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煤气化技术选择依据 王 锦,贺根良,朱春鹏,门长贵 西北化工研究院,陕西 西安 710054 摘 要介绍了目前几种典型煤气化技术,对煤气化技术的选择提供了几点参考依据,分别从煤质因素、 气化指标因素和下游 产品需要因素考虑,给出了目前选择煤气化技术的一些参考建议。 关键词煤气化技术;选择;依据 Basis for Selecting Coal Gasification Process Technology WANG Jin, HE Gen-liang, ZHU Chun-peng, M EN Chang-gui Northwest Research Institute of Chemical Industry, Shaanxi Xi’an 710054, China Abstract Based on introduction of several typical coal gasification process technologies, some reference basis were put for ward for selecting coal gasification process technologies, considering respectively from coal character, gasification index and downstream products .Some advices for selecting coal gasification process technologieswere given out . Key wordscoal gasification process technology; selecting; basis 我国的煤炭资源丰富,油气匮乏。在未来几十年内,煤炭在 我国能源结构中仍将占主导地位,是我国战略上最安全和最可 靠的能源。作为一个煤炭生产和消费大国,使煤炭资源得到更 加科学合理的利用尤为重要。 在众多的煤炭利用技术中,煤气化则是煤炭能源转化的基础技 术,也是煤化工发展中最重要、 最关键的工艺过程之一。本文介绍 了几种典型的煤气化技术;针对新建煤化工项目给出了选择煤气化 技术的主要依据,以期为选择适合自身的煤气化技术提供参考。 1 煤气化技术 煤气化工艺有几十种,若按煤气化炉的炉型分类,大致有三类 固定床气化工艺;流化床气化工艺;气流床气化工艺,气流床煤气化 技术又分为湿法气化和干法气化两种。这里主要介绍几种对中国 洁净煤技术发展具有重要意义的典型代表性的煤炭气化工艺。 1. 1 固定床Lurgi工艺 固定床气化炉常见有间歇式气化U. G . I和连续式气化 鲁奇Lurgi两种。U. G . I炉已有一百多年的历史,它是以块状 无烟煤或焦炭为原料,以空气和水蒸气为气化剂,在常压下生产 合成原料气或燃料气。该炉型所用原料要求高,工艺技术落后, 生产强度低,环境污染严重,属淘汰或禁止使用的煤气化技术。 Lurgi加压气化技术是在U. G . I炉的基础上,在20世纪40 年代由西德鲁奇公司开发,属第一代煤气化工艺。 Lurgi炉是以块状的弱粘结性贫瘦煤为原料,氧气空气和 蒸汽为气化剂在加压条件下连续气化制取煤气,该炉型适合于 生产燃料煤气或间接液化制油的原料气。若选择制合成气存在 以下问题 1 煤气成分复杂,合成气中含CH4约16～18 , 如果将这些CH4转化为H2、CO,将会造成投资大,成本高。2 大量冷凝污水需处理。污水中含大量焦油、 酚、 氨、 脂肪酸、 氰化 物等,因此要建焦油回收装置,酚、 氨回收和生化处理装置,增加 了投资和原材料消耗。3 Lurgi气化技术原料为6～50mm块 煤。块煤价高,影响工厂经济效益 [1]。 Lurgi炉主要应用在南非和我国, 20世纪50年代中期和80 年代初期,我国云南解放军化肥厂和山西天脊集团先后引进了 鲁奇加压气化技术用于合成氨的生产,生产能力分别为15 104t/a和30104t/a。我国哈尔滨伊兰、 甘肃兰州、 河南义马也 分别引进了鲁奇加压气化技术,主要用于生产城市煤气和工业 燃气。由于该气化技术煤气后处理工艺及水处理过程较复杂, 所以近年来在合成气生产装置上应用少 [2]。 1. 2 流化床HTW工艺 流化床煤气化技术是介于固定床和气流床煤气化技术之间 的一种煤气化技术。第一个流化床煤气化生产装置 温克勒 煤气化法1926年在德国投入运转。但是该炉存在气化压力低, 单台炉处理量较小,碳转化率低,带出物和灰渣中残碳含量较 高,并且气化炉体积庞大,单位容积气化率低等缺点。针对常压 温克勒气化炉存在的缺点,通过提高气化温度和气化压力,成功 开发了高温温克勒煤气化技术HT W [3]。 HT W工艺为加压流化床气化技术,适宜于气化褐煤、 长焰煤 以及其他一些粘结性不强、 化学反应活性较高的煤种,原料煤入 炉粒度为0～10mm、 流化床气化炉的生产能力为相同气化压力 下、 相同规模固定床气化炉的3～4倍,该工艺已经工业化的单 台气化炉耗煤量为160t/h。 1. 3 气流床煤气化技术 气流床煤气化技术包括干法干煤粉进料和湿法料浆进料的 气流床气化技术,湿法料浆气化技术主要有国外的GE工艺和 62广州化工2009年37卷第5期 国内的多元料浆气化技术。干法干煤粉气化技术 Shell工艺、 GSP技术等。 1. 3. 1 干法干煤粉气化技术 1 Shell工艺 该技术主要是将煤通过粉碎研磨成干煤粉,喷入气化炉进 行燃烧制得燃料气或合成气。气化炉采用水冷壁结构。气化温 度在1400℃～1600℃,气化压力 ～3. 0MPa,碳转化率高达99 , 煤气中甲烷含量很少, CO H2达到90。Shell气化技术指标 先进,但装置复杂,投资大,运行经验不足。国内建设的Shell炉 是世界上应用于化工产品的首例。现已建成十多套,均在试运 行,估计需一定的探索期,其时间长短取决于专利技术成熟的程 度。对这十多套装置实际运行的技术经济指标以及是否能够以 单炉运行来保证生产的连续性、 稳定性等尚待观察、 证实。 2 GSP技术 该技术干煤粉由气化炉顶部进入,属单烧嘴下行制气。气 化炉内有水冷壁内件,单炉生产能力大,目前已投入运转的气化 炉压力为3. 0MPa,单台炉日处理煤量720t,已设计完成日处理 量为2000t级的更大规模装置。GSP技术碳转化率可达到98 ～99 ,冷煤气效率达80～83 ,合成气有效气CO H2成分 高达90以上。由于粗煤气的洗涤净化采用水激冷流程,故投 资比Shell炉省。 1. 3. 2 湿法料浆气化技术 1 GE工艺 GE工艺以水煤浆为原料,气化炉内部采用耐火材料衬里结构, 气化压力4. 0～8. 7MPa。其技术特点是对煤种适应性较宽,对煤的 活性没有严格的限制,但对煤的灰熔点有一定的要求,单炉生产能 力大,碳转化率高,达95～98,有效成分CO H2达80左右, 适宜做合成气。我国鲁南、 渭河、 上海三联供、 安徽淮南已从国外引 进了水煤浆气化装置,用于生产合成氨、 甲醇、 醋酸、 发电等 [4]。 2多元料浆气化技术 国内开发的具有自主知识产权的多元料浆加压气化技术也 属于湿法加压气流床煤气化技术,对该技术的研究始于20世纪 60年代后期。该气化方法的原料可以是石油焦、 石油沥青、 煤、 石 油加工过程的各种固体残渣及残液等,采用合适的添加剂,通过 一步法制浆技术,制备出合格的气化料浆,然后在高温、 高压条件 下和氧气反应生成CO、H2为主成分的合成气。其主要工艺指标 有效气组成CO H2～85左右,碳转化率达95～98,多元 料浆技术投资小,能耗低,设备国产化率较高,超过98;进料易 于控制和计量,成功地实现了加压气化,建立的大型工业化装置 均实现了长周期稳定运行。整个工艺流程简单,粗合成气便于后 续处理;环境友好,高温快速气化使得煤气中不含焦油、 酚等,无废 气排放;废水排放小且易于处理,属洁净气化技术。截止目前,多元 料浆气化技术已在国内三十多套工业装置上实现推广应用,涉及3 万～30万t/a合成氨、20万 ～60万t/a甲醇以及50万t/a煤制油装 置,已有6套工业装置平稳运行,属于较有前途的煤气化方式。 2 依煤质因素选择 我国煤炭资源十分丰富,种类齐全,从褐煤到无烟煤各个煤 化阶段的煤都有赋存,但各煤类的数量不均衡,地区间分布差别 也很大。而不同煤种的组成和性质相差是非常大的,即使是同 一煤种,由于成煤的条件不同,性质的差异也较大。煤结构、 组 成以及变质程度之间的差异,会直接影响和决定煤炭气化过程 工艺条件的选择,也会影响煤炭气化的结果及气化工艺的配置。 气化反应过程与煤的性质有着非常密切的关系。煤的气化 过程在工艺上有着多种多样的选择,对一种特定的气化方法,往 往对煤的性质有特定的要求。 下面对煤的气化工艺过程有关的煤的性质做必要的阐述 [6]。 1水分含量 煤中的水分和其变质程度有关,随煤的变质程度加深而呈规 律性的变化即从泥炭、 褐煤、 烟煤、 年轻无烟煤,水分逐渐减少。 炉型不同对气化用煤的水分含量要求也是不同的。对固定 床来说,一般生产中要求水分含量在8～10左右。采用流化 床和气流床时,固定颗粒粉的粒度很小,过高的含水量会降低颗 粒的流动性,因而规定煤的含水量小于5。尤其对烟煤的气流 床气化法,采用干法加料时,要求原料煤的水分含量应小于2。 2灰熔点 简单地说,灰熔点就是灰分熔融时的温度。一般用于固态排 渣的气化炉的煤,在气化时不能出现结渣,其灰熔点应较高;液态 排渣却相反,灰熔点越低越好,但要保证一定的流动性,其黏度应 小于25Pas,黏度太大,液渣的流动性变差,还有可能出现结渣。 3灰组成 灰组成影响着灰熔点的高低,若灰中SiO2和Al2O3的含量 越大,其熔化温度范围越高,而Fe2O3和MgO等碱性成分含量越 高,则熔化温度越低,可以用公式 Si O 2 Al2O3 / Fe2O3 CaO MgO来表示,该值越大,则灰熔点越高,灰分越难结渣 ,相反, 则灰熔点越低,灰分越易结渣。 4成浆性 选用湿法气化技术时,对原料煤的成浆性有一定要求,成浆 性好的煤种所制得煤浆浓度高,气化指标好。 5发热量 发热量即热值,是煤的主要性能指标之一,其值与煤的可燃 组分有关,热值越高每千克煤产有效气量就越大,要产相同数量 的有效气煤耗量就越低。 在以上介绍的煤气化技术中,固定床对原料煤种有较严格 的要求,入炉煤必须是块煤或碎煤。干煤粉气流床煤气化方法 对煤种有广泛的适应性,它几乎可以气化从无烟煤到褐煤的各 种煤。湿法料浆气流床煤气化方法可以气化气煤、 烟煤、 次烟 煤、 无烟煤、 高硫煤以及低灰熔点的劣质煤、 石油焦等。气化褐 煤时选择干煤粉气流床煤气化方法较为适宜。 3 煤气化技术的指标因素 选择煤气化技术可以考虑以下几个方面。 3. 1 煤气化工艺指标 煤气化技术的工艺指标是评价煤气化技术好坏的一个重要 方面,只有指标优良的煤气化技术才能给企业带来良好的经济 效益,并且节能环保。通常选择合适的煤气化技术依据得主要 工艺指标包括产气率、 有效气含量及组成、 碳转化率、 冷煤气效 率、 比氧耗、 比煤耗等。 1产气率 产气率是指气化单位重量的原料所得到煤气的体积数在 标准状态下 , 通常以m3/kg表示。 722009年37卷第5期广州化工 产气率 煤气产量 入炉干原料量 100 2有效气含量及组成 煤气中的主要成分是CO和H2,生成粗煤气中有效气含量 是指粗煤气中CO H2的量。 3碳转化率 碳转化率是指在气化过程中消耗的参与反应的总碳量占 入炉原料煤中碳量的百分数,可用下述公式表示 碳转化率生成的煤气中碳量 单位重量煤中碳量 100 如灰渣中含碳高、 飞灰和焦油多,则碳的转化率就低。 4冷煤气效率 冷煤气效率煤气的发热量 原料的发热量 100 冷煤气效率是衡量煤炭气化过程能量合理利用的重要指标。 5比氧耗和比煤耗 有效气比氧耗为生产1000标方有效气体CO H2的氧气 消耗量,Nm3/1000Nm3CO H2 ; 有效气比煤耗为生产1000标 方有效气体CO H2的煤消耗量, Kg/1000Nm3CO H2。 表1为两种具有典型代表性的气流床煤气化技术的工艺性 能和气化指标比较数据表。 表1 两种典型气流床煤气化技术气化指标比较 炉型干法粉煤气化湿法料浆气化 煤气 成分/ CO61～6545～47 H225～2833～38 CO2018～31820～26 CH40101～0102011～013 H2S COS01070102 N2413～8103012～014 有效气含量/92～9580106～85 单炉最大生产能力/ td- 120002000 冷煤气效率/78～8370～76 碳转化率/≥9995～98 氧耗Nm3/1000Nm3CO H2330～360370～420 煤耗Kg/1000Nm3CO H2520～550550～610 以上干法粉煤气化指标数据来源于Shell气化技术的运行 数据 [7]。 以上湿法料浆气化指标数据源于西北化工研究院多元料浆 气化技术的工业化装置运行数据。 3. 2 技术的成熟可靠性 选择成熟可靠,能够长周期稳定运行的煤气化技术是十分 重要的。煤气化是生产各类煤基化学品氨、 甲醇、 二甲醚等、 煤基液体燃料、 煤基低碳烯烃、 制氢、 先进的IGCC发电、 多联产 系统的共性、 关键技术,是煤化工的基础。煤气化在很大程度上 影响甚至决定了全系统装置能否长周期、 安全稳定的运行。如 果煤气化装置不能实现长周期运转或者年运转率较低,就会造 成巨大的损失。 气流床湿法加压气化技术在我国已有近二十年的生产应用 经验,国内已培养出大批掌握该技术的设计、 设备制造、 建筑安 装、 煤种评价、 试烧和工程总承包的企业及工程技术人员,因此 该气化技术的成熟可靠性好。 气流床干法加压气化技术Shell工艺国产化率低,国内运转 的少, 1994年已经投运的荷兰Demkolec 250MW IGCC示范电站 采用Shell气化炉,设计容量为2000t/d。国内现有十余家引进该 气化技术并建立装置其运行经验正在积累。目前世界上采用 GSP气化工艺技术的有3家,国内神华宁夏煤业集团有限责任 公司引进此技术用于煤化工项目 [5]。干煤粉气化技术成熟可靠 性相对不足,相对缺乏实际运行和指导经验。 3. 3 消耗与成本 这一项评价指标是指每生产m3CO H2对原材料水、 电、 汽等的消耗。消耗低的煤气化技术对提高单炉生产能力和气化 效率、 降低成本都有意义。如煤的加压气化可实现后续工段的 等压合成或降低合成气体的压缩比,这比压缩煤气要经济的多, 这正是近年来开发加压煤气化的重要原因之一。这几种煤气化 技术中, GSP干煤粉气化技术原料消耗最低。 3. 4 三废排放及处理 煤中含有部分无机矿物质,以及在加工利用的过程中,存在 残渣、 废水、 废气的排放,先进的煤气化技术,均是高温加压纯氧 气化,碳的转化率高,这些排放物应相对较少或容易处理。这也 是国家煤炭洁净利用政策的要求。 3. 5 投资 企业在选择煤气化技术时,应根据本单位的实际情况,综合 考虑投资,设备、 仪表阀门等的国产化程度以及技术转让费和服务 费都直接会影响到投资从而影响企业的经济效益。同等规模气化 系统投资的比例为Shell法 ζGSP法 ζ多元料浆法1. 8ζ1. 2ζ1。 从指标因素可以看出,干法煤气化技术气化指标最先进,消耗 最低,但和湿法加压气化技术相比缺乏长周期稳定运行经验,并且 其投资比湿法气化技术高很多。综合考虑来看,现阶段,湿法气流床 煤气化技术最具有优势。在选择湿法气流床煤气化技术时,应尽量 采用国内具有自主知识产权且成熟可靠的湿法煤气化技术。 4 下游产品需要项目最终目的的因素 煤气化技术的选择还应考虑到下游产品的需要,根据煤气 化后所产产品的不同,是用于发电、 生产燃料气,还是生产甲醇、 合成氨,来确定采用何种炉型。因为不同的炉型气化生产的原 料气的压力、 气体成分均不同,适用于不同的工业领域。图1列 出了各工艺强调的合成气质量指标。 图1 下游工序对煤气化产气的质量要求 下转第31页 82广州化工2009年37卷第5期 在现有锅炉上的改造,同时制氧投资非常大。采取局部增氧比 较合理且容易实现,即只对二次风采取增氧的方式。 4. 2 讨论 1炉膛温度分布控制 增氧后的二次风通过二次风管或注氧点从不同高度送入炉膛, 这样会使稀相区的燃烧份额增大在密相区未燃烧完全的在这里基 本燃尽,导致稀相区的燃烧份额增大 , 同时燃烧温度升高。 解决办法只要合理布置注氧点完全可以将炉膛的温度控 制在950℃ 以下,同时保证温度梯度不超标。但是如果二次风配 入不合理,可能会使炉膛的温度分布不均,温度梯度达不到允许 范围,造成因局部超温,而限制负荷的提升。 2物料循环和热平衡的控制 循环流化床锅炉运行的关键在于建立稳定的物料循环,大量 的循环物料起着传质和传热作用,使得整个炉膛的温度梯度不 大。采用富氧燃烧后,燃料相应减少,同时反回料也因燃烧完全而 减少,整个循环量也就减少。但是富氧燃烧后三原子分子浓度增 大 CO 2浓度增加 , 多原子分子的辐射传热要比单分子要强,这 样炉膛的辐射传热就增强,可以弥补因循环量小的热量传递。 3氮氧化物和二氧化硫的控制 局部富氧燃烧在局部会产生高温,同时热力型的NOX生成 量因此而增加。但是炉膛的温度还是在最佳脱硫温度范围,所 以脱硫效果差别不大。另外由于烟气量的减少,使得氮氧化物 和二氧化硫的浓度提高,这样更有利于收集和捕捉。 4富氧燃烧对锅炉材质的影响 富氧燃烧会产生局部高温,会对炉底的开工火咀的寿命带 来影响;同时对炉膛的耐火材料也是一个考验,所以富氧燃烧也 会带来材质升级的问题。 5 结 语 循环流化床锅采用富氧燃烧技术能提高锅炉的运行效率 固体燃料燃烧更加充分,增加传热效率;减小CFB锅炉旋风分离 器的负荷;烟气量减小,排烟损失减小;有害气体浓度升高便于 NOX和C02的捕捉;另外,物料的充分燃烧减小了固体颗粒对系 统的磨损,延长锅炉耐火材料寿命。 富氧燃烧在CFB锅炉的工程应用才刚刚开始,尽管CFB锅 炉有自身不可比拟的优势,但是富氧燃烧技术的应用可以使其 更加完美,所以开发应用这一技术对节约煤炭资源,提高能源利 用率和环境保护都有重要意义。需要广大工程技术人员和相关 设计人员的共同努力来实现。 图3 CFB锅炉供风系统与变压吸附工段工艺结合示意图 注实线右示意混合注氧燃烧形式;虚线左示意喷入式 注氧燃烧形式 参考文献 [1] 沈光林.膜法富氧燃烧技术在工业锅炉中的应用[ J ].工业锅炉, 2002, 6 22 - 25. 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