煤气化技术的现状和发展趋势.doc

煤气化技术的现状和发展趋势 唐燕 攀枝花学院四川攀枝花 摘要本文介绍了煤炭气化技术的概况,并详细地介绍了固定床、流化床和气流床等 各种煤炭气化技术。最后本文概要地阐述了国内外煤气化技术的现状和发展趋势。 关键词煤气化技术现状发展趋势 煤化工是指以煤为原料,经化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料以及化学品的过程。主要包括煤的气化、液化、干馏,以及焦油加工和电石乙炔化工等多个领域,以冶金焦生产、合成氨造气和城市燃气工程为主要行业特征。煤炭气化,即在一定温度、压力条件下利用气化剂O2、H2O或CO2与煤炭反应生成洁净合成气CO、H2的混合物,是对煤炭进行化学加工的一个重要方法,是实现煤炭洁净利用的关键。煤的气化在煤化工中占有重要地位,用于生产各种燃料,是干净的能源,利于提高人民生活水平和环境保护;煤气化生产的合成气是合成液体燃料等多种产品的原料。 一、煤炭气化技术概况 传统的气化技术是利用炼焦炉、发生炉和水煤气炉气化。进入20世纪以后针对不同煤种和气体用途发展了几百种气化方法,其中以鲁奇碎煤加压气化炉、常压KT炉、温克勒气化炉等应用最广。 20世纪70年代以来围绕提高燃煤电厂热效率、减少对环境的污染 技术同题,促使了新一代气化工艺诞生。美国45个洁净煤技术示范项目中有7个煤炭气化联合循环发电项目,配套有6种煤炭气化技术,它们是德士古水煤浆气化技术、CE两段式气流床气化技术、Destec两段加压气流床气化技术、KRW气化技术、U-Gas气化灰熔聚技术及BG/L固定床熔渣气化技术等。 国内目前采用的煤炭气化技术主要以常压固定床煤气发生炉和水煤气发生炉为多,开发和引进了水煤气两段炉、鲁奇加压气化炉和德士古水煤浆气化技术。 二、煤气化技术 煤气化技术总的分为地面气化技术和地下气化技术。地面气化技术是将煤从地下挖掘出来后再经过各种气化技术获得煤气的方法;地下气化就是将埋藏在地下的煤炭进行有控制的燃烧,通过对煤的热作用及化学反应而产生可燃气体的过程,其过程集建井、采煤、气化工艺合二为一,将传统的物理采煤方法转变为无人无设备的化学采煤方法,省去了传统的采煤机械设备和地面气化炉笨重复杂设施,具有安全性好、投资少、见效快、污染少、效益高等显著优点。 1、地面气化技术 地面煤气化技术可按压力、气化剂、气化过程供热方式等分类,常用的是按气化炉内煤料与气化剂的接触方式区分,主要有固定床气化技术、流化床气化技术和气流床气化技术。 1.1固定床气化技术 固定床一般以块煤或焦煤为原料。在气化过程中,煤由气化炉顶 部加入,气化剂由气化炉底部加入,煤料与气化剂逆流接触,相对于气体的上升速度而言,煤料下降速度很慢,甚至可视为固定不动,因此称之为固定床气化;而实际上,从宏观角度看,由于煤从炉顶加入,含有残炭的炉渣自炉底排出,气化过程中,煤粒在气化炉内逐渐并缓慢往下移动,因而又称为移动床气化。固定床气化的特性是简单、可靠。同时由于气化剂于煤逆流接触,气化过程进行得比较完全,且使热量得到合理利用,因而具有较高的热效率【2】。 1.1.1常压固定床间歇煤气化技术 常压固定床间歇式煤气化是以块状无烟煤或焦炭为原料,以空气、蒸汽、氧气为气化剂在常压下将煤转化成煤气的过程。该技术是30年代开发成功的,具有成熟可靠、操作简单、投资少、建设期短的优点,在国内冶金、建材、机械等行业广泛用于制取燃气;在中小型合成氨厂、甲醇厂用于制取合成气;在用气量较少的小型化工装置中用于制取CO和H2。目前已属落后的技术,其气化率低、原料单一、能耗高,间歇制气过程中,大量吹风气排空,每吨合成氨吹风气放空多达5 000 m3,放空气体中含CO、CO2、H2、H2S、SO2、NOx及粉灰;煤气冷却洗涤塔排出的污水含有焦油、酚类及氰化物,造成环境污染。这种煤气化技术的缺点是原料煤要求较高,且单炉生产能力小、渣中残碳较高、气化为常压煤气的压缩功耗高。随着能源政策和环境的要来越来越高以及煤气化技术的不断发展,国家对煤化工准入生产规模要求的提高,在新建的大型煤化工装置中一般不采用此技术。我国中小化肥厂有900余家,多数厂仍采用该技术生产合成原料气,不久的 将来,会逐步为新的煤气化技术所取代【3】。 代表炉型有美国的U.G.I与前苏联的U.G.Ⅱ,虽然这两种炉型历史悠久、技术成熟、设备简单、投资省、生产经验丰富,但是存在技术落后、原料动力消耗高、碳转化率低、产品生产成本高、生产强度低、程控阀门多、维修工作量大,废水废气排放多、污染严重的缺点。因此这两种炉型面临着淘汰。 1.1.2加压固定床煤气化技术 加压固定床气化技术的代表是鲁奇加压气化 Lurgi 技术,该技术在20世纪30年代已实现工业化,是比较成熟的气化模式。20世纪80年代以来,我国已引进4套现代化的Lurgi气化装置,其中3套用于生产城市煤气,1套用于生产合成氨,在设计安装和运行方面均已取得丰富经验。该气化技术原料适应范围广,除黏结性较强的烟煤外,从褐煤到无烟煤均可气化,且可气化灰分高的劣质煤。 Lurgi 气化炉中煤与气化剂逆向运动,气化炉压力2.54.0MPa,炉温较低气化反应温度为800900℃,采用固态排渣。 Lurgi 固定床气化工艺成熟可靠,包括所副产焦油在内的气化效率、碳转化率、气化热效率都较高,氧耗是在各类气化工艺中最低的,且原料制备、排渣处理简单。由于煤气中含有 CH4 ,热值是各类气化工艺中最高的,适合于生产城市煤气。缺点是气化炉结构复杂、炉内设有破碎和煤分布器、炉篦等转动设备,制造和维修费用大;入炉煤必须是块煤;原料来源受一定限制;出炉煤气中含焦油、酚等,污水处理和煤气净化工艺复杂、流程长、设备多、炉渣 含碳5左右。污水中含大量焦油、酚、氨等,因此需建焦油回收装置,且酚、氨回收和生化处理装置增加了投资和原材料消耗。但是可将这些回收产品加以利用,焦油用于加氢制取汽油和柴油,这等于将煤中的焦油直接液化成汽油和柴油。哈尔滨气化厂已用焦油加氢制取汽油和柴油,并取得了很好的经济效益【3】。 1984年鲁奇公司和英国煤气公司联合开发了直径为2.4m的溶渣气化炉BGL,将固体燃料全部气化生产燃料气和合成气,因此很好的解决了上述问题。 Lurgi 加压固定床煤气化技术是适于大型化多台气化炉并运、多联产的煤化工装置。 1.2流化床气化技术 流化床气化又称为沸腾床气化。其以小颗粒煤为气化原料,这些细颗粒在自下而上的气化剂的作用下,保持着连续不断和无秩序的沸腾和悬浮状态运动,迅速地进行着混合和热交换,从而使整个床层温度和组成均一【3】。 常见的流化床,有温克勒Winkler、灰团聚U-Gas、循环流化床CFB、加压流化床PFB是PFBC的气化部分等【4】。 1.2.1循环流化床气化技术CFB 鲁奇公司开发的循环流化床气化炉CFB可气化各种煤,也可以用碎木、树皮、城市可燃垃圾作为气化原料,水蒸气和氧气作气化剂,气化比较完全,气化强度大,是移动床的2倍,碳转化率可达97,炉底排灰中含碳23,气化原料循环过程中返回气化炉内的循环物料是新加入原料的40倍,炉内气流速度在57m/s之间,有很高 的传热传质速度。该气化技术气化压力0.15MPa;气化温度视原料情况进行控制,一般控制循环旋风除尘器的温度在8001050℃之间。鲁奇公司的CFB气化技术,在全世界已有60多个工厂采用,正在设计和建设的还有30多个工厂,在世界市场处于领先地位。 CFB气化炉基本是常压操作,若以煤为原料生产合成气,每公斤煤消耗气化剂水蒸气1.2kg,氧气0.4kg,可生产煤气l.92.0 m3。煤气成份COH275,CH4含量2.5左右, CO2 1.5低于德士古炉和鲁奇MK型炉煤气中CO2含量,有利于合成氨的生产。目前此气化技术碳转化率高、单炉生产能力大、煤种适应广因此在煤化工行业应用较为广泛【4】。 1.2.2灰熔聚流化床粉煤气化技术 灰熔聚流化床粉煤气化技术是中国自行开发成功的先进的煤气化技术。中国科学院山西煤炭化学研究所,从8 0年代初开始进行灰熔聚流化床粉煤气化技术的开发工作,从模试、小试到直径为1m气化炉的中试,日处理煤量达2 4t,通过一系列的试验开发工作,掌握了灰熔聚煤气化技术关键,取得了从焦粉到无烟煤、烟煤等多煤种的基本气化数据。对系统的主要设备、阀门、仪表进行工程开发,并取得经验。现能够达到的操作压力为 0.03MPa -0.6MPa单台气化炉处理煤的能力为 100t/d- 300t/d,可配套20kt/a- 60kt/a 合成氨或甲醇。该技术已通过国家鉴定,并取得技术专利。灰熔聚煤气化技术的特点是以小于6mm粒径的干粉煤为原料,用空气或富氧、水蒸气作气化剂,粉煤和气化剂从气化炉底部连续加入,在炉内 10501100℃的高温下进行快速气化反应,被粗煤气夹带的未完全反应的残碳和飞灰,经两极旋风分离器回收,再返回炉内进行气化,从而提高了碳转化率,使灰中含磷量降低到10以下,排灰系统简单。粗煤气中几乎不含焦油、酚等有害物质,煤气容易净化。该技术可用于生产燃料气、合成气和联合循环发电,特别用于中小氮肥厂替代间歇式固定床气化炉,以烟煤替代无烟煤生产合成氨原料气,可以使合成氨成本降低1520,具有广阔的发展前景。【3】目前正在实施的工业项目有1山西晋城无烟煤矿业集团有限公司 6 台0.6MPa 灰熔聚流化床粉煤气化装置生产 100kt/a 汽油所需的化工合成气; 2内蒙古霍煤双兴煤气化有限责任公司 0.6MPa 气化装置生产60km3/h 煤气;3河北石家庄金石化肥厂 0.6MPa 灰熔聚流化床粉煤气化装置生产 50kt/a 合成氨等。 1.3气流床气化技术 气流床气化是一种并流式气化。从原料形态分有水煤浆、干煤粉2类;从专利上分,Texaco、Shell最具代表性。前者是先将煤粉制成煤浆,用泵送入气化炉,气化温度13501500℃;后者是气化剂将煤粉夹带入气化炉,在15001900℃高温下气化,残渣以熔渣形式排出。在气化炉内,煤炭细粉粒经特殊喷嘴进入反应室,会在瞬间着火,直接发生火焰反应,同时处于不充分的氧化条件下,因此,其热解、燃烧以吸热的气化反应,几乎是同时发生的。随气流的运动,未反应的气化剂、热解挥发物及燃烧产物裹夹着煤焦粒子高速运动,运动过程中进行着煤焦颗粒的气化反应。这种运动状态,相当于流化技术领 域里对固体颗粒的“气流输送”,习惯上称为气流床气化【5】。 气流床对煤种烟煤、褐煤、粒度、含硫、含灰都具有较大的兼容性,国际上已有多家单系列、大容量、加压厂在运作,其清洁、高效代表着当今技术发展潮流【4】。 1.3.1德士古Texaco气化技术 德士古气化技术是由美国德士古开发公司开发的。它是将煤加水磨成浓度为6065的水煤浆,并加入添加剂、助熔剂等形成黏度为0.8Pa *s- 1.0Pa* s 的浆状物,加压后喷入炉内,与纯氧进行燃烧和部分氧化反应,压力在3.08.5MPa之间,温度在1300℃-1400℃下气化,生产合成原料气。Texaco气化炉由喷嘴、气化室、激冷室或废热锅炉组成。其中喷嘴为三通道,工艺氧走一、三通道,水煤浆走二通道,介于两股氧射流之间。水煤浆气化喷嘴经常面临喷口磨损问题,主要是由于水煤浆在较高线速下约30m/s对金属材质的冲刷腐蚀。喷嘴、气化炉、激冷环等为Texaco水煤浆气化的技术关键。该装置为单炉,日处理煤2000t,气化压力为2.8MPa,氧纯度为95,煤浆浓度68,冷煤气效率76,净功率250MW【2】。 80年代末至今,中国共引进4套未计入首钢一套Texaco水煤浆气化装置,与鲁南二台炉,一开一倍,单炉日处理量450t煤, 2.8MPa、吴泾4台炉,三开一备,单炉日处理500t煤,4.0MPa、渭河三台炉,二开一备,单炉日处理量为820t,6.5MPa、淮南三台炉,无备用,单炉日处理500t煤,4.0MPa,这4套装置均用于生产合成气,7台用于制氨,5台用于制甲醇。由于其专利费较高,而国 内有自主知识产权的水煤浆气化技术也成功开发,预计未来新建水煤浆气化装置会更多采用国内技术。 从已投产的水煤浆加压气化装置的运行情况看,该气化技术主要优点为煤气成份COH2为80左右,不含焦油、酚等有机物质,对环境无污染;碳转化率9699;气化强度大;炉子结构简单,能耗低,运转率高,而且煤适应范围较宽;水煤浆制备输送、计量控制简单、安全、可靠;设备国产化率高,投资省。该技术的主要缺点气化炉喷嘴寿命短、激冷环寿命仅一年;褐煤的制浆浓度约59 61;烟煤的制浆浓度为65;因汽化煤浆中的水要耗去煤的8,比干煤粉为原料氧耗高1220,所以效率比较低【5】。 1.3.2壳牌Shell 气化技术 壳牌煤气化过程是在高温加压下进行的,是目前世界上最为先进的第F G代煤气化工艺之一。原料粉煤由N2气携带,固相输送进入喷嘴,95的氧与蒸汽也由喷嘴进入,反应压力为3.3-3.5MPa,气化温度为1500-1700℃,冷煤气效率为79-81;原料煤热值的13通过锅炉转化为蒸汽,6由设备和出冷却器的煤气显热损失于大气和冷却水。煤气携带煤灰总量的20-30沿气化炉轴线向上运动,接近炉顶处通入循环煤气激冷,激冷煤气量约占生成煤气量的60 70,降温至900℃,熔渣凝固,出气化炉,沿斜管道向上进入管式余热锅炉。煤灰总量的7080以熔态流入气化炉底部,激冷凝固,自炉底排出。 Shell煤气化技术有如下优点采用干煤粉进料,氧耗比水煤浆 低15;碳转化率高,可达99,煤耗比水煤浆低8;调解负荷方便,关闭一对喷嘴,负荷则降低50;炉衬为水冷壁,无耐火砖衬里,据称其寿命为20年,喷嘴寿命为1年,因此气化炉检修周期较长;气化过程无废气排放,系统排出的熔渣含碳低,可用于水泥等建筑材料。主要缺点设备投资大于水煤浆气化技术;气化炉及废锅炉结构过于复杂,加工难度加大【4】。 总之,从加压、大容量、煤种兼容性大等方面看,气流床煤气化技术代表着气化技术的发展方向,水煤浆和干煤粉进料状态各有利弊。两种气化技术对环境的影响程度都比较低且都属成熟技术,比较而言,在煤种适应性、氧气消耗、碳转化率、热效率等方面,Shell 气化技术比德士古气化技术占有一定优势【6】。 2、地下煤气化技术 煤的地下气化技术是煤气化技术的一个分支领域,是将地下煤炭在原地通过有控制地燃烧,产生可燃气体的一种开发清洁能源与化工原料的新技术。其特点是只提取煤中含能组分,而将灰渣等污染物滞留在井下。这种新技术集建井、采煤、转化工艺为一体,可以用来开采高硫煤、薄煤层及劣质煤层,大大减少了煤炭生产和使用过程中所造成的环境破坏,并可大幅提高煤炭资源的利用率,是一项绿色能源开采技术,因此深受世界各国重视【7】。 煤地下气化的提出有很长的历史,并在20世纪初首次在英国获得成功。之后,前苏联、美国、英国、日本、比利时等国先后进行了大量的研发工作。其中,前苏联的研究成果最突出,率先于1932年建 成世界上第一座有井式地下气化站。美国的经验指出 ,地下气化与地 面气化生产相同下游产品相比 ,合成气的成本可下降 43,天然气代 用品的成本可下降 10～18 ,发电成本可下降 27。 由于煤地下气化技术的诱人前景，我国在这方面也进行了大量 的研发工作，取得了一系列工业化试验成果。1984 年以来，中国矿 业大学进行了多次煤炭地下气化模型试验，在煤地下气化过程温度 场、浓度场、气化反应速率、气化过程稳定性、燃空区扩展规律等方 面进行了大量的理论研究和技术开发，在此基础上，又先后完成了徐 州长新河二号井、唐山刘庄矿与昔阳三次工业性试验，提出了我国拥 有自主知识产权的“长通道、大断面、两阶段”的地下气化新技术工 艺，新工艺实现了井下无人、 无设备、 长壁式气化工作面采煤 , 节省了大量的资金、 设备和人员投入 ,经济效益十分显著，并已在 山西阳曲、山东新汶等地实现了产业化应用。新工艺可获得含 H2 量 在 50以上的煤气 ,该煤气在地面稍作处理后 ,可作为合成甲醇等化 工产品的原料气或用于提取纯氢【8】 。 三、国内外煤气化技术的现状和发展趋势 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，它是我国战略上最安全和最可靠的能源。但 是，作为煤能源生产与消费大国，我国的煤炭利用技术总体上是落后 的效率低，造成能源浪费；污染严重，导致环境质量恶化【9】 。因 此，大力开发和发展煤气化洁净煤技术，科学合理的利用煤炭，提高 煤的利用效率、减少污染、改善环境，已成我国未来能源发展的主要 趋势【1】 。 1、国内气化技术的现状和发展趋势 煤气化技术在中国已有近百年的历史，但仍然较落后和发展缓 慢，国内煤气化以传统技术为主，工艺落后，环保设施不健全，煤炭 利用效率低，污染严重。如不改变现状，将影响经济、能源和环境的 协调发展。 近 40 年来，在国家的支持下，中国在研究与开发、消化引进技 术方面进行了大量工作， 有代表性的是 年代末到 80 年代的仿 K-T 50 气化技术研究与开发， 曾于 60 年代中期和 70 年代末期在新疆芦草沟 和山东黄县建设中试装置，为以后国内引进 Texaco 水煤浆气化技术 提供了丰富的经验；80 年代在灰熔聚流化床煤气化领域中进行了大 量工作并取得了专利；“九五“期间立项开发新型（多喷嘴对置）气流 床气化炉，已经通过中试装置（22～24t 煤/d）考核运行，中试数据 表明其比氧耗、 比煤耗、 碳转化率、 有效气化成分等指标均优于 Texaco 技术，已经获得了专利；“九五“期间还就“整体煤气联合循环（IGCC） 关键技术（含高温净化）“立项，有 10 余个单位参加攻关；近 20 年 来中国共引进数 10 台 Texaco 气化炉和 Lurgui 气化炉，国内配套完 成了部分设计、 安装与操作， 积累了丰富的经验； 此外， 在流化床 （含 循环）、煤及煤浆燃烧、两相流动与混合、传热、传质、煤化学、气 化反应、煤岩形态、磨煤与干燥、高温脱硫与除尘等科学领域与工程 应用等方面还进行了大量的研究工作。 目前已经过国家鉴定的多喷嘴对置式气流床气化炉， 有水煤浆 进料形态拓展到干煤粉，建设日处理 100t 煤中试装置（相当于 3 万 t/a 规模），为商业规模（2000～3000t/d）奠定技术基础。该技术 对煤种（特别是高硫煤）、粒度具有较大兼容性，具有单系列、大容 量、 加压、 高效、 洁净的技术优势。 它与中国的能源资源国情相适应， 具有与国际先进技术竞争的能力【4】。 我国发展煤炭气化技术的总体目标是基于我国煤炭自身的特 点，形成具有自主知识产权的产业化技术，为新型煤化工和能源转化 提供满足不同需要的龙头技术。 常压固定床气化技术只能在现有基础 上挖潜改造，应有条件地放弃进一步使用。加压固定床气化技术因受 到煤种资源影响和煤气处理费用高而限制其用途。 使用活性高的粉煤 为原料的加压流化床技术， 目前在开发和使用上有些问题尚未得到很 好解决。相对而言，加压气流床气化工艺在大型煤炭气化工艺研究及 开发中处于优势地位，也符合目前世界上煤炭气化技术的发展趋势。 我国煤炭气化的发展要顺应国际上煤炭气化技术的发展趋势， 并要结合中国的国情，重点应放在大型、高效、对环境友好、易于工 业化的气流床气化技术的开发和应用。 加速开发和应用具有自主知识 产权的加压气流床气化技术不仅迫在眉睫，而且时机成熟【9】 。 2、国外煤气化技术现状和发展趋势 180 年以来的煤气化技术发展史，特别是近十多年来的大容量 IGCC 电站示范与商业化运行证明，与固定床、流化床相比，气流床 具有较大的煤种与粒度适应性和更优良的技术性能，是煤基大容量、 高效洁净、运行可靠的燃气与合成气制备装置的首选技术。 迄 今 ， 世 界 上 已 商 业 化 的 IGCCIntegrated Gasification Combined Cycle大型250MW 以上电站都是采用气流床煤气化炉， 可见其技术上具有优势。 它们是以水煤浆为原料的 Texaco 气化技术， 以干粉煤为原料的 Shell 气化技术【9】 。 参考文献