国内煤气化技术现状__图文.pdf

CFHI 2 0 1 4 年 第 4 期 （总 1 6 0 期 ） yz.js 设计与计算 CFHI TECHNOLOGY 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1673-3355 （ 2014 ） 04-0001-05 Current Status of Coal Gasification Technology in ChinaSun Shuguang Abstract The 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 words coal 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、H2、CH4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] C 1 2 O2→CO CO2→CO2 CH2O→COH2 CCO2→2CO 3C2H2O→2COCH4 COH2O→CO2H2 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 CO2），吸热反应 （ 如 CH2O、 CCO2），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 （ O2、H2O ） 灰渣 煤气 （ CO、H2、CH4） 气化炉 1 2 0 1 4 年 第 4 期 （总 1 6 0 期 ） CFHI yz.js 设计与计算一重技术 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 650 mm，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 35 mm 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 0.1 mm 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 2 CFHI 2 0 1 4 年 第 4 期 （总 1 6 0 期 ） yz.js 设计与计算 CFHI TECHNOLOGY 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 0.6 MPa 低压装置，单炉日 处理无烟煤 320 t。2013 年，云南文山运行的 0.4 MPa 低压装置，单炉日处理褐煤接近 400 t。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 34 MPa，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 N2的粉煤、O2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 1 4001 600 ℃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 2 000 t/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 1 000 t/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 3.54 MPa，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 3 2 0 1 4 年 第 4 期 （总 1 6 0 期 ） CFHI yz.js 设计与计算一重技术 降低了进氧压力损失，减少了对煤浆通道的磨损。 在 1 350 ℃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 5 000 h 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 1 3501 500 ℃，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 4 CFHI 2 0 1 4 年 第 4 期 （总 1 6 0 期 ） yz.js 设计与计算 CFHI TECHNOLOGY 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 200500 t/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 5001 000 t/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 1 0002 000 t/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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