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1、大型现代煤气化工艺简评唐宏青中科合成油技术有限公司北京100195摘要：本文讨论了水煤浆气化的过去、现在与未来，对Shell煤气化工艺作了定位，以及对GSP气化技术的发展寄予希望。关键词：大型，煤气化，工艺0序在目前国内流行的煤气化技术有十几种，气流床是大型煤气化技术的主流，主要是大家熟悉的Texaco水煤浆气化(亦称GE气化)、Shell粉煤气化和GSP粉煤气化三种。这些气化技术都有一定的业绩，在中国争夺市场。现在他们正处于十字路口，未来会有什么变化？1 水煤浆气化的过去、现在与未来近日统计，在国内已建和在建的约300多台新型气化炉中，水煤浆气化炉约占70%以上，估计其投煤能力将达40000
2、 kt/a，见表1。因此可以认为，水煤浆气化技术是我国当前煤气化技术的主流。表1国内已建和在建的新型气化炉气化炉类型台数投煤量 吨/天用途运行情况碎煤加压气化炉33130700氨/甲醇/城市煤气/合成油正常GE水煤浆气化炉573001500氨/甲醇/氢正常多喷嘴气化炉405002000氨/甲醇/氢正常多元料浆气化炉1034001100氨/甲醇/氢/合成油正常熔渣 - 非熔渣气化炉183001500氨/甲醇正常壳牌干粉煤气化炉239302800氨/甲醇/氢部分正常航天炉257501500甲醇在建、试运行二段炉41000-2000甲醇/IGCC在建GSP-科林915002000氨/甲醇在建、试运行
3、灰融聚气化炉23100200氨部分正常恩德炉7150600氨/燃料气正常在目前国内的水煤浆气化技术中，主要有四种形式，即原德士古气化、多元料浆气化、四喷嘴气化和熔渣 - 非熔渣气化技术。从原理上来说，这四种形式基本上是一致的，即属于“下喷式气流床激冷流程”。区别在于原料不同、喷嘴的方向和位置、数量不同等。 在讨论这个问题的时候，我们经常听到这样的声音：这里存在知识产权的纠纷，许多人避而不谈这个问题。 其实，我们不应该回避。只要我们把这种“下喷式气流床激冷流程”在中国发展的历史和这个工艺的本质解剖清楚，我们就可以明确地回答是否侵权问题。1.1 “下喷式气流床激冷流程”的发展历史 “下喷式气流床激
4、冷流程”在我国已有40多年历史。气化原料先后有重油、渣油、沥青、石油焦、水煤浆、粉煤等多种形式。用粉煤作原料后，气化炉壁由耐火砖变成盘管，投煤量在5002000 t/d之间。1.2 流程技术从20世纪60年代中期引进重油气化开始至今已40多年。这种“下喷式气流床激冷流程”，包括喷嘴、在钢壳中用耐火砖砌成的气化室、由激冷环喷水冷却的激冷室、文丘里洗涤、碳黑水洗涤塔共五个主要部分(见图1)，在中国已经成为公知技术。根据当时中国的政策，引进技术是一次买断的，在国内不存在专利保护。“下喷式气流床激冷流程”的流程技术，已经属于国家。根据现在的专利法，这个技术的专利时限早已过去，因此在流程技术上已不存在专
5、利保护。图1 水煤浆气化工艺流程1.3 技术关键 上述“下喷式气流床激冷流程”的五个主要技术部分中，前三者形成一个气化炉，后两者是独立设备。从各专利商提供的设备来看，喷嘴的结构是各不相同的，喷射方向也各异，这就是专利所在，其它四个部分都是常规设备，大体相同，如果有区别，也是很微弱的，没有什么奥妙所在。专利商可以有细节上的专利，但用户可以不用这些专利也不影响大局，因此，各专利商的专利权限主要在喷嘴上，不是炉体。1.4 原料的变迁 从重油变到水煤浆，专利商从蒙特卡蒂尼变到德士古，流程没有变化，原料变化了又形成新的专利，这说明原料可以成为专利权限。因此，现在从水煤浆变成多元料浆，或者在水煤浆中加入别
6、人没有加入的添加剂，专利权限也因此而改变。显然，这个专利被破解是很容易的。1.5 水煤浆气化的未来水煤浆气化需要低灰融点的原煤，成浆性也要有一定的要求，水份在气化炉中蒸发升温和反应，消耗大量的氧气和碳元素，因此能耗较高。这个技术已经很成熟，尽管喷嘴五花八门，但早已为各厂商掌握，只是手法不同。随着干煤粉为原料的“下喷式气流床激冷流程”出现，只是在气化炉炉体由耐火砖变为冷却盘管等组成的冷壁，采取熔渣挂壁的办法，冷却盘管可以水进水出，也可以水进汽出。这个技术也已经公开，似乎没有发生专利纷争的事件。其后几乎性质一样的同类技术如东方炉等的出现，也可能会出现南方炉、西方炉、北方炉等干煤粉“下喷式气流床激冷
7、流程”，成为大型煤气化技术的主流。由于其对煤种的适应性很大，5年内取代水煤浆气化将成为可能。这意味着：(1)新的水煤浆气化炉签约合同明显减少；(2)现有的水煤浆气化炉逐步改造成干煤粉冷壁炉，即使还用水煤浆作原料，煤种可以变宽，灰熔点可以提高。1.6 不可抗拒 时代在进步，成熟的技术被新技术淘汰，水煤浆气化也在其列。 从事水煤浆气化的研究部门，改变研究方向，转向研究干煤粉气化，对炉体和喷嘴进行改进，这是大势所趋。2Shell煤气化工艺的定位2.1Shell煤气化过程是先进的技术Shell煤气化过程是在高温加压下进行的,是目前世界上较为先进的第二代煤气化工艺之一。Shell煤气化属于气流床气化，煤
8、粉、氧气及水蒸汽在加压下并流进入气化炉内,在极短时间内完成升温、挥发分脱除、裂解及部分氧化等一系列物理和化学过程。Shell煤气化过程包括煤粉输送、多喷嘴下置式气化炉、气体冷却器(废热锅炉)、陶瓷除尘器、激冷气循环压缩机、煤气洗涤塔等设备。Shell煤气化工艺流程见图2。Shell煤气化工艺的控制系统比较先进，特别是入炉煤粉流量的控制比较稳定，有效地保持气化炉内反应的均衡性，使炉内的温度衡定。图2Shell煤气化工艺流程简图2.2发展历程1972年壳牌公司开始发展煤气化技术，在阿姆斯特丹研究院(KSLA)进行煤气化技术研究；1976年,用煤气化工艺(SCGP)建立一座处理煤量为6t/d的试验厂
9、；1978年,在汉堡附近的哈尔堡炼油厂建设一座处理煤量为150t/d的工厂，至1983年累计运行了6100h。1987年,壳牌公司在美国休斯顿附近的eerark石化中心建设了一座SCGP 1的示范厂；进煤量为每天250t高硫煤或每天400t高湿度、高灰褐煤； 1988年,荷兰国家电力局决定Demkolec公司在南部的BuGGenun兴建一座253的煤气化联合循环发电厂，日处理2000t煤、气化压力为2.8MPa，1993年底试车,到2001年, 气化装置运转率在95%以上, Shell公司开始向市场推出壳牌气化工艺。从1972年开始到2001年商业化，Shell工艺的开发经历29年。2.3Sh
10、ell 煤气化工艺的本质 Shell 煤气化工艺原创的本意是用于发电，是IGCC工艺的主体。发电与化工是有区别的，发电用的是煤的能量，因此气化炉的能力是以兆瓦计算的。在IGCC的Shell 工艺中，煤的能量一部分直接转化为中压水蒸汽，另一部分能量转化为可燃气体CO、H2、CH4，然后进行燃烧取得能量，最终产品为CO2和水蒸气。因此，Shell 煤气化工艺的目的是为了获得能量。显然，煤气化后应该采用废热锅炉来达到这个目的。化工煤气化的本质是获取化工物质，主要是以合成气CO、H2和水蒸汽为主的化工物质形态。为了后续的化学反应需要，这三种物质要保持一定比例，在此基础上，适当利用这三种物质具有的能量。
11、显然，煤气化后应该采用激冷流程来达到这个目的。从以上分析可知，废热锅炉流程主要用于发电，激冷流程主要用于化工。在推广Shell工业时，只算气化单元的能耗，没有算全流程的总账，过分强调回收中压蒸汽，忽视能位不高及合成气中还要补充蒸汽的事实，是误导化工行业的主要原因。2.4Shell煤气化工艺在中国推广的成就应该说，Shell煤气化工艺在中国推广的力度非凡，设计院在推广过程中竭尽全力。近年来国内引进的Shell废锅流程，已经在线生产和在建的有23台，按照投煤量分三个档次，1000 t/d等级的有4台，2000 t/d等级的有12台，2400-2800 t/d等级的有7台。从目前国内开车的情况来看，
12、1000 t/d档次的工艺运行得比较好，据称已经达到设计能力，主要表现在年运行时间在7200小时至8000小时，年投煤负荷在90-100。从设计角度在说，可以说是基本上达到设计要求。2000 t/d档次的两台运行得不尽人意，主要是没有达到设计能力，主要表现在年运行时间在6000小时左右，与国外原版Shell气化炉差不多，年投煤负荷在70-80。从化工设计角度来说，可以说是尚未达到要求。2400-2800 t/d档次的数据没有公布，或者说没有测定或不具备测定条件，因此不能认为已经达到设计能力。目前有的部门特别是外资企业存在误区，它们以为国内的批评是针对气化炉运行周期短，因此想方设法来证明气化炉没
13、有问题。其实，国内批评的意见很明确的，是流程不合理造成的投资巨大，并非是气化炉运行周期短。整个流程运行周期短的原因是多方面的，这是煤气化后续流程太复杂造成的，规模越大，越容易出问题。国内的工厂各自作了总结，停车的原因是多种多样的。很难找到一个具体的原因，各生产厂在这方面作了大量的工作，现在运行率在不断上升。我们认识到，运行周期短是新气化技术开始运用的普遍问题，它是一个工程问题。其它气化方法也一样，需要一段时间摸索经验。这个规律在化工中是可以理解的，因为处理固体在化工中就是麻烦，更何况是压力比较高。要提高运行周期，应该简化气化炉后续流程，走激冷流程是理想的选择。简化气化流程以后，发生运行问题的可
14、能性就会下降，运转周期就会提高。如果再加上备用炉，运行期短的问题可以克服。2.5Shell煤气化工艺的软肋其实，影响Shell煤气化工艺在中国推广的原因是投资，这也是建设工厂的最基本指标。过去对这个问题的讨论已经见得很多，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2。表2不同后续流程投资的比较(不含空分)项目水平喷射式粉煤气化废
15、锅流程(Shell)水平喷射式粉煤气化双激冷流程( Shell未工业化)下喷式粉煤气化激冷流程(GSP)*投资比较150-170%120-130%100%* 西门子-宁煤的GSP、HT-L、CROLIN、东方炉中最低者从单套装置的数据来说似乎差别不大，仅几个亿而已，并不引起财大气粗的大国企关心。但是，目前在一些大型项目上，煤气化的系列数往往在10-30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。2.6能耗问题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。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。废锅流程可以用产生中压蒸汽的办法来回收干煤气热能，产生的蒸汽部
