分析煤化工气化工艺与设备的关键技术

分析煤化工气化 工艺与设备的关键技术

白 峰

摘要：我国煤炭探明可采储量1145亿吨，排名世界第三，煤炭资源储量占据中国化石能源总储量的94%，石油占5%，天然气仅占1%。发展煤化工既是发挥我国煤炭资源优势、化解煤炭过剩产能、对煤炭资源的高效利用，也是确保国家能源战略安全的需要。本文首先分析了煤化工行业的技术和工艺，然后阐述了煤化工气化技术设备及其关键技术，涵盖四种水煤浆技术，最后简要分析了设备质量控制的要点。

关键词：煤化工；气化；工艺；技术

1 煤化工工艺技术分析

1.1 煤化工工艺流程概述

煤化工以煤为原料，经化学加工使煤转化为气体、液体和固体产品或半产品，而后进一步加工成化工、能源产品的过程。根据生产工艺与产品的不同主要分为煤焦化、煤电石、煤气化和煤液化四条生产链。其中，煤焦化、煤电石、煤气化中的合成氨等属于传统煤化工，而煤气化制醇、醚燃料，煤液化、煤气化制烯烃等属于现代新型煤化工领域。在煤化工可利用的生产技术中，煤焦化是应用最早的工艺，并且至今仍然是化学工业的重要组成部分。煤的气化在煤化工中占有重要地位，用于生产各种气体燃料，是洁净的能源，有利于提高人民生活水平和环境保护;煤气化生产的合成气是合成液体燃料、化工原料等多种产品的原料。煤直接液化，即煤高压加氢液化，可以生产人造石油和化学产品。在石油短缺时，煤的液化产品将替代天然石油。目前，煤化学工业技术和设备技术越来越成熟，煤炭化学工业的发展也在不断的扩大，各种类型的工艺流程操作过程也就越来越复杂，然而污染大、能耗高、投资大、运行成本高、装备技术瓶颈制约等问题也突出。综上所述，煤化学工业的技术发展需要继续进行创新和改革。

以煤为原料生产可替代石油的化工产品，发展新型煤炭—能源—化工一体化产业将在我国能源的可持续利用中发挥重要作用，是今后二十年的重要发展方向。煤炭化工企业在实施生产和加工的这个过程中，煤气化工艺技术路线十分重要，通常分为三个步骤，分为煤制合成气、煤制合成气的预加工及深加工等步骤。在处理煤制合成气的生产加工时，需要将煤原料先进行氧化处理，煤料在其设备之内进行氧化反应，将产生大量的合成气体，再经合成气进一步加工，得到适量的碳氧化合物，最后，经过深度的组合加工，在一系列温度、压力和催化剂的推动和作用下，生成最终的煤化工产品的化合物。

1.2 煤气化工艺技术

1.2.1 煤气化方法

在煤化工行业中，煤气化工艺方法属于比较常见的应用手段，煤气化工艺技术通常有三种，包括移动床、气流床、流化床这三种气化方法。移动床气化过程中，煤由气化炉顶部加入，气化剂由气化炉底部加入，煤料与气化剂逆流接着，相对于气体上升速度而言，煤料下降速度很慢，基本可视为固定不动。气流床气化过程，它是一种并流气化，用气化剂把100微米以下的煤粉带入气化炉，也可将煤粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉；煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧和气化反应，灰渣以液态形式排除气化炉。流化床气化工艺，是以粒度为10毫米以下的小颗粒煤为气化原料，在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升的气流中，煤粒在沸腾状态下进行气化反应，从而使得煤料层内温度均匀，便于控制，提高气化效率。

1.2.2 煤气化技术

煤气化技术种类繁多，在各方面都得到了很好的应用。其中最常用的技术有Texaco 水煤浆加压气化技术、Dow水煤浆加压气化技术以及Shell 粉煤气化技术等，特别是前面的两种技术，得到了较为广泛的应用。

Texaco德士古气化炉由上下两部组成,气化炉上部是部分氧化室,内壁衬有多层耐火砖,外壁为圆筒形高压容器。内外壁分别承担耐高温和耐高压的职能。炉壁内衬长期在高温下工作,经受高速煤浆冲刷,所以必需具备耐高温和耐磨损的性能。水煤浆和氧气从炉顶的燃烧器高速连续地喷入部分氧化室,高温状态下工作的喷嘴设有冷却水装置,水煤浆喷入气化炉内迅速发生反应,数秒钟内完成气化过程,炉内温度达到1600K~1800K,气化压力4.3~4.8MPa(具体视煤气用途而定)。气化炉的下部因冷却方式不同有两种形式,一种是激冷型冷却方式,一种是全热回收型。

Dow 水煤浆加压气化技术是用煤浆进料的两段式加压气流床气化法,它是在德士古气化法基础上发展起来的,由第一段的煤浆进料的气流床部分氧化反应器和第二段的喷入补充煤浆的气流床反应器两个气化段和一个激冷室组成。1987年由DOW化学公司建成第一套工业化装置,整个工艺流程包括煤浆制备,气化炉和排渣系统,煤气的冷却净化及热量回收装置。与TEXACO相比,采用两段气化,利用第一段高温煤气的显热气化第二段补充喷注的煤浆,使粗煤气出口温度下降至1000K左右,这样既方便了热回收系统的设计、制造、运行和维护,又有利于提高热利用率。由于增加了第二段气化,延长了煤气在炉内的停留时间,使煤气中的焦油、重烃化合物能充分热解,因而煤气净化处理变得简单,废水中不含焦油、酚等有害物质,对环境污染较少。由于采用第二段出炉粗煤气分离下来的半焦再循环,从而提高了碳转化率和冷煤气效率。

2 煤化工气化工艺的设备及其关键技术

2.1 水煤浆加压气化技术

水煤浆加压设备，即水和煤在设备中发生一定反应，通过一定的催化剂来形成化合物。该设备首先将煤炭原料中去除杂质，挑出不能燃烧的部分，从而提高燃烧的速率，减少多余可燃物质的燃烧污染。煤炭资源在中国相对普遍，所以如果水煤浆技术的研发能够有效的替代石油，将会大大的节约能源。因此，有必要对水煤浆加压工艺进行改进，制备烯烃、甲醇、合成氨等与石油含量相近的化合物。目前，我国的煤化工企业已经根据我国的煤质，制定了符合我国规范的水煤浆化工合成配方及相关参数。因此，当前所应用的技术流程相对比较成熟，操作也比较简单，应用范围也在逐步的不断扩大。

2.2 GSP干煤粉加压气化技术

GSP是泵气化技术的简称，是从德国引进的一种进口煤炭气化工艺。首先，将煤炭原料充分研磨，去除杂质，得到粉状的煤炭，然后对煤粉进行加热处理使其产生气化反应，然后通过水冷壁将其冷却，最终产生煤气。

由于市场引进因素的原因，GSP加压煤粉气化技术目前应用并不是十分广泛，但该技术操作简单，没有污染性，与此同时设备维护成本也较低。其中较为常用的设备为航空航天炉，也称为HT-L煤粉加压气化炉。航天炉作为一种用于煤化工生产的设备，热效率可达95%，碳转化率可达99%，表明该设备性能可靠。航空炉的气化反应炉为水冷壁结构，能承受1500 _~ 1700℃的反应温度。另外，使用煤炭的航空炉原料质量要求不高，所以大大降低了原材料的成本，是中国自主研发的设备，因此，设备成本和技术维护成本并不高，只要投资远低于进口设备，就能实现工业产业化。

目前，我国每年使用航空炉设备能够有效的处理近250000吨的原煤材料，所以它在我国的煤气化设备当中列居首位，投资金额低于壳牌气化炉大约3亿元，比德士古气化炉的投资低5000多万元，另外当前关于设备的维修和保养费比前者大大降低了2500多万元，比后者少500多万元。由此可见，航空炉作为煤化工设备，其在经济性能、加工性能、生产周期、运行性能等方面都有很大的优势，因此非常适合在我国煤化工行业中使用。

HT - L航空炉煤粉气化技术，使用的原材料可以应用于各种类型的煤炭原料中，包括劣质褐煤、次烟煤、煤炭到石油焦都可用于气化生产的应用过程中，尤其是针对一些灰份、水分、高硫煤的类型，都可以广泛使用，但技术人员应该做好选择和评估，并选择能够得到高质量生成物的原材料，确保设备使用性能稳定和经济效益。

2.3 常压固定床富氧连续气化技术

常压固定床设备，属于煤炭化工生产专用设备，通常用于小颗粒的原煤气化反应，它使用富氧连续气化工艺技术进行操作，可以改善间歇气化过程的极大缺点，有效的提升了生产效率，并大大节省了成本，而且还能提高生产环境保护的性能。

2.4 灰熔聚流化床煤粉气化技术

灰熔聚煤的气化技术过程特点，煤种适应范围宽、煤灰不发生熔融、灰渣熔聚成球状或块状排出，其优点是可以气化褐煤、低化学活性的烟煤和无烟煤、石油焦，投资少，生产运行成本低。这项技术被广泛的应用于煤化工的生产合成物和染料天然气当中。

3 煤化工气化工艺设备关键技术应用时的注意要点

煤化工气化工艺对设备的标准要求极高，有必要做好相应的技术工作。首先要在关键装备和材料上技术突破，如煤磨机的处理能力、喷嘴的寿命、内衬耐火材料性能、水冷壁炉需要采用高铬镍的特种钢制造，同时应开展投煤量3000_~4000t/d的大型煤气化炉和大型空分装置国产化示范，重点突破大型甲醇合成塔、甲烷化反应器、大型压缩机、关键泵阀等装备的自主化瓶颈。等。其次是煤气化设备安装，一定要符合安装要求和化工厂建设的实际情况，以防止安装存在一定的问题而导致设备出现故障，安装过程中需要从内到外，从大到小，除了煤化工气化炉安装时需要安装消防系统的同时，在建筑设计的过程也要着重考虑。最后，设备安装完成后，要进行质量检查和调试，仔细发现存在的问题，及时进行修复。另外，气化炉安装的同时也要通报不进行施工，所以一定要做材料检验和防火性能的试验，还要检查施工安装设备的合格证，安装前要做性能试验并进行检查，从而保证煤化工气化炉安全稳定运行。

4 结束语

随着经济的发展和能源需求的加剧，煤炭作为一种资源越来越稀缺。多以对于煤炭资源一定要合理使用，提高煤的利用率。煤化工行业采用一定的化学技术，将煤炭资源转化为其他资源，既扩大了行业规模，又减少了煤炭燃烧带来的环境污染问题，给煤化工行业带来了更好的发展前景。

参考文献：

[1]肖超.分析煤化工工艺与设备的关键技术[J]. 石化技术，2019，26(08)：232+236.

[2]包小津.浅论煤化工工艺技术与未来发展方向[J]. 化工设计通讯，2018，44(06)：12.

[3]经明，霍维斌.浅析压缩机在煤化工工艺中的应用和实践[J].中国石油和化工标准与质量，2018，38(10)：189-190.

[4]徐欣.煤化工工艺设施安全联锁有效性评价[J]. 化工管理，2015(30)：20