国内煤气化技术现状__图文.doc

摘要简要介绍煤气化技术的原理和种类,重点阐述国内煤气化技术的研究进展和工业应用现状,指出国内煤气化技术发展存在的问题及未来的发展方向。关键词煤气化;流化床;气流床中图分类号TQ54 文献标识码A 文章编号1673-3355201404-0001-05 Current Status of Coal Gasification Technology in China Sun Shuguang AbstractThe paper describes the principle and classification of coal-gasification technology and points out the problems that are encountered in the development of the coal-gasification technology and the developing trend in China.Key wordscoal gasification ;fluidizing bed ;entraining bed 中国的资源现状为富煤、贫油、少气,煤炭 的消耗量逐年提高,其中发电用煤、工业锅炉用煤和民用煤占全部煤炭开采量的90左右。煤炭的主要利用方式为直接燃烧,由于固体燃烧不充分,造成能量的整体利用效率低,对环境的污染十分严重。煤气化是煤炭化学工业的清洁技术,气化产物为混合气,便于净化处理和运输,既可以做基本化工原料,用于制氢、合成氨、合成甲醇、合成油等领域,又可以作清洁燃料,用于发电、冶金、机械和城市燃气等领域[1]。发展煤气化技术,适合我国国情,符合可持续发展战略和节能减排的要求,对我国而言有着重大意义。 1原理和分类 1.1 基本原理 煤气化的基本原理是以煤为气化原料,以氧气、水蒸气等为气化剂,在高温条件下在气化炉中发生反应,最终生成由CO 、H 2、CH 4等组成的煤气见图1。煤气化的过程分两种类型,一种为气化剂或气态产物与固体煤的非均相反应,另一种为气态产物之间或与气化剂之间的均相反 应。如果仅考虑煤中的主要元素碳,则炉内发生的 主要反应为[2] C1O 2→CO CO 2→CO 2CH 2O →COH 2CCO 2→2CO 3C2H 2O →2COCH 4COH 2O →CO 2H 2 虽然煤的成分复杂,但是气化反应一般可以简化为放热反应如CO 2 ,吸热反应如CH 2O 、CCO 2 ,甲烷生成反应和水煤气平衡反应等。最终的煤气各成分的含量取决于反应条件和反应深度。 1.一重集团大连设计研究院有限公司助理工程师,辽宁大连116600 国内煤气化技术现状 孙曙光1 10.3969/j.issn.1673-3355.2014.04.001 图1煤气化技术基本原理 煤 C 气化剂O 2、H 2O 灰渣 煤气CO 、H 2、CH 4 气化炉 1.2技术分类及命名 煤气化技术发始于20世纪30年代,70年代是此技术的迅猛发展期,主要有两次重大突破,第一次是工业制氧装置的开发,用氧气代替空气进行煤气化;第二次是加压气化技术的开发。至今,已形成了多种大规模煤气化工业技术。 煤气化技术的分类和气化炉有关,气化炉又称煤气发生器,是煤进行气化反应的场所,是工艺装置中的核心设备。传统上按照煤在气化炉中的流体力学行为,分为固定床气化、流化床气化、气流床气化三种见图2。固定床气化一般使用块煤或煤焦为原料,筛分范围650mm,原料煤从上部加入,气化剂自下而上通过床层,产出的煤气中含有烃类及焦油等。流化床气化使用粒径35mm的煤料,同样采用原料煤与气化剂错流接触的方式,由于炉内原料煤保持沸腾运动状态,整个床层温度和组成均匀,故煤气中不含有焦油和酚类杂质。气流床气化多使用粒度小于0.1mm的干煤粉或混合均匀的水煤浆为气化原料,与气化剂以并流的方式在炉内进行高温高压反应,煤气中不含焦油等杂质,生产能力大。 煤气化技术的命名方式有两种,一种是根据该技术的工艺特点命名,如灰熔聚气化、二段式气化、四喷嘴气化、多原料浆气化等,另一种是以技术的开发者或将开发者名称冠于这个炉型前面来命名,例如Lurgi鲁奇气化、Shell壳牌气化、Texaco德士古气化、恩德炉气化、航天炉气化等[3]。 描述一种煤气化技术的关键点还应该包括入炉原料煤的形态,即块煤,粉煤、水煤浆等。故完整对煤气化技术的描述应包括技术命名、技术分类和气化原料形态,如灰熔聚流化床粉煤气化、二段式气流床干煤粉气化、四喷嘴气流床水煤浆气化等。 2国内发展现状及应用 2.1发展现状 在引进国外各类型煤气化技术的同时,国内也投入了大量人力物力开展煤气化技术的研究工作。经过几十年的不懈努力,涌现出一批有代表性的煤气化技术,包括灰熔聚气化技术、两段式气化技术、四喷嘴气化技术、非熔渣-熔渣分级气化技术、航天炉气化技术、多原料浆气化技术。 一个新的化工工艺流程思想要达到可以大规模工业化,要经过五个阶段。即小试、中试、工业化试验、示范厂、商业化工厂。国内这些技术正在产业化道路上发展,基本上都处于示范阶段,有的进展的比较快一些,有几个工厂已经运行,或者有几个工程正在建设,个别技术已经开始向国外推广见表1。 2.2技术研究及应用概况 1灰熔聚气化 灰熔聚流化床粉煤气化技术由中国科学院山西煤炭化学研究所研发,历经20余年,拥有自主知识产权。该技术以小颗粒粉煤为气化原料,主设备包括气化炉和一、二级旋风分离器见图3。炉内生成的高温煤气夹带大量细粉进入一旋,大部分细粉被捕集下来经料腿返回气化炉,再次进行气化,有效提高了碳转化率。少量粉尘随煤气进入二旋,由精除尘系统补捕集,使煤气含尘量满足要求[4]。 气化炉分为小直径段和扩大段两部分。炉底采用独特的射流分布器,水蒸气由分布器进入,形成相对低温区,避免炉内结焦;空气或氧气作为氧化表1国内正在开发的煤气化技术 技术原料 单炉投煤量 t/d 开发单位灰熔聚流化床粉煤300山西煤化所 航天炉气流床粉煤500航天部 两段炉气流床粉煤2000/1000西安热工研究院 多原料浆气流床水煤浆500西北化工研究院非熔渣 -熔渣分级气流床水煤浆700清华大学 四喷嘴气流床水煤浆1150华东理工大学图2煤气化技术分类及命名 剂由分布器进入,形成局部高温区。碎煤由侧面进料斜管进入炉内,煤中的焦油和酚类在高温下裂解,煤颗粒完成气化过程,灰渣可在此区域内团聚成球,借助质量的差异与未完全气化的煤又称半焦分离,经由锁渣分离装置排出,灰熔聚因而得名。部分氧气从上部扩大段进入炉内,增加了半焦的气化率。气化炉顶部设有激冷喷嘴,喷入软水将生成的高温煤气调节至900℃。 如今,技术方已经完成了常压和加压试验。应用此专利技术,2008年至2009年河北石家庄和山西晋城相继成功运行了0.6MPa 低压装置,单炉日处理无烟煤320t 。2013年,云南文山运行的0.4MPa 低压装置,单炉日处理褐煤接近400t 。实际工业生产证明,灰熔聚流化床粉煤气化技术对煤种的适应性宽,工艺流程简单,设备投资低,适合煤气需求量不大的用户。缺点是煤气中二氧化碳含量较高,炉渣残炭含量较高,煤气带出飞灰量偏大[5]。 2二段式气化二段式气流床干煤粉气化技术由西安热工研究院开发,具有自主知识产权。该技术根据后期流程的不同可分为废锅流程和激冷流程,前者适用于发电领域,后者适用于化工领域。该技术使用干煤粉为气化原料,主设备气化炉包括膜式水冷壁室、环形空间和高压容器,操作压力34MPa ,气化反应实际发生在水冷壁圈成的空腔里,气化压力由外部的高压容器承受见图4。 气化炉内分为两个区,下段为第一反应区,夹带N 2的粉煤、O 2和蒸汽通过两个对置喷嘴进入炉内,进行部分氧化反应,产生高温湿煤气。之后温 度高达14001600℃的煤气进入气化炉上部二段反应区,煤粉与蒸汽通过两个喷嘴进入,利用来自一段的煤气显热进行煤的裂解、挥发物的气化和碳的气化等反应,产生额外的煤气[6]。显然,二段部分没有氧气参与反应,但存在甲烷的转化。二段未转化的碳颗粒经补集后返回一段煤贮斗返烧。生成的炉渣为熔融炉渣,附着在气化炉水冷壁的内壁上,形成一层渣保护层。随着渣层的增厚,向火一测的熔渣在重力作用下向下流动,进入气化炉底部的水浴内,被水激冷后定期从气化炉底部排出[7]。 该技术方2006年已经建成了中试装置,先后完成了褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤等多煤种的气化实验,取得良好效果。目前正在进行此项技术的工业示范和推广。华能绿色煤电公司采用此技术用于IGCC 示范电站项目,设计规模2000t/d ;内蒙古世林公司采用此技术用于煤制甲醇项目,设计规模1000t/d ,前者已经开始试运行,后者正在调试。该技术能否快速发展尚需市场验证[8]。 3四喷嘴气化四喷嘴气流床水煤浆气化技术由华东理工大学开发,此技术是对Texaco 气化的较大改进,具有自主知识产权。Texaco 气化炉进料喷嘴只有一个且位于炉顶,而本技术中气化炉进料喷嘴为四个,位于气化炉的中上部对称布置见图5。气化炉操作压力为3.54MPa ,以质量浓度6065的煤浆作为气化原料。 常规进料喷嘴内部设有预混段,本技术改进了喷嘴的型式,氧气与水煤浆同时离开喷嘴,利用内、外侧高速氧气的扰动实现原料的雾化和混合, 图3灰熔聚气化炉图4 二段式气化炉 降低了进氧压力损失,减少了对煤浆通道的磨损。在1350℃高温下,炉内发生颗粒的湍流弥散、振荡运动、对流加热、辐射加热、煤浆蒸发、颗粒中挥发物析出、气相反应、灰渣的形成等过程。煤气与熔渣一起流经气化炉底部的激冷室激冷后,气体和固渣分开,煤气出气化炉[9]。 2000年,第一台中试装置在山东建成并投料开车成功。之后国内相继建立了十几套四喷嘴气化装置。运行情况表明,该技术各项工艺指标全面超过了国外同类技术,缺点是气化炉拱顶处耐火材料烧损较快,大约运行5000h就需要更换。该技术在国内市场推广迅速。是否能达到企业安稳常满的运行要求尚需要进一步的实践验证[10]。 4非熔渣-熔渣分级气化 非熔渣-熔渣分级气化技术又称清华炉技术,由北京达立科有限公司、清华大学、山西丰喜肥业集团共同开发研制[11]。该技术使用煤浆为气化原料,主设备气化炉为气流床,分为上下两段。煤浆通过给料机构进入气化炉第一段,以纯氧作为气化剂,以其他气体做预混来调节气化温度,以保证第一段在灰熔点以下。未气化的碳以半焦的形式进入第二段,此时补充部分氧气,使气化温度达到煤的灰熔点以上,完成全部氧化反应[12]。 2006年,山西丰喜集团建成第一套气化装置并顺利投产,效果良好[13]。该技术的特点是氧气分级供给,相对于连续气化技术,炉内高温区域更大,有效气的含量较高,氧气消耗少。相对于其它气化技术,还需要加强市场推广力度。 5航天炉气化 航天炉气流床干煤粉气化技术是航天工业部门的一项产业化成果。该技术使用干煤粉做为气化原料,进料喷嘴结构特殊,为三通道外冷式,即中心走氧气,内环走煤粉,外环走冷却水,原料通过气化炉顶部的喷嘴自上而下进入。气化炉为水冷壁结构,炉内操作温度13501500℃,操作压力34 MPa,反应产物向下进入激冷室,经激冷后排渣,粗合成气由激冷室上部排出[14]。 近年来,航天炉技术推广迅速。2008年,河南濮阳龙宇化工第一套航天炉气化装置试车成功,随后安徽临泉的晋煤中能集团、山东鲁西化工、河南中新化工等相继建成多套航天炉气化装置,均进入试运行阶段。此技术的设计理念先进,原料适应性强,气化炉结构简单,投资运行费用低[15]。 6多原料浆气化 西北化工研究院对多原料浆气化技术进行了多年研究,此种技术与其他气化技术的区别在于气化原料上。生产中将煤、石油焦、油等含碳物质与添加剂和水按比例混合磨制成料浆,加压后与氧气一同进入气化炉反应[16]。气化炉的炉型与Texaco气化炉类似,操作方式为气流床,反应生成煤气最终进入激冷室降温。 在生产实践上,国内有化肥厂和合成氨厂应用此技术已取得成功。实践发现煤浆流变性影响煤浆雾化和燃烧特性,进而影响到气化效率,故需要在成浆性上加大研究力度[17]。整体来看,技术的推广力度有待加强。 3国内技术的现状、问题和发展趋势 3.1国内技术的应用现状和存在的问题 长期以来,我国都采取先引进国外技术,消化吸收后在国内开发自有技术的政策,但是在实际工作中,出现了偏重引进国外技术的现象。据不完全统计,目前全国已建和在建的大中型气化炉有近百台,其中有35台Lurgi炉,1台BGL炉,23台Shell炉,3台GSP炉,12台Texaco炉,国内开发的气化炉不到一半。实际上国外的技术并不一定完全适用于国内情况,如引进的23台Shell气流床干煤粉气化装置,一方面将发电工艺强行用于化工装置,另一方面使用的原料煤种不合适,导致长时间达不到预期目标。 国内煤气化技术存在的问题是航天炉气化和 德国西门子GSP气化,多元料浆气化和美国原 Texaco气化,它们在炉型上类似,在国际上可能 存在知识产权的争议。其它已取得专利的气化技图5四喷嘴气化炉 术,如灰熔聚气化、二段式气化、非熔渣-熔渣分级气化,在国内的推广力度不够,运行的厂家不多,导致技术研发成功后没有取得应有的效益。 3.2未来发展趋势 对于国内市场,只要煤气化技术切合国情,符合能源结构改进的目标,就有广阔的发展空间。未来的煤气化发展趋势主要集中在以下几个方面 1技术多样化 实践证明,一种气化炉及其工艺使用有限的煤种才能达到最佳运行状态,同样的,一定的煤种也只能使用一定炉型及其相关工艺才更经济合理。此外,已经建成运行的装置中,灰熔聚煤气化技术的单炉投煤量为200500t/d,航天炉技术、非熔渣-熔渣分级气化技术、多元料浆气化技术适用于中型气化装置,单炉适宜投煤量为5001000t/d,二段式气化技术和四喷嘴气化技术适合大型气化装置,单炉投煤量为10002000t/d。由于国内煤炭资源种类繁多,用户的煤气需求量大小不同,导致国内煤气化技术出现了百花齐放,相互补充的局面。 2加压工艺 国内外新开发的气化炉都采用了加压气化工艺。在相同碳转化率情况下,随着气化压力的增大,装置的气化强度增大,单炉处理量显著提高、相应的压缩能耗较低,因而降低了单位产出的投资和运行成本。 3低污染、易净化 随着国内污染问题的凸显,国家的环保要求将越来越高。我国煤炭含硫量高,气化后产生的污水和煤渣需要处理。因此,通过完善技术来减少三废排放、方便后期净化,将是各类技术改进的方向。 4结语 国内新型煤气化技术的开发,打破了国外在先进技术方面的垄断,拓宽了原料煤种的范围,提高了煤炭资源的利用效率,减少了对环境的污染,降低了企业的生产成本,对于我国煤气化工业的发展和能源利用具有重要意义。相信随着工艺条件的改进和研发水平的提高,国内的煤气化技术将取得更大的成绩。 参考文献 [1]陈启文,李聪敏.煤化工工艺[M].北京化学工业出版社, 2009124. 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