煤制甲醇的氣化工段的設(shè)計案例氣化工段的主要任務(wù)，是將原料煤和水與高壓氧氣共同作用，在氣化爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，生成合成氣[6]。整個過程生成的合成氣主要包括CO、H2、CO2和水，同時還帶有少量的CH4、H2S等氣體，成分較為復(fù)雜。其基本方程式為：公式（1.1）公式（1.2）在氣化爐內(nèi)，煤炭經(jīng)歷了干燥、干餾、氣化和燃燒等幾個過程，整個反應(yīng)速度很快，幾乎在瞬間完成。離開氣化爐后經(jīng)過冷卻、洗滌、除塵等環(huán)境后進入到變換工段進行繼續(xù)處理[1]。氣化工段的技術(shù)根據(jù)氣化反應(yīng)器的不同，可分為固定床、流化床、氣流床三種[11]。1.1固定床氣化技術(shù)簡介固定床氣化技術(shù)，也稱移動床氣化或塊煤氣化，是基于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)模式與需求開發(fā)而來的技術(shù)。是最早的煤炭氣化方法，由德國開發(fā)，并在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，但隨著煤氣化工藝技術(shù)的發(fā)展會被逐步淘汰[12]。該技術(shù)采用5mm~80mm粒徑的碎煤為原料進行氣化，代表性技術(shù)包括BGL熔渣氣化、UGI氣化、魯奇（Lurgi）褐煤加壓氣化和碎煤移動床氣化等[13]。移動床氣化又分常壓和加壓兩種。前者是在常壓條件下，采用自供熱和干法排灰的方式進行。在氣化爐內(nèi)，固體原料和氣化劑逆流接觸，爐中自上而下分為預(yù)熱干燥層、干餾層、氣化層、燃燒層以及灰渣層[14]。后者在高于大氣壓力1.0~1.0MPa或更高的壓力條件下進行，氣化介質(zhì)為氧氣或水蒸氣。其優(yōu)點有：對煤種的適應(yīng)性比較強——來源豐富的褐煤，以及長焰煤或者不粘煤均可作為其材料；氧氣消耗量低；生產(chǎn)強度較大，投資費用小，是中小型化工廠最喜歡的工藝。目前，加壓移動床最成熟的爐型是采用固態(tài)排灰和液態(tài)排渣的魯奇（Lurgi）爐，其運行費用比較經(jīng)濟，但也有很多不足：產(chǎn)品氣體成分復(fù)雜，凈化處理費用較高，有發(fā)生二次污染的隱患；對原料塊煤的需求與目前采煤技術(shù)符合度不高。1.2流化床氣化技術(shù)簡介流化床氣化生產(chǎn)技術(shù)是以小顆粒碎煤為生產(chǎn)原材料，借助于褐煤等劣質(zhì)煤來完成氣化生產(chǎn)的技術(shù)。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)氣化反應(yīng)生產(chǎn)控制，可以有效提升生產(chǎn)的效率，具有廣泛的生產(chǎn)應(yīng)用前景[12]。流化床氣化代表性技術(shù)包括U-gas灰融聚、溫克勒氣化（恩德爐）、中科合肥循環(huán)流化床氣化、KEDA流化床、黃臺爐等。目前，該技術(shù)的以循環(huán)流化床為代表，使用0~10mm的粉煤，原料成本低；生產(chǎn)過程中無焦油、酚類物質(zhì)生成。常壓空氣氣化時可燃氣體成分接近一半，加壓富氧條件下可達80%以上，目前以常壓技術(shù)為主[13]。流化床氣化技術(shù)優(yōu)點不少：對原料煤的灰分要求不嚴格，對煤種適應(yīng)性強；原料粒徑?。ù蠖酁?~10mm），與當前采煤技術(shù)和洗煤技術(shù)相符；原料成本低、可以處理部分垃圾與污染物；反應(yīng)速度快，生產(chǎn)能力大。但在生產(chǎn)過程中，也存在部分缺點：出口CO2含量較高；煤氣出口溫度高，灰渣和飛灰含碳量高，需有完備的除塵裝置。現(xiàn)階段，U-gas氣化爐和ICC煤氣化爐是目前正在使用的適應(yīng)流化床技術(shù)的最為廣泛的氣化爐[14]。1.3氣流床氣化技術(shù)簡介氣流化床氣化技術(shù)是通過氣化劑夾雜煤粉來實現(xiàn)生產(chǎn)的技術(shù)，該技術(shù)能夠產(chǎn)生豐富的H2與CO的合成氣體。溫度高、強度高，在國內(nèi)應(yīng)用最廣泛[12]。在國內(nèi)，氣流床氣化技術(shù)從一開始的使用國外的Shell、GSP等技術(shù)，到開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的氣流床氣化技術(shù)，并大規(guī)模推廣應(yīng)用，做了不少努力。目前，氣流床氣化技術(shù)正朝著大型化、高參數(shù)、寬燃料適應(yīng)性等方向發(fā)展。受干粉供料技術(shù)限制，干粉氣化技術(shù)現(xiàn)階段操作壓力暫時保持在6.5MPa；相對成熟的水煤漿氣化技術(shù)可達到8.7MPa?？梢?，高的操作壓力也是氣流床氣化爐開發(fā)的方向之一[13]。氣流床氣化技術(shù)有著以下特點：反應(yīng)溫度高（可達1700℃），一般在高壓下運行，大分子物質(zhì)可被完全裂解和轉(zhuǎn)化；原料適應(yīng)性廣（褐煤、煙煤、無煙煤、石焦油、蘭炭、焦炭等均可適用）；對于水煤漿鍋爐，還可采用有機廢液、廢油、危廢、垃圾飛灰等含碳原料；產(chǎn)氣中不含酚類、芳烴類物質(zhì)，氣化過程清潔高效，無二次污染；系統(tǒng)碳轉(zhuǎn)化率最高可達99%以上。合成氣中有效氣成分高（干煤粉氣化技術(shù)可達90%左右，水煤漿氣化技術(shù)可達80%以上）。通過比對三種煤氣化模式可發(fā)現(xiàn)，固定床氣化設(shè)備投資成本低、能耗小，但氣化為其影響嚴重，無法適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)要求；流化床氣化對原料煤種適應(yīng)性強，原料成本低，生產(chǎn)能力大，但出口CO2含量較高，灰渣和飛灰含碳量高，對后續(xù)甲醇的合成有著一定的影響；相對來說，氣流床氣化技術(shù)操作溫度高，壓力提升明顯，碳轉(zhuǎn)化率高，綜合考慮其技術(shù)、能耗和環(huán)保等方面，氣流床氣化技術(shù)可以很好的適應(yīng)大型煤制甲醇氣化工段的生產(chǎn)。現(xiàn)階段，干粉氣化技術(shù)和水煤漿氣化技術(shù)是較為成熟的兩種氣流床氣化技術(shù)。（1）干粉氣化技術(shù)干粉氣化技術(shù)的主要設(shè)備是干粉氣流床——是一種應(yīng)用規(guī)模較大的氣流床設(shè)備。在其中的進行煤氣化反應(yīng)的原料煤的轉(zhuǎn)化率高，產(chǎn)出的煤氣中CO含量高，H2含量較低，熱值高，能夠很好的滿足設(shè)計所需要的有效氣體成分的比例需求。該設(shè)備代表技術(shù)有干煤粉爐（Shell爐）、GSP爐、HT-L航天爐、WHG五環(huán)爐、神寧爐、華能兩段爐、科林爐和SE-東方爐等[13]。其中最具有代表性的是Shell以及德國的GSP等技術(shù)。（2）水煤漿氣化技術(shù)水煤漿氣化技術(shù)的主要設(shè)備是水煤漿氣流床——是大型生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用較多的生產(chǎn)設(shè)備，其代表技術(shù)有AP水煤漿氣化（原德士古、GEGP氣化）、晉華爐、MCSG多遠料漿氣化、多噴嘴氣化爐等[13]。由于生產(chǎn)過程中融入了熔渣槽的相關(guān)信息，國內(nèi)大多數(shù)都可以實現(xiàn)激冷控制。相對前者而言，該技術(shù)生成的二氧化碳含量大，碳的轉(zhuǎn)化率低，一氧化碳和氫氣的成分較低，且對原料煤有一定的要求[12]。對于大型煤制甲醇氣化工段的設(shè)計而言，干粉煤氣化技術(shù)應(yīng)得到優(yōu)先考慮。對于該次年產(chǎn)1萬噸的煤制甲醇的工藝設(shè)計，屬于中小型煤制甲醇工藝。為此，造氣工段將選用具有Shell和Texaco技術(shù)優(yōu)點的GSP冷激氣化工藝。以下將展開介紹GSP工藝技術(shù)。1.4GSP工藝技術(shù)簡介上世紀70年代末，為用高灰分褐煤生產(chǎn)民用煤氣前民主德國的德意志燃料研究所開發(fā)了GSP工藝技術(shù)（又稱為加壓氣流床氣化技術(shù)）。1979年在弗來堡分別建立了一套3MW冷壁爐和5MW冷墻爐中試裝置；1984年，又在黑水泵市的勞柏格電廠建立了一套130MW冷壁爐的商業(yè)化裝置。GSP工藝技術(shù)原料適應(yīng)廣，對于城市廢料在內(nèi)的碳氫化合物均可用于處理，對于發(fā)電和城市煤氣的生產(chǎn)起到了重要的技術(shù)支持[15]。GSP氣化反應(yīng)原理作為氣流床反應(yīng)器的一種，GSP連續(xù)氣化爐在高溫加壓條件下，經(jīng)歷磨煤、氣化、粗合成氣洗滌、排渣、黑水處理等工序，最終形成CO、H2為主的煤氣。在爐內(nèi)，幾根煤粉輸送管均勻分布，將經(jīng)過碾磨的原料煤粉（≤0.5mm）進入最外環(huán)隙，使其在通道內(nèi)盤旋，旋轉(zhuǎn)噴出。相切于噴嘴頂端的給煤管線末端，于噴嘴外構(gòu)成一均勻煤粉層，同氣化介質(zhì)混合后于氣化室中氣化，形成以CO、H2為主的煤氣，后續(xù)進入激冷室[16]。GSP氣化技術(shù)特點①氣化爐開工率高，基本每年一次；配件（燒嘴、水冷壁）使用壽命長，多臺并聯(lián)時，因其開停車靈活，維修時可實現(xiàn)部分停車可達到穩(wěn)定生產(chǎn)。②氣化爐的氣化溫度高；原料適應(yīng)范圍廣，原料煤的灰熔點的適用范圍寬（對于高水份、高灰分、高硫含量和高灰熔點的原料煤均可得到使用），降低成本；可用氮氣或一氧化碳輸送原料煤粉，操作較為安全。③氣化爐的氣化效率高，原料煤的碳轉(zhuǎn)化率可高達99%以上。④氣化爐操作彈性達，負荷調(diào)節(jié)靈活⑤氣化過程無廢氣排放，對環(huán)境影響小[15]。作為當前世界上先進的氣流床煤氣化工藝技術(shù)，GSP煤氣化工藝生產(chǎn)能力大，消耗低，環(huán)保，經(jīng)濟被譽為潔凈煤氣化技術(shù)，市場前景廣[17]。GSP氣化爐結(jié)構(gòu)簡介GSP氣化爐的結(jié)構(gòu)：GSP氣化爐是由燒嘴、冷壁氣化室和激冷室組成的加壓氣流床，結(jié)構(gòu)見圖1.1。圖1.1GSP工藝氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖①冷壁氣化室GSP加壓氣化床氣化爐水冷壁結(jié)構(gòu)見圖1.2。圖1.2GSP加壓氣化床氣化爐水冷壁結(jié)構(gòu)示意圖冷壁氣化室的冷壁是一個多層結(jié)構(gòu)，由液體熔渣、固體熔渣、屏壁、填充物、齒形蛇管卷、加壓冷卻水管組成，置于外部壓力容器內(nèi)，為氣密膜墻結(jié)構(gòu)，且內(nèi)襯有起保護作用的耐火材料。氣化過程中，反應(yīng)溫度比較高，產(chǎn)生的熔渣被燒嘴以小渣滴的形式甩至水冷壁，然后在水冷壁上形成固化熔渣層。該固化熔渣層的厚度取決于反應(yīng)室內(nèi)的火焰溫度和熔渣的粘溫特性。水冷壁可以通過固化熔渣層厚度的變化自動調(diào)節(jié)氣化爐的運行工況。當固化熔渣層加厚時，則傳給水冷壁的熱流量減小，從而使得排出反應(yīng)室的熔渣量增多。如果因系統(tǒng)故障使反應(yīng)室內(nèi)熱負荷突然增加，則傳給水冷壁的熱流量會隨之增大而使水冷壁上的部分固體熔渣熔化。隨著通過水冷壁從氣化反應(yīng)室移走熱量的增多，水冷壁.上的固化熔渣層又會逐漸加厚。這就是氣化過程自動調(diào)節(jié)的原理，從而保證氣化過程的穩(wěn)定進行。反應(yīng)室是由水冷壁圍成的圓柱形空間，上部為燒嘴，下部為排渣口，原料與氧氣、水蒸氣的氣化反應(yīng)就在此空腔內(nèi)進行。爐體內(nèi)溫度為1400℃以上，經(jīng)過5.5mm厚的液體熔渣和固體熔渣以后，溫度降到500℃左右，再經(jīng)過13mm厚的屏壁和填充物，溫度降低到270℃左右，加壓冷卻水的溫度為250℃左右。冷壁氣化爐體的優(yōu)點是外層殼體內(nèi)壁的溫度比較低（＜250℃），不易損壞。齒形蛇管卷在使用10a以后，沒有破壞性的損壞。②燒嘴GSP的燒嘴是一種內(nèi)冷式多通道的多用途燒嘴，共有6層通道，結(jié)構(gòu)見圖1.3。圖1.3GSP工藝氣化爐燒嘴的結(jié)構(gòu)示意圖進料氣體和原料物料共分內(nèi)中外三層。燒嘴外層是主燃料（3個進口)），例如煤粉；中層是氧氣和高壓蒸汽；內(nèi)層進料為燃料氣，作為持續(xù)點火用。該燒嘴還配有閉路循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，為安全起見，該冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水壓高于氣化爐的操作壓力。冷卻水也有三層，分別在物料的內(nèi)中、中外層之間和外層之外，這種冷卻方式傳熱比較均勻，可以使燒嘴的溫度保持在較低的水平，特別是燒嘴頭部的溫度不至于太高，以免將燒嘴的頭部燒壞。燒嘴頭部的材料較好，其使用壽命預(yù)計可以在10a以上，但是，燒嘴頭部金屬材料的要求比較高，且每年都要維修。③激冷室激冷室是一個上