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粉煤气化——让“三高”煤变劣为优

浏览:42 发表时间:2014-07-01 10:00:00


日前,世界上首套完全应用“三高”劣质煤种的大型粉煤气化装置——科林CCG粉煤气化炉在贵州开阳50万吨/年合成氨项目获得成功应用,并实现满负荷连续运行。

  业内专家表示,在国内劣质煤占总储量80%以上的情况下, 科林CCG粉煤气化技术在贵州开阳项目的成功应用,对贵州当地乃至全国“三高”劣质煤的综合高效利用提供了先例,可全面促进我国煤炭加工利用领域的产业升级,带动我国煤化工制造业的发展,并能够充分保障我国在能源领域的安全。

 

技术已获成功应用

  中国化工报记者了解到,我国首次引进的德国科林CCG粉煤气化技术已在贵州开阳50万吨/年合成氨项目获得成功应用。该项目引进两套日投煤量1500吨的科林CCG粉煤气化炉,于2010年底动工建设,2012年10月气化炉首次点火开工, 2013年1月打通合成氨装置流程,2013年2月转入试生产阶段。截至目前,气化装置已经实现满负荷连续运行。

  该项目煤种为贵州本地“三高”劣质煤(高灰、高灰熔点、高硫分),其灰熔点为1500℃,平均灰分26%,硫含量大于3%,钾钠氧化物平均含量超过4%,采用的科林粉煤气化炉是世界上首套完全应用“三高”劣质煤种的大型粉煤气流床气化装置,为贵州当地甚至全国“三高”劣质煤的综合高效利用开创了先例。这也引发了煤化工及相关行业人士对煤化工清洁能源技术的进一步关注。

  德国科林工业技术公司亚太区工程技术总监刘崇国介绍说,该气化技术最大的优点是顶置三烧嘴结构,这种结构设计能够确保气化室的流场分布更合理,燃烧反应更充分,具有较高的气化效率和碳转化率。在该项目中,气化装置粗合合成中有效气成分(CO+H2)平均值为90%,碳转化率达到98%以上。固体排渣中,粗渣排放量占整个气化装置固体排放量的70%左右,粗渣中的残碳小于1%,实现了当地劣质煤种的高效转化。

  刘崇国说,多烧嘴顶置结构设计不但分布更加合理,而且单个烧嘴的设计相对简单,每个烧嘴对应单独的氧气路和煤粉路,可实现独立控制。除此之外,多烧嘴结构设计更有利于气化炉的大型化。

  在环境保护方面,由于该气化炉设计合理,气化炉内的挂渣均匀,气化温度可以提高到1600℃以上;气化废水中的COD平均值小于200mgO2/l,NH3-N平均值小于100mg/l,灰水的平均浊度仅有15mg/l,废水经简单处理后可实现完全回用。在固体废弃物排放方面,气化装置产生的灰渣是良好的建筑材料,可以直接就地转化。

  据刘崇国介绍,科林气化技术除了具有良好的技术指标外,在运行费用和整体投资上也具有较强的优势。科林气化炉可以在3.8MPa压力下实现50%~110%的负荷调节,原始开车时可直接在3.8MPa压力下半负荷投煤生产,产生的合成气直接送往变换装置,避免了低压投料时产生的大量合成气放空问题,可以大大节约开车阶段的消耗成本。另外,该项目除了烧嘴等部分专利设备从德国进口外,其他设备已经全部实现了国产化,整体投资较低。

  据记者了解,目前我国的煤气化技术主要是运用煤气发生炉进行煤气转换。中小型企业运用的煤气化技术主要是碳煤气化技术,也就是通常说的煤气发生炉,主要通过煤气发生炉供应可燃烧的煤气进行产品的加热加工等。比较大型的企业有粉煤气化技术,也称为粉煤气化煤气发生炉,新型粉煤气化炉由粉煤烘干系统、制粉系统、燃烧室、气化室、净化室、冷却系统等组成。目前,兖矿集团煤化工项目在多处使用此技术,取得了显著的经济效益。

 

粉煤气化凸显技术优势

  目前,国际上比较先进的粉煤气化技术是干法粉煤加压进料,以氧气作为氧化剂并通过液态排渣的煤气化技术。该技术工艺包括煤粉制备系统、煤粉输送系统、气化与激冷、合成气净化系统及黑水处理等单元。这一技术具有煤种适应性强、技术指标高、整体投资低、运行维护费用低、节能环保突出等优点。

  据贵州开阳化工有限公司副总经理郭成太介绍,目前,在国内,除了科林CCG粉煤气化技术已成功应用于贵州开阳化工50万吨/年合成氨装置外,2013年7月上旬,内蒙古康乃尔化学工业有限公司与科林公司就60万吨/年(一期30万吨/年)乙二醇项目签署了科林CCG粉煤气化技术授权与技术服务合同。该项目位于内蒙古通辽市扎鲁特旗,采用两台科林CCG粉煤气化炉(单台日投煤量1200吨),计划于2015年9月建成。

  “粉煤气化技术可以把价格低廉、直接燃烧污染较大的煤、石油焦等原料转化为清洁的、高附加值的有效气,即一氧化碳与氢气。有效气是生产化工产品的基本原料,可用于生产合成氨、醇、醚、烃类、合成天然气等高附加值化工产品,以及汽、柴油燃料,可有效替代传统石油天然气化工产品,为我国的化工生产和能源安全提供一种切实可行的替代选择,为客户打造下游产业链奠定良好基础。”郭成太介绍说。

  山东兖矿国拓科技工程公司工总工程师许广宇指出,与碎煤加压、水煤浆等气化技术相比,干煤粉气化技术对煤种的适应性最强,可以成功转化高灰分、灰熔点、高硫分的煤种,对新疆地区高碱金属离子的煤种也具有较强的适应性,同时可以利用内蒙古和陕西北部等地区的劣质烟煤、褐煤实现本地煤炭资源的清洁、环保、高效转化。

  许广宇说,干煤粉气化技术可转化劣质煤种,气化废水主要污染物COD和氨氮指标未经任何处理可达到中小化肥企业二级排放标准,而经简单处理可实现完全回用。本技术将填补我国在大型粉煤气化技术开发领域的一项产业空白,并使我国成为世界上唯一掌握3000吨级粉煤加压气化技术的国家,可全面促进我国煤炭加工利用领域的产业升级,带动我国煤化工制造业的发展,并能够充分保证我国在能源领域的安全。

  据许广宇介绍,目前全世界的煤气化技术多达几十种,按照应用规模和技术特点划分主要归纳为碎煤固定床气化技术、流化床气化技术、水煤浆气流床气化技术、粉煤气流床气化技术等几种类型。

  其中,粉煤气化技术关键设备气化炉内安装有水冷壁,气化室反应温度最高可达到2000℃以上。据了解,水冷壁的主要作用是阻挡高温直接作用到气化炉炉壁(外壳),起到隔热作用,并可以副产低压蒸汽,而炉壁(外壳)则起到承受炉内高压的作用。位于明火一侧的水冷壁覆盖了一层SiC敷料,该设计的目的是为了保护水冷壁,并使水冷壁易于挂渣,形成渣层,从而起到以渣抗渣的作用。

  粗合成气和渣离开气化室后,共同形成一股向下的流体,气化室出口的结构要保证在紧随其后的激冷工段形成理想的流动体。激冷室装有激冷环、导气管及破沫板,起到对粗合成气的激冷作用。该气化技术最大的优点是顶置三烧嘴结构,多烧嘴结构设计,更有利于气化炉的大型化。

  产业前景远大

  从国际和国内市场来看,粉煤气化技术面临广阔的应用前景。

  从国际市场看,世界常规石油可采资源量为4138亿吨,石油探明总储量为1567亿吨。一些专业机构预计,以目前的开采速度计算,全球石油储量可开采30~40年。随着石油资源的日渐枯竭,在新能源普遍应用之前,煤炭资源的能源转化将是世界能源发展的重要一环。

  全世界拥有煤炭资源的国家超过80个,主要分布在亚太地区、北美洲、欧洲及欧亚大陆,这些地区恰恰是资源消耗较大的地区。据了解,由于国际油价长期高位运行,车用石油燃料替代一直是世界各国十分关注的课题,但目前都面临着诸多问题。如,甲醇和乙醇燃料在储运、分配、使用上都与传统的汽油相近,二甲醚与液化石油气相近,燃烧性能较好、清洁,因而受到国际重视。但由于种种非技术原因,一直没有能在西方大量推广使用。

  在国内市场方面,为适应我国缺少石油、天然气而富煤炭的国情,从能源和燃料的整体结构上来看,利用煤炭高效转化清洁能源的技术将具有较好的发展前景。为了减少环境污染,提高煤炭的利用率,降低氧耗和煤耗,拓宽原料煤种的使用范围,国家已把煤的高效洁净利用技术列入21世纪的发展计划。

  《国家中长期科学技术发展规划纲要(2006~2020年)》鼓励开发IGCC联合循环发电技术,促进煤炭的清洁高效利用,降低环境污染。

  最近,国务院发布了《中国的能源状况与政策》明确提出,推进关键设备技术创新,鼓励发展洁净煤技术,推进煤炭气化及加工转化等先进技术的研究开发,发展以煤气化为基础的多联产技术,提升装备制造水平,鼓励发展大型煤化工成套设备,研制煤炭液化和气化、煤制烯烃等成套设备,发展3000吨级大型粉煤加压气化炉是当前的重要课题。

  据了解,在我国煤炭资源储量分布中,劣质煤占煤炭储量80%以上,粉煤气化技术可转化项目本地劣质煤种,每年可以节约原料成本60亿元。

  许多业内人士认为,粉煤气化技术属于清洁、环保、高效气化技术,环保优势明显,不仅可以高效转化当地劣质煤种,大量节约原料成本,而且煤炭的碳转化率可达99%以上,固体废渣中的残碳量小于1%,可以作为优良的水泥原材料。同时,由于粉煤气化技术在中国已经发展了十几年,有成熟的工程化队伍和技术储备,对于装置放大过程中的技术风险完全可控。该类技术的成功应用,可以实现劣质煤的高效能效转化,对保障我国技术、经济、能源、社会等领域的效益和安全具有重要的现实意义。

 

背景资料

    近期煤化工清洁发展有关规划

  1. 2013年9月,国务院印发的《大气污染防治行动计划》提出,加快清洁能源替代利用。加大天然气、煤制天然气、煤层气供应,将煤制天然气与之并列,释放出发展的明确信号。

  2.2014年《全国能源工作报告》指出,增加常规天然气生产供应,加快开发煤层气、页岩气等非常规天然气,推进煤制气产业科学有序发展。研究制定政策措施,按照最严格的能效和环保标准,积极稳妥推进煤制气、煤制油产业化示范,鼓励煤炭分质利用,促进自主技术研发应用和装备国产化。

  3.2014年2月12日,国务院召开常务会议研究部署了进一步加强雾霾等大气污染治理,加快调整能源结构,实施跨区送电项目,合理控制煤炭消费总量,推广使用洁净煤。

  4.2014年2月底,国家能源局召开落实大气污染防治有关工作专题会议提出,稳步推进煤制油、气发展,严格执行节水、环保、清洁原则,抓好示范,抓紧出台煤制油、气发展指导意见,防止无序盲目发展。

  5.2014年2月28日,国家能源局煤炭清洁利用专家咨询会召开。会议指出,煤制油、煤制气是煤炭清洁利用的重要方向,美、欧、日等发达国家均将其作为未来能源技术的制高点,长期大力推进洁净煤技术研发,并配套开展中间试验和工业化示范。国内煤制油、煤制气产业经过“十一五”、“十二五”期间首批示范项目的建设,验证了自主技术的可行性,积累了工程建设的经验,即将进入一个新的发展阶段。

  6.2014年4月18日,国家能源委员会第二次会议明确提到,在能源战略上,推动能源生产和消费方式变革,走出一条清洁、高效、安全、可持续的能源发展之路,为经济稳定增长提供支撑。

     会议再次提到,促进煤炭集中高效利用代替粗放使用,保护大气环境。


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