1.2.2　粉煤气化装置

粉煤气化技术是以干煤粉为原料，以纯氧和蒸汽为气化剂，水激冷粗洗涤合成气，可提高能量转换效率，减少环境污染。代表性的工业化粉煤气化炉型主要有如下几种：K-T气化炉、Shell气化炉、Prenflo气化炉、GSP气化炉，国产化的炉型包括恩德炉、ICC灰熔聚气化炉、HT-L 粉煤加压气化炉、二段炉、五环炉、东方炉和神宁炉。

（1）K-T气化炉

K-T气化炉是1936年由德国柯柏斯（Koppers）公司的托切克（Totzek）工程师提出常压粉煤部分气化的原理并进行了初步试验，因而取名为柯柏斯-托切克（Koppers-Totzek）炉，简称K-T炉。1948年在美国进行中试，1952年首次应用于工业规模，主要用于生产合成氨气和燃料气。中国于1960年开始进行K-T炉粉煤气化试验，至1966年先后试验过6个煤种，在试验的基础上，于20世纪70年代初在新疆建成一套K-T粉煤气化制氨装置，投产后遇到耐火材料侵蚀、碳转化率低、排渣困难等问题而改烧重油。在20世纪70年代末，西北化工研究院建成一台中试炉，因耐火砖的侵蚀问题而停运。在20世纪80年代初，山东黄县建成一台工业炉，也因耐火材料和飞灰问题而停运。中国K-T式粉煤气化炉始终未能工业化，主要问题是采用热壁衬里，耐火材料经不起高温熔渣的化学侵蚀。K-T炉是干法粉煤气流床气化技术的典型代表，到20世纪80年代以后，随着加压气化工艺的工业化，常压K-T炉已经停止再建厂。K-T炉的发展历程为现代煤气化技术的发展奠定了良好的基础。

K-T气化炉有两炉头（图1-4）和四炉头两种结构，最早设计的两炉头两喷嘴卧式气化炉，容积为10m3，每小时生产CO和H2约4500m3（标）。两炉头K-T气化炉的形状像两个球形锥体，中间焊接在一起，它有双层的炉壳（水夹套），用锅炉钢板制成，夹套结构内壁用耐火材料衬里以免炉壳体受高温作用损坏，夹套内生产低压（0.2MPa）水蒸气，可用作气化工艺蒸汽，同时把内壁冷却到灰熔点以下，使内壁挂渣而起到一定的保护作用。两炉头气化炉在每个炉头上装有一组相邻的两个喷嘴。煤、蒸汽和氧气通过这四个喷嘴喷入炉内。四炉头气化炉， 炉头间相隔成90°角，总共有8个喷嘴，这样的大型装置外形类似于两个相交的球形锥体，也是夹套结构。

早期的K-T炉采用全热壁衬里，这种全热壁衬里称为以砖抗渣。为减轻熔渣对向火面的耐火砖的侵蚀，日本做了一些改进，取消了隔热保温砖，代之以水冷却管。但这种改进并未起到预期的效果，砖的侵蚀仍很严重。在此背景下，全水冷壁结构的耐火里衬冷壁炉应运而生。

所谓冷壁炉，就是在水夹套内侧焊长约40mm的渣钉，对渣钉材质及布钉密度均有严格要求。耐火材料砌筑较为简便，用加压喷涂法将铬基耐火材料喷到渣钉层，喷后总厚度为50～70mm。由于里衬很薄，加上渣钉密集，涂层热导率大，熔渣在气化炉内达到动态平衡，达到以渣抗渣的目的。当耐火层被熔渣侵蚀后热损增加，渣层温度降低，增加了沿内壁衬流下来的熔渣黏度，因而使熔渣黏附于内衬表面体，提高了渣层表面温度。以渣抗渣，可以确保气化炉长期使用，寿命长达5年。

K-T炉为常压气化，干法粉煤进料。K-T炉气化是基于部分氧化的原理，原料煤经干燥并磨碎到70%～90%通过200目，煤粉输送到气化炉的中间煤粉斗， 然后加到气化炉的小煤粉斗。用一个可变速螺旋加料器将煤粉送到混合器， 在此引入氧和蒸汽的混合物。粉煤被气化剂（氧气和水蒸气）夹带入炉进行瞬间着火反应，二者并流进行气流床气化，气固相对速度小。煤-蒸汽-氧气的混合物注入气化炉的喷嘴， 其喷射速度要大于火焰传播速度以避免回火。每一炉头上有两个相邻的喷嘴较单喷嘴设计增加了湍动。如果一个喷嘴临时熄火， 它还提供了一种安全装置保证继续着火。受气化反应区的限制，煤和气化剂接触时间极短。为使气固反应完全，提高碳转化率，除要具备应有的温度，还要提高反应界面。因此必须使用粉煤（<0.1mm）进行火焰型部分氧化反应。炉内火焰中心温度在2000℃以上，整个气化反应极快，一般在烧嘴出口0.5m或1s内即完成反应。气化炉中部温度为1400～1600℃。炉膛作为集热反应区，同时兼顾收集气体和集结熔渣的作用。气体在炉内停留时间为1～1.5s。部分煤灰经炉壁收集，以液态渣自炉底排出，未燃尽的炭粒则由炉顶部随气体一起逸出。炉内操作温度的高低决定于煤的活性和煤的灰熔点。一般情况下，当炉内温度控制在比灰熔点高100～150℃时便能正常运行。在炉内的高温下，灰渣熔融成液态，其中60%～70%自气化炉底排出，其余以飞灰形式随煤气逸出炉外。由于K-T炉是高温火焰反应，因此生成气中不含高级烃、焦油和酚类，主要成分由CO和H2组成，甲烷含量极低（<0.1%），很适合做合成气。

（2）Shell气化炉

在K-T炉的基础上，荷兰Shell国际石油公司和Krupp-Uhde公司的前身德国的克虏伯-柯柏斯（Krupp-Koppers）合作，联合开发了Shell-Koppers气化工艺，并于1976年在荷兰阿姆斯特丹建成了小试装置，完成了21个煤种的气化试验。在小试的基础上，于1978年在德国的汉堡-哈尔堡建立了一个气化能力为150t/d的Shell-Koppers工业示范装置，操作压力3MPa。Shell-Kopper气化工艺实际上是K-T炉的加压气化形式，主要工艺特点是采用密封料斗法加煤装置和粉煤浓相输送，气化炉采用水冷壁结构。Shell-Koppers炉于1983年结束运转，后来两合作者单独开发了各自的干法气化新工艺。Shell公司开发了Shell煤气化工艺简称SCGP（Shell Coal Gasification Process）。Shell公司于1986年在美国休斯敦郊区建成一套命名为SCGP-1的粉煤气化示范装置，气化规模250～400t/d煤，气化压力2～4MPa。在此基础上，1993年在荷兰的Demkolec建成2000t/d的采用Shell煤气化工艺的整体煤气化联合循环（简称IGCC）发电示范装置，同年实现联合循环发电，现在已进入商业化运行。

Shell气化炉结构示意图如图1-5所示。Shell煤气化炉采用膜式水冷壁形式，它主要由内筒和外筒两部分构成，包括膜式水冷壁、环形空间和高压容器外壳。膜式水冷壁向火侧敷有一层比较薄的耐火材料，一方面为了减少热损失；另一方面更主要的是为了挂渣，充分利用渣层的隔热功能，以渣抗渣，以渣炉壁，可以使气化炉热损失减少到最低，以提高气化炉的可操作性和气化效率。环形空间位于压力容器外壳和膜式水冷壁之间。设计环形空间的目的是为了容纳水/蒸汽的输入/输出管和集气管。另外，环形空间还有利于检查和维修。气化炉外壳为压力容器，一般小直径的气化炉用钨合金钢制造，其他用低铬钢制造。气化炉内筒上部为燃料室（或气化区），下部为熔渣激冷室。煤粉及氧气在燃烧室反应，温度为1700℃。Shell气化炉由于采用了膜式水冷壁结构，内壁衬里设有水冷却管，副产部分蒸汽，正常操作时壁内形成渣保护层，用以渣抗渣的方式保护气化炉衬里不受侵蚀，避免了因高温、熔渣腐蚀及停、开车产生应力对耐火材料的破坏而导致气化炉无法长周期运行。

Shell煤气化工艺属于加压气流床粉煤气化，是以干煤粉进料，纯氧作为气化剂，液态排渣。干煤粉由少量的N2（或CO2）吹入气化炉，对煤粉的粒度要求也比较灵活，一般不需要过分细磨，但需要经热风干燥，以免粉煤结团，尤其对含水量高的煤种更需要干燥。气化火焰中心温度随煤种不同在1600～2200℃之间，出炉煤气温度为1400～1700℃。生产的高温煤气夹带的细灰有一定的黏结性，所以出炉需与一部分冷却后的循环煤气混合，将其激冷至900℃左右后再导入废热锅炉，生产高压过热蒸汽。煤气中的有效成分CO+H2可高达90%以上，甲烷含量很低。在典型的操作条件下，Shell气化工艺的碳转化率高达99%，合成气对原料煤能源转化率为80%～83%，此外尚有16%～17%的能量可以利用转化为过热蒸汽。在气化炉内煤中的灰分以熔渣形式排出，大部分炉渣从炉底离开气化炉，用水激冷，再经破渣机进入渣锁系统，最终泄压排出系统。

我国在2001年由湖北双环公司首次与Shell公司签订了SCGP技术许可合同。2006年，首套SCGP煤气化装置成功开车。目前，我国已引进了20套共24台SCGP气化炉用于煤制合成氨、尿素、甲醇、烯烃和氢等化工产品，单炉最大日投煤量达到了2800t。除河南龙宇500kt/a甲醇项目1台SCGP气化炉暂停建设和大同集团600kt/a甲醇装置1台SCGP气化炉即将机械竣工外，先期引进的17 套共21台SCGP气化炉均已顺利投产运行。河南开祥化工有限公司在先期引进1台SCGP气化炉稳定运行的基础上，于2012年再次引进1台SCGP气化炉，用于煤制合成气生产乙二醇，该项目目前处于工程设计阶段。SCGP技术最大日投煤量可达3000t，激冷流程已开发成功。

（3）Prenflo气化炉

Prenflo工艺是Shell-Koppers炉另一种表现形式，是在Shell-Koppers炉试验的基础上，由Krupp-Uhde公司独立开发的加压煤气化工艺，是K-T炉的加压气化形式。1985年在德国萨尔州的菲尔斯滕豪森市建造第一套气化规模为48t/d、操作压力为3.0MPa的Prenflo示范装置，1986年建成并投入运行。在Prenflo气化中试的基础上，Krupp-Uhde公司于1992年提供Prenflo加压气流床气化技术，用于在西班牙建设整体煤气化联合循环发电示范厂。

Prenflo气化炉有4个燃烧器，从给料系统来的煤粉与氧气和水蒸气一起喷入气化炉进行反应，结构简图如图1-6所示。先脱挥发分燃烧，其温度在1500℃左右，火焰中心温度高达2000℃以上，然后进入半焦反应区。由于气化温度很高，因此产生的粗煤气不含高碳氢化合物、焦油及酚。气化炉衬采用水冷壁式，生产高压饱和蒸汽。

Prenflo气化炉原料煤必须粉碎至0.1mm，该粒度的粉煤颗粒应占75%～90%，干燥后最终水分含量为10%以下。对烟煤要求含水量小于2%，90%的煤粉小于100μm；对于褐煤要求含水量小于6%，75%的煤粉小于100μm。合格的煤粉用纯N2进行输送，首次进入常压的煤粉旋风分离器，使煤粉与N2分离。煤粉进入闸式煤粉料斗，而N2通过过滤器后放空。此后，向煤粉料斗充高压N2，将煤粉压入煤粉料斗，然后按严格的计量关系，由N2将煤粉送到燃烧器中。在粉煤进入燃烧器前加入气化剂氧气（纯度85%～99%）和水蒸气，煤粉与气化介质的比例由专门的监控装置来控制。反应器内压力为3MPa，温度为1350～1600℃。在此条件下进行气化反应，碳的转化率超过98%。反应器内温度大于灰熔点温度，灰渣呈熔融状态。这种熔融状态的灰渣流入反应器下面的水浴中淬冷成粒状。粒状炉渣经渣斗排出，炉渣中实际上已不含碳。煤气的有效组分（CO+H2）高达93%～98%。此工艺对环境影响很小，不产生焦油、酚和氨水。

（4）GSP气化炉

在Shell-Koppers气化工艺开发的同时，德国VEB Gaskombiant的黑水泵公司开发了GSP（Gaskombiant Schwarze Pumpe）气化炉。GSP气化是一种下喷式加压气流床液态排渣气化炉。GSP技术的开发始于1976年，1980年在德国费莱堡燃料学院建成两套试验装置。1983年在黑水泵联合企业建成一套工业规模气化装置，投煤量30t/h，工作压力3.0MPa，1985年投入运行。

GSP气化炉由一圆柱形反应室组成，其上部有轴向开孔，用于安装燃烧器（或喷嘴）。气化炉底部是液态渣排放口，结构简图如图1-7所示。物料经喷嘴入炉，喷嘴处装有点火及测温装置。粗煤气出口温度比灰渣流动温度高100～150℃。煤气和液渣并流向下进入煤气激冷系统。反应器的四周装有水冷壁管，压力为4MPa，高于反应室压力，水受热沸腾变成蒸汽，降低炉壁温度。在冷却管靠近炉中心侧有密集的抓钉，用来固定碳化硅耐火层。耐火层的厚度约为20mm。因有盘管冷却，耐火层表面温度低于液态渣的凝固温度，因而会在耐火层表面结一层凝固渣层，最后形成流动渣膜，对耐火层起到保护作用。

GSP气化炉工艺原理是将干燥的粉煤在球磨机中磨成小于0.2mm粒级含量大于80%以上的煤粉，同除尘器中的煤灰一起，经煤仓系统加到气化炉中，在2000℃条件下与氧气、蒸汽发生气化反应，生产的粗煤气和形成的液态渣并流向下离开反应器。在急冷器中，煤气与水形成强的涡流，被水急冷至200℃左右，接着进行粗煤气的变换、冷却、冷凝和脱硫。最后将合成气送入后续工序。

GSP干粉加压气化工艺属单烧嘴下行制气，干煤粉进料，加压氮气或二氧化碳输送，连续性好，煤种适应性广，可以处理灰分含量1%～35%（质量分数）的各种原料煤；气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖衬里，维护量较少，气化炉利用率高，运转周期长，无需备炉，气化炉及内衬使用寿命在10年以上；气化炉只有1只联合烧嘴（开工烧嘴与煤烧嘴合二为一），烧嘴使用寿命长；气化操作压力为3.0～4.0MPa，操作温度为1400～1500℃。

2007年，神华宁煤集团率先引进了5套SFG500型（日投煤量约2000t）GSP气化装置用于神华宁煤烯烃项目，于2010 年11月建成试车；通过几次技术改造，目前运行状况稳定。此外，山西兰花“晋城3052项目”采用2套SFG500型GSP气化装置，中电投新疆伊南60×108m3/a（标态）天然气项目的一期工程采用8套SFG500型GSP气化装置。目前，国内已有GSP气化炉均为单炉日投煤量2000t 的SFG500t型气化炉。

（5）恩德炉

恩德粉煤气化技术由抚顺恩德机械有限公司在引进朝鲜恩德“七七”联合企业改进的温克勒气化炉的基础上开发的流化床粉煤气化技术，其设备已完全实现国产化。2001年，在江西景德镇焦化煤气化总厂建成投产了第1套产气量1000m3/h（标态）的工业示范装置。目前，在国内已建和在建的装置共13套22台气化炉，单炉最大产气量为40000m3/h（标态），最大日投煤量约为600t。

（6）ICC灰熔聚气化炉

ICC灰熔聚气化技术由中科院山西煤化所研究开发。2009年，晋煤集团首次采用该技术建成世界首套劣质无烟煤甲醇合成油（MTG）示范装置，配备6台0.6MPa的ICC气化炉，单炉日投煤量300～330t。目前，国内采用该技术已投产或在建的装置共9 台（套），最高操作压力1.0MPa，单炉最大日投煤量330t，现正进行提高操作压力试验，以开发更高操作压力和处理能力的炉型。

（7）HT-L 粉煤加压气化炉

该技术由中国航天科技集团公司开发，属于单喷嘴顶置式水冷壁型气化技术，于2008年10月在安徽临泉化工150kt/a甲醇项目中首次得到应用，单炉日投煤量为750t；单炉日投煤量1600t的气化炉已于2012年起先后在山东瑞星合成氨项目和河南晋开合成氨项目顺利投运。目前，该技术在国内签约项目超过20个，签约气化炉超过30台。

（8）二段炉

该技术由西安热工研究院开发，有废热锅炉流程和激冷流程2种工艺流程，目前已成功应用于华能天津IGCC项目和内蒙古世林化工300kt/a甲醇项目。华能天津IGCC项目采用两段炉废热锅炉流程，单炉日投煤量为2000t，2012年4月成功开车，2012年11月正式并网发电。目前，该技术已签约项目约10个，单炉日最大投煤量为2000t，并已成功转让出口至美国宾夕法尼亚150MW IGCC项目。

（9）五环炉

该技术由中国五环工程有限公司与河南煤业集团公司合作开发，是在充分消化吸收Shell干煤粉加压气化技术的基础上，采用水浴激冷方式自主开发的干粉气流床气化技术。目前，该技术单炉最大日投煤量为1200t，已签约应用于2个项目，共计3台气化炉。

（10）东方炉

该技术由中石化宁波工程公司、宁波技术研究院与华东理工大学联合开发，为干煤粉单喷嘴进料、水冷壁气化炉，采用激冷工艺流程。该技术首台日投煤量1000t气化炉应用于江苏南京扬子石化43kt/a制氢工业化示范装置中，于2014年1月23日试车投料，1月28日产出合格氢气，进入工业生产。中安联合1700kt/a煤制甲醇及转化烯烃项目也采用该技术，共建设7 台（5开2备）日投煤量1500t气化炉，于2018年10月完成中期交工；广东中科炼化煤制氢项目也将建设两台2000吨级气化炉，2019年12月建成中交。目前，该技术单炉最大日投煤量为2000t，签约项目3个，签约气化炉11台。

（11）神宁炉

该技术由神华宁煤集团与中国五环工程有限公司合作开发，为单喷嘴水冷壁气化炉，采用下行水浴激冷流程。该技术将应用于神华宁煤集团4000kt/a煤炭间接液化项目的煤气化装置中，共有28台气化炉，单炉日投煤量为2200t。