8鲁奇碎煤固定床加压气化技术

主流煤气化技术及市场情况系列展示（之八）鲁奇碎煤固定床加压气化技术技术拥有单位：德国鲁奇公司上世纪30年代,德国鲁奇公司开发出碎煤固定床加压气化技术,应用于煤气化项目。其关键设备为FBDB（FixedBedDryBottom,固定床干底）气化炉,俗称鲁奇炉。几十年来，经过持续不断地改进与创新，鲁奇公司先后开发出第一代鲁奇炉（1936～1954年）、第二代鲁奇炉（1952～1965年）、第三代鲁奇炉Mark4和Mark5（1969～2008年），在此基础上，又推出第四代鲁奇炉Mark+（已于2010年8月完成该炉的基础工艺及机械设计）。同时，为满足气体排放标准，解决废水达标排放难题，鲁奇公司相继开发出高效的煤气化尾气处理和酚氨废水处理工艺技术。一、技术特点鲁奇公司第四代FBDB气化炉Mark+的开发目标是：增加气化炉的生产能力（为Mark4的两倍）;增加设计压力到6MPag，以保证气化过程更好的经济性。同时，将从Mark4操作上获得的改进，以及鲁奇设计安装的干渣和湿渣排灰气化炉（包括低到高阶煤、不黏煤或黏结煤，还包括生物质和各种废物气化）上获得的经验，反映在Mark+的设计上。通过应用成熟的技术和创新的设备，上述目标已全部实现。气化炉Mark+和Mark4综合比较见下表。项目Mark4Mark+设计压力/MPag46外径/m4.135.05总高/m12.517干基粗合成气负荷/Nm3/h最多到60000最多到120000合成气中甲烷（每吨干燥无灰基煤）/%100120氧耗（每吨干燥无灰基煤）/%10091蒸汽消耗（每吨干燥无灰基煤）/%10092煤气水量（每吨干燥无灰基煤）/%10085焦油较高较低轻油较低较高石脑油较低较高SNG理论当量CH4+（H2+CO）/4较低较高碳转化率99%99%在线率单台平均93%；全厂大于98%同Mark4冷煤气效率大于87%大于87%在更高压力下，Mark+主要改进项目包括煤锁、气化炉、灰锁系统、洗涤冷却器、废热锅炉、下游冷却系统等。最显著的改进为：采用双煤锁、使用气化炉缓冲容积，实现煤锁全面控制；增加床层高度。改进气化炉内件（包括炉箅、波斯曼套筒、粗合成气出口、内夹套），以及鲁奇专有的煤分布器和搅拌器。Mark+气化炉的设计压力提高到6MPag。对于煤制天然气项目，这将带来整个气化岛投资成本和操作成本的降低。如对年产40×108Nm3的煤制天然气项目，气化炉台数可比Mark4减少一半，气化岛投资节省17%，全厂可减少设备约300台，煤制天然气（SNG）成本可望下降10%。对于下游的低温甲醇洗单元，由于吸收压力的提高，冷冻需求量减少；对于甲烷化单元，由于入口气中甲烷含量提高（50%的入口气为甲烷），所需循环流量降低，反应器尺寸减小。二、配套工艺（1）煤气化单元鲁奇FBDB煤气化单元简化流程见上图。粒度为5～50mm的煤从煤斗加入独立的煤锁，再用粗合成气加压后，打开煤锁送入气化炉。煤以间歇操作方式加入气化炉。几乎所有用于给煤锁加压的气体，在从煤斗加煤前的减压过程中都可得到回收。气化炉为双壁容器，在外壁和内壁间（即夹套）维持一定的锅炉给水液位，以保护外层承压壳体免受高温。同时，通过气化炉内壁传递热量，在夹套中产出与气化压力接近的饱和蒸汽，该蒸汽加入气化过程所用的高压过热蒸汽中。从煤锁来的煤通过气化炉横截面分布，缓慢下降并通过气化床层。蒸汽和纯氧的混合气体（也称气化剂）进入气化炉底部，通过回转炉篦，在烧结灰的辅助作用下，分布于气化床层。在热灰和气化剂之间存在部分热量交换。灰被冷却到300～400℃，排放到灰锁，再由灰溜槽排出。灰锁为间歇操作，灰锁一旦装满，将与气化炉隔离，减压到常压，灰排放到灰斗，用水进行激冷。气化剂蒸汽和氧气通过位于气化炉底部的回转炉篦进行分布。燃烧区温度控制在灰软化温度和熔融温度之间，防止熔渣的形成，使灰顺利排入灰锁。预热后的气化剂向上通过燃烧层，在燃烧层里，氧气与煤焦反应生成二氧化碳。燃烧层是气化炉温度最高的区域，为上部的其他主要发生吸热反应的反应层提供热量。随着热气体（主要是二氧化碳和蒸汽）沿反应器上升，最终到达气化/还原层，大部分合成气在此生成。之后，合成气继续上升到干馏层，在此下降的煤在惰性氛围中加热，并分解出富碳的固体残渣（煤焦）和含有气体、蒸汽和焦油的富氢挥发分。随着气体进一步上升，来自干馏区的挥发分及合成气在气化炉上部得以进一步冷却，而煤则得以预热和干燥。最终离开气化炉的气体温度在480～700℃之间。气体的最终组成，决定于煤质和装置的操作工况。在粗合成气中，煤的挥发分以重质和轻质烃、含酚化合物、氨、含硫化合物等形式存在。生产的气体在离开气化炉后，立即用煤气水激冷。经水饱和后的气体在废热锅炉中进一步得以冷却。冷却获得的冷凝物送去煤气水分离单元。（2）煤气水分离和酚氨回收单元FBDB煤气化会产生较多含有焦油、轻油、酚、氨等物质的煤气水。煤气水的处理和达标排放是气化工艺不可或缺的重要环节。鲁奇公司提出了一个完整的煤气水处理流程解决方案，并在南非塞康达萨索尔合成油工厂得到了很好的实施。煤气水处理流程是一个完整的水净化生产链，其中焦油/轻油在煤气水分离单元回收，酚在鲁奇Phenosolvan酚回收单元回收，液氨在CLL氨回收单元回收。经过上述处理后，所获得的汽提煤气水可在后续的废水处理单元轻松处理，并实现达标排放。酚回收：鲁奇酚回收工艺采用五级混合——澄清槽连续逆流萃取工艺，经酚回收单元处理后，煤气水中轻油和颗粒含量小于50ｕg/g，单酚含量小于20ｕg/g，多元酚萃取率达到85%，总萃取率大于99%，远高于国内设计的转盘萃取塔的萃取率，并可显著降低去废水处理单元的汽提煤气水中COD含量；溶剂和粗酚的分离在一个蒸馏塔中实现，使用来自氨回收单元的废热，溶剂损失小，能耗低；拥有专利设计的高效脱沥青塔，可生产脱沥青酚。该酚回收工艺在国外已经商业运行多年，但是尚未在国内实施。氨回收：经氨回收处理后，煤气水中的游离氨含量小于50ｕg/g，COD含量小于3000mg/L，适于进一步生化处理；氨及含硫酸气通过汽提和洗涤工艺分别回收，无需额外的化学品和溶剂，无水液氨产品加压或冷冻后，作为农用或化学品级的产品；而具有一定压力的无氨酸性气体可送去硫回收单元；主要的公用工程是低压和中压蒸汽。废水处理：在生化处理中，对异常高浓度的氰化物和多酚给予特殊考虑。按上述煤气水处理工艺，其废水排放可以满足最严格的环境标准。鲁奇设计的南非萨索尔1600t/h（2×800t/h）煤气水、美国北达科他州大平原煤制天然气工厂640t/h煤气水，处理后均能达到当地严格的排放标准。在最新开发的废水处理技术中，经生化处理后，100%的水可作为工艺冷却水或锅炉给水回用，实现废水的零排放。尾气处理:尾气处理技术主要特点如下：①无连续火炬气，气体送去煤粉炉产生蒸汽和/或发电；②锅炉烟气脱硫、脱硝，以满足排放标准；③有效的废气热回收；④显著减少开车气体排放，开车气送去锅炉；⑤对煤锁气、膨胀器气体以及煤气水分离驰放气，予以收集并送去锅炉；⑥由于采用了驰放气储存系统，不存在无组织排放。三、技术特点参数表项目参数气化技术名称Mark+气化炉参数直径5.05米；高度17米；设计压力6MPaG进料方式碎煤进料，顶部双煤锁气化剂氧气；水蒸汽运行周期单台气化炉累计运行3年；平均在线率超过93%煤的粒径范围5～50mm煤的适用范围较优范围：水和灰的总和低于55%；灰熔点大于1200℃操作弹性正常负荷范围：50～110%粗煤气组成H2/CO：1.5～2.7；CH4：8%～16%碳转化率99%在线率单台平均93%；全厂大于98%冷煤气效率大于87%适合的工业领域煤制天然气、煤制油、合成氨、城市煤气、甲醇四、技术优势1、鲁奇FBDB煤气化技术原料适应范围广，除强黏结性焦煤外，从褐煤到无烟煤均可气化，包括水分、灰分较高的劣质煤；可副产焦油、轻质油及酚等多种高价值产品。鲁奇炉对气化原料的要求如下：块煤，典型粒度分布在5～50mm之间，低于5mm或高于50mm煤的比例均不超过5%；一般为非黏结性煤，对黏结性煤可加装搅拌器；灰变形温度大于1200℃（还原性气氛下）；一定的热稳定性和机械稳定性（破碎指数低于55%）；经验证的最低灰分含量为6%（干基，质量分数），最高灰分含量为40%（干基）；总水分含量不超过50%（收到基）；挥发分含量低于55%（干燥无灰基）。总体来看，从经济性方面考虑，鲁奇炉尤其适于低阶煤和高灰煤的气化。2、由于采用碎煤进料，相对气流床干粉或水煤浆进料，备煤系统简单，投资及运行费用大为降低，运行可靠性大幅提高。3、气化剂与煤逆流接触，气化过程进行得比较完全，且热量利用合理，具有较高的热效率（最高可达94%），其冷煤气效率明显高于气流床。由于逆流运行，粗煤气及灰渣均以较低温度（典型值为400～700℃）离开气化炉，煤气与灰渣的热回收比干粉进料的废热锅炉流程简单可靠。4、为防止结渣，气化采用高汽氧比，氧气消耗低于流化床及气流床，氧气单耗只为干粉气流床的50%～70%，显著降低空分设备投资。5、粗煤气中甲烷含量高（10%或更高），特别适用于生产城市煤气和煤制天然气（SNG）。6、粗煤气中H2/CO在2左右，当用褐煤为原料时，H2/CO可达2.7，高于气流床，对于F-T合成、甲醇合成、SNG的生产，可减轻煤气变换负荷。7、技术成熟可靠，在无备用的情况下，单台气化炉年运转率超过93%，气化岛年运转率大于98%（在萨索尔塞康达工厂和大平原工厂得到验证）。设备本地化率高，投资省，对于相同的产品规模，气化岛加上配套空分的投资，约比水煤浆气化低20%。气化工厂煤种南非塞康达合成燃料厂烟煤中国义马煤气厂次烟煤中国山西天脊煤化工公司半无烟煤印度Jindal钢铁电力公司次烟煤美国大平原气化公司褐煤表/煤种使用情况五、市场应用情况从上世纪50年代起，中国通过前苏联以及原东德、捷克等国，间接引进鲁奇固定床类气化炉；从80年代开始直接引进鲁奇炉；90年代开始国内设计。目前中国国内设计的碎煤固定床气化炉也大多基于该炉型。据不完全统计，国内设计院完成设计的FBDB（Mark4衍生型）气化炉已超过150台。这些气化炉主要用于煤制天然气、煤制合成油、煤制甲醇、煤制合成氨及其他煤化工项目。随着这些项目的建成投产，中国将成为世界上使用鲁奇炉最多的国家。上世纪70年代，南非萨索尔合成油工厂建设了80台Mark4气化炉用于生产液体燃料和化学品；1985年投产的美国北达科他州大平原工厂是目前世界上唯一商业化运行的煤制天然气工厂，至今已稳定运行超过28年，年平均运转率达到98.3%。该厂建有14台Mark4气化炉，每年生产14.5×108Nm3（标准）煤制天然气（SNG）。Mark4的最新业绩是印度Jindal钢铁电力有限公司的DRI（直接还原铁）项目，采用7台最新改进型Mark4气化炉（Mark4-HP40），设计压力为4MPag，目前正在建设中。