各种气化炉工艺比较

煤制合成气技术比较

作者/来源：陈英1，任照元2(1.兖矿鲁南化肥厂，山东滕州277527；2.水煤浆气化及煤化工国家工程研究中日期：2009-1-13

Texaco水煤浆气化、Shell粉煤加压气化和GSP气化技术都是典型的洁净煤气化技术，各有特点，各企业在改造或新建时应根据煤种、灰熔点、装置规模、产品链设定和投资情况进行合理选择。下面就上述气化技术及其选择和使用情况进行分析和评价，供大家参考。

1 Shell气流床加压粉煤气化

该工艺在国外还没有用于化肥生产的成功范例。中石化巴陵分公司是第一家引进该技术用于化肥原料生产的厂家。到目前为止，国内已先后有18家企业引进了此项技术(装置)。但该工艺选择的是废锅流程，由于合成原料气含有的蒸汽较少，3.0MPa下仅为14％；因此用于生产合成氨后续变换工序要补充大量的水蒸气，用于甲醇生产也要补充一部分水蒸气于变换工序，工艺复杂，也使系统能量利用不合理。湖北双环科技股份有限公司是第一家正式投运的厂家，于2006年5月开始试车。据反映，试车期间曾发生烧嘴处水冷壁烧漏，输煤系统不畅引发氧煤比失调、炉温超温，渣口处水冷壁管严重腐蚀，水冷液管内异物堵塞和烧嘴保护罩烧坏等问题。

引进该技术的项目投资大。2006年5月贵州天福与Shell签约，气化岛规模为每小时

17.05万m3CO+H2，投资9.7亿元人民币，为同规模水煤浆气化岛投资的1.8倍。气化装置设备结构复杂，制造周期长。气化炉、导管、废锅内件定点西班牙、印度制造，加工周期14～18个月，海运3个月；压力壳可国内制造，但材料仍需进口，周期也较长；设备、仪表、材料的国产化率与水煤浆气化相比差距比较大。建厂时间长(3～5 a)，将使企业还贷周期长，财务负担加重。2001年与Shell签约的中石化巴陵分公司、湖北双环、柳州化工股份有限公司只有双环于2006年5月试车；2003年与Shell签约的中石化湖北化肥分公司、中石化安庆分公司、云天化集团公司、云维集团沾化分公司只有安庆于2006年10月开始煮炉。

笔者认为：Shell气化装置没有化工生产成熟应用为依托，消化掌握需要经历较长时间。陕西渭化集团300 kt／a合成氨装置引进前，国内虽已有鲁南化肥厂Texaco气化炉使用经验，但从1996年建成试车至2000年，也历经了5a才达到300kt／a的设计能力。因此，估计Shell

气化技术的消化、吸收和达产历程也是漫长的，不会比当年Texaco气化耗时短。可见，盲目跟风引进无异于高价为Shell做工业应用的大规模示范，实际风险较大。

2 GSP气流床加压粉煤气化

自2005年以来，有宁夏煤业集团公司、安徽淮化集团公司、江苏灵古化工股份有限公司3家与德国未来能源签约引进GSP气化技术。该技术主要技术指标与Shell气化基本处于同一水平，投资介于Shell与水煤浆气化之间。其主要区别是：Shell是多喷嘴对置装于侧壁，采用合成气上行废锅流程；而GSP是单嘴顶喷，采用合成气下行激冷流程。由于GSP采用的是激冷流程，更适合于化工生产，因此被不少专家看好、推荐。该技术同Shell技术类似，没有成功的粉煤气化应用实例参考，存在较大的风险，谁先引进就等于谁为GSP进行工业示范。由于多种原因，淮化、灵谷与未来能源签定的引进GSP合同已暂停执行，并转向寻求水煤浆气化技术。因此，选用此项技术更需谨慎。

3 水煤浆气化技术

3.1 Texaco水煤浆气化技术

Texaco气化炉以浓度60％的水煤浆为原料，单嘴顶喷，耐火砖热壁，激冷流程为主，在我国20世纪80年代末引进此技术时，国际上已有美国冷水IGCC电厂、伊斯曼CO羰基合成化工厂、日本宇部合成氨厂等4套工业装置运行。

20世纪80年代末，鲁南化肥厂首次引进Texaco水煤浆气化技术用于生产合成氨。该项目由原化工部一院详细设计，国产化率达到90％以上，1993年建成试车，1995年年产量超过设计水平，而后较快地将负荷提到130％以上并稳定运行，单炉最长连续运行130多天，年运转率90％。

投运后的前6 a年平均运行时间为326.8d(日本宇部前6a平均为327d)，曾创双炉无备车、每台炉平均年运行306 d的成绩。1995年获国家科技进步一等奖，是国家对国内在Texaco气化工程设计、设备国产化、操作管理等方面消化吸收改造所取得的卓越成效的肯定。在鲁南化肥厂的成功示范，使Texaco水煤浆气化技术在我国进一步推广，揭开了我国洁净煤气化的序幕。目前我国采用该技术的在运行装置有24台，在建装置10台。

3.2 四喷嘴对置式新型气化炉

该类型水煤浆气化炉的开发是国家“九五”重点攻关课题，由兖矿鲁南化肥厂、华东理工大学共同完成中试研究，取得了多项发明专利，经有关部门考核、鉴定和验收，认为是“填补国内空白”和“国际领先”。“十五”期间进入工业示范阶段。在华鲁恒升和兖矿国泰建设的3台炉子已进入正常工业运行，目前在建的炉子有7台。

3.2.1 华鲁恒升气化装置运行情况

华鲁恒升大氮肥国产化项目气化部分同时建有3台水煤浆气化炉，均为750t／d，压力

6.5MPa，2开1备，其中1台为四喷嘴对置式新型气化炉，于2004年12月1日一次投料成功，2005年6月2日正式运行。至2006年7月，四喷嘴气化装置累计运行5 800多小时，相当于年运转率6

7.85％，高于另外2台炉子的平均运转率，单炉最长运转时间为1 380h。2006年3月国家组织对大氮肥国产化项目现场考核，气化装置碳转化率为99.9％，有效气成分含量高于84％，渣中含碳量＜5％。该气化装置较相同规模的Texaco水煤浆气化装置每天多创效益5万元。华鲁恒升大氮肥国产化项目获2006年化工行业科技进步特等奖。

3.2.2 兖矿国泰气化装置运行情况

兖矿国泰与华东理工大学共同承担“十五”国家“863”项目——多喷嘴对置式水煤浆气化技术工业装置及配套工程，采用2台1 150t/d、压力4.0MPa的四喷嘴气化炉，配240 kt／a甲醇，7.18万kW联合发电，供200 kt／a醋酸装置。气化炉2005年7月2日一次投料成功，10

月16日正式运行，单炉最长连续运行时间超过1 650h。2006年(截至11月15日)开工率为96％，2006年生产甲醇230kt，醋酸170kt。

2005年12月11日该项目通过了“十五”国家高技术研究发展计划重大课题“新型水煤浆气化技术”千吨级工业示范装置“863”项目专家的现场考核。

3.2.3 与Texaco气化技术主要数据比较

国内四喷嘴气化技术与Texaco气化技术主要数据比较见表1。

由表1数据分析：①鲁化Texaco、国泰四喷嘴、鲁化粉煤中试均使用北宿水洗煤，可比性较强，国泰四喷嘴主要技术指标介于Texaco水煤浆气化与粉煤气化中间，比Texaco有较大提高；

②华鲁恒升Texaco炉与其四喷嘴炉也都使用同一煤种——神府煤煤浆，比较结果趋势也同上，且更明显；③华鲁恒升Texaco、上海焦化Texaco、渭化Texaco使用相同或相近煤种，其主要气化数据处于同一水平，说明水煤浆气化技术已很成熟，各厂掌握较好。

四喷嘴水煤浆气化装置与国外水煤浆气化技术相比，其技术特点和优势主要有以下几点。

①国泰四喷嘴气化炉与鲁化Texaco炉同期运行数据比较，有效气成分含量提高2％～3％，CO2含量下降2％～3％，碳转化率提高2％～3％，比氧耗降低7.9％，比煤耗降低2。2％。

②气化炉负荷可调范围大，适应能力强，有利于装置大型化。

③复合床洗涤冷却液位平稳，有效避免了Texaco炉激冷室液位波动，带水带灰问题；粗合成气与黑水温度比Texaco低10℃，说明其传热、传质效果好。

④分级合成气初步净化节能、高效、压降小、分离效果好。

⑤渣水直接换热优于Texaco间接换热，蒸发热水塔出气温度与灰水温差仅4℃，克服了间接换热设备易结垢堵塞问题，也提高了换热效率(Texaco闪蒸汽冷凝器两相最大温差为60℃)；

⑥技术转让费仅为Texaco的1/3左右。

3.2.4 与Texaco气化岛投资比较

参照天辰公司对金陵和国泰气化岛投资估算进行比较(见表2)，其中金陵Texaco气化炉3台，日耗煤1 200t，压力4.0MPa；国泰四喷嘴气化炉2台，日耗煤1 150t，压力4.0MPa。

比较发现，在产气量基本相同的情况下，如不计软件费，单台四喷嘴炉多投资700～1 000万元。日产有效气360万m3 Texaco气化炉(2+1台运行方式)的软件许可费为4 600万元，软件费和服务费以800万元计，总计5 400万元，折合单台费用1 800万元。四喷嘴的软件费用以Texaco 气化炉1／3计，单台折600万元。比较两种炉的总投资，四喷嘴气化炉比Texaco气化炉每台少200～500万元。

3.2.5 与Texaco气化炉维修费用比较

在气化炉同处正常工业运行阶段，参照鲁化Texaco炉经验估算，两种炉子的年维修费用比较见表3(主要项目比较)。可以看出，四喷嘴气化的年维修费用比Texaco气化稍高些。

3.2.6 四喷嘴气化炉的拱顶砖寿命

在四喷嘴气化炉投入示范运行后，所遇到的问题基本上在鲁化的Texaco炉运行初期也都遇到过，有经验和规章可循，只有拱顶砖寿命短、蚀损快是新问题。

华鲁恒升四喷嘴炉运行至2006年1月更换拱顶砖，累计运行3 200 h。提前更换的另一因素是为了和另2台Texaco炉换砖时间错开。国泰B#气化炉运行1 178h(49 d 2h)因拱顶封头超温和砖蚀损严重更换；A#气化炉也在运行700多小时后对拱顶砖进行了更换。

通过分析对比鲁化粉煤气化中试、华鲁恒升、国泰3套装置的设计、运行数据(参见表4)；进行实验室冷模、热模；试验炉子上部空间轴线速度分布，四流股对撞后到达顶部的时间和火焰上升的高度等等；将有些数据和Texaco炉进行对比，认为国泰四喷嘴气化炉拱顶砖蚀损快的主要原因是炉子上部的高径比较小、喷嘴氧初速较高、上升流股冲击和高温影响所致。

通过大量的分析对比和实验研究，认为喷嘴氧初速应控制在100m／s左右，上部空间应加长1 300mm，使炉子上部的高径比由原来的1.04调整为≥1.61。

国泰四喷嘴气化炉的筒体壁热面砖总厚度为235mm，经过6 000余小时的运行，最严重蚀损处的蚀损厚度仅为50～60 mm，按剩余80turn更换，则寿命可达16 000h(667d)；其锥底砖情况也远优于Texaco炉的锥底，寿命超过10 000 h。

3.2.7 其他问题

(1)四喷嘴炉的炉径、炉长问题

任何1台气化炉的喷嘴、炉径、炉长都是与设计负荷相协调的，在一定的生产负荷范围内，对撞流股现场的流场、温度场与炉子的空间必须是处于较理想的匹配状态才能获得优化的气化效率和理想的耐火砖寿命。

四喷嘴炉与Texaco炉气化室停留时间分别为8s与3～5s，其微粒停留时间分布分别为0.2～3s与0～3s。Texaco炉的停留时间偏短，微粒有短路，故气化效率受到一定影响；GSP炉也有这个问题。现GE已调整了Texaco气化炉的炉径、炉高，如近年的φ3.2m／φ3.8m炉型。

(2)喷嘴的制造与组装要求和炉壁面砖问题

四喷嘴炉的喷嘴在设计、制造、安装等方面的要求与Texaco气化炉无差异。四喷嘴气化炉在化工试车初期曾发生过的问题，如烧嘴头部烧损、烧嘴室耐火砖烧损等，主要是烧嘴三通道环隙安装误差太大，有的部位内外嘴已靠在一起，环隙成了月牙形，火焰严重偏烧。但实验证明，四喷嘴整体安装只要偏差小于4°，对对面砖无影响。

4 结论

通过分析对比及四喷嘴炉的示范运行，我们对国内自主开发有完全自主知识产权的炉型有了充分的信心。认为：四喷嘴气化炉是已经成熟的炉型，在水煤浆气化领域具有国际领先的技术水平。对比几种炉型，四喷嘴气化炉更适用于煤化工的生产，因此笔者全力推荐这一炉型。