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科林粉煤气化技术(CCG)简介
德国科林工业集团 1.公司简介 德国科林工业集团是全球著名的煤气化、煤干燥和生物质气化技术提供商。该集团是前东德燃料研究所 (DBI)和黑水泵工业联合体（Gaskombinat Schwarze Pumpe， 简称GSP）气化厂最大的后裔公司。 科林（CHOREN）名称的由来是：“C-Carbon-碳 H-Hydrogen-氢 O-Oxygen-氧 REN-RENewable-可再生”。 科林集团总部位于德国弗莱贝格市，原东德燃料研究所旧址，著名的黑水泵气化厂就在附近。戴姆勒奔驰汽车公司、德国大众汽车公司为科林的战略投资者。 目前集团拥有近300名研发及工程技术人员，其中主要技术骨干为前徳燃所和黑水泵厂的员工。科林公司的发起人Wolf博士即为前东徳燃料研究所研发部部长，煤气化运行总监贡瓦先生是前黑水泵气化厂厂运行主任。 科林集团拥有40多年气流床气化技术研发、设计、设备制造、建设以及运行的经验，可以为客户提供粉煤气化技术（CCG）和生物质气化技术（Carbo-V®）从工艺包设计到关键设备制造和开车运行等一系列综合性服务。 此外，科林集团也是蒸汽流化床煤干燥技术的创始人和专利持有人，在全世界煤干燥领域，特别是褐煤干燥领域具有多年成功运行经验。 科林能化技术（北京）有限公司是科林集团的全资子公司，负责集团在亚太地区的业务。 2.技术来源及技术开发背景 科林高压干粉煤气化炉简称为CCG炉(Choren Coal Gasifier),该技术起源于前东德黑水泵工业联合体（Gaskombinat Schwarze Pumpe， 简称GSP）下属的燃料研究所，于上世纪70年代石油危机时期开始开发，目的是利用当地褐煤提供城市燃气。1979年在弗莱贝格市建立了一套3MW中试装置，完成了一系列的基础研究和工艺验证工作。试验煤种来至于德国、中国、前苏联、南非、西班牙、保加利亚、澳大利亚、捷克等国家。1984年在黑水泵市（SCHWARZ PUMPE）建立了一套130MW（日投煤量为720吨）的水冷壁煤气化炉工业化装置， 气化当地褐煤用作城市燃气，有运行8年的工业化生产经验。之后改用工业废液废油作为进料，继续运行至今。燃料研究所和黑水泵工厂的技术骨干后来发起成立了科林的前身公司，继续致力于煤气化技术的研发,并把运行中出的问题进行了设计更改和完善，推出了一套完整优化的新气化技术 - CCG。 3.CCG技术介绍 （1）气化工艺 CCG气化工艺过程主要是由给料、气化与激冷系统组成。原料煤被碾磨为100%<200μ，90%<65μ的粒度后, 经过干燥, 通过浓相气流输入系统送至烧嘴，在反应室内与工业氧气（年老煤种还需添加少量水蒸气）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。 根据灰组份和灰熔融特性，气化温度操作控制在1400℃--1700℃之间 （高于灰熔点200度左右）。反应温度可通过氧气流量进行调节（控制炉内化学反应剧烈程度）。反应室内壁为水冷壁，由于形成了固态渣层保护，所以反应产生的液态灰渣不会直接接触水冷壁。 生成的合成气及液态灰渣离开燃烧室向下流动，在激冷室中直接被水冷却，液态灰渣被水浴固化成颗粒状，冷却后的灰渣经过锁斗排出系统，从排放的水中分离并通过捞渣机运出。合成气被蒸汽饱和，以大约 210 ℃温度离开气化炉。气化炉外壳由水夹套保护，表面温度小于100℃。 原料气化和达到气体平衡所需的热量由原料碳氧化成CO2和CO所释放。气化温度的选择主要由煤的灰熔点确定, 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。 （2）CCG气化炉结构
气化炉由烧嘴、燃烧室、激冷室、水冷壁、外壳等部分组成。日投煤量为1500吨的气化炉的尺寸大约是16米高，直径3.2米，重量约200吨。上图是气化炉的示意图。 A 烧嘴 CCG气化炉为多喷嘴顶置的形式，分为引燃烧嘴和煤粉烧嘴。在开车和停车时候，利用液化气混合氮气作为引燃烧嘴的燃气。在气化炉运行过程中，出于安全的考虑，引燃烧嘴在较小的功率下运行（长明灯）。可以利用循环回送的合成气作为引燃烧嘴的燃料。由于长明灯反应放热也是气化反应所需要的，所以并不会造成额外的能量损耗。 由于烧嘴是一个承载高温的部件，故每个烧嘴自身都有冷却循环系统。经由泵、泵接收器和热交换器组成一个循环，形成强制冷却，使热量间接传导到冷却水系统。烧嘴顶部寿命一般为4年，每年半年检修一次烧嘴的顶部。如有损坏仅需更换烧嘴顶部。 下图为400MW（日投煤量1500吨）烧嘴分布图、引燃烧嘴示意图和粉煤烧嘴示意图。
B 气化室水冷壁结构 煤粉、氧气和水蒸气通过烧嘴进入燃烧室，发生部分氧化反应。燃烧室是由齿形蛇管卷水冷壁围成的圆柱形空间, 上部为烧嘴, 下部为排渣口, 原料与氧气、水蒸气的气化反应就在此空腔内进行。第一次开车后水冷壁被挂上一层渣，在后续运行中利用以渣抗渣的原理保护水冷壁。正常运行时炉体内温度为1400-1700 ℃, 经过渣层以后, 温度降低到500℃左右, 再经过16.5 mm 厚的屏壁和SiC填充物, 温度降低到270 ℃左右, 水冷壁内的加压冷却水的温度为250 ℃左右。水冷壁气化炉体的优点是炉体实际承受的温度较低，水冷壁承温< 500 ℃，外层壳体内壁的温度< 250 ℃ ,气化炉外壳的表面温度小于100°C，不容易损坏，故可以气化灰熔点较高的煤种。该水冷壁在黑水泵厂使用8年后, 没有破坏性的损坏。科林CCG炉还对原有水冷壁结构做了改善，分别设立了4处吹扫口，使炉壁间的吹扫更充分，大大延长了水冷壁的寿命。 C 激冷室 激冷室是一个上部为圆形筒体的空腔。高温粗煤气和熔渣、从气化室下部一个喇叭形的排渣口进入激冷室, 高温合成气和熔渣在激冷室内用水进行冷却，冷却后的合成气进入洗涤系统进行洗涤，冷却后的灰渣经过锁斗排出系统。 （3） 气化炉规格 目前CCG工艺的气化炉规格有3 种。规格分别为200MW,400MW,600MW。规格为200MW、日投煤量720 吨的小型气化炉已经在黑水泵气化厂工业化。另一种气化炉规格为400MW、日投煤量约为1500吨，每小时有效合成气产气量约为100000标准立方。科林公司还可以提供600MW， 日投煤量为2250吨的气化炉。 2007年签约的兖矿贵州开阳化工50万吨合成氨项目采用了两台400MW、日投煤量为1500吨CCG气化炉，总产气量为每小时20万标准立方，下游工序需求是每小时14万立方有效合成气。正常运行时两台炉均以70%的负荷运行，如果一台炉停车，则另一台炉可以满负荷运行以保证下游连续生产所需的最低气量。 （4）CCG气化技术的优势 CCG气化技术的主要特点是干粉进料，以水冷壁保护气化炉，采用水激冷流程以冷却合成气、烧嘴顶置下喷。 （5）干粉进料（与水煤浆进料比较）有如下优势 1）克服了部分煤种难以制浆的问题，与水煤浆技术相比，煤种适应性有所增强。 2）避免将大量的水带入气化炉。与水煤浆技术相比，氧耗降低约15-20%。粗合成气中有效气（CO＋H2）浓度可高达90 - 93％，冷煤气效率可达80-83% ，碳转化率≥99％。这些效率指标均大大高于水煤浆技术。 3）煤粉在干粉煤烧嘴内移动的速度仅约5米每秒，主要是靠高速的氧气带动煤粉形成旋流参加反应，无严重磨蚀，烧嘴头部寿命可达4年以上，仅需每半年检修头部向火面。而水煤浆烧嘴内煤浆以固液混合物形式存在，流速高，磨蚀严重，1-3个月就需更换，以保证雾化效率和碳率。 （6）水冷壁结构（与耐火材料热壁炉比较）有如下优势 1）寿命长、检修少、在线率高。水冷壁的寿命可达25年，每半年检修一次。如果是采用耐火砖结构则需每年更换，拱顶砖的寿命更短。 2）采用水冷壁结构，在开停车时不存在热壁炉的烘炉问题，从冷态开车到满负荷仅需要一个小时，可以快速响应下游对合成气需求。 3）采用水冷壁进行以渣抗渣，气化反应的温度可以较高，不会对炉体有所损害，而对于热壁炉则需要考虑气化温度对耐火材料的影响。故水冷壁气化炉可以气化灰熔点较高的煤种，进一步提高了煤种的适应性。而且气化炉操作温度高于灰熔点200摄氏度，完全可以应付煤质一定范围内的变化。CCG 气化工艺可以气化高达35% 灰分的煤种。 4）因为气化反应温度高，基本不会形成任何碳氢化合物（如甲烷等），因而简化了对气体净化的要求。 5）水冷壁采用间接副产低压蒸汽，通过监控水冷壁的进出水温差，判断炉壁的挂渣状况，有利用于气化炉稳定操作及设备的寿命延长。 （7）激冷流程 （与废锅流程比较） 1）采用激冷工艺流程，设备结构简单，外形尺寸小，装置投资少。投煤量相同的气化炉，激冷流程气化框架只有废锅流程气化框架的约一半高度，重量只有其20%左右。气化岛投资只有其50-60%。 2）由于采用全激冷方式，整个化工流程较废锅流程大大缩短（没有废热锅炉，陶瓷过滤器，循环气压缩机等），故整个装置的可靠率增加。而且由于装置投资成本较低，能够负担双炉运行，大大提供了气化岛在线率。 3）经过激冷和水洗，粗合成气含尘量低＜1mg/Nm3，粗合成气夹带的水蒸汽可以满足变换工艺所需90-100%的蒸汽。而废锅流程虽然以高投资产生高品位蒸汽，但如用于化工用途则其下游变换工艺还需要同样加入蒸汽，在经济上并不合算。 （8）多烧嘴同向顶置下喷 1）烧嘴顶置下喷在德国黑水泵厂的气化炉有过实际运转经验。 2）将引燃烧嘴和煤粉烧嘴分开使得烧嘴结构较简单，降低故障率。 3）烧嘴顶置下喷的方案可以使高温粗气及灰渣方向流向相同以确保燃烧室排渣顺畅， 可以克服气渣上下分流工艺的固有排渣困难。 4）烧嘴同向布置可以克服对置烧嘴间相互磨蚀的问题。 5）多喷嘴布置保证了粉煤在反应空间分布均匀，流场形成比单喷嘴方案要好。 6）多喷嘴方案可在开车过程实现各个烧嘴先后点火，开车过程中就能够完全配合后续设备合成气需求逐步升量的方案。 7）多喷嘴方案的负荷调节余地比单喷嘴方案要大。而且放大更为容易。2000吨以上投煤量的气化炉基本上很难使用用单喷嘴方案。 8）如某一烧嘴故障，系统还可短时间继续运行，以排除故障带压连投。 （9） CCG技术与其他技术的比较 以下是某化工设计院所做的水煤浆气化技术、干粉煤废锅气化技术及科林CCG气化工艺比较：
水煤浆气化工艺、干粉煤废锅气化工艺与科林CCG气化工艺气化室出口处的典型气体成份如下：
综合以上分析，这三种气流床气化工艺都是很好的煤气化技术。但干粉煤废锅气化气化效率较高，煤种适应性强。但其工艺流程长，设备结构复杂，国产化率低，设备运输和安装难度大，建设周期长；一次投资大；干法过滤器的使用寿命短。进入中国时间较短，在国内开车还不太顺利。 水煤浆气化工艺开发和进入中国的时间较早，在国内外的合成气生产中得到了更加广泛的应用，可靠性更高，在技术开发、工程设计、设备制造、工程建设、生产管理和运行操作等方面，积累了丰富的经验，设备的国产率高，国内的技术支持性更好，装置的建设投资较低；但存在耐火砖和烧嘴连续使用寿命短，气化炉难以长周期连续运行，煤种的适应性相对较差。 CCG粉煤气化工艺与干粉煤废锅气化粉煤气化工艺相比，两者采用的都是水冷壁，干粉煤进料，有效气含量相当；煤种适应性、氧气消耗、碳转化率、热效率等方面，基本一致，能耗相近；建设投资较小；建设周期稍短。与水煤浆相比，气化后工艺流程相似（激冷流程），更适合生产氨和醇需要的合成气；设备结构简单；煤种的适应性更宽；煤、水、电耗量少；连续运行的时间长；总的来说 CCG煤气化技术效率和消耗基本与干煤粉废锅技术相同，优于水煤浆技术，但其投资却接近水煤浆技术，大大低于干煤粉废锅技术。可以说CCG兼有其他两种气化技术的优点。 （10） CCG气化炉的应用业绩 1）黑水泵厂粉煤气流床气化炉 日投煤量720吨，煤种为褐煤。用作城市燃气。从1984年运行到1990年。1990年东西德合并，东德城市燃气改为天然气，故原黑水泵厂改造成为综合物料处理中心，其粉煤气化装置改为浆体进料，用于处理液态有机废料，产生的合成气用于75MWIGCC发电并联产12万吨甲醇。 2）兖矿贵州开阳项目 于2007年8月底科林与兖矿贵州开阳化工公司的年产50万吨的合成氨项目签订技术转让、工艺包设计和烧嘴供应合同。该项目位于贵州开阳县境内，采用两台日投煤量为1500吨的CCG气化炉。气化炉由业主自行招标委托大连金州重型机械厂制造，将于2010年三季度完工。该项目将于2011年6月试车。该项目气化岛（含磨煤干燥，气化激冷，灰水处理和气体洗涤）总投资不超过5亿人民币。 4.科林工业集团在煤气化业务方面的优势 （1）人力资源 科林是前东德燃料研究所和黑水泵厂最大的后裔单位。科林公司发起人、科林主要的技术团队、研发团队大部分来源于黑水泵气化厂和前德国燃料研究所。2008年，黑水泵厂清算解散，科林由于自身在建设生物质气化示范装置，所以又接收了大量的工厂操作人员。也就是说，科林拥有气化技术方面的大批拥有Know-How（专有技术）的人员。他们具有40余年研发、设计、制造、运转方面的理论和实践经验。 （2）设备制造能力 科林全资拥有的科林设备制造公司（CHOREN Components GmbH）的前身为前德国燃料研究所下属的设备制造车间。3MW和5MW气化试验装置的绝大部分设备，科林公司生物质气化厂的大部分设备， 黑水泵厂气化装置的部分设备包括所用烧嘴都是由该公司制造。CCG关键设备的生产专有技术是由科林公司掌握的。 （3）装置运行和培训能力 科林自行投资建立和运行生物质气化厂，这使得科林的装置运行能力保持着领先。这也为客户的操作员工实习培训提供了现成的实习场地以及实习指导人员。科林正在开发操作模拟系统，可提供如同真实操控环境下的模拟培训。 5.科林煤气化技术CCG在中国的业务模式 （1）科林在中国的业务通过其在中国的全资子公司科林能化技术（北京）有限公司来开展。通常的业务模式是科林向客户提供技术许可，工艺包设计，气化炉的详细设计，以及供应烧嘴等少量最关键核心部件。气化炉等大型设备可以由客户委托合格生产厂家在国内制造。此种方式可以最大限度地节约客户的投资，并将所有的设备采购置于可控。设备国产化率可以达到95%左右。 （2）兖矿项目气化岛总投资（含软硬件，建设安装等）不超过5亿人民币。基本和水煤浆技术持平。和其他引进干煤粉技术，或者国产的炉外激冷干煤粉技术相比较，科林气化技术具有绝对的竞争力。和国产的炉内激冷干煤粉技术相比，科林气化技术也具有相当的竞争力。
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