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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 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
33
130~700
氨/甲醇/城市煤气/合成油
正常
GE水煤浆气化炉
57
300~1500
氨/甲醇/氢
正常
多喷嘴气化炉
40
500~2000
氨/甲醇/氢
正常
多元料浆气化炉
103
400~1100
氨/甲醇/氢/合成油
正常
熔渣 - 非熔渣气化炉
18
300~1500
氨/甲醇
正常
壳牌干粉煤气化炉
23
930~2800
氨/甲醇/氢
部分正常
航天炉
25
750~1500
甲醇
在建、试运行
二段炉
4
1000-2000
甲醇/IGCC
在建
GSP-科林
9
1500~2000
氨/甲醇
在建、试运行
灰融聚气化炉
23
100~200
氨
部分正常
恩德炉
7
150~600
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500～2000 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。

2　Shell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2　Shell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；
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ＤeerＰark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253ＭＷ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。

2.3　Shell 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。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。

2.4　Shell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，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。

2.5　Shell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，产生的蒸汽部分参于动力系统的蒸汽平衡起到回收热能的作用，部分回到粗煤气中，用以保持一定的水气比(H2O/干气)，部分用于循环压缩机的动力。这部分回收热能的蒸汽约占废锅回收蒸汽的多少,视气化温度和产品的性质而定。对于制氢和合成氨来说，大约只能回收废锅总产气量的20％左右。
激冷流程的合成气中含有50-60％的水蒸汽，在变换后可以回收中低压蒸汽，甲醇工艺和合成氨工艺有区别，甲醇工艺的低位能比较富裕，可以用这部分低位能量来节水，并没有浪费。以甲醇为起点的后加工化工产品，可以充分利用甲醇工艺中副产的中低压蒸汽。
煤气化必须采用空分，以纯氧作为气化剂。空分需要大量的电力，或者用蒸汽透平来驱动空压机。废锅流程通常产生5.5MPa中压蒸汽，因此能位不高。激冷流程中不在此处产生中压蒸汽，直接建立高压锅炉，可以做到10—12.5 MPa，驱动透平的效率高。因此从大型粉煤气化制化工产品的全流程来看，由于用高压蒸汽驱动透平机，效率比较高，总体的能耗下降了。
假定在同样原料、同样产品和同样规模的粉煤气化情况下，如果作全流程的模拟计算，均优化蒸汽平衡，包括前面说到用高压蒸汽推动空分的透平提高了全系统的能效等。其结果是废锅流程和激冷流程的吨产品总能耗应该差别不大。
这就是Shell气化工艺没有比GSP气化工艺节能的原因。
从工程上来说，由于煤质不稳定，粉尘太多等原因，废锅结垢严重，因此用废锅多产蒸汽不见得有多大好处。

2.7　Shell煤气化工艺的改进
任何先进的技术总有一定的时限，总有落后的时间，技术进步是永恒的。由于GSP工艺在中国的开发和引进、推广，Shell煤气化工艺受到了挑战，不改进是不行的。
各方面提出的改进方法可以有以下三种：
(1)采用干煤粉“由上而下”的上喷式气化炉，这就雷同于GSP工艺“下喷式气流床激冷流程”，保持shell多喷嘴的特色。这个原理已经在航天炉、西门子-宁煤、科林、东方炉等粉煤气化中实施。
(2)维持干煤粉“由下而上”的下喷式气化炉，气化出口仍在气化炉的上部，这对于激冷流程中的文丘里洗涤和激冷洗涤塔有一个明显的位差，连接它们的不再是废热锅炉，而是一根高压管道加一个激冷室。这个办法也是全激冷法，已经在两段式粉煤气化中实施。
(3)维持干煤粉“由下而上”的下喷式气化炉及相关设备，气化出口仍在气化炉的上部，仍然可以有返回的激冷气体。 将气化炉上部出口的热合成气加冷气体激冷后，从 1600ºC 冷却到 900ºC，之后进入水激冷室，喷入雾化的水将温度进一步降低到 500ºC。然后用一级旋风分离器除去大部分的干灰。此后，用两级文丘里洗涤器洗去合成气中残留的飞灰，并进入洗涤塔。出湿洗塔后的合成气温度为 220-230ºC，水蒸汽含量达到 60%，可以完全满足耐硫变换对水蒸汽的要求，部分冷气体返回作激冷气源。 这就是Shell公司提出的“半激冷法”，是用循环气冷却后再激冷。这个办法仍然需要循环压缩机，存在耗能不合理和投资高的问题。
　　是科技进步，还是只追求眼前利益固步自封？是否接受科技进步的挑战，考验着Shell煤气化工艺的未来。

3 我们期待GSP
3.1 GSP的含义
GSP煤气化技术已经走过30个年头。早在20世纪70年代末，由民主德国GDR燃料研究所开发，试验过程中采用的煤种，包括来自德国和中国在内的9个国家，20世纪80年代中期，在黑水泵等地建立1套130 MW装置，原料处理能力为30 t/h。20世纪90年代初东西德合并以后，该工艺被几次收购转让，现在归西门子公司所有。
GSP气化的德文原文名称是Gaskombinat Schwarze Pumpe。但是，现在大家说的GSP气化技术，已经与德文原意有出入，实际上GSP的技术含义是指干煤粉“下喷式气流床激冷流程”，成为一种工艺形式的代名词，切莫一提GSP就是西门子。与Texaco水煤浆气化的区别除了原料外，就是炉壁用环形水管代替耐火砖。

3.2 GSP的工艺特点
由于GSP工艺简单(见图3)，能耗低，产物合成气的成份比较有利，操作简单等优点，这一技术为煤化工企业欣赏，普遍乐于采用。但是，该技术从2004年开始进入中国，为什么推广速度很慢呢？有人以为是这种技术不成熟造成的，其实不然。推广一项技术，即便是成熟的，也要适合中国的习惯，也要因地置宜，在这方面，显然这些德国公司不具备优势。迟至今日，仅有西门子公司在宁夏推广了5台2000 t/d炉子、山西兰花公司2台2000 t/d炉子和科林公司在兖矿贵州开阳推广了2台1500 t/d炉子，后两者尚未投产。见表3。
表3　国内GSP气化炉的进展
企业
产量 万吨
产品
台数
投煤量t/d
规格功率 MW
投产时间
宁夏煤业集团
167
甲醇
5
2000
500
2010.10
山西兰花集团
30
10
氨
甲醇
2
2000
500
2011.06
贵州开阳
50
氨
2
1500
400
2011.06

图3　　GSP煤气化工艺流程简图

3.3 航天炉是GSP的一种形式
在GSP落户中国的过程中，我们应该说一说航天炉。从原理来说，GSP的原形炉与航天炉没有区别。事实上，迄今为止GSP已经有4个分支：西门子的GSP、科林的GSP、航天炉和东方炉。它们在喷嘴上可能有所区别，但气化炉工艺的化工原理是一致的，都是“下喷式气流床激冷流程”。截至2010年9月国内外总共有3台这样的炉子已经运行过，规模为750t/d等级的。实践证明，这种炉形是成功的，有效的。
国内750t/d等级的已经开车的航天炉有两台：河南濮阳用于年产15万吨甲醇与安徽临泉用于生产合成氨。其它在建的有二十几台，见表3。

表3　国内航天炉的进展
企业
产量
产品
台数
规格
投煤量　t/d
投产时间
河南濮阳龙宇
15万吨
甲醇
1
Φ2800
750
2008.10
安徽临泉
15万吨
氨
1
Φ2800
750
2008.10
河南中新
30万吨
氨
2
Φ2800/3200
750
2011.03
山东鲁西
30万吨
氨
2
Φ2800/3200
750
2011.03
山东瑞星
30万吨
氨
1
Φ3200/3800
1500
2011.08
河南晋开
60万吨
氨
2
Φ3200/3800
1500
2011.09
河南晋开二期
60万吨
氨
2
Φ3200/3800
1500
2012.03
安徽昊源
30万吨
氨
2
Φ2800
750
2012.06
河南骏化
60万吨
氨
2
Φ3200/3800
1500
2012.06
黑龙江双鸭山
30万吨
甲醇
2
Φ2800/3200
750
2012.08
安徽临泉二期
20万吨
氨
1
Φ2800
750
2011.08
新疆玛纳斯晋煤中能
20万吨
氨
1
Φ2800/3200
750
2012.08
四川成都川化
45万吨
氨
2
Φ2800/3200
750
2012.12
山东鲁能宝清
30万吨
氨
2
Φ2800/3200
750
2012.12
内蒙诚峰石化
2亿标米
CH4
2
Φ2800/3200
750
?

3.4 宁煤的GSP开车
现在关键的问题是扩大单台炉的规模。当前中国的煤化工行业，大型化是方向。以5400 kt煤制油和40亿Nm3的煤制甲烷项目，上述750 t/d等级的规模显得太小。因此1500～2000 t/d的规模是各企业比较乐意接受的。例如宁煤采用的5台2000 t/d GSP气化炉，后配1670 kt甲醇、500 kt聚丙烯、180 kt汽油、40 kt液化气。
当前，大家关注这5台大型GSP气化炉的开车，该厂从甲醇开始至后续各套装置，都已先后试车运行，近日已经得到合格的聚烯烃。
可以说这种炉型在中国已经有40多年的历史，它的祖先意大利蒙特卡蒂尼的重油气化炉，已经是国内同行的老相识，开车只是轻车熟路。近期，航天炉的运行，为GSP大型化奠定了基础。
但是，与其它煤气化技术的开始运行一样，GSP也需要磨合期，在一些细节的技术上获取经验。宁煤开车的经验说明，煤粉流量的控制方法，即压力差控制的办法，没有取得良好效果，后来改成增加煤粉控制阀后，能够稳定运行一段时间。目前这样的开车还在继续中，我们应该耐心等待。
宁煤的开车只是工程问题而不是原理问题，用我们在航天炉上理解的原理和取得的经验，一定能开好宁煤的GSP。

3.6 GSP会推广吗？
推广GSP是大势所趋，在煤种适用于“下喷式气流床激冷流程”时，采用这种气化方式比Shell粉煤气化和水煤浆气化要合适，这也是近期有几十台气化炉合约的原因。
由于原料要求不同，GSP并不排斥鲁奇炉、灰熔聚等炉型。
目前，西门子、航天部、科林公司、华东理工等4家单位在推广GSP方面作了不懈的努力。它们采用各自的专利，同样的炉型，不同的规模。现在要比的是谁的业绩好：投资低、国产化率高、整体设计合理、运行效果好，规模适宜。这就是竞争，是对中国发展煤化工有利的竞争。
未来大型煤化工项目正向GSP招手。

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