第一篇：對GSP干法粉煤加壓氣化工藝技術(shù)的評述

對GSP干法粉煤加壓氣化工藝技術(shù)的評述

作者/來源：章榮林（中國天辰化學工程公司，天津 300400)日期：2007-3-6

近來我國繼Shell煤氣化熱以后，又掀起了一陣GSP煤氣化熱，主要是由甲醇熱和煤化工熱引起的，化工界都在致力于尋找一種十全十美的潔凈煤氣化新工藝技術(shù)，國外煤氣化的專利商也都來中國尋求商機，來華推銷各自的煤氣化技術(shù)。

GSP干法粉煤加壓氣化工藝技術(shù)是1979年發(fā)展起來的，1979年前民主德國燃料研究所在弗來堡建立了一套熱負荷為3MW的煤氣化中試裝置，氣化爐內(nèi)有耐火材料襯里。1996年又建了一套熱負荷為5MW的煤氣化中試裝置，氣化爐采用水冷壁。曾試燒過各種不同原料和煤種。1984年在黑水泵市建立了一套熱負荷為130MW的氣化裝置，氣化爐內(nèi)有水冷壁內(nèi)件，每天投煤量為720t褐煤，產(chǎn)氣量為50000 m3/h，是一套商業(yè)性示范裝置，用以生產(chǎn)燃料氣，氣化操作壓力為2.8MPa，操作溫度為1400℃。1984~1990年采用褐煤為原料氣化，約有6年氣化褐煤的經(jīng)驗。1990~1992年氣化天然氣，1992~1994年氣化煤油，后來又氣化過城市垃圾、工業(yè)廢物、焦油等物料，主要是氣化焦油。從1998年開始氣化焦油，生產(chǎn)出來的煤氣與固定層氣化爐生產(chǎn)出來的煤氣聯(lián)網(wǎng)，用以生產(chǎn)甲醇和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）。這套裝置至今尚在正常運行。2001年在英國建成了一套GSP氣化裝置，用以處理化工廠排出的含氯廢水，液態(tài)供料，氣化爐熱負荷為30MW，氣化壓力為2.9MPa，氣化溫度為1400℃，激冷型。2004年在捷克建成了一套GSP氣化裝置，進料為焦油，氣化爐熱負荷為140MW，氣化操作壓力為2.8MPa，操作溫度為1400℃，用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。GSP氣化工藝技術(shù)有氣化褐煤、焦油、天然氣、煤油、城市垃圾等用以處理廢料、生產(chǎn)燃料氣、發(fā)電、生產(chǎn)甲醇的經(jīng)驗。

1特點

⑴原料煤經(jīng)備煤、破碎后，用燃煤粉的煙道氣加熱干燥磨粉，干燥至煤粉中含水分＜2%（褐煤為8%~10%），經(jīng)球磨機磨成粒徑＜0.2mm占80%以上的粉煤。如原料煤的灰熔點較高，可在磨粉時加入助溶劑混磨。干燥后的粉煤可用氮氣或二氧化碳氣經(jīng)煤鎖斗、加料斗送至氣化爐氣化。基本上與殼牌干法粉煤加壓氣化技術(shù)的煤粉制備系統(tǒng)相似。

⑵氣化爐采用單噴嘴、頂噴，底部排渣。噴嘴可采用組合式噴嘴。GSP爐與Shell爐一樣，正常時也要燃燒液化氣或其他可燃氣體，以便于點火、防止熄火和確保安全生產(chǎn)。

⑶氣化壓力可以在2.5~4.0 MPa之間，氣化溫度為1400~1600℃，比灰渣的流動溫度高100~150℃。為調(diào)節(jié)爐溫，需向氣化爐內(nèi)輸入蒸汽。

⑷氣化爐內(nèi)不襯耐火磚，爐內(nèi)設(shè)有水冷壁，水冷壁的向火面是碳化硅耐火材料涂層，涂層厚度為20mm，其外是水冷盤管組成的水冷壁，盤管上有密集的抓釘，用以固定碳化硅涂層。水冷盤管內(nèi)有水強制循環(huán)冷卻，水的壓力為4 MPa（應(yīng)高于氣化操作壓力），水溫250℃左右。循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中有一個廢熱鍋爐，副產(chǎn)0.5MPa低壓蒸汽。

⑸水冷壁外層與氣化爐內(nèi)徑間隙為50mm，間隙內(nèi)充以合成氣。氣化爐外殼有水夾套，用冷卻水循環(huán)冷卻，故氣化爐外殼溫度低于60℃。⑹氣化爐上部用大法蘭連接，便于安裝和維修內(nèi)件。水冷壁內(nèi)件僅在氣化室的底部加以固定，內(nèi)件頂部由氣化室和噴嘴頂部的導軌來支撐。

⑺氣化爐為激冷型，煤氣出氣化室后，在下部的激冷室內(nèi)以噴水激冷，使煤氣溫度降至200℃左右，并飽和水，然后去兩級文氏管洗滌除塵。

2優(yōu)點

⑴氣化爐內(nèi)不砌耐火磚，爐內(nèi)設(shè)置水冷壁，使煤氣化產(chǎn)生的溶渣在其表面冷卻后結(jié)成一層薄薄的固體熔渣層，達到以渣抗渣的目的。從其使用10年后的水冷壁外觀和內(nèi)側(cè)表面來看，還比較完好。

⑵已有氣化裝置的單爐投煤量為720t/d褐煤，水冷壁氣化爐的氣化室尺寸為Φ

⑶可采用點火與生產(chǎn)聯(lián)合的組合式噴嘴，開車時不需要更換噴嘴。

⑷噴嘴的結(jié)構(gòu)為給煤管末端與噴嘴頂端相切，在噴嘴外能形成一個相當均勻的煤粉層，與氣化介質(zhì)混合后，在氣化室內(nèi)進行氣化。所以給煤管出口到噴嘴頂端之間，只產(chǎn)生很小的熱應(yīng)力。

⑸由于采用水冷壁，氣化溫度才有可能提高，碳轉(zhuǎn)化率可達98%~99%。

⑹合成氣有效氣成分（CO+H2）高達90%以上。

⑺冷煤氣效率為80%~83%，與Shell法相同。煤氣化總熱效率與Texaco法相似。

⑻適應(yīng)的煤種較寬?？梢詺饣置?、煙煤、次煙煤、無煙煤、石油焦以及焦油。

⑼相同能力的氣化爐體積、直徑、高度都比Shell氣化爐要小。

⑽氧耗較低，比氣化水煤漿的氧耗低15%~20%。因此，配套的空分裝置產(chǎn)氧量可以減少，空分裝置的投資可以相應(yīng)降低。內(nèi)2000mm,爐膛高3500mm。

⑾氣化爐水冷壁的盤管內(nèi)有壓力為4MPa、溫度達250℃的水冷卻，在盤管內(nèi)不產(chǎn)生蒸汽，只在器外冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中副產(chǎn)0.5 MPa的低壓蒸汽。水冷壁壽命長，維修工作量小。

⑿氣化室氣化后的煤氣及熔融渣直接進入激冷室，用噴水激冷，并使合成氣飽和水，適用于煤化工后續(xù)工序的需要。

⒀據(jù)專利商介紹，氣化爐水冷壁的降溫效果為：在氣化室內(nèi)氣體及液態(tài)熔融渣溫度為1400℃左右。經(jīng)固渣層由1400℃左右降至500℃左右。經(jīng)碳化硅層由500℃左右到水冷壁表面降溫至300~400℃。水冷壁內(nèi)循環(huán)冷卻水溫在250℃左右。

⒁氣化爐外殼還設(shè)計有水夾套，用冷卻水進行循環(huán)冷卻，故外殼溫度低于60℃。

⒂GSP法有效氣(CO+H2)的消耗指標為：

比煤耗550～600 kg/km3

比氧耗330～360 m3/km3

比蒸汽耗120～150 kg/ km3

其消耗基本上與Shell法相似。缺點和存在的問題

⑴世界上目前采用GSP氣化工藝技術(shù)的有3家，但是現(xiàn)在都沒有用來氣化煤炭，在英國的那一套GSP氣化裝置，熱負荷為30MW，是液態(tài)供料，用以處理化工廠排出的廢水。在捷克的那一套GSP氣化裝置，熱負荷為140MW，是以焦油為原料氣化，用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。真正采用過以煤為原料氣化的，只有在德國黑水泵煤氣化廠的那一套裝置，熱負荷為130MW。這套裝置于1984年建成，氣化爐內(nèi)有水冷壁內(nèi)件，1984~1986年氣化褐煤和固定床氣化爐副產(chǎn)的焦油，1986～1990年氣化褐煤，達到滿負荷生產(chǎn)，約有6年氣化褐煤的經(jīng)驗。1990～1992年氣化天然氣達到滿負荷生產(chǎn)，1992~1994年氣化過煤油，1994～1998年氣化過污泥、焦油等。1998年開始氣化焦油等制甲醇和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）。此外，還有二套中間試驗裝置。即1979年建成熱負荷為3MW的中間試驗裝置，氣化爐為耐火磚襯里；1996年建成另一套熱負荷為5MW的中間試驗裝置，采用水冷壁氣化爐，那是用作煤種試燒的。GSP干法粉煤加壓氣化裝置，沒有長期氣化高灰分、高灰熔點煤的業(yè)績。只有6年氣化褐煤的業(yè)績。至于氣化其他煤種，只有短期試燒煤種的經(jīng)驗。雖然采用水冷壁氣化爐可以適當提高氣化溫度，但還是必須添加助熔劑才能實現(xiàn)氣化高灰熔點的煤。所以從使氣化爐能長期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)考慮，在煤種選擇上，還是應(yīng)該首選低灰分、低灰熔點的煤。

⑵煙道氣制備、煤干燥、磨制粉煤、用氮氣或二氧化碳氣氣動輸送粉煤是一套復(fù)雜而又龐大的系統(tǒng)，投資和動力消耗與Shell法相當，遠比水煤漿法的水煤漿制備系統(tǒng)大得多，絕非一般想像的那樣簡單。

⑶專利商介紹水冷壁壽命長，可以不需要備用爐。噴嘴壽命長，可用1年以上。但是，實際上還是需要檢查和維修的。尤其是噴嘴，一般每隔一個半月左右要停爐檢查一次。因此，作者認為應(yīng)該設(shè)置二套50%～75%生產(chǎn)能力的氣化爐系統(tǒng)比較可靠，才能長期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。⑷因為水冷壁與氣化爐外殼間隙小，為便于安裝和檢查維修水冷壁，GSP氣化爐在設(shè)計上考慮在爐頂部用大法蘭連接。從工程設(shè)計上考慮，為便于吊裝氣化爐頂蓋和水冷壁，在氣化爐框架上必須設(shè)大能力的起重吊車，或在框架旁預(yù)留大型起重機的位置和檢查維修水冷壁的位置。

⑸無論是用氮氣或二氧化碳氣氣動輸送粉煤，必須設(shè)高壓氮氣或二氧化碳氣壓縮機。

⑹與Shell法氣化一樣，為便于調(diào)節(jié)爐溫，需向氣化爐內(nèi)送入4.5 MPa的過熱蒸汽（壓力根據(jù)氣化壓力而定）。因此，需另設(shè)供應(yīng)4.5 MPa過熱蒸汽的系統(tǒng)。以日處理1000t煤的氣化裝置為例，每小時需供蒸汽8.5~10.5t。

⑺與Shell法氣化爐一樣，因采用水冷壁，氣化爐內(nèi)熱容量有限，而氣化爐的熱損失很大。同時，氣化爐是用氮氣或二氧化碳氣氣動輸送粉煤供料的。為便于開工點火，防止熄火和保證安全生產(chǎn)，在開工點火和正常生產(chǎn)時要單獨供一部分氧氣和液化氣或其他可燃氣體，但這部分液化氣或可燃氣的需要量是多少，是一個比較大的問題。有文獻記載，如燒液化氣，以一套日處理720t煤的氣化裝置為例，每小時要消耗777.7kg液化氣，即每天約消耗19 t液化氣，每噸液化氣按5000元計，每天要燒掉9.5萬元，一年就是2850萬元。如只在開工時燒液化氣，在正常生產(chǎn)時燒自產(chǎn)的煤氣，但供液化氣的設(shè)施和投資仍是必需的（如本廠或當?shù)赜刑烊粴饣蚱渌扇細怏w供應(yīng)的除外）。如正常生產(chǎn)時燒自產(chǎn)的煤氣，按熱值折算，每小時要消耗自產(chǎn)煤氣約3500 m3，每天約84000 m3，以煤價450元/t計，自產(chǎn)煤氣成本價約0.45~0.5元/ m3（包括氧耗、電耗、折舊、維修費、增加壓縮機、輔助設(shè)備及扣除副產(chǎn)等）每天要燒掉3.8~4.2萬元，一年就是1140~1260萬元。這筆費用是很可觀的。這是一個不能忽視的問題。專利商曾介紹正常生產(chǎn)時可以不燒液化氣或其他可燃氣體。作者認為專利商應(yīng)該詳細介紹黑水泵氣化廠6年氣化褐煤的經(jīng)驗，第一個問題是建GSP裝置時是否要考慮建兩套燃料供應(yīng)系統(tǒng)，即供液化氣系統(tǒng)和自產(chǎn)煤氣供應(yīng)系統(tǒng)；第二個問題是從安全生產(chǎn)考慮，正常時是否一定要點燃液化氣或其他可燃氣體，供應(yīng)量是多少，相應(yīng)的單獨供應(yīng)氧氣量是多少；第三個問題是要注意到粉煤供料是采用氮氣或二氧化碳氣氣動輸送供料，隨著粉煤入爐也會帶進大量惰性氣體入爐的因素；第四個問題是要注意到水冷壁氣化爐內(nèi)熱容量有限，且熱損失大的因素。

⑻激冷后合成氣的洗滌除塵系統(tǒng)，黑水和灰水處理系統(tǒng)，防止灰水系統(tǒng)結(jié)垢和灰水絮凝系統(tǒng)都是不可忽視的部分。如流程不暢也會影響整個氣化裝置的長期穩(wěn)定運行。

⑼與Shell氣化爐一樣，水冷壁氣化爐的熱損失比砌耐火磚的氣化爐要大，煤耗和氧耗應(yīng)該比理論上計算的要大。同時專利商和工程公司在做幾種氣化方案的比較時，所提出的煤耗和氧耗，往往忽略了采用同一種煤作對比，帶有片面性。

⑽已有的130MW氣化爐氣化室高徑比約1.7∶1，比較小，應(yīng)增加高度，至高徑比（2.5～3）∶1，以增加合成氣在爐內(nèi)停留時間。4總結(jié)

⑴激冷型的GSP干法粉煤加壓氣化工藝技術(shù)適用于煤化工制合成氨、氫氣、甲醇、合成氣等，但制氫、制甲醇、制合成氣必須采用以二氧化碳氣作為粉煤氣動輸送介質(zhì)。

⑵GSP氣化爐帶有水冷壁，適應(yīng)于在較高溫度下氣化較高灰熔點的煤種，但仍應(yīng)添加助熔劑進行氣化，煤耗和氧耗將有所增加。如當?shù)刂挥懈呋曳?、高灰熔點的煤，而且煤價低廉，可以采用高灰熔點的煤種。如當?shù)馗呋曳?、高灰熔點的煤價格不低，并且當?shù)赜帜懿少彽捷^低價的低含灰量、低灰熔點的煤種，應(yīng)做技術(shù)經(jīng)濟分析比較，合理選用，不應(yīng)局限于只選用高灰分、高灰熔點的煤種。

⑶水冷壁內(nèi)件的安裝和內(nèi)件吊出爐外的檢查維修，需要打開氣化爐頂蓋，從工程設(shè)計上考慮，必須在設(shè)備布置上留有頂蓋和水冷壁內(nèi)件落地檢查維修的場地和起吊設(shè)施。

⑷氣化爐頂蓋及水冷壁內(nèi)件吊裝檢查、燃料氣供應(yīng)系統(tǒng)、洗滌除塵系統(tǒng)、黑水與灰水處理系統(tǒng)、防止灰水系統(tǒng)結(jié)垢和灰水絮凝系統(tǒng)都是不可忽視的問題，在工程基礎(chǔ)設(shè)計和詳細設(shè)計中應(yīng)給以足夠的重視。

⑸GSP氣化爐的氣化室高徑比較小，應(yīng)增加高徑比，并增加合成氣在爐內(nèi)的停留時間。

⑹燃料氣供應(yīng)系統(tǒng)是開工點火、防止熄火和保證安全運行所必需的，但是正常生產(chǎn)時是否也必須保證供氣（包括供燃料氣和單獨供應(yīng)氧氣），供應(yīng)量應(yīng)該多少是一個不被人們重視的問題，但是對投資和操作費用的影響很大，專利商應(yīng)給予慎重考慮，向業(yè)主和工程設(shè)計單位介紹清楚。

⑺近來對幾種氣化方法的方案比較都帶有片面性，對比煤耗、比氧耗所做的對比，往往不是在同一個煤種、同一個氣化壓力條件下比較的，只是以各專利商的介紹為依據(jù)，缺乏可比性。

⑻目前，一套氣化壓力為6.5 MPa、日處理750 t煤的Texaco氣化爐系統(tǒng)，由于國產(chǎn)化率高，裝置總投資只需約8000萬元。一套氣化壓力為4MPa、日處理1000t煤的Texaco氣化爐系統(tǒng)，由于國產(chǎn)化率高，裝置總投資只要約9500萬元。而一套氣化壓力為4 MPa、日處理1000t煤的GSP氣化爐系統(tǒng)，裝置總投資在2億元以上，太貴了。雖然，投資低于Shell氣化爐，但也是難以接受的。如Texaco法設(shè)置備用爐，Shell法和GSP法不設(shè)置備用爐。一個日處理3000t煤的氣化裝置，采用三種不同方法的投資比為Shell法∶GSP法∶Texaco法=2.5∶1.5∶1。所以GSP法只有走技術(shù)裝備國產(chǎn)化的道路，做到關(guān)鍵設(shè)備、閥門和控制儀表在國內(nèi)制造才能將投資降下來。否則用戶只能另選其他的氣化工藝技術(shù)。