煤气化技术发展的现状和进展.doc

特约综述 石 油 炼 制 与 化 工 P E T R O L E UM P R O C E S S I N G A N D P E T R O C H E M I C A L S 2014年4月 第45卷第4期 收稿日期2014-01-27。 作者简介戴厚良,博士,教授级高级工程师,现任中国石油化 工集团公司科学技术委员会主任。 通讯联系人周晓刚,E-m a i lz h o u x gs i n o p e c.c o m。 煤气化技术发展的现状和进展 戴厚良1,何祚云2 1.中国石油化工集团公司,北京100728;2.中国石化长城能源化工有限公司 摘 要煤气化技术是新型煤化工的基础和关键,煤气化技术的选择应用对煤化工项目综合能效和运行稳 定性起至关重要的作用。按床层分类对气化技术进行描述,介绍了工业化应用最多的固定床技术和气流床技术。分析了粉煤、水煤浆气流床气化技术和固渣、熔渣固定床气化技术的特点及适用性,提出未来煤气化技术的发展趋势及煤气化技术选择应用的建议。 关键词煤气化 气流床 水煤浆 固定床 水冷壁 合成气 20世纪末期以来居高不下的原油价格,大力推动了国内外企业对煤化工技术的研发,特别是由于中国“贫油、少气、多煤”的资源禀赋特点,使新型煤化工技术产业化在中国取得了突破性的进展。相对于传统的煤焦化、煤制电石和煤制合成氨工业,新型煤化工是以煤为原料,经化学加工使其转化成燃料和化学品的过程工业。煤化工技术主要包括煤的气化、合成气的加工和以甲醇为原料的下游产品生产。其中煤气化技术是新型煤化工行业发展的基础和关键,在一个具体项目中起龙头作用。与石油相比,煤有更加非均质化的特点,加上煤气化过程具有以固相为主及气固液三相共存的特点,因而煤气化技术非常复杂。在技术选择时往往根据加工煤种和产品需求,确定气化技术的类型。本文力求对各种气化的技术特点及适用性进行分析。 煤的气化技术分类方法较多。按床型可分为固定床、流化床和气流床;按进料方式可分为水煤浆、干粉煤和块碎煤;按炉壁保护方式可分为水冷壁、保温砖和混合保温水冷壁加保温砖;按合成气的冷却和热量的回收流程可分为激冷、全废锅和半废锅流程;按烧嘴布置划分可分为单烧嘴和多烧嘴技术;按气化温度又分为高温气化和低温气化;按气化压力又分为高压、低压和常压气化。以下主要按床层分类对气化技术进行描述,只对工业化最多的两类气化技术固定床技术和气流床技术进行分析。表1描述了各种气化技术分类的关系。 表1 各种气化技术分类的关系 项 目气流床固定床 原料形态粉煤,水煤浆块碎煤 气化区温度高温粉煤、较高温水煤浆较高温固渣、高温熔渣 保温形式保温砖、水冷壁保温砖固渣、保温砖水冷壁熔渣合成气冷却和热量回收激冷、废锅、半废锅 烧嘴或气化剂喷嘴单旋流式、直喷式,多对置式、顶置式多 压力M P a 4.0粉煤 4.06.78.5水煤浆 常压3.04.0 1 气流床气化技术 煤粉或水煤浆与过热气化剂通过特殊喷嘴高速同向或并流喷入气化炉内,在极短的时间内完成升温、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化学过程。高温下,气化剂与煤的有机物分子、热解产物和终极产物H 2 和C O、C O 2 以发生燃烧反应为 石 油 炼 制 与 化 工 2014年第45卷 主,在氧气消耗之后气化产物发生碳的各种转化反应,最终形成以C O和H 2 为主要成分的合成气。煤的灰分同时发生复杂的无机化学反应,最后以熔渣态出炉。气流床气化技术是现代煤化工气化的主流技术之一,相比固态排渣固定床和流化床气化技术,特点如下原料煤由气化剂夹带入炉并进行燃烧和气化,停留时间短,因此入炉煤的粒度要小粒径小于0.1m m,保证煤与气化剂充分接触并在高温下快速反应;气化温度高,火焰中心温度高达2 000℃,采用液态排渣,系统排出的灰渣含碳量低,不造成二次污染;气化污水不含焦油和酚等,容易处理。 国内外开发的气流床技术较多,包括水煤浆和粉煤气流床技术。比较先进且具有较多工业化业绩及应用前景的技术如下粉煤气流床技术有壳牌公司的S C G P技术、中国航天科工集团的H T 技术、同源于前德国燃料研究所的西门子公司G S P技术和科林公司的C C G技术、中国石化S E 东方炉气化技术;水煤浆气流床技术有G E公司气化技术、华东理工大学开发的对置多喷嘴水煤浆气化技术、清华大学开发的水冷壁水煤浆气化技术和美国D O W化学公司开发的E-g a s气化技术。 1.1 粉煤气化技术 粉煤气流床气化特点是对煤的灰熔点适应范围宽,可通过煤的混配提供合适的气化用煤。相对于水煤浆,炉内给煤的不稳定是其缺点之一。由于炉体采用水冷壁方式,对煤的黏温特性有要求。 粉煤气化温度高,碳转化率高;产品中气体甲烷含量极少,不含焦油和酚,有效气组分C O H2体积分数达到90。与水煤浆气化工艺相比,氧耗低1525,可降低配套空气分离装置投资和运行费用;热效率高,煤气化的冷煤气效率可以达到8083,其余约15副产高压或中压蒸汽,总热效率高达98。表2是实际工业运行的几种粉煤气流床气化技术的特点比较。 表2 几种典型粉煤气流床气化技术的比较 项 目G S P技术S C G P技术C C G技术H T技术 烧嘴顶部下喷、单烧嘴、旋 流式下部水平切圆式布置、多 喷烧嘴46、旋流 顶部下喷、多烧嘴、旋 流式 顶部、单烧嘴、旋流式 炉体上部燃烧室、下部急冷 室、盘管式水冷壁中部燃烧室、上部合成气 出口、膜式水冷壁结构 上部燃烧室、下部急冷 室、盘管式水冷壁 上部燃烧室、下部急冷室、盘 管式水冷壁 合成气及渣冷却炉底同向排出水激冷上行气体激冷废锅下行 灰渣水激冷 炉底同向排出水激冷炉底同向排出水激冷现运行规模td-11 500 2 0003 000 1 200 7501 500 合成气与灰渣走向同向异向同向同向 国内运行业绩5台1 800td多2台1 200td 5台1 500td 大型化难度难单烧嘴易多喷烧嘴易多喷烧嘴难单烧嘴 改进方向提高给煤稳定性,降低灰 渣比,进一步大型化开发激冷技术,降低单位 投资 大型化大型化,改善火焰分布,提高 转化率,降低灰渣比 我国已有19家企业使用了壳牌公司气化炉壳牌炉,其操作的运行周期越来越长。影响长周期运行的炉内部问题主要集中在气化炉烧嘴隔焰罩泄漏造成堵渣、渣口和渣池堵塞、高温高压陶瓷过滤器元件破损、入口三通腐蚀和磨蚀、过滤器堵塞等方面;合成气冷却器十字架积灰、积灰超温以及对后工序影响。根据多厂长期的运行经验,采取对煤烧嘴更好的保护措施,保持煤粉输送系统的稳定,通过对煤质的认真分析和采用配煤技术,使气化炉运行周期越来越长,一般运行周期能达到100天以上,如果控制好煤的质量指标如灰熔点、灰分等,有的装置B级运行周期达到了300天。 壳牌炉的最大特点是设有46个烧嘴,且在炉体内呈切圆式分布,火焰分布好。优点一是气化温度可以很高,煤的转化率可达99.8;二是多烧嘴使生产负荷的调节更为灵活,负荷调节范围为40100;三是煤烧嘴设计寿命为8 000h,保证了气化装置能够长周期稳定运行;四是其大型化的可能性比单喷嘴要高。 壳牌炉的缺点主要是采用废锅流程,因而系统复杂,气体系统易堵,单炉系统投资大。而这种投资对于需要大量低温蒸汽进行变换的制氢、合成氨及天然气项目必要性不大,系统的能效没有明显高于简单的激冷流程。因而现在更多煤化工项目选用粉煤气化时采用激冷流程,壳牌公司也正在开发激冷流程的煤气化工艺。 2 第4期戴厚良,等.煤气化技术发展的现状和进展 除壳牌公司粉煤气化技术外,H T、G S P和C C G技术在国内都取得了大规模炉型的商业化成功。在过去H T技术750td气化炉成功运行的基础上,开发的1 500td粉煤气化炉4台在河南开封晋开集团化工公司、1台在山东瑞星集团都已经工业化运行。G S P技术5台1 800td气化炉在宁夏神华宁煤项目上取得了成功,单炉连续运行最长达到95天,各炉平均运行达到70天左右。 C C G技术在贵州兖矿贵州开阳化工有限公司2台1 200td气化炉也取得了工业化的成功运行。不同于壳牌公司技术,这3种技术都是使用激冷流程,从装置建成投产到工业化运行所用时间较短。3种气化技术由于采取的烧嘴技术和流场分布以及给煤的稳定性设计差异,目前对煤的灰熔点、灰分的适应性以及碳的转化率、灰渣比有较大差异。就目前而言,由于C C G技术的多喷嘴设计,气化最高温度区火焰区窜流少,可以在较高温度下运行,加上改进的飞灰处理系统,气化炉能处理灰熔点在1 400℃、灰分达到25以上的煤种,而且碳的转化率较高,灰渣比低于4∶6,比较适用于灰熔点和灰分高的“两高”煤,而其它粉煤气化技术则对“两高”煤不适应且没有实际运行经验。分析原因主要是由于C C G技术的多喷嘴设计带来的好处。 中国石化和华东理工大学开发的东方炉属于顶置式单喷嘴技术。但其喷嘴结构做了较大改动,喷嘴的外层为气化剂,内层为粉煤,形成气包煤的物流直喷进入炉内,按照冷模和热模试验,气包煤流更易弥散且直喷不产生上窜火焰,便于提高气化温度。炉体再匹配较高的长径比,理论上可以适应高灰熔点和高灰煤,目前在中国石化扬子石油化工有限公司建设的1 000td的示范炉已具备开工条件。 1.2 水煤浆气化技术 水煤浆气流床气化对煤质的要求是成浆性好,成浆浓度一般大于60,煤的灰熔点不能太高。气化工艺特点是炉体内给煤比较稳定,由于需要对煤浆进行高速雾化,需要频繁更换烧嘴,炉壁采用的保温砖也要定期更换。 常规水煤浆气化温度相比粉煤气化温度低, 合成气中有效成分C OH 2 体积分数低10百分点,氧耗高20左右。虽然可以提高气化压力以及由于较高的氢含量需要的变换能耗少,但总能效仍然低于粉煤气化。表3为目前实际工业运行的几种典型水煤浆气流床气化技术的比较。 表3 几种典型水煤浆气流床气化技术的比较 项 目G E公司水煤浆气化技术对置多喷嘴水煤浆气化技术水冷壁水煤浆气化技术 烧嘴单喷嘴四喷嘴对置单喷嘴 炉体保温砖保温砖水冷壁 合成气冷却热回收水激冷废锅半废锅水激冷水激冷 现运行最大规模td-13 000 2 000 700 现许可最大规模td-13 000 3 000 1 5002 000 实际运行压力M P a 4.06.58.7 4.06.5 4.06.5 工业化起步美国1983年、兖矿鲁南化工 有限公司1993年 鲁能恒升公司2004年山西丰喜公司2008年 国内运行业绩非常多多一套 发展前景高压、半废锅流程看好较好看好,无保温砖提高了操作窗口和操作周期改进方向高压半废锅流程用于煤化工的稳定运行进一步大型化大型化、半废锅流程的开发 G E公司水煤浆气化技术是在国内工业化应用最早使用业绩最多的气化技术。迄今在国内已有178台气化炉投入运行。相比其它的水煤浆气化技术,该技术主要有以下几个方面的特点一是开发和推出6.5M P a、直径3.8m大型激冷气化炉技术。其投煤量干基达到3 000td,产气量达到21104 m3h。该大型激冷废锅或辐射废锅流程气化炉已经在美国有多年的运行经验,不过其生产的合成气主要是与I G C C发电相配套,目 前美国有6台大型激冷无废锅气化炉正在设计和建造中。相对现有直径3.2m气化炉,产气量可提高67,投资只需增加23。二是把用于I G C C的激冷辐射废锅气化炉半废锅流程技术应用到煤化工项目上,气化室和激冷室中间增加了辐射废锅。对于1.80M ta甲醇项目,气化炉直径3.8m、压力6.5M P a、干基投煤量2 400td、有效气产量为14104 m3h,采用半废锅流程能效可提高5百分点。美国D u k e电厂为I G C C配套的两 3 石 油 炼 制 与 化 工 2014年第45卷 台上述尺寸锅炉2012年12月投产。以上技术用于煤化工方面还没有工业装置,需要验证其与化工装置的匹配性和稳定性能。 我国通过“七五”、“八五”和“九五”国家重点科技攻关,成功地开发出高水平的水煤浆气化技术,如多喷嘴水煤浆气化技术、多元料浆新型煤气化技术、水冷壁水煤浆气化技术等,都已建成了工业化装置。 由华东理工大学、原鲁南化肥厂和原化工部第一设计院联合开发的多喷嘴对置式水煤浆气化炉于2000年6月在兖矿鲁南化肥厂建成了22td 的中试装置。新型气化炉为四喷嘴对置结构,煤浆以撞击式射流形式,强化了热质传递过程,有利于进行气化反应和延长耐火砖的使用寿命。目前运行和协议许可使用的有38个项目95台气化炉,并向美国V a l e r o能源公司进行了许可。对置式多喷嘴和高的炉体长径比设计,与其它单喷嘴技术相比,煤的气化更加充分,气体有效成分高,灰渣含碳量低,煤的转化率高。 清华大学在开发两段分级水煤浆气化技术之后,开发了水煤浆水冷壁气化技术。它整合了现有水煤浆保温砖和干粉水冷壁技术的优点。水冷壁水煤浆技术不需要换保温砖,提高了单炉的运行周期,降低了劳动强度和现场管理的难度,气化温度不受耐火材料限制,可以提高气化温度的操作窗口。理论上适用于高灰熔点煤,但提高气化温度后,由于大量的水存在使得能源效率有较大幅度的降低,气化温度提高100℃,预计能源效率降低34百分点。如果能开发出带废锅流程的水冷壁水煤浆技术,就可以真正解决水冷壁水煤浆适应高灰熔点煤气化的经济性和能源转化效率问题。目前有1台气化炉直径2.8m,压力4.0 M P a,产气量为3.8104 m3h在山西阳煤丰喜肥业集团临猗分公司成功运行。已有十多个项目欲采用水冷壁水煤浆气化技术。 由美国D OW化学公司开发的E-G a s气化技术为两段式水煤浆气化技术,气化炉呈倒T字型,炉内衬耐火砖,约85的水煤浆与氧气通过喷嘴射流进入气化炉一段水平段,进行高温气化反应;约15的水煤浆从气化炉二段垂直段进入,与一段产生的高温气体约1 400℃发生气化反应,并使合成气降温至1 040℃左右。合成气经火管式对流冷却器降温后约400℃进入干灰过滤器,分离出的干灰循环进入气化炉一段继续反应。通过两段气化反应可充分转换利用煤中的碳,降低煤耗和氧耗;采用压力螺旋式连续排渣系统和分置的火管式合成气冷却器,降低了气化单元造价和安装难度;与其它水煤浆气化技术相比,合成气中甲烷含量较高体积分数约1.54,是较适合于煤制天然气S N G项目的水煤浆气化技术。但E-G a s气化炉水平段与垂直段交接处难以承受高压,一般气化压力仅能达到3.0M P a,对提高能源转化效率不利。 20世纪8090年代采用E-G a s技术分别在美国建设了单炉投煤量1 600td和2 500td的气化装置,并配套I G C C电站。近年来该技术在印度、韩国和中国都有许可,气化炉最大投煤量可达3 000td以上。 1.3 气流床技术的发展和选择 粉煤气化和水煤浆气化两种技术各有优缺点,且都在发展和改进提高中,会在实际应用中各有适宜的环境。粉煤气化的优点是对煤的灰熔点适用范围宽,合成气中有效成分含量比水煤浆技术高10百分点,煤的转化效率高,能量效率也高,在稳定煤质和工况下操作周期长。但其大型化和高压气化受其本身的条件限制有较大的难度,如给煤的不稳定性、大型化后气流床的均匀性、容易偏烧,特别是单烧嘴偏烧问题更加严重,气化炉膛局部温度高,气化温度达不到设计温度。水煤浆气化技术给料稳定,气流床燃烧稳定,合成气压力可以实现高压,大型化难度小,但现有技术要求煤的灰熔点不能过高,煤的内水含量不能高,成浆性能要好。其过频繁地更换烧嘴及保温砖使得操作强度大,由于气化的是煤浆,氧耗偏高,合成气有效成分含量低,有些煤种的气化废水中氨氮含量高、难处理。 1目前用户越来越倾向选择激冷的粉煤气流床技术。由于上置式废锅流程的粉煤气化炉单位投资高、气流和灰渣异向排出,合成气冷却易产生积灰,炉下部出渣口易堵渣。而下激冷流程的气化技术,可避免上置废锅投资高、灰渣堵塞的问题。特别对于一些配套变换单元较大的煤化工项目如合成氨、制氢需要较多的低压蒸汽用于变换,采用废锅流程的必要性不大。煤化工用户目前越来越倾向选择激冷流程的粉煤气流床技术,壳牌公司正在开发采用废锅流程的激冷粉煤气化技术。 2多喷嘴粉煤气化是粉煤气化大型化的方向,真正适用于高灰熔点、高灰分煤的气化。由于 4 第4期戴厚良,等.煤气化技术发展的现状和进展 壳牌炉采用多喷嘴技术,给料和炉内气流相对稳定,已经有3 000td的运行装置。但其它几种单喷嘴粉煤气化技术还都没有相当规模的工业化装置,要实现投煤量2 000td以上的气化炉规模比较困难。对于单一烧嘴的粉煤气化技术,炉尺寸增大以后火焰偏烧和熔渣挂壁的稳定性会造成气化温度达不到设计要求,对于灰熔点高的煤,会出现碳转化率低、灰渣比很高等问题。从实际运行的几种粉煤气化炉来看,多喷嘴的壳牌炉和科林公司气化炉较好地解决了上述问题。华东理工大学和兖矿集团公司联合开发的对置式多喷嘴粉煤气化技术已完成中试,正在开发1 000td的工业化示范装置[1]。 3水煤浆气化技术向提高能效和操作简单以及更广煤的适用性方面发展,高压气化和水冷壁及半废锅技术的相互结合是发展方向。提高水煤浆技术的效率主要围绕以下几个方面一是提高气化压力,高压水煤浆气化技术已经比较成熟,国内有用于煤化工装置的经验,据测算,相对于6.5M P a气化炉,8.7M P a气化炉可再提高煤制烯烃项目能效约3百分点。二是采用水冷壁水煤浆技术,清华大学水冷壁水煤浆技术较好地解决了换砖的操作麻烦,可以提高气化温度操作窗口。三是开发半废锅流程的技术,通过半废锅流程水煤浆气化技术的进一步开发,可以使水煤浆技术在提高能效的同时能够适应高灰熔点的煤,是未来发展的方向,但其工业化的过程还有待验证。 G E公司水煤浆全废锅和半废锅流程技术在电厂已有成功运行经验。据测算对于煤制烯烃项目,半废锅辐射流程能比纯激冷流程提高能效5百分点。四是开发提高水煤浆浓度的技术,如采用级配成浆技术,提高原来不适宜做水煤浆的煤种的成浆浓度,扩大水煤浆技术对煤种的适用性。 2 固定床气化技术[2] 固定床气化过程不同于气流床的并流,气化剂与煤在床层中逆流接触。煤由气化炉顶部加入,自上而下经过干燥层、干馏层、还原层和氧化层,最后形成固渣或熔渣排出炉外;气化剂由气化炉底部进入,自下而上进入氧化层和还原层合称气化层,合成气继续上行,在干馏层对原煤进行干馏脱有机物、在干燥层对煤脱水。固定床气化的局限性是对床层均匀性和透气性要求较高,入炉煤要有一定的粒度及均匀性粒径650m m。煤的机械强度、热稳定性、黏结性和结渣性等指标都影响透气的均匀性从而影响气化效果。 固定床气化技术由于炉内温度自下而上呈高温到低温的分布,因而合成气组分富含焦油、氨、酚、甲烷,且具有氢碳比高的特点。气化废水由于含酚需要特别的处理方法。根据出渣的形态,固定床气化技术分固渣固定床气化技术和熔渣固定床气化技术;根据压力不同,又可分为常压固定床气化技术和加压固定床气化技术。代表炉型为U G I公司常压气化炉U G I炉、鲁奇公司加压气化炉鲁奇炉、英国燃气公司-鲁奇公司熔渣气化炉B G L炉、云南解化清洁能源开发公司熔渣气化炉Y M炉。 2.1 固渣固定床气化技术 20世纪30年代德国鲁奇公司开发出碎煤固定床加压气化技术,第一代鲁奇炉19361954年最大直径为2.6m,主要用于褐煤气化,20世纪50年代我国原云南解放军化肥厂曾从苏联引进此种炉型。第二代鲁奇炉19521965年内径3.6m,用于南非萨索尔公司弱黏结性烟煤气化。第三代鲁奇炉为M k4和M k519692008年, M k4是世界上使用最多的炉型,最新设计的M k4内径为3.862m,压力最高4M P a,可气化除强黏结性烟煤以外的煤种,单炉合成气产能达到6.5104 m3h,国内原山西化肥厂、义马气化厂等均引进该炉型,目前国内煤制天然气大多采用该炉型。南非萨索尔S e c u n d a合成油工厂建有80台M k4气化炉。1985年投产的美国北达科他州大平原工厂煤制天然气工厂建有14台M k4气化炉,每年生产14.5108 m3天然气,年平均运转率达到98.3。M k5气化炉内径扩大到4.7m,能力达到9104 m3h,目前仅南非萨索尔公司建成一台并运行过。M k是鲁奇公司近期推出的第四代气化炉,能力为M k4的两倍,压力为6M P a。气化炉能力提高将大大降低大型煤转化项目的投资成本。 鲁奇炉对气化原料一般要求用非黏结性煤,典型粒度分布在550m m之间,范围之外比例不超过5,煤具有一定的热稳定性和机械稳定性破碎指数低于55,经验证的最低灰分为6 干基,最高灰分为40干基,总水分不超过50收到基,挥发分含量低于55干燥无灰基。总体来看,从经济性方面考虑鲁奇炉尤其适于低阶煤和高灰煤的气化。 鲁奇公司固渣固定床气化技术成熟可靠,煤种适应范围广,投资省,操作简单稳定,新一代M k鲁奇炉,具有高产低耗、合成气中C H 4 含量高等特点。 5 ６ ２ ． ２ 熔渣固定床气化技术 石 油 炼 制 与 化 工 ２ ０ １ ４年 第４ ５卷 带、 对副产酚氨 、 焦油回收和废水实行高效处理 。 ２ ． ３ 固定床煤气化技术的发展和选择 （ ）固定床 技 术 比 较 适 合 利 用 年 轻 煤 的 气 化 １ 用于制天 然 气 或 天 然 气 加 甲 醇 。 年 轻 煤 如 褐 煤 、 ， 长焰煤 ， 一般水含量高 （ 最高达 ４ 不宜采用粉 ０％ ） 。年轻煤内水含量 煤气化 （ 要 求 水 含 量 小 于 ５％ ） 高、 成浆浓度低 ， 也 不 适 宜 采 用 水 煤 浆 技 术。以 上 性质都不影响采 用 固 定 床 进 行 气 化 。 而 年 轻 煤 种 的含油量高 ， 固定床 技 术 能 够 回 收 得 到 焦 油 、 酚氨 等副产品 ， 这些副产物能够提高所产天然气的价 ３ 。固定床气化粗煤气中甲烷体 值０ ． ２～０ ． ３元 ｍ 固定床熔渣气化 技 术 是 在 鲁 奇 固 态 排 渣 气 化 结合了固定床气化特点 技术基础 上 发 展 而 来 的 ， 和气 流 床 出 渣 特 点 。 气 化 床 层 除 干 燥 、 干 馏、 还 原、 氧化层外 ， 炉内 增 加 了 熔 渣 层 。 不 同 于 固 渣 的 炉箅子排渣 ， 其炉底 部 有 水 冷 壁 熔 渣 出 口 ， 灰渣呈 熔融 态 排 出 。 由 于 操 作 过 程 中 不 用 保 证 固 态 出 渣， 气化层反应温度 不 用 考 虑 煤 的 灰 熔 点 ， 可以高 解决了鲁奇炉不适应低灰熔 于煤的灰 熔 点 操 作 ， 点煤的问 题 。 与 鲁 奇 技 术 相 比 ， 碎煤熔渣气化技 术具有以下优势 成 本 低。 灰 渣 含 ① 气 化 效 率 高、 碳量在 ０ 碳转化率大于９ 而鲁奇 ． ５％ 以 下 ， ９ ． ５％ ， 技术灰渣残 碳 量 设 计 值 为 ６％ 左 右 。 ② 有 效 气 含 含 量 高， 同时保 量高 。 粗煤气中有效气 （ Ｃ Ｏ＋Ｈ２ ） 。③蒸汽 持较高的甲烷 含 量 （ 褐 煤 在 ８％ 以 上 ） 氧 大大低于固态排渣技术 ， 蒸汽耗 气比为１∶１ 左右 ， 因此污水排放量大大低于固态排渣 量大幅降 低 ， 固定床技术 ， 只有其 １ ３ 左右 。 碎煤熔渣气化技术 的不足之处在于 ① 该技 术 工 业 化 装 置 数 量 较 少， 需要积累运行经 验 。 目 前 工 业 化 装 置 中 单 炉 连 续 运行周期最长为 １ １ ４ 天。 ② 由 于 炉 底 部 处 于 熔 渣 熔渣排出的有 效 控 制 都 有 待 于 改 进 ， 操作不 状态 ， 精细可造成喷嘴堵塞后偏流使床层界面混乱 。 ③ 与 合成气中甲烷含量稍低 。 鲁奇技术相比 ， 英国燃气 公 司 和 德 国 鲁 ２ ０ 世纪 ７ ０９ ０ 年代 ， 奇公司合 作 ， 在英国爱丁堡附近的西田煤气化试 验厂建 设 有 ３ 个 Ｂ 操作压力为２ Ｇ Ｌ 炉， ． ５～６ ． ６ ， 。２ 投煤量为２ ＭＰ ａ ０ ０～５ ０ ０ｔ ｄ ０ ０ ０年在德国 Ｄ ｒ ｅ ｓ ｄ ｅ ｎ附 近 的 黑 水 泵 建 成 一 个 内 径 ３ ． ６ｍ 的工 业气化 炉 ， 以８ ０％ 生 活 垃 圾 和 ２ ０％ 型 煤 为 原 料 。 该气化炉一直运行 到 ２ 期间最长连续 ０ ０ ７ 年 中 期， 运行时间 ８ ４天。 目前采用碎煤熔 渣 气 化 技 术 在 国 内 建 成 并 投 入运 行 的 工 业 装 置 有 云 南 解 化 集 团 公 司 １ ５ ０ｋ ｔ ａ 二甲醚项目 ５ 台 进 煤 ８ 呼伦贝尔 ０ ０ｔ ｄ的 气 化 炉、 即将投产的有 金新化工有限公司 ５ ０ ０ｋ ｔ ａ 合成氨 、 云南 解 化 集 团 公 司 ５ ０ ０ｋ ｔ ａ甲醇项目 ８ 台进煤 １ ２ ０ ０ｔ ａ 的气化炉和 中 煤 鄂 尔 多 斯 能 源 化 工 公 司 １ ． ０ ０Ｍ ｔ ａ 合成氨的 ７ 台进煤 １ ０ ０ ０ｔ ａ 的气化炉 。 固定床熔渣气化技术部分克服了鲁奇炉的废水 量大 、 不适应低灰熔点煤的缺点 ， 保留了鲁奇炉高含 量甲烷收率大的特点 ， 适用于高能源转换效率的煤 有较好的发展前途 。 未来的发 制天然气行业发展 ， 展方向是 实现装置大型化 、 减少粗合成气的煤灰夹 ， 积分数高 （ 适用于生产城市煤气和煤 ８％ ～１ ２％ ） 制天然气 项 目 。 相 对 于 气 流 床 技 术 ， 固定床技术 进一步大型 特别是熔 渣 技 术 单 炉 规 模 还 比 较 小 ， 化是未来技术发展方向 。 （ ）熔渣气化技术和固渣气化技术各有优 势 。 ２ 固渣和熔渣 固 定 床 技 术 的 选 择 对 比 见 表 ４。 固 渣 固定床气 化 技 术 工 业 化 时 间 较 长 ， 在国内外都有 较多的运行 经 验 。 但 其 蒸 汽 氧 气 比 高、 废水量大 且难以处 理 和 煤 转 化 率 低 是 主 要 缺 点 ， 尤其对于 低灰熔点煤 。 国内采 用 这 种 技 术 进 行 年 轻 煤 种 气 化的装置 都 产 生 了 以 上 问 题 ， 在大规模项目中尤 为突出 。 熔 渣 固 定 床 技 术 工 业 化 运 行 时 间 短 ， 工 但８ 业化运行业绩较 少 ， ０ ０ｔ ｄ气化炉已有５年运 行经验 ， 相 １ ２ ０ ０ｔ ｄ 气化 炉 已 成 功 工 业 化 试 运 行 ， 其蒸汽 氧 气 比 低， 碳 转 化 率 高、 废水 比固渣技术 ， 量低 、 灰渣含碳低 ， 便 于 处 理。 尤 其 对 于 灰 熔 点 低 于１ ２ ０ ０ ℃ 的年轻煤种的气化是比较合适的选择 。 未来熔渣固定床技术会得到较快的发展 。 表 ４ 固渣和熔渣固定床技术的选择对比 项 目 代表性技术 炉体 蒸汽 氧气比 合成气天然气体积分数 ， ％ 对煤的灰熔点要求 气化废水 渣含碳量 转化率 工业化业绩 －１） （ ｄ 单炉规模 ｔ 固渣固定床 鲁奇炉 保温砖 ≥６ １ ２ 不能太低 多 高 低 多 （ ） ， １ ０ ０ ０ ＭＫ ４ （ ２ ０ ０ ０ ＭＫ＋ ） ４， ５ 熔渣固定床 ＹＭ 炉 保温砖加水冷壁 约１ ８～１ ２ 适应范围宽 少 ０ 高 ３ 个工厂 １ ２ ０ ０ ３， ４， ４ ． ５ 压力 ＭＰ ａ ）与固定床气化相匹配的气化污水处理 、 酚 ３ （ 第４期 戴厚良 ， 等． 煤气化技术发展的现状和进展 ７ 氨回收 、 焦油处理技术的发展与成熟对未来固定 床技术产 业 化 发 展 非 常 关 键 。 与 其 它 技 术 相 比 ， 固定床气化技术最 需 要 关 注 的 问 题 是 气 化 污 水 的 处理和副产物的 回 收 利 用 。 煤 化 工 废 水 中 含 有 大 量的多元酚 、 脂肪烃 类 物 质 ， 采用常规水处理工艺 均未很好 地 解 决 问 题 ， 制约了固定床技术的产业 化发展 。 哈尔滨工 业 大 学 韩 洪 军 等 ［ ３］ 步， 各种技术相互 取 长 补 短 。 气 化 烧 嘴 、 炉体保温 结构 、 合成气冷却及 能 量 回 收 、 出渣方式已不再是 某种气化技术独有 的 特 点 ， 如 固 定 床 的 熔 渣 出 料、 水煤浆的 水 冷 壁 方 式 取 得 了 成 功 、 粉煤气化的热 壁方式也 正 在 开 发 中 ， 未来不同技术相互借鉴彼 此的单元技术还 会 发 展 下 去 。 这 种 发 展 会 形 成 各 种单元技术组合的煤气化技术 ， 来适应不同煤种要 求的最佳化匹配要求 ， 以提高煤的资源利用效率 。 除 气 化 炉 技 术 本 身 外， 与气化技术配套的各 种技术将 进 一 步 发 展 ， 以 完 善 气 化 技 术。 如 水 煤 先进 浆的级配 成 浆 技 术 将 提 高 对 煤 种 的 适 应 性 ， 的焦油加氢和惰性 气 体 气 浮 和 厌 氧 处 理 污 水 工 艺 将极大弥 补 固 定 床 气 化 技 术 的 缺 点 ， 精确给煤技 术将使粉煤气化技术更加易于控制和操作 。 总 之， 煤气化技术已日臻成熟且处于不断完 技术发展的目标应考虑在当前 善和发展 过 程 中 ， 我国煤炭资源相对充足的背 石油资源 日 益 紧 张 、 景下 ， 与石油 炼 制 、 石 油 化 工 技 术 的 结 合， 实施煤 油化一体化 发 展 ， 实 现 原 料 互 补、 能 量 互 供、 产品 结构优 化 。 实 现 煤 化 工 －炼 油 －化 工 产 品 生 产 的 协 对于促进我 国 煤 炭 资 源 合 理 利 用 、 提高资 调发展 ， 源利用效率 、 满足市场需求具有现实意义 。 参 考 文 献 ［ ］ ］ 多喷嘴对置式粉煤气化技术研发及应用［ 中氮 １ Ｊ ． 闫凤芹 ． （ ） 肥， ２ ０ １ ３ ４ ４ ８ ５ ０ － ［ ］ ］ 朱继承 ． 鲁奇 Ｆ ２ Ｂ Ｄ Ｂ煤气化技术及其最新进展［ Ｊ ． 付国忠 ， （ ） 中外能源 ， ２ ０ １ ２， １ ７ １ ７ ４ ７ ９ － ［ ］ 王伟 ， 马文成 ， 等． 外循环厌氧工 艺 处 理 鲁 奇 煤 制 气 废 ３ 韩洪军 ， ］ ， （ ） ， 水的研究 ［ 哈尔滨工业大学学报 ， Ｊ ． ２ ０ １ ０ ４ ２ ６ ９ ０ ７ ９ ０ ９ ９ ２ ４ － 通过研究污 水中污染源物质在 常 规 污 水 处 理 过 程 中 发 生 的 化 学变化 ， 发现氧气能使污水中多元酚和其它物质 氧化为更 加 难 以 生 化 降 解 的 苯 醌 类 物 质 ， 同时产 大 大 增 加 了 气 浮 的 发 泡 性， 生很多表面活性物 质 ， 使细菌脱 水 至 死 ， 导致后面污水处理工艺不能发 挥作用 。 厌 氧 工 艺 避 免 了 废 水 色 度 加 深 、 泡沫增 解决了多元酚转化为苯醌类物质的难 加的问题 ， 题， 目前已 在 中 煤 龙 化 哈 尔 滨 煤 化 工 有 限 公 司 的 鲁奇固定床气化废水处理上取得成功 。 副产氨 、 酚和焦 油 影 响 固 定 床 气 化 的 经 济 性 。 氨和 酚 的 回 收 技 术 已 经 比 较 成 熟 ， 高轻油收率 （ 常规为 ７ 的焦油加氢技术还正在开发 ９ ０％ ， ０％ ） 过程中 ， 这些技术的发展可以进一步提高固定床 技术的经济性和竞争能力 。 ３ 结 论 各 种 工 业 化 的 气 化 技 术 都 有 其 优 势 和 缺 陷， 就煤的 适 应 性 和 下 游 加 工 产 品 两 方 面 因 素 来 考 没有一种气化工 艺 技 术 能 解 决 所 有 问 题 ， 其主 虑， 要原因是 煤 的 非 均 质 化 特 点 ， 其次是目标产品的 要求不同 。 煤气化技术的选择应该是煤的性质 －气 化技术 －下游产品的匹配优化结果 。 各种 单 一 的 煤 气 化 技 术 还 在 不 断 创 新 和 进 Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｕ Ｓ Ａ Ｎ Ｄ Ｐ Ｒ Ｏ Ｇ Ｒ Ｅ Ｓ Ｓ Ｏ Ｆ Ｃ Ｏ Ａ Ｌ Ｇ Ａ Ｓ Ｉ Ｆ Ｉ Ｃ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｙ ，Ｈ Ｄ ａ ｉ Ｈ ｏ ｕ ｌ ｉ ａ ｎ ｅ Ｚ ｕ ｏ ｕ ｎ ｇ ｙ （ ； ） １ ． Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ ＆Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃ ｏ ｒ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ ０ ０ ７ ２ ８ ２ ． Ｓ Ｉ Ｎ Ｏ Ｐ Ｅ Ｃ Ｇ ｒ ｅ ａ ｔ Ｗ ａ ｌ ｌ Ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃ ｏ． Ｌ ｔ ｄ． ｐ ｊ ｇ１ ｇ ｙ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｃ ｏ ａ ｌ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ａ ｎ ｄ ｋ ｅ ｏ ｆ ｍ ｏ ｄ ｅ ｒ ｎ ｃ ｏ ａ ｌ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ Ｔ ｈ ｅ ｇ ｇ ｙ ｙ ｙ． ａ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｌ ａ ｓ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｌ ｒ ｏ ｌ ｅ ｉ ｎ ｃ ｏ ｍ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｏ ｆ ｃ ｏ ａ ｌ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｃ ｔ ｐ ｐ ｇ ｙ ｐ ｙ ｐ ｇ ｙ ｙ ， ｒ ｏ ｅ ｃ ｔ ａ ｎ ｄ ｒ ｕ ｎ ｎ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ Ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｄ ｃ ｌ ａ ｓ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｅ ｓ ａ ｅ ｒ ｐ ｊ ｇ ｙ． ｇ ｇ ｐ ｐ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｓ ｔ ｗ ｉ ｄ ｅ ｌ ｕ ｓ ｅ ｄ ｆ ｉ ｘ ｅ ｄ ｂ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｆ ｌ ｏ ｗ ｂ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ ａ ｌ ｉ ｃ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ － － － ｙ ｙ ｐ ｐ ， ， ｔ ｏ ｆ ｃ ｏ ａ ｌｃ ｏ ａ ｌ ａ ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｕ ｒ ｒ ｆ ｌ ｏ ｗ ｂ ｅ ｄ ｏ ｌ ｉ ｄ ｓ ｌ ａ ａ ｎ ｄ ｍ ｅ ｌ ｔ ｅ ｎ ｓ ｌ ａ ｆ ｉ ｘ ｅ ｄ ｂ ｅ ｄ ｕ ｌ ｖ ｅ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒｓ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ 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