煤氣化技術(shù)類型與發(fā)展趨勢

煤氣化技術(shù)類型與發(fā)展趨勢（杭州310027）摘要：評述了煤氣化技術(shù)的技術(shù)類型，分析了煤氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：煤氣化技術(shù)；技術(shù)類型；發(fā)展趨勢引言能源問題是關(guān)系國民生計和人類命運的重大課題。當(dāng)前我國的能源情勢主要有以下幾個特點：（1）能源儲備結(jié)構(gòu)特點為：富煤、少氣、貧油；（2）總體儲量大，但品質(zhì)較低；（3）煤炭資源占能源生產(chǎn)與消耗總量的75%以上；（4）主要用于發(fā)電，火電占全國總裝機容量的75%；（5）煤炭利用技術(shù)單一、落后；（6）污染大，面臨嚴(yán)峻的減排壓力。面臨這種形勢，迫切需要開發(fā)新型、高效和清潔的煤炭利用技術(shù)，煤氣化技術(shù)即為最有效的途徑。本文簡要評述煤氣化技術(shù)的主要技術(shù)類型，并分析煤氣化技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。煤氣化技術(shù)概論2.1煤氣化的定義煤氣化是指煤在特定的設(shè)備內(nèi)，在一定的溫度和壓力下使煤中的有機物質(zhì)與氣化劑（如蒸汽、空氣或氧氣等）發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，將煤轉(zhuǎn)化為含有CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w和（3。2、N2等非可燃?xì)怏w的過程。2.2煤氣化技術(shù)分類煤氣化技術(shù)的核心是氣化爐，按煤在爐內(nèi)的流體力學(xué)行為進(jìn)行分類，目前技術(shù)相對成熟而且已被廣泛采用的煤氣化工藝主要有固定床、流化床和氣流床3種。（1）固定（移動）床氣化。固定（移動）床氣化，是指原料煤從爐頂加入，高溫氣體不斷向上流動，煤與氣化劑逆流接觸，整個物料自上而下移動，相對固定。煤在高溫氣化劑作用下發(fā)生氣化反應(yīng)，生成高溫煤氣，最后從上部煤氣出口出爐。常見的有間歇式氣化（UGI）和連續(xù)式氣化（魯奇Lurgi）等。（2）流化床氣化。流化床氣化，就是增大爐內(nèi)向上的氣流速度，使煤粉處于沸騰懸浮狀態(tài)，但又不被帶出氣化爐的操作。以粒度為0-10mm的小顆粒煤為氣化原料，煤與氣化劑并、逆流接觸，煤粒在氣化爐內(nèi)懸浮分散在上升的氣流中，在沸騰狀態(tài)進(jìn)行氣化反應(yīng)，煤料層內(nèi)溫度均一、易于控制。與固定床氣化相比，流化床氣化的優(yōu)點是氣一固和固一固接觸充分，傳熱、傳質(zhì)速率大，設(shè)備大型化。常見的有溫克勒（Winlder）、灰熔聚（U—Gas、AFB）、彳循環(huán)流化床（CFB）等。（3）氣流床氣化。在高溫高壓條件下，粉煤或水煤漿與氣化劑同時由噴嘴噴入氣化爐燃燒室內(nèi)，煤料與氣化劑并流接觸，迅速氣化，產(chǎn)生粗煤氣和熔渣。因爐內(nèi)氣、固兩相的流速基本相同，故稱為氣流床氣化。典型工藝有Texaco水煤漿氣化、shell干粉煤氣化和GSP加壓氣流床氣化。2.3氣化爐的性能指標(biāo)衡量氣化爐性能的技術(shù)指標(biāo)除煤種適應(yīng)性、負(fù)荷適應(yīng)性、單臺爐的容量（日處理量或年處理量）、煤氣含塵量、煤氣中有害物質(zhì)的可去除性、氣化爐關(guān)鍵部件壽命等外，還包括以下主要能量指標(biāo)，它們是衡量氣化爐性能的重要指標(biāo)。（1） 碳轉(zhuǎn)化率。碳轉(zhuǎn)化率表示煤中所含碳元素在氣化爐中轉(zhuǎn)化為煤氣成分的百分?jǐn)?shù)，碳轉(zhuǎn)化率=轉(zhuǎn)化成煤氣成分的碳量『煤中的碳量。目前性能良好的氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%以上。（2） 冷煤氣效率。冷煤氣效率=所生成煤氣的化學(xué)能『氣化用煤的化學(xué)能。若按低位發(fā)熱量為依據(jù)進(jìn)行計算，目前性能良好的氣化爐的冷煤氣效率已達(dá)到80%以上。對于C-hO-O2、C-CO2-O2、C-H2O-空氣三個體系來說，其冷煤氣效率依次降低，因此，純氧/蒸汽氣化是煤氣化未來的發(fā)展方向。冷煤氣效率還隨蒸汽過剩系數(shù)與煤氣出口溫度的提高而降低。

熱煤氣效率。熱煤氣效率=(所生成煤氣的化學(xué)能+在氣化爐產(chǎn)生蒸汽時所利用的熱能片氣化用煤的化學(xué)能。目前性能良好的氣化爐的熱煤氣效率可達(dá)91%-95%。能量轉(zhuǎn)化效率。能量轉(zhuǎn)化效率=[(所生成煤氣的化學(xué)能+煤氣燃燒前的物理焓+在氣化爐產(chǎn)生蒸汽時所利用的熱能)一(氣化用煤的物理焓+供氣化爐的氣化劑的物理焓+供煤氣凈化系統(tǒng)用的蒸汽和水的焓)H氣化用煤的化學(xué)能。幾種典型的煤氣化技術(shù)3.1魯奇氣化爐魯奇爐為固定床加壓氣化、干化排渣，氣化壓力1.8-3.0MPa，用氧氣+蒸汽作氣化劑。魯奇爐要求原料煤有較高的活性、較弱的粘結(jié)性和一定的粒度，能使用含水分和灰分很高的煤。其缺點是：煤氣中甲烷含量高，用于化工合成時需專門加以處理；煤氣中夾帶焦油和酚等雜質(zhì)，給煤氣凈化和污水處理帶來復(fù)雜性。魯奇(Lurgi)固定床氣化工藝成熟可靠，氣化溫度900-1050^，包括焦油在內(nèi)的氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率、氣化熱效率都較高，氧耗是各類氣化工藝中最低的，原料制備、排渣處理成熟。煤氣熱值是各類氣化工藝中最高的，它最適合生產(chǎn)城市煤氣。若選擇制合成氣存在以下問題：①煤氣成分復(fù)雜，合成氣中含有甲烷7%~10%,如果將這些甲烷轉(zhuǎn)化為h2和CO，勢必增大投資，成本高；②有大量污水需要處理。污水中含大量焦油、酚、氨、脂肪酸、氧化物等，因此要建焦油、酚、氨回收裝置和生化處理裝置，會增加投資和原材料消耗；③該氣化技術(shù)需15-50mm的塊煤。塊煤價格高，將增加成本。3.2德氣化爐3.2德氣化爐恩德粉煤氣化技術(shù)是朝鮮恩德七七聯(lián)合企業(yè)對原溫克勒爐作了多項改進(jìn)形成的實用新型粉煤氣化技術(shù)，已有30多年的使用歷史。該技術(shù)成熟可靠。產(chǎn)品已系列化，單爐生產(chǎn)能力可達(dá)40000m3/h,設(shè)備已完全實現(xiàn)了國產(chǎn)化。與溫克勒爐相比，主要改進(jìn)有以下幾點。采用噴嘴布風(fēng)。將溫克勒爐的底部改為錐體結(jié)構(gòu)，一次風(fēng)噴嘴代替原有的布風(fēng)爐算，解決了底部結(jié)渣、偏流的問題.使煤粉均勻沸騰，從而提高了氣化爐運行的穩(wěn)定性，氣化爐運轉(zhuǎn)率可達(dá)90%以上。煤氣帶出物循環(huán)回爐。在爐體中上部增設(shè)二次風(fēng)噴嘴，使從床層下部夾帶的細(xì)粒粉煤進(jìn)一步氣化，并使原料在爐底下部產(chǎn)生的揮發(fā)分進(jìn)一步裂解成甲烷等煤氣組分；在煤氣出口增加了旋風(fēng)分離器和返料裝置，將煤氣中的粗顆粒飛灰返回爐內(nèi)參加反應(yīng)，減少了煤氣中的粉塵帶出，降低了灰渣殘?zhí)?降低到20%以下)，提高了煤的利用率和氣化過程的整體碳轉(zhuǎn)化率。將廢熱鍋爐位置移至旋風(fēng)除塵器后。改進(jìn)后減輕了爐內(nèi)帶出物對廢熱鍋爐爐管的磨損。改進(jìn)后的恩德粉煤氣化技術(shù)具有以下特點：流化床的氣、固相接觸好，加強了熱傳導(dǎo)和熱交換，強化了傳熱過程，單爐氣化強度大于固定層煤氣發(fā)生爐。(2)恩德爐適用煤種豐富，主要有長焰煤、褐煤、不粘或弱粘煤，原料煤來源豐富、價格低廉，與固定層煤氣發(fā)生爐使用的焦炭或塊煤相比，煤氣制造成本顯著降低。恩德爐氣化過程中床層溫度900-1050OC，溫度分布均勻，因此氣化過程中因煤炭熱解而產(chǎn)生的焦油及其他重質(zhì)碳?xì)浠衔锏牧呀獗容^完全，使得出爐粗煤氣中焦油、酚類等含量相當(dāng)?shù)?，從而簡化了煤氣凈化系統(tǒng)，減輕了對環(huán)境的污染。氣化爐生產(chǎn)負(fù)荷可在設(shè)計負(fù)荷的40%-110%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，操作彈性大，運行可靠，開、停車操作方便。氣化爐由內(nèi)襯耐火材料的爐體和可拆卸的噴嘴組成，不需太多的維修保養(yǎng)即可獲得較高的連續(xù)運轉(zhuǎn)率；廢熱鍋爐在旋風(fēng)分離器之后，減少了煤氣中夾帶的粉塵對爐管的磨損，減少了維修工作了，延長了廢熱鍋爐的壽命和檢修周期。由于粗煤氣溫度很高，因此利用廢熱鍋爐回收煤氣中的余熱自產(chǎn)蒸汽量大，提高了氣化過程的整體熱效率。氣化爐的氣化效率可達(dá)65%，介于固定床煤氣化工藝和德士古水煤漿氣化工藝之間，與加壓魯奇爐相當(dāng)；有效氣(CO+H2)含量高，達(dá)65%-70%，甲烷含量＜2%?？刹捎貌煌臍饣瘎?如空氣、富氧或氧氣+蒸汽為氣化劑)生產(chǎn)出不同組成和熱值的煤氣，煤氣用途較廣，用于民用燃料氣、工藝合成氣、水煤氣以滿足不同用戶的需求。3.3德士古氣化爐20世紀(jì)50年代初期，美國德士古公司在重油部分氧化氣化基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了德士古水煤漿加壓氣化技術(shù)。該技術(shù)中，將原料煤、水及添加劑等送人磨機磨成水煤漿，由高壓煤漿泵送人氣化爐噴嘴，與來自空分的氧氣經(jīng)燒嘴一起送人爐內(nèi)，在高溫高壓下發(fā)生部分氧化反應(yīng)。離開氣化爐的粗合成氣和熔渣進(jìn)入激冷室，粗合成氣經(jīng)第一次洗滌并被水淬冷后，溫度降低被水蒸氣飽和后出氣化爐，氣體經(jīng)文丘里洗滌器、碳洗塔洗滌除塵冷卻后送至變換工段。德士古水煤漿氣化爐的溫度為1350~1400°C,操作壓力已達(dá)8.7MPa。80年代末至今，中國共引進(jìn)4套Texaco水煤漿氣化裝置，均用于生產(chǎn)合成氣，中國在水煤漿氣化領(lǐng)域積累了豐富的設(shè)計、安裝、開車以及新技術(shù)研究開發(fā)經(jīng)驗與知識。Texaco氣化技術(shù)的主要優(yōu)點：對煤種適應(yīng)性比較寬；單爐生產(chǎn)能力大；煤氣質(zhì)量好;甲烷含量低。主要缺點：燒嘴運行周期短，由于水煤漿在較高線速下對金屬材質(zhì)的沖刷腐蝕，水煤漿氣化噴嘴常面臨噴口磨損問題；爐襯采用耐火磚存在成本高、壽命短的問題；相對于干粉氣化，因氣化煤漿中的水量要耗去人爐煤的8%,原料氧耗高12%~20%,所以效率偏低。3.4殼牌氣化爐Shell氣化爐與Texaco氣化爐技術(shù)經(jīng)歷相似，由殼牌公司在渣油氣化的基礎(chǔ)上于1972年開始研究，88年Shell氣化技術(shù)用于荷蘭BuggenumIGCC示范電站，目前已出獄商業(yè)運行階段，單爐13處理煤2000t,功率253MW，發(fā)電效率(LHV)為43.2%。氣化工藝采用干粉進(jìn)料、氧吹、液態(tài)排渣工藝流程。煤粉由高壓氮氣送入氣化爐噴嘴，來自空分的氧氣經(jīng)氧氣預(yù)熱器加熱到一定溫度后，與中壓過熱蒸汽混合并導(dǎo)人噴嘴，送入爐內(nèi)的煤粉、氧氣及蒸汽在高溫加壓條件下發(fā)生部分氧化反應(yīng)，氣化爐頂部約1500C的高溫煤氣與經(jīng)冷卻后的煤氣激冷至900C左右進(jìn)入廢熱鍋爐，經(jīng)回收熱量后的煤氣溫度降至350C進(jìn)入除塵和濕式洗滌系統(tǒng)。氣化工藝采用的造氣壓力為2.0-4.0MPa，操作溫度1400-1600C,設(shè)計中渣的含碳量小于1%,碳轉(zhuǎn)化率達(dá)99%。Shell煤氣化技術(shù)有如下優(yōu)點：采用干煤粉進(jìn)料，氧耗比水煤漿低15%；碳轉(zhuǎn)化率高，可達(dá)99%,煤耗比水煤漿低8%；調(diào)節(jié)負(fù)荷方便，系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)一組或多組燒嘴來調(diào)節(jié)合成氣輸出量；爐襯為水冷壁，據(jù)稱其壽命為20年，噴嘴壽命為1年；由于爐襯為水冷壁為提高氣化溫度提供條件，因此煤種適應(yīng)性強，適合包括褐煤、煙煤、無煙煤到石油焦炭等氣化原料。主要缺點：設(shè)備投資大于水煤漿氣化技術(shù)；氣化爐及廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，加工難度加大干；粉穩(wěn)定輸送的控制難度大。煤氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢4.1煤氣化技術(shù)的發(fā)展原則鑒于目前制氧成本仍然是制約煤氣化技術(shù)發(fā)展的最大因素，認(rèn)為一方面應(yīng)加速高效廉價的大規(guī)模制氧技術(shù)的開發(fā)，另一方面要注重氧耗低的氣化技術(shù)的開發(fā)，重視過程集成概念和技術(shù)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化。煤氣化技術(shù)發(fā)展的原則應(yīng)為：加壓氣化；純氧/蒸汽為氣化劑;低的出口煤氣溫度;低的蒸汽過剩系數(shù)；根據(jù)反應(yīng)性變化特征分級氣化。4.2煤氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢綜合現(xiàn)有煤氣化技術(shù)，當(dāng)前煤氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢是以粉煤代替粒煤，氣流床和流化床代替固定床。具有氣化壓力向高壓化(8.5MPa)發(fā)展、氣化溫度向高溫化(1500~1600~C)發(fā)展、氣化劑向多樣化發(fā)展和排渣方式向液態(tài)化發(fā)展的特點。依據(jù)煤種特性和合成氣后續(xù)工段的要求而開發(fā)設(shè)計出不同的氣化爐。目前，技術(shù)最為成熟的是魯奇(Lurgi)和德士古(Texaco)，處理能力達(dá)到400-1650噸/天。國外的殼牌(Shel1)s德士古(Texaco)、德國GSP等氣流床氣化技術(shù)，國內(nèi)的兩段式干煤粉、多噴嘴干煤粉、航天爐發(fā)展很快。而我國煤氣化工藝目前以傳統(tǒng)的常壓移動床為主，先進(jìn)的大型加壓煤氣化工藝總體處于研究、示范階段。結(jié)合我國國情及現(xiàn)有技術(shù)情況，我國煤化氣技術(shù)發(fā)展趨勢：拓寬原料的適應(yīng)性，集成優(yōu)化不同技術(shù)。目前，國內(nèi)大規(guī)模工業(yè)氣化技術(shù)主要是高溫氣流床技術(shù)，即德士古、殼牌、多元料漿及四噴嘴，要求原料煤的灰熔點＜1350~C,灰含量＜10%。而我國煤炭儲量大、低灰、低灰熔點煤集中在西部地區(qū)。動力煤平均灰含量超過20%，灰熔點超過1400OC的超過50%。將煤炭分級轉(zhuǎn)化是措施之一，將不同技術(shù)集成優(yōu)化是一個重要趨勢。裝置規(guī)模大型化。以煤氣化為基礎(chǔ)的現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的一個顯著標(biāo)志就是裝置規(guī)模的大型化。由于受制造、運輸、安裝等客觀因素的限制，在尺寸有限的設(shè)務(wù)上實現(xiàn)高效、大規(guī)模，必須實現(xiàn)加壓氣化，提高其處理能力和效率。開發(fā)煤氣化凈化技術(shù)，實現(xiàn)煤氣化技術(shù)的近零排放。不同的煤田，煤中碑、汞、氯、氟、磷及其他微量元素的含量及組成差異頗大，深入研究煤氣化過程中這些有害元素的遷移規(guī)律，對拓展氣化