科林气化技术.docx

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科林气化技术

科林气化技术

科林CCG粉煤加压气化技术

 技术拥有单位：

德国科林工业技术有限责任公司

 2014-5-20　来源：

《中国煤化工》编辑部　作者:

德国科林工业技术有限责任公司

德国科林工业技术有限责任公司（简称科林公司）是世界著名的洁净煤利用技术的研发者、拥有者及工业解决方案供应商，全部拥有科林粉煤气化（CHORENCoalGasification）技术。

科林的前身是欧洲洁净煤利用技术领域的先驱和领导者——前德国燃料研究所（DBI）。

上世纪90年代，前德国燃料研究所研发部部长Wolf博士创立了科林，科林名称的由来是：

“C-Carbon-碳，H-Hydrogen-氢，O-Oxygen-氧，REN-RENewable-可再生”。

科林核心技术团队来自于前德国燃料研究所及黑水泵气化厂。

公司总部及技术研发工程中心位于德国萨克森州的德累斯顿。

科林在干粉煤气流床气化技术领域拥有40多年的研发、设计、制造、建设及运行经验，能够为业主提供全方位、立体化的煤气化解决方案。

科林CCG粉煤气化工艺过程主要是由给料、气化与激冷等系统组成，采用干粉煤加压进料，以纯氧作为氧化剂（部分煤种需添加少量水蒸气），在气化室内在高温高压的条件下反应，产生以一氧化碳和氢气为主的合成气，并实现高温液态排渣。

原料气化和达到气体平衡所需的热量由原料碳氧化成一氧化碳和二氧化碳所释放。

气化温度的选择主要由煤的熔融特性及粘温特性确定,气化压力的确定主要取决于产品煤气的利用工艺，通常为4.0MPa。

通过科林CCG气化工艺可以把原煤、石油焦等转化为清洁的、高附加值的一氧化碳和氢气，可用于生产合成氨、甲醇、合成油、合成天然气等化工产品，还可用于发电或者生产城市煤气。

图/2008年4月17日，德国总理默克尔视察科林公司并发表演讲。

一、工艺流程

科林CCG粉煤加压气化工艺（如图所示）主要包括磨煤干燥、煤粉输送、气化与激冷、合成气洗涤、排渣系统、黑水处理等单元。

图/科林CCG粉煤气化工艺流程简图

1、磨煤干燥

其作用是将原煤干燥并磨制成合格的煤粉。

本单元由磨煤、惰性气体输送和煤粉过滤三部分组成，使用常规的原煤研磨、干燥技术。

来自煤仓的碎煤经称重给煤机计量后进入磨煤机，被磨成煤粉，并由高温惰性气体烘干、输送，通过粉煤袋式过滤器实现煤粉与惰性气体的分离，粉煤螺旋输送机进入粉仓，惰性气体循环利用。

2、煤粉输送

来自磨煤干燥单元的合格干煤粉储存于常压煤粉仓内，粉煤给料罐通过3条并行管道以稳定的质量流量持续向气化炉烧嘴系统供料。

煤粉锁斗联通常压仓与给料罐，常压下接收煤粉仓煤粉后加压向给料罐放料，循环进行。

根据气化炉大小，煤粉输送系统采用2～4个煤锁斗，可实现加压用惰性气体在锁斗间的循环利用。

3、气化与激冷

即为气化炉，由气化室和激冷室组成。

科林CCG气化炉操作压力为2.5～4.4MPa（g），可实现高压投料，气化操作温度控制在1400～1700℃之间。

在气化室内，煤粉与氧气和蒸汽通过快速反应生成合成气。

其主要成份为CO和H2，并含有少量的CO2和N2，同时还含有微量的CH4、HCl等（ppm级）。

在气化炉顶部，以120°的角度设置三个煤粉烧嘴（如图所示），每个烧嘴都有自己独立的煤粉输送管道。

采用多个独立的喷射烧嘴，煤粉流和气化剂流在烧嘴外进行混合，可以在大体积的反应室内使煤粉分布更均匀。

在烧嘴布置的中央位置（反应室中轴处），设置点火烧嘴（长明灯）。

在开车阶段，采用燃料气为燃料点燃点火烧嘴，再利用点火烧嘴点燃煤粉烧嘴；当气化炉正常运行时，点火烧嘴则作为长明灯一直处于运行状态，不需要任何CO2作为保护气。

图/烧嘴示意图

气化炉内壁采用盘管水冷壁结构，通过水泵使锅炉水在管内强制循环，并副产低压蒸汽。

煤灰融化后，一部分灰渣会挂在水冷壁上形成渣层，达到以渣抗渣的作用。

合成气经过激冷环进入激冷室，在激冷室内经过降温、增湿、除尘、洗涤后被水饱和，以液态形式从气化室流下来的熔渣则迅速固化。

4、合成气净化

该系统包括文丘里洗涤器，旋风分离器和洗涤塔。

粗合成气经文丘里洗涤器进一步润湿后，进入旋风分离器，并将约70%的细灰（粒径>0.1 µm）分离下来。

在粗合成气中残存的极小颗粒灰尘可在后续的合成气洗涤塔中通过凝聚/冷凝的形式被分离出来。

净化后的合成气含尘量低于1mg/Nm3。

5、排渣系统

其作用是将渣与黑水分离后输送到界区外，被冷却到220℃的渣块通过重力作用进入到破渣机中，并被破碎成直径小于50mm的颗粒，随后进入到渣锁斗中，通过锁斗降压后排入渣池，灰渣被捞渣机捞出后排出系统，黑水则借助机泵送入黑水处理系统。

6、黑水处理

其作用在于，将系统产生的含固、高温废水减压至常压，回收热量，尽可能将悬浮的固体分离，并将得到的灰水返回到工艺系统中。

黑水通过两级减压闪蒸处理，将压力降低至0.5MPa（g）和-0.05MPa（g），温度冷却至大约155℃和75℃，闪蒸出的废蒸汽被用于预热灰水。

经过减压冷却的黑水在重力作用下进入澄清池，通过添加相应的絮凝剂将固体物分离出来，灰水返回系统中使用。

为了限制有害物的积累，部分灰水将作为废水排出，并补水维持系统水平衡。

技术特点参数表

气化技术类型

干粉煤气流床气化技术

气化技术名称

科林CCG气化技术

气化炉炉型

可根据项目要求提供日投煤量750t～3000t不同规模炉型

气化炉组合方式

不建议设置备炉

原煤的工业分析

出于挂渣和经济性考虑，原煤灰分要求：

6%～35%。

进料方式

干粉煤进料，原煤粒度不限

一般煤粉要求：

水分≤2%，

粒度80%<100μm、0%>2mm。

褐煤煤粉要求：

水分≤8%，

粒度80%<200μm、0%>2mm。

喷嘴类型和特点

多煤粉烧嘴顶置下喷+中间点火烧嘴（长明灯）

水冷壁结构

盘管+渣钉+SiC耐火层

合成气冷却方式

水激冷+水浴

煤粉输送载气

N2或CO2

操作条件

气化温度：

1400～1700℃

气化压力：

2.5～4.4Mpa

合成气规格

压力

2.5～4.0Mpa

温度

205～210℃

水汽比

0.9～1.0

有效气成分（干基）

H2+CO:

90～93%

固体含量

<1mg/Nm3

其他成分

CO2：

5～6%、CH4<500ppm、N2、H2S等

不含焦油、酚类、芳香类等化合物

工艺指标

氧耗

≤340Nm3/1000Nm3（CO+H2）

煤耗

≤580kg/1000Nm3（CO+H2）

碳转化率

99%

灰渣比

粗渣60～70%；细渣30～40%

冷煤气效率

80～83%

废水排放量

<280kg/1000Nm3（CO+H2）

适合工业领域

合成氨、甲醇、制氢、

合成天然气、合成油、发电

二、技术特点

1、煤种适应性广

适用于各种烟煤、无烟煤、褐煤及石油焦等，对强度、热稳定性、结渣性、粘结性等没有具体要求。

对高灰分、高灰熔点、高硫含量的“三高”煤等低品质的煤种拥有很好的工业化业绩。

2、技术指标高

因燃烧器采用多烧嘴顶置下喷的配置方式，原料在气化炉内碰撞混合更加充分，气化炉炉膛及顶部挂渣均匀，可实现较高的气化温度（1400～1700℃），碳转化率高达到99%以上，合成气中不含重烃、焦油等物质，有效合成气成分90～93%，冷煤气效率80～83%。

3、投资低

根据项目规模不同，可提供日投煤量750吨/天至3000吨/天的不同气化炉炉型设计，主要设备制造已完全实现国产化，整个装置的投资建设成本低，建设周期短。

4、操作简单

整个气化装置，煤粉加压输送、气化炉点火投料、渣锁斗排渣、停车等全部实现程序顺控，可实现一键点火开车及可视化点火投料监控；气化炉可在高压力下投料，避免了低压投料后升压升负荷调节的操作。

5、运行维护费用低

整个气化装置工艺流程紧凑，设备台数少；粉煤输送系统采用多锁斗的配置方案，可实现加压用惰性气体在锁斗间的循环利用，既减少了惰性气体排放量又减小了相关设备和阀门的体积或口径；气化炉采用盘管水冷壁的结构，无需耐火砖，水冷壁采用间接换热副产低压蒸汽，盘管寿命可达到20年以上；开、停车操作方便且时间短（从冷态开车到满负荷运行仅需1～2小时），可实现高压直接投料，投料后即可向后续系统导气；点火烧嘴和煤粉烧嘴分开，结构更加简单，降低了故障率；煤粉烧嘴采用多烧嘴顶置下喷的设计方式，保证了流场的合理分布和煤粉在反应空间内的均匀混合，烧嘴调节余地更大，气化装置放大更容易；工艺烧嘴内，煤粉和氧气有各自的流道，原料离开烧嘴后在气化室内混合，烧嘴寿命达1年以上。

6、节能环保

科林CCG粉煤气化技术可以使能耗大幅降低，采用高压投料，投料后即可向后系统导气，大大减少合成气向火炬的排放量，减少了浪费；合成气中含固体量低、水汽比高，提供了足够变换所需的水蒸气并有效的避免了变换工段可能发生的催化剂中毒和床层堵塞现象；系统所产废水很少，废水中不含苯、酚等大分子有机物，对废水处理系统的规模和先进性要求不高，废水经简单处理后即可实现回收利用；炉渣不含可溶性有毒物质，可作为建筑原料使用；气体排放物仅为输煤用惰性气体，含尘量低于10mg/Nm3。

7、安全性高

整个生产装置通过DCS系统进行自动化控制，煤粉输送、点火、投料等复杂过程均采用顺序逻辑控制，方便可靠，并且避免了人工操作可能带来的误操作；ESD系统独立运行，对整个系统点火、投料、运行、停车的各个阶段进行联锁保护，保证装置设备和人身的安全。

三、运行实例

目前，科林CCG粉煤技术主要有以下工业化应用装置：

1984年建在德国的第一套工业化装置——黑水泵气化厂。

该厂用于气化当地的褐煤生产城市燃气，装置大小为200MWth（日投煤量720吨），该装置一直稳定运行至1990年。

后由于天然气的广泛应用，城市燃气缺乏市场，该装置被改造后使用液态物料，其合成气用于IGCC发电及生产甲醇，并一直运行至2007年。

目前正在建设的内蒙古康乃尔化学工业有限公司年产60万吨乙二醇项目。

该项目位于中国内蒙古通辽扎鲁特旗，一期30万吨/年，以当地褐煤做原料，采用两台300MWth（单台气化炉日投煤量1200吨）科林CCG粉煤气化炉。

该项目计划于2015年9月建成。

在这里，重点介绍一下2012年在中国贵州建成的贵州开阳化工有限公司年产50万吨合成氨项目。

图/建设中的贵州开阳化工年产50万吨合成氨项目

该项目采用两套400MWth科林CCG粉煤气化炉,设计单台气化炉有效气量70,000Nm3/h。

该项目以贵州当地的无烟煤作为设计煤种，挥发分低、氧含量低，原煤中灰分高达27%，全硫3%以上，灰熔点的流动温度1450℃，属于典型的“三高”劣质煤。

该项目于2012年9月开始调试，并于2013年1月打通全流程，生产出合格的合成氨产品。

目前该项目气化装置已进入稳定运行阶段，单炉实现112%负荷下正常运行。

实际运行中，因贵州地区的煤矿分布个数多、单个煤矿的产能低、运输又比较困难，单个煤种很难满足生产的需求，所以在生产中，曾尝试使用来自20多个煤矿的原煤，其中主要煤种来源以青龙煤、大宏煤、回归煤、玖园煤、鲁炎煤等为主。

原煤灰分25～30%，最高入炉灰分达36.7%，硫含量4wt%左右，高位发热量22.0～26.5MJ/kg.ad，流动温度普遍高于1400℃，最高高于1500℃（出于经济考虑，会添加少量助溶剂）。

气化装置运行期间，装置运行稳定，气化装置基本保持在100%的负荷下稳定运行（如气化装置运行参数表所示），比氧耗≤350Nm3/1000Nm3（H2+CO），比煤耗≤580kg/1000Nm3（H2+CO），碳转化率>98%，冷煤气效率>79%；合成气经过文丘里洗涤器、旋风分离器、洗涤塔的分级净化后，合成气固体含量低于1mg/Nm3,不仅系统损失小，洗涤能力强，合成气无需经过预变换即可直接送入变换工段；渣水处理系统的热回收效果好，高压灰水的温度高，合成气温度高，水汽比可到1.0左右，为后续全变换提供了充足的蒸汽。

综合来看，各项指标均达到世界领先的水准，特别是在解决高灰份、高灰熔点煤的气化和洗涤方面受到了业主的极大好评。

表/气化装置运行参数表（单台气化炉）

序号

名称

单位

数值

1

煤量

t/h

45

2

氧量

Nm3/h

23000

3

蒸汽流量

t/h

3.9

4

热通量

MW

4.8

5

总气量（湿基）

Nm3/h

140000

6

合成气压力

Mpa

3.8

7

合成气含固量

mg/Nm3

<1

8

合成气成分

（干基）

CO

vol%

61.3

H2

vol%

27.1

CO2

vol%

4.4

N2

vol%

6.0

CH4

ppm

58

H2S

vol%

1.1

9

废水排放量

t/h

<20

10

废水水质

悬浮物

mg/L

56

浊度

mg/L

15

NH3-N

mg/L

43

COD

mgO2/L

145

PH

6.95

11

粗细渣比例

6:

4～7:

3

12

粗渣残炭

wt%

1

13

细灰残炭

wt%

25-35

四、科林CCG气化技术发展

随着首套科林CCG气化装置成功开车并快速转入稳定生产阶段，科林CCG气化技术在中国国内接洽的专业用户逐步增多，业务量突飞猛进。

目前，为配合中国国内煤制油、煤制天然气等大型煤化工项目的需求，科林CCG气化技术800MWth气化炉及配套装置（日煤量3000吨）已经完成研发和设计，并向中国市场进行推广。

同时，为了转化提升国内重大装备加工制造水平，科林公司也在积极促进关键洁净煤气化设备的国产化。

展望未来，科林工业技术有限公司将继续就工艺包设计、专有设备供应、工程咨询、技术服务等方面为业主提供全方面、立体化的服务，促进国内蓬勃发展的煤化工工业。

图/开阳化工科林CCG气化装置夜景