的电耗为 10 KW（根据煤种

9、不同会有所不同）。制浆用水可以采用工厂难以处理的废水。表 2 煤浆（粉）制备比较表项目 清华炉 航天炉 备注主要消耗 吨浆电耗 10KW，折吨粉电 吨粉电耗 30KW，折吨醇电耗 煤浆浓度 66%5耗 15.2KW，折吨醇电耗23.6KW42.8KW 计不需烘干 吨煤干燥耗能 486321KJ 含水 14.75%吨浆添加剂 13Kg 不需添加剂安全性 水煤浆制备是在常温常压下操作，安全可靠性高。粉煤制备是用可燃气体燃烧加热惰性气体来加热煤粉，挥发份易挥发，容易发生自燃、爆炸事故已经投运干粉气化发生过该类事故环保 无废气排放 有废气排放节水 可利用废水 将煤中的水烘干，需在后工段以蒸汽或锅炉水的

10、形式补充3. 煤粉（浆）的加压和输送3.1 干粉的加压和输送如下图所示系统为干粉比较常用的一种加压输送简图，一个煤粉系统给多个煤粉烧嘴供料。来自干粉制备系统的煤粉首先进入煤粉储仓，然后进入煤粉锁斗，经加压后进入煤粉给料仓，煤粉锁斗和煤粉给料仓的排气进入煤粉装料袋滤器，其收集下来的煤粉再排入煤粉储仓。煤粉给料仓的下部有锥形的充气锥，通过高压氮气或二氧6化碳气对充气锥进行充气，高压氮气（或二氧化碳）的流量和压力必须进行严格控制。干煤粉输送过程中主要消耗的物料为高压氮气（或二氧化碳）和低压氮气，高压氮气（或二氧化碳）由氮气（或二氧化碳）压缩机提供。氮气（或二氧化碳）必须加热至 90以上。目前航天炉压

11、力最高为 4.0MPa，要求用高压氮气（或二氧化碳）输送，输送密度一般为 350400Kg/m3，从国内运行的经验来看，吨醇输送气电耗约 80KW（和煤种有关）。为保持煤粉输送的稳定性，煤粉输送管线需采用蒸汽伴热。一般采用 0.5MPa 的低压蒸汽进行伴热。煤粉管线伴热吨醇耗蒸汽约 186Kg。73.2 水煤浆的加压和输送来自煤浆制备的水煤浆进入煤浆槽，煤浆槽中的水煤浆通过煤浆搅拌器的搅拌保持悬浮，煤浆通过高压煤浆泵加压，进入水煤浆烧嘴。煤浆输送主要通过煤浆泵进行输送，如采用 6.5MPa 气化，水煤浆压力一般为7.0MPa，吨氨电耗一般为 5KW 左右。表 3 煤粉（浆）的加压和输送比较表项

12、目 清华炉 航天炉 备注吨醇输送气电耗约80KW航天炉压力4.0MPa；清华炉气化压力 6.5MPa主要消耗 吨醇电耗一般为 5KW煤粉管线伴热吨醇耗蒸汽约 186Kg高压氮气需加热至 90稳定性 水煤浆采用泵加压输送，稳定性好，流量测量成熟，可以实现氧煤比自调粉煤采用高压气密相输送，流量稳定性差，测量难度大； 操作性 采用变频调节，操作简单，可以实现氧煤比的自调采用锁斗方式，需操作煤粉储仓、煤粉锁斗、煤粉给料仓的料位，依靠煤粉给料仓下部锥形充气锥的充气量来调节入炉煤粉量，操作难度大，不能实现氧煤比的自调。维修 水煤浆泵维修量小 航天炉由于采用锁斗进料方式，经常进行充压、泄压操作，对阀门、管道

13、的磨损较大，有些厂家还出现过煤粉锁斗复合板开裂、充气锥破损等事故，维修工作量大无废气排放 煤锁泄压时有废气排放环保无辐射源 煤粉测量采用射线仪表，有辐射84. 进入气化炉的氧气和蒸汽4.1 干法气化的氧气和蒸汽对于 4.0MPa 干法气化，气化炉必须加入 4.8MPa 的过热蒸汽，过热蒸汽一般在氧气管线上加入，过热蒸汽在加入氧气管线之前必须经过过滤，以过滤蒸汽中可能携带的10 微米的锈皮颗粒。蒸汽的加入量一般为吨醇 120Kg 左右。为了避免蒸汽与氧气混合时发生冷凝，氧气也必须预热，氧气一般采用气化炉的锅炉水预热到 180。4.2 水煤浆气化的氧气和蒸汽水煤浆气化不需加入蒸汽，氧气从空分过来后

14、，不需任何处理直接加入气化炉。表 4 进入气化炉的氧气和蒸汽比较表项目 清华炉 航天炉 备注不需加蒸汽 吨醇耗蒸汽 120Kg主要消耗氧气不需预热 氧气需要预热至 180操作性 只需控制 O2/C 比 需控制 H2O/O2 比和 O2/C 比，还需控制氧气和蒸汽的温度95. 气化炉5.1 航天炉航天炉的水冷壁采用水冷盘管结构，在水冷壁和气化炉外壳之间的环隙中充有惰性气体。从汽包来的锅炉水进入循环泵，加压后先送入氧气预热器加热氧气，出氧气预热器的锅炉水分四路进入气化炉水冷壁盘管，出盘管的汽液混合物进入汽包进行汽液分离，蒸汽送入管网，锅炉水进行循环。气化炉的烧嘴装在气化炉的顶部中心位置，三条煤粉输

15、送线分别进入同一个工艺烧嘴，氧气和过热蒸汽混合后也送入工艺烧嘴，煤粉、氧气和蒸汽在气化炉内进行反应，未反应的炉渣和粗煤气一起通过渣口进入气化炉激冷室。气化炉内主要是依靠炉渣来保护水冷壁，水冷壁的产气量直接和炉渣的厚度有关。由于水冷壁采用盘管结构，流动阻力大，锅炉水循环泵的扬程很高。航天炉的煤粉通过三条煤粉管线进入气化炉烧嘴的三个煤粉管，在气化炉内形成旋流。氧气经预热后和一定比例的蒸汽混合后进入气化炉，炉内轴向温度梯度为上部高，下部低。对于液态排渣的气化炉，渣口的温度应保持在灰熔点以上，渣口温度的高低是决定渣口压差大小的主要影响因素，也是气化炉能否正常排渣的关键。对于这种气化炉，由于煤粉出烧嘴的

16、速度较低，一般10m/S，所以其燃烧火焰短，气化炉轴向温度梯度大。要保持气化炉正常排渣就必须首先提高氧煤比以提高气化炉上部的温度，从而提高渣口温度。从航天炉的实际运行来看，如果入炉煤的灰熔点超过1450，炉顶温度将会很高，很容易造成气化炉上部烧坏。因此航天炉在掺烧高灰熔点煤时需要添加石灰石控制入炉混煤的灰熔点在 1450以下。见：卢正滔, 姜从斌, 朱玉营. 航天粉煤加压气化装置运行情况及煤种适用性分析. 氮肥技改, 2012 年第 4 期, 1-85.2 清华炉清华炉的水冷壁采用垂直管结构，水循环按照自然循环设计，运行时按照强制循环运行。从汽包来的锅炉水进入锅炉水循环泵，加压后进入水冷壁，出

17、水冷壁的锅炉水进入汽包进行汽液分离，蒸汽送入管网，锅炉水经锅炉水循环泵加压循环，由于水冷壁采用垂直管结构，与盘管结构相比长度大大缩短,阻力很小，所以锅炉水循环泵的扬程较低。10水冷壁和气化炉外壳之间的环隙中充有干燥气体，气化炉的烧嘴装在气化炉的顶部中心位置，一条煤浆管线和氧气一起送入工艺烧嘴，水煤浆和氧气在气化炉内进行反应，未反应的炉渣和粗煤气一起通过渣口进入气化炉激冷室。清华炉的水煤浆通过一条煤浆管线进入气化炉烧嘴，氧气同轴通过烧嘴的另外两个通道进入气化炉内。为保证煤浆的充分雾化，氧气和煤浆出烧嘴必须保证具有一定的速率。一般不小于 100m/S，出烧嘴的火焰具有一定长度，为保证顺利排渣，在需

18、要提高渣口温度时，只需适当加大中心氧，将火焰拉长减小气化炉的轴向温度梯度即可，而不需要增大氧煤比。根据实际运行来看，水冷壁清华炉已经完成了入炉煤灰熔点为 1520的工业试验，实际运行证明气化炉操作稳定，排渣顺畅。尽管水冷壁清华炉还没有进行更高灰熔点的煤的工业试验，但从炉内流场和运行条件来看，更高灰熔点的煤运行也不会存在问题。相对于干粉来说，水煤浆工艺烧嘴由于有中心氧，同干粉火焰相比，水煤浆的火焰拉伸长，气化炉沿轴向温度梯度比干粉小，如果要提高气化炉的渣口温度，水煤浆气化比干粉气化更容易实现，因此水煤浆气化技术比干粉气化技术更容易气化高灰熔点煤。 表 5 气化炉比较表项目 清华炉 航天炉 备注气化压力 6.5MPa 4.0MPa水冷壁结构 垂直管结构 盘管结构安全性 可以实现自然循环，不容易烧坏不能实现自然循环，会出现汽液分层，容易烧坏保护气 一台 3200mm 气化炉需要密封气 300Nm3/h一台 3200mm 气化炉需要密封气 1000Nm3/h灰渣比 气流床液态排渣，灰渣比为2:8气流床液态排渣，灰渣比为5:5灰熔点 最高 1520 最高 1450有效气含量8083 8090（和输送气有关）投资系数 1 1.8