煤气化技术研究与发展(1).pdf

第 3 9卷第 5期 2 0 1 0年 5月 辽 宁 化 工 Li a o n i ng Ch e mi c a l I n du s t r y V0 1 ． 3 9． No ． 5 Ma y， 2 01 0 煤 气 化 技 术 研 究 与 发 展 孙 凤 伟 辽宁省石油化工规划设计 院，辽宁 沈 阳 1 1 0 0 0 4 摘 要 介绍了目前主要的煤气化技术发展状况， 不同煤气化技术的工艺特点， 各技术的优势及 不 足。展望 了我 国煤气化技术的发展方 向。 关键词 煤气化 ；煤炭 ； 燃料 中图分类号 T Q 5 4 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 0 9 3 5 2 0 1 0 0 5 0 5 2 6 0 4 我国是以煤炭为主要燃料和原料的国家， 煤炭 消耗占全 国能源总耗量约 7 2 ％ ， 充分体现了我 国能 源以煤为主的特点。在合成氨生产中以煤焦为原料 的占6 7 ． 2 ％ ， 而以煤焦 为原料 的氮肥厂 中， 以无烟 煤为原料 的又 占到 8 8 ． 7 ％ 。工业锅 炉和民用煤炉 的大量使用 ， 使得煤渣及 S O 等有害物质严重影 响 环境。发展城市煤气 ， 提供清洁的能源和化工原料 ， 是改善能源结构、 保护环境 、 造福后代的大事。世界 上 以鲁奇工艺 制取城 市煤气 的技术 最成熟 ， 现有 2 0 0余台不同规格鲁奇炉投入工业生产 ， 而且鲁奇 公司正致力于提高单炉生产能力和适应更多 的煤 种 ， 向液态排渣和提高气化压力的高温 、 高压气化方 向发展。我国在城市煤气工程设备的设计、 加工、 制 造能力上 ， 已有 了长足 的进 步， 掌握 了一些关键技 术 ， 培育了一批人才 ， 为实现成套设备国产化打下了 坚实的基础。 煤气化技术是煤炭清洁高效转化的核心技术 ， 是发展煤基化学品合成 氨 ， 甲醇、 乙酸 、 烯烃 等 、 液体燃料合成 二 甲醚、 汽油、 柴 油等 、 多联产系 统 、 制氢、 燃料电池、 直接还原炼铁等过程工业 的基 础。对于煤气化工艺技术 ， 目前主要有固定床、 流化 床和气流床 3种 ， 对于炉型 ， 有 固定床间歇气化炉、 灰熔聚、 德士古、 恩德炉等多种， 不同造气方式均有 各 自不同的特点 ， 在国内也有不同厂家采用。 1 煤气化技术分析 1 ． 1 固定床气化技术 以鲁奇为代表的加压块煤气化技术。鲁奇加压 气化炉是由联邦德国鲁奇公司于 1 9 3 0年开发 的， 属 第一代煤气化工艺 ， 技术成熟可靠 ， 是 目前世界上建 厂最多的煤气化技术。鲁奇气化炉是制取城市坑 口 煤气装置中的心脏设备。它适应 的娣种广 、气化强 度大 、气化效率高 、粗煤气无需再加压即可远距离 输送 。鲁奇气化技术的特点为 采用碎煤加压式填 料方式 ， 即连接在炉体上部的煤锁将原料制成常温 碎煤块 ， 然后从进煤 口经过气化炉的预热层 ， 将温度 提高至 3 0 0℃左右。从气化剂入 口吹进的助燃气体 将煤点燃 ， 形成燃烧层 。燃烧层上方是反应层 ， 产生 的粗煤气从出口排出。炉篦上方 的灰渣从底部出口 排到下方连接的灰锁设 备中， 所 以气化炉与煤锁 、 灰锁构成了一体的气化装置。鲁奇炉的代表炉型即 第三代 MA R KI V ／ 4型 3 8 0 0 mm加压气化炉 ， 炉体由内外壳组成 ， 其间形成 5 0 mm的环形水冷夹 套 ， 是一种技术先进 、结构更为合理的炉型。 传统的固定层常压或富氧连续气化技术 ， 在我 国中、 小型企业 中得到广泛使用 。据不完全统计 ， 中 型化肥企业使 用 U G I炉 2 7 4 0 、 3 0 0 0 近 4 0 0 台， 小型化肥企业中使用各种规格 的固定层造气炉 中2 4 0 0 ， 2 6 0 0 多达 5 0 0 0台以上 。笔者近期考 察某煤化工有 限公 司， 新建 的两套 “ l 8 3 O ” 装置 ， 建有 中2 6 0 0常压固定床气化炉 3 2台， 其中 2 8台运 行。可见 ， 固定层制气 技术 目前在 国内化肥企业中 仍 占主导地位。该技术的主要特点是⋯ 1 工艺成熟可靠 ， 投资省 ， 建设工期短。 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 2 - 0 4 作者简介 孙凤伟 1 9 6 5一 ， 女， 高级工程师。 第3 9卷第 5期 孙凤伟 煤气化技术研 究与发展 5 2 7 2 原料要求 较高， 气化压力低 ， 生产能力小 ， 能耗高。 3 同 1台 U G I 中2 7 4 0 mm 富氧连续气化的 生产能力是间歇气化能力的 2倍 以上 ， 但 C O ， 含量 略高 ， 同时因需富氧， 增加了建设投资 。 4 富氧连续制气无吹风气排放 。但间歇制气 吹风气排放量大， 污染 物含量多 C O 6 ％ 以上 ， H ， S 0 ． 8～1 ． 0 g ／ m 以上 ， 排放污水中有害物质浓度高 ， 环境污染严重。 因此 ， 随着煤气化技术的发展 ， 生产规模 的大型 化和环境保护要求的严格 ， 该技术将被逐渐淘汰。 1 ． 2 流化床气化技术 以恩德炉、 灰熔 聚为代表 的气化技术。恩德炉 粉煤流化床气化技术是朝鲜恩德 “ 七 七” 联合企 业在温克勒粉煤流化床气化炉 的基础上 ， 经长期 的 生产实践 ， 逐步改进和完善 的一种煤气化工艺。灰 融聚流化床粉煤气化技术根据射流原理 ， 在流化床 底部设计了灰团聚分离装置 ， 形成床 内局部高温区 ， 使灰渣团聚成球 ， 借助重量的差异达 到灰 团与半焦 的分离 ， 在非结渣情况下 ， 连续有选择地排出低碳量 的灰渣。 目前 ， 中科院山西煤 化所 山西省粉煤气化 工程研究 中心开发的加压灰熔聚气化工业装置已经 成功应用于晋煤集 团天溪煤制油分公 司 1 0万 t ／ a 煤基 MT G合成油示范工程项 目， 该项 目配备了 6台 灰熔 聚气化 炉 5开 1备 ， 气化 炉操 作压 力 0 ． 6 MP a ， 日处理 无烟煤 1 6 0 0 t ， 干煤 气产 量 1 2 5 0 0 0 IT I ／ h 配套 3 0万 t ／ a合成 甲醇 。 该技术 的特点 以恩德炉为例⋯ 1 适用的煤种为褐煤 ， 不粘结性煤和弱粘结 性煤 ， 同时要求煤有较高活性 9 5 0 c c， 6 5 ％ 和 灰熔点 F T1 2 5 0 c c。进 炉煤料 H， 0 8 4 ％ 含量高 ， 煤气 中不含甲烷及其它烃类 。 4 进炉煤 中 W H， 02 ％， 属 于干粉煤进 料。氧耗低 ， 能耗低。 5 炉内采用水冷格栅结构 ， 无耐火材料 ， 维修 量小 ， 设备运转周期长。 6 属洁净 煤气化 技术。气 化过程 无废气排 放 ， 灰水循环使用 ， 基本无排放。 7 原料煤的干燥 、 磨制粉煤 粒径 0 ． 2 m m， 占8 0 ％ ， 加压输送 ， 是一套复杂、 庞大的系统， 投资 及动力消耗高。 8 在正常运行中， 为了便于调节炉温， 需 向炉 内送人 4 ． 2 MP a的过热蒸汽。以 日投煤量 1 0 0 0 t 计 ， 每小时投入的蒸汽量为 8 ． 5～1 0 ． 5 t 。同时 ， 为 防止熄火 ， 保证安全生产 ， 炉内设燃气烧嘴 ， 每小时 5 2 8 辽 宁 化 工 2 0 1 0年 5月 耗煤气 3 5 0 0～4 0 0 0 m ／ h ， 相 当于损失合成氨 1 t 以上。仅上述两项 费用 ， 每天 约 5 ． 0万元 ， 全 年 1 5 0 0万元以上。可见操作运转 费用偏 高， 在一定程 度上影响其经济性 。 1 ． 3 ． 2 以德士古、 多喷嘴为代表的水煤浆气流床技 术 德士古气化炉如今已有 5 0多年的历史 ， 是美国 德士古公司的专利技术 ， 采用水煤浆加压气化工艺 。 目前国内大化肥装置较多采用德士古气化炉， 并且 世界范围内 I G C C电站多采用德士古式气化炉。德 士古气化炉是一种 以水煤浆进料的加压气流床气化 装置 ， 水煤浆 由气化剂夹带 由专 门的单个喷嘴 向下 喷人炉内， 瞬间气化。由华东理工大学研发 的多喷 嘴对置式水煤浆气化技术的化学反应原理与单喷嘴 水煤浆气化技术相 同， 但其过程机理与受限射流反 应器的单喷嘴水煤浆气化炉又有很大的不 同， 多喷 嘴对置式水煤浆气化炉采用撞击流技术来强化和促 进混合 、 传质 、 传热。位于气化炉直筒段上部的 4个 工艺喷嘴在同一水平面上 ， 相互垂直布置 ， 通过 4股 射流的撞击可以使反应更充分并显著提 高碳 转化 率。目前 ， 多喷嘴技术已经得到市场的认可 ， 日处理 量 1 8 0 0 t 的气化装置已经在江苏灵谷顺利开车并 稳定运行 ， 同时其专利技术已经打人美国市场 ， 并获 得好评 。 该技术属气流床湿法粉煤气化。国内有十余家 企业采用该技术 ， 其主要特点是 J 1 煤种适用性 广， 可用于烟煤、 无 烟煤 的气 化 ， 还可以气化石油焦 、 煤液化残渣、 沥青等， 但为了 提高水煤浆的浓度， 煤种的可磨指数要求高， 内水含 量 8 ％， 灰含量 1 3 ％。为 了适应液态排渣， 煤种 的灰熔点 F T1 3 0 0℃ ， 灰渣粘温特性好。 2 气化压力高。 目前运行装置的压力等级有 2 ． 7 ， 4 ． 0 ， 6 ． 5和 8 ． 7 MP a ， 提高气化压力， 可缩小设 备体积 ， 更有利于降低合成气压缩能耗。 3 水煤 浆制备简单 ， 进料采用高压煤浆泵输送 ， 流量及压力 易于控制与调节 ， 运转稳定 ， 安全可靠。 4 碳转化率高。煤气中有效气 C OH 较 高 ， 可达 8 0 ％左右 ， 冷激流程可满足后 、 序变换工段 对水蒸汽量的要求 。 5 设备国产化率高 ， 可节省投资。炉 内结构 简单 ， 无机械传动装置 。维修量小。 6 该技术属洁净煤气 化技术 ， 环境效 益好。 气化过程无废气排放。灰水循环使用 ， 废水排放量 少， 污染物含量低 ， 易于处理。灰渣含碳量低 ， 可作 建筑材 料 。 7 烧嘴及耐火材料的选优与改进 ， 可大大提 高装置的运转率 。例如兖矿鲁南化肥厂 B 系统德 士古炉烧嘴已连续运转 1 5 0 d以上， 创造了水煤浆 加压气化装置关键设备 一气化炉烧嘴长周期运行的 世界记录。 8 为保证长周期运行 ， 需设备用炉 ， 同时气化 炉设备用材 S A 3 8 7 G r l l C 1 2 ， 高压煤浆泵、 氧 阀、 煤浆 切断阀、 锁渣阀及大部分调节阀等关键部分 的阀门， 仍依靠进 口。因此， 额外增加了投资。 9 由于水煤浆 中含有 3 5 ％ 水分 ， 因此 比氧 耗、 比煤耗偏高。 2 我国煤化工技术展望 中国煤化工的发展对发挥丰 富的煤炭资源优 势 ， 补充国内油、 气资源不足和满足对化工产品的需 求 ， 保障能源安全 ， 促进经济的可持续发展 ， 具有现 实和长远的意义。新型煤化工在中国正面临新的发 展机遇和长远的发展前景。 目前在我国煤化工领域 中， 有很多企业注重研 发 自己的煤气化技术， 还有一些企业 引进 国外 的先 进技术， 针对国内 自主开发和引进的煤气化技术种 类较多， 煤化工企业总希望寻求到最好技术 的现状， 专家一致提 出， 对煤气化技术的认识 、 选择需要科学 的认识观 ， 煤气化技术没有先进性和落后性之分 ， 只 有适用性。 由于我国煤种、 产品和建厂条件不同， 原料多样 化、 煤气化技术多样化是必然的。多种煤气化技术 并存是适合我国煤化工产业发展现状的。像无烟煤 及热值低的煤就适合用常压固定床气化炉， 而且 固 定床气化炉的煤渣可送到” 三废” 炉燃烧发电， 废水 可实现零排放 ， 在环保上也是达标的。 在大规模的煤化工园区， 不同煤气化技术都可 以共存使用。同时使用固定床、 流化床和气流床气 化技术中的 2种或 3种， 其优点是将原料煤首先进 行简单筛分， 1 0～5 0 mm块煤不需干燥直接用于固 定床加压气化。1 1 0 m m部分可用于流化床 ， 也可 以与 1 m m的块煤一起用于气流床气化， 这在一定 程度上可降低煤化工产业备煤成本。而且几种气化 技术共存使用可以互补， 固定床气化产生的大量甲 烷可用于气流床磨煤干燥或燃气轮机发电。 下转第 5 5 7页 第 3 9卷第5期 张鹏， 等聚丙烯中试装置环管反应器的模拟 5 5 7 4 9 9 61 01 5 ． [ 5 ] 杨爱 新， 聚丙烯 环 管 反应 器 的模 拟 [ J ] ． 化 学 工程 ， 2 0 0 2， 3 0 6 3 7 4 0 ． [ 6 ] 崔波 ， 张青瑞 ， 李亚宁 ， 等． 聚丙烯反应器 的模拟与参数 在反应 _ 器内的分布 [ J ] ． 化学 工业 与工程 ， 1 9 9 6 ， 1 3 4 1 8 ． [ 7 ] 崔波 ， 马青 ， 曹长青 ， 等． 聚丙烯环管反应 器的动力学 特征 [ J ] ． 化学反应工程 与工艺 ， 1 9 9 6， 1 2 3 2 6 3 2 7 0 ． [ 8] 罗正鸿 ， 曹志凯 ， 朱乃靖 ， 等． 稳态操 作下 的万 吨级聚丙烯环管 反应器模 型的建 立 [ J ] ． 厦 门大学 学 报 ， 2 0 0 5 ， 4 4 3 3 9 5 3 9 8 ． [ 9 ] 刘彦华 ． 聚丙烯 生产 工艺流 程模拟 研究 [ D] ． 北京 北 京化工 大学化学工程学 院， 2 0 0 1 ． S i mul a t i o n o f Lo o p Re a c t o r f o r PO l yp r o py l e ne Pi l o t Pl a nt ZHANG Pe ng，u Li ，WANG Xi o n g WANG Dan da n 、 L a n z h o u C h e m i e a l R e s e a r c h C e n t e r o f P e t r o c h e m i c a l R e s e a r c h I n s t i t u t e o f P e t r o C h i n a C o m p a n y L i m i t e d ， L a n z h o u 7 3 0 0 6 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ma t h e ma t i c a l mo d e l wa s e s t a b l i s h e d b y a n aly z i n g a n d r e s e a r c h i n g t h e 7 5 k g ／ h p o l y p r o p y l e n e p i l o t p l a n t l o o p r e a c t o r o f P e t r o C h i n a ． B y s o l v i n g t h e e q u a t i o n，t h e r e l a t i o n s h i p o f s o l i d c o n t e n t ，mo n o me r c o n c e n t r a t i o n，t h e a c t i v e c e n t e r c o n c e n t r a t i o n ，h y d r o g e n c o n c e n t r a t i o n a n d t h e l e n g t h o f t h e l o o p r e a c t o r c a n b e o b t a i n e d ．Th e s e d a t a p r o v i d e d t h e b a s i s f o r o p t i mi z i n g t h e p i l o t p l a n t o p e r a t i o n o f t he Lo o p Re a c t o r ． Ke y wo r d s P o l y p r o p y l e n e ；L o o p r e a c t o r ；Ma t h e ma t i c mo d e l ；S t i mu l a t i o n ● ●●● ‘ ● ●_ ●●。 ‘●． ●●●。。 t● ●● ●● 。_ -． ●● ●。 ●● ●● ●● ●．．。 上 接 第 5 2 2 页 含量低 ， 产品质量较好 ， 但收率较低 ； 尿液浓度高时 ， 收率较高 ， 但芳烃含量高， 液蜡 的质量较差 。 2 提高尿油 比， 能提高液蜡收率 ， 但液蜡 的芳 烃含量也随之增加 ， 影响产品质量 。 3 提高洗油 比， 能降低芳烃含量 。 ．． ●‘ ．．． ．● ‘．． -． ●’ ．． ．● ‘ ． ．． ●‘。．． ．● ‘ ． ．． ●。 ，．． ．’● ． ．． ．● ●_‘ 4 适当增加洗涤段数 ， 能降低芳烃含量 。 综合考虑装置的产 品收率、 芳烃含量 、 能耗等诸 因素 ， 通过多次实验 ， 认为尿液组成 3 8 4 0 2 2 ， 尿 油比 1 0 1 ， 四段溢流洗涤 ， 洗油 比 1 ． 5 1 ， 有利于 控制芳烃含量和提高收率。 Di s c us s i o n o n Co nt r o l o f Ar o ma t i c Hy dr o c a r bo n Co n t e n t a nd I n c r e a s i n g Li q ui d W a x Yi e l d for Ur e a De wa x i ng Uni t MA Ya o S h e n y a n g P a r a f fi n Wa x C h e m i c a l C o ． ， L t d ． ， S h e n y a n g 1 1 0 1 4 1 ， C h i n a Abs t r a c tCo mbi ni n g wi t h a c t u a l p r o d uc t i o n，t hr o ug h r e p e a t i n g d e b ug gi n g v a r i o u s pr o c e s s i n d i c a t o r s o f o p e r a t i o n c o n t r o l un i t ， ma i n f a c t o r s i n flu e n c i n g l i q u i d w a x y i e l d a n d a r o ma t i c s c o n t e n t w e r e fou n d a n d t h e b e s t p r o c e s s i n d i c a t o rs we r e d e t e r mi n e d i n o r d e r t o e n s u r e pr o du c t q u a l i t y a nd e f f e c t i v e l y i n c r e a s e pr o d u c t y i e l d． Ke y wo r dsUr e a d e wa x i n g；Ar o ma t i c h y d r o c a r b o n c o nt e nt ；Li q ui d wa x y i e l d ．． -● -．． ．● ．． ．． ● ．． ．_● ．． - 1- I t - ● t ． ． ． ● ． ． ‘ ． ● ． ． _ ． ● ． ． _ ． ● ． ． ． ． ● ． ． ． 。 ● _ _ ． ． - ● ． ． _ ． - ● - ． ． - ． ● ’ ． ． - ． ● ． - ． ． - ● ． ． ． ． - ● ． ． ． ． - ● ． ． _ _ - ● _ ． ． ． ． ● ． ． _ ● - ． ． _ ． ● ． ． ． ． ● ． ． ． I _ ● ． ． 上接 第 5 2 8页 有的煤气化技术耗氧量高， 但别 的技术指标有优点。 另外 ， 也不能以合成气 中水蒸汽含量高低来判断煤 气化技术的效率 ， 应 当从煤气化技术 到最终生产产 品的整个流程去判断 。靠单纯 比较非同等条件下得 到的某个技术指标来选择煤气化技术是不科学的。 某种技术有不足的地方 ， 但不等于就应被全盘否定。 企业在选择煤气化技术 时， 首先要根据 自身煤 炭资源选择最合适 的气化技术 ， 其次要考虑所生产 的产品 ， 只要经济上能承担得起 ， 无论 国内还是 国外 煤气化技术都可 以选择。在我 国煤化工领域 中， 企 业在选择煤气化技术的时候首先要考虑的是是否适 用 ， 技术的适用性要重于技术的先进性。 参 考 文 献 [ 1 ] 刘 功年． 多 种 煤气 化 技 术 的应 用 与 评述 [ J ] ． 革 新 与综 述 ， 2 0 0 7 5 2 5 2 9 ． Re s e a r c h Pr o g r e s s o f Co a l Ga s i fic a t i o n Te c hn o l o g y SUN Fe ng we i L i a o n i n g p e t r o l e u mC h e mi c al i n d u s t r y P l a n n i n g a n d D e s i g n i n g I n s t i t u t e ， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4， C h i n a Ab s t r a c t D e v e l o p me n t s t a t u s o f c o a l g a s i fi c a t i o n t e c h n o l o g y w a s i n t r o d u c e d ．T e c h n o l o g i c a l c h ara c t e r i s t i c s o f d i f f e r e n t 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 i e s we r e d i s c u s s e d a s we l l a s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f e v e ry t e c h n o l o gy ．T h e n d e v e l o p me n t t r e n d o f c o a l g a s i f i c a t i o n t e c h no l o gy wa s p ut f or wa r d ． Ke y wor d sCo al g a s i fic a t i o n；Co al ；Fu e l