煤的气化技术及其应用.doc

煤的气化技术及其应用 图1 各种煤气化炉模式图 目前，运转中的固定床气化炉主要有鲁奇气化炉和BGC-鲁奇炉。 固定床中鲁奇气化炉（结构如图2 所示）实绩最好，目前，商业炉还在运转中。一定大小的煤块通过闸斗进入炉的顶部，沿反应床向下移动，经旋转分配器分散后，依次经干燥区、干馏区、气化区和燃烧区。炉内的煤被旋转炉篦支撑，由其下向炉内吹入气化剂（氧、水蒸气）。通过气化区的粉焦在燃烧区燃烧产生的炉灰，经旋转炉篦落入灰闸排出。炉内燃烧区的温度最高，超过1000℃，为了避免炉灰熔融，温度不能太高。生成气的温度500600℃，合成气组成为H2 40、CO 20、CO2 30、CH4 10。鲁奇商业炉大多较小，除用于生产城市燃气外，还用于生产合成氨、汽油和其他化学品的合成原料气。南非Sasol 公司的煤间接液化装置采用数套鲁奇气化炉。鲁奇气化炉的缺点是不能用粉煤，副产品焦油和苯酚等液状物较多，必须进行后处理。 图2 鲁奇气化炉结构 为了提高温度，对图2 中的鲁奇气化炉进行改造， 除去图2的炉篦，形成像图3 所示的BGC-鲁奇气化炉结构，安装了气化剂喷嘴，由这里喷入氧和水蒸气，形成高温区，熔融状炉渣经排料孔下降，使粉焦高温气化。该炉型为BGC-鲁奇气化炉（BGC英国气体公司），炉内最高温度1500℃以上，合成气组成为H2 30、CO 60左右，与气流床气化炉的合成气组成大体相同。熔融状炉渣也与气流床气化炉的情况一样，落入炉底水槽，被造粒排出。德国SVZ SchwarzePumpe 公司已将这种炉型应用于各种废弃物气化的商业化装置。 图3 BGC-鲁奇气化炉结构 流化床气化炉特点粉煤供料，循环流化；单机规模60t/d；空气气化温度950℃；合成气组成H2 12、CO 24。KBR 的Transport 气化炉如图4 所示。其运转温度为8151000℃，最大压力为17 大气压（1 大气压≈98.07kPa，下同），煤投入量为1.132.25t/h，提升管颗粒速度615m/s。Transport 气化炉由混合区、提升管、分离器、旋风分离器、立管、“U” 型液封、“J” 型支管组成。炉的底部注入O2、水蒸气，在混合区投入煤、石灰石（吸附剂）并追加O2、水蒸气，与来自立管的煤、石灰石和固体颗粒混合。混合区直径稍大于提升管。合成气及固体颗粒经提升管上升进入分离器，除去大颗粒。固体颗粒大部分被捕获流入立管。剩余颗粒进入旋风分离器，在此回收的颗粒经“U”型液封、立管、“J”型支管回到混合区，再气化。 图4 Transport 气化炉模式图 实际应用的气流床气化炉主要有以下几种。 3.3.1 壳牌气化炉 上世纪70 年代壳牌公司开发的干式供料气化炉，荷兰比赫讷姆单机规模2000t/d 的IGCC 用气化炉已商业化运行。壳牌气化炉是目前世界煤气化采用的最多的炉型之一。这种炉型不仅可用不同种类的煤，包括劣质的次烟煤和褐煤，还可用于生物燃料和废弃物等的气化。壳牌气化炉特点采用粉煤供料，下流式；单机规模10004000t/d；O2气化温度1600℃；冷气效率8083；生成气组成H2 27、CO 63。 壳牌气化炉的模式图如图5 所示。煤粉碎干燥至水分含量为2后， 在闸斗中加压，再与气化剂（O2、水蒸气）一起从喷嘴吹入炉内。气化压力约为2030 个大气压，温度14001700℃，煤在数秒内气化。因温度高，所以要采用耐火材料保护的水冷炉壁。灰分熔融后下流到炉底，再在水槽内水冷固化、碎裂，排出炉外。用循环气将生成气冷却至900℃，伴随的熔融灰固化后，经废热热水器热交换至320℃。然后用旋风分离器除尘，再经洗涤器洗净得到粗合成气。加压可提高气化炉效率，废热锅炉的热效率也提高，合成气精制段的负担减轻。合成气中含有原煤中约80的能量，另外15的有效能量以水蒸气的形式获得。整个气化过程中只有5的能量流失。壳牌公司已在我国湖南省岳阳建立了一个合资厂，其中壳牌与中石化各持有50％的股份。该合资厂日处理煤2000t/d，为中国石化巴陵化肥厂提供合成气原料。目前工厂建设正在顺利进行。 壳牌已以授权方式向中国6 家大型化肥厂提供煤气化技术，用于生产合成气。 图5 壳牌气化炉模式图 3.3.2 GE 气化炉（德士古炉） GE 气化炉是为重油气化生产合成气工艺而开发的。如图6 所示，在GE 气化炉的圆筒状耐压容器上部，将水煤浆（煤占6070）与气化剂（O2）一起经喷嘴喷入炉内并气化。炉内温度1500℃，压力约3040 个大气压。因在高温下气化，生成气的组成主要以H2和CO 为主，甲烷较少。气化炉内壁衬采用耐火材料。生成气在下部用辐射冷却器冷却至使混在其中的熔融渣固化，再经对流冷却器冷却。合成气中的粗粉尘在辐射冷却器底部的水槽中被捕获，再经闸斗取出。因供料水煤浆中，作为气化条件的水蒸气过剩，所以生成气中的CO2浓度比其他气化工艺高。 图6 GE 气化炉模式图 GE 气化炉的特点为采用水煤浆供料，下流式；单机规模为5002000t/d；O2气化温度1400℃，冷气效率7075，生成气组成中（H2CO）大于80。目前，世界普遍采用GE 气化炉，正在运转或在建的GE 气化炉已超过65 套，其中56 套以上用于化工产品生产。采用煤处理量为2200t/d 的湿式给煤吹氧GE 气化炉的250WM IGCC 装置，已在美国佛罗里达州的Tampa Electric Palk 电厂建成，现已商业化运转。 3.3.3 康菲气化炉 1978 年道化学公司为替代天然气开发了煤浆料上流式气化炉，道化学建立的Destec 公司继承了其技术，2003 年康菲（ConocoPhillips）公司收购了该技术的专利权。康菲气化炉如图7 所示，采用两段吹氧，由下段横型圆筒部的喷嘴，将水煤浆（ 煤占60）和O2吹入炉内。煤部分燃烧，温度达1400℃，炉内压力为40 个大气压。煤与水蒸气反应，生成粗合成气。灰分熔融后从炉底排出。圆筒纵型上段再补注水煤浆，与下段来的粗合成气及水蒸气反应，进行脱挥发分、热分解和气化反应，下段来的粗合成气被冷却。因水蒸发与吸热反应，合成气温度降至约1000℃。该气化方式的最大特点是不用大型热交换器。气化炉顶部排出的生成气经冷却器冷却后再除尘。被捕集的粉焦送回气化炉的下段。 图7 康菲气化炉模式图 康菲气化炉的特点为采用水煤浆供料，上流式；单机规模为2000t/d；O2气化温度1370℃；生成气组成为H2 34，CO 45。目前，美国印第安纳州Wabash River 发电厂262MW 的IGCC 装置有一套煤处理量为2500t/d 的湿式给煤康菲气化炉已商业化运转。 3.3.4 GSP 气化炉 GSP 气化炉是由原东德的德国燃料研究所开发的，1975 年Deutscges Brennstoffinstitut Freiberg公司以褐煤或其他固体燃料为原料实现商业化运转。1991 年Preussag-Noell 公司取得技术专利权，其后为瑞士未来能源公司继承， 现为德国西门子（Siemens）所有。GSP 气化炉的特点为采用粉煤供料，下流式；单机规模700t/d；O2气化温度13501750℃；冷气效率80；生成气组成为H2 24，CO69。 GSP 气化炉如图8 所示，按原料性状分为反应器（a）和反应器（b）。灰分多的原料用（a）型炉，采用熔融灰分在水冷炉壁自动涂复的方式；灰分没有或较少的原料用（b）型炉，水冷壁内壁衬耐火材料。GSP气化炉与GE 气化炉一样，将煤或其他原料与气化剂一起， 用喷嘴从炉顶喷入炉内。在炉内温度13001600℃、压力2530 个大气压下进行气化反应，灰分变成熔渣沿炉壁下流。生成气组成H2/CO约等于2（物质的量比），几乎不产生甲烷。生成气与熔渣通过气化炉下部注水的冷却部被冷却，熔渣固化并水碎后从炉底排出。生成气精制后可用作化工合成原料、IGCC 燃料气或钢铁用还原气。 据最近报道，西门子煤气化炉长18m，内径3m，质量为220t，煤处理能力2000t/d。原料除用硬煤、褐煤外，还可用生物质能源、石油焦和炼厂渣油等。2008 年5 月底，德国西门子能源公司正式向中国神华宁夏煤炭工业集团公司交付5 台煤气化炉中的前2 台。这些煤气化炉每台的热力能力为500MW，设计应用于宁夏煤制聚丙烯装置。宁夏煤制聚丙烯装置将于2010 年初建成，5 台气化炉将生产约54104m3/h 合成气，合成气将用在下游转化生产聚丙烯。 （a） 带有冷却栅板的反应器 （b） 带有冷却壁的反应器 图8 GSP 气化炉 3.3.5 IGC 气化炉 空气加压两段气流床气化炉（IGC）是日本电力中央研究所与三菱重工共同开发的，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）用其作为IGCC 的气化炉，并进一步进行大型化开发，建设了200t/d 煤气化发电中型试验装置，19911996 年进行运行研究。计划20012009 年实施煤处理量1700t/d、采用空气气化气流床的250MW IGCC 考核试验。 图9 为干式给煤的IGC 气化炉剖视图。下段转化部和上段减压部分别用喷嘴将煤和空气吹入炉内。煤和从旋风分离器来的粉焦在转化部中燃烧，炉内温度为1800℃，满足了气化必需的热量。炉内压力为27 个大气压。灰分变成熔渣，沿炉壁下流排出。另一方面，在减压部，由于空气较少，呈还原条件，煤进行热分解，粉焦气化，生成气被冷却。减压部底部温度超过1500℃，气化炉出口温度被降至700℃。在气化炉上部排出生成气和粉焦，粉焦经旋风分离器回收后送回转化部。按上下两段分别单独给煤和空气，通过调整，气化炉可在低空气比下运转，转化部保持较高温度，同时生成气可有效冷却。 图9 IGC 气化炉剖面图 3.3.6 我国开发的气化炉 我国华东理工大学开发的多燃烧器气化技术（MBGT）气化炉采用水煤浆供料、下流式气化炉，是在GE 气化炉基础上，经改造而成的新型炉（见图10）。炉的上部有多个喷嘴相向水平方向配置。GE气化炉从炉的顶部经喷嘴向下注入浆料，MBGT 气化炉则是从顶部经喷嘴相向注入浆料。MBGT 气化炉的特点为采用水煤浆供料，下流式；单机规模为1150t/d；O2气化温度1350℃；冷气效率7276；生成气组成为H2 36、CO 48。 华东理工大学开发完成了22t/d 多喷嘴水煤浆气化炉的中试实验，并进行了考核验证。结果表明有效气体成分达83，碳转化率大于98，分别比相同条件下GE 气化炉高1.5～2和2～3；比煤耗、比氧耗均低于GE 气化炉7。山东省煤炭公司的子公司山东国泰化工公司建设了两套1150t/dWBGT 气化炉，经考核试验已商业化运营。其生产的合成气可用作甲醇生产原料。甲醇生产过剩时可改用于IGCC 发电。 西安热工研究院于20012005 年开发完成了36t/d 气化炉（见图11）运转试验，该气化炉采用气流床2 室2 段吹氧结构。下一步计划20062008 年建设1000t/d 气化炉和120MW IGCC 装置。 图10 华东理工大学开发的MBGT 气化炉 图11 西安热工研究院开发的气化炉 9