小型煤气化实验平台工艺与应用探索

石 旭

（清华大学山西清洁能源研究院，太原 030032）

煤气化技术是煤化工产业的龙头，中国煤气化技术的研发始于20世纪50年代末期，近50年来，在国家的支持下，我国在煤气化技术的研究与开发、学习引进方面进行了大量工作。通过对引进的煤气化技术进行消化吸收，尤其国家重点科技攻关，对引进装置进行技术改造并使之国产化，使我国煤气化技术的研究开发取得了重要进展。煤炭利用技术的研究和开发是我国能源战略的重要内容之一，并且随着全社会对生态及环境保护要求的提高，我国政府对环保的重视，煤炭的清洁利用对我国目前能源结构调整显得愈发重要。

本文将主要介绍煤气化小型热模实验平台的工艺与设计，通过对煤气化热模平台的工艺流程、平台关键部位的介绍和小型热模平台设计中需要注意的事项，为小型煤气化热模实验平台建设提供参考。

1 小型热模实验平台流程简介

本实验平台实验流程为：粉煤通过给料机构进入气化炉，采用纯氧作为气化剂，对粉煤进行部分氧化，从而生产粗合成气（主要成分为CO、H2、CO2）的过程，具体如图1所示。

工艺对煤粉要求为含水量≤2%。煤粉采用平台搭建现场可行的方式加入常压粉煤贮罐，并少部分送入粉煤给料罐。

经预热氮气通过充气锥进入给料罐，同步通过高温氮气对粉煤进行加热并同步建立煤粉流量，以保证粉煤进料温度为80℃。粉煤流量稳定后，与氮气一起进入气化炉。

液氧装置提供的氧气以一定的压力和温度进入气化炉。在气化炉内煤粉、氧气、水蒸气等在高温、高压条件下发生复杂的氧化还原反应，生成以CO、H2、CO2为主要成份的粗合成气，气体经洗涤、脱硫后，经火炬焚烧排入大气。

其中，气化炉上部为燃烧室，下部为激冷室。燃烧室内反应生成的粗合成气以及高温环境下熔融的灰渣通过下降管进入激冷室水浴中逐渐冷却。同时，大部分熔渣及残炭以灰渣形式从合成气中除去，随气化炉黑水进入气化炉下方的集渣器中。少部分熔渣以飞灰形式随合成气进入除尘脱硫单元。黑水可通过集渣器顶部的溢流口排出，而灰渣则沉积于集渣器底部，每次实验结束后可通过底部排渣口排出。

图1 小型煤气化热模实验平台工艺流程

激冷室液位通过集渣器溢流的黑水调节阀进行调节控制。气化炉工艺烧嘴设有冷却水夹套，烧嘴冷却水系统和气化炉进料的蒸汽、伴热用蒸汽、换热器用蒸汽共用一套锅炉水系统。

2 小型热模实验平台关键部位简介

2.1 粉煤密相输送单元

粉煤高压密相输送包括粉煤贮罐、粉煤给料罐、粉煤输送管线、过滤系统等设备。

实际情况应根据单次实验包括调试及实验时间计算，以实验时间8h，气化炉用煤量1t/d为例（以下数据若不做说明，均以此为例）：给料罐的粉煤容量不低于2000kg，粉煤贮罐的容量不低于2000kg，粉煤密相输送系统的常规投煤为量250kg/h，为满足气化单元的工作压力，给料罐粉煤输送压力为2.0MPaG。

2.2 煤气化单元

煤气化单元包括气化炉本体、烧嘴（点火、烘炉及进料用）、集渣器、粗渣取样器、激冷水池、脱硫塔、气体在线分析系统及炉体取温热电偶等组成。假定气化炉的工作压力为1.0MPaG，操作温度1500℃，在该工艺条件下满足单次实验8h。

实验平台应在气化炉燃烧室预热升温至800℃以上并恒温2小时后，更换工艺烧嘴，并对系统进行置换，置换合格后程序控制投入粉煤与加热后的氧气（来自液氧系统）及工艺水蒸汽（来自锅炉），各物料在气化炉燃烧室内发生一系列复杂的氧化还原反应。

进入气化炉前工艺氧气、蒸汽预热至180℃，粉煤预热至80℃。高温合成气与粗渣经燃烧室下渣口与下降管进入气化炉激冷室中，经激冷水及激冷室的水浴作用被冷却降温至131℃（可根据除尘脱硫单元具体操作调整），冷却后的合成气通过激冷室上部出口进入合成气除尘脱硫单元。煤气化炉内的主要反应如表1所示。

2.3 渣水处理单元

粗渣随激冷室中的黑水一起通过激冷室底部出口排出气化炉，粗渣被收集于集渣器中，黑水排放至激冷水池中以便重复利用。气化炉底部排黑水管线与集渣器之间设置粗渣取样器，用于对气化炉底部粗渣进行在线间歇取样分析。

2.4 合成气除尘脱硫单元

合成气除尘脱硫单元包括除尘、脱水、脱硫功能。除尘脱水段内置除尘的过滤设施及吸附剂，脱硫段为干法脱硫工艺，内置ZnO脱硫剂，经过脱硫后的合成气总硫含量满足国家大气排放标准。

来自上游工段的粗合成气从下往上依次经过破沫网、过滤剂和ZnO脱硫剂，依次除掉合成气中的液态水、灰尘、H2S和部分COS。除尘脱水段的设计满足气化炉单次实验8h的负荷要求，且内置过滤设施及吸附剂满足较长的更换周期＞200h。

激冷室出口合成气管线设置合成气在线分析系统，位于预处理器后，用于对合成气中的组分如CO、CO2、H2、CH4、H2S、N2等进行分析。

2.5 合成气燃烧放空单元

由于本热模实验平台为实验性质，所以实验得到的合成气只做成分分析记录，不设置收集装置。合成气燃烧放空单元用于将除尘脱水脱硫后的合成气减压，然后经火炬焚烧至符合国家排放标准后放空。

2.6 公用工程单元

公用工程包括高压氮气、低压氮气、工艺水蒸气、天然气、仪表空气、脱盐水等。其中，高压氮气用于粉煤输送系统、管路吹扫及阀间氮封等，低压氮气用于系统置换和惰性气体保护等。工艺水蒸气来源于蒸汽发生锅炉，其压力同样满足煤气化炉内的1MPaG工作压力，同时满足180℃的初始温度（进入气化炉前温度）。气化炉烧嘴冷却水采用脱盐水，且可循环利用。

3 小型热模实验平台的探索

如何做好小型煤气化热模平台的工艺和应用，以及利用好煤气化研发平台是我们今后应着重探索的。随着煤化工产业的发展，先进的煤气化技术终将取代落后的煤气化技术。小型热模实验平台不仅要在气化研发创新和提升创新力方面发挥作用，还要在新型煤气化技术的数据验证与工艺指导等方面发挥更大作用。

搭建小型煤气化实验平台，不仅能培养优秀科研团队，拓宽科研人员创新条件，完善和提高实验平台功能，还能为自主知识产权的煤气化成套技术和关键设备的开发提供支撑，为我国能源结构调整、煤炭清洁利用提供理论和实验数据保障。

通过组建热模实验平台，并结合煤气化相关的知识分析，以现有技术为基础，通过创新研究对现有技术进行改进和改良，强化各平台的功能和利用率，获取新型煤气化技术的关键工艺和设备结构参数，持续提升科技创新项目立项和实施水平，同步提升试验平台研究开发进程，并最终实现量变到质变的跨越。