煤氣化是煤高效潔凈利用的關(guān)鍵技術(shù)

煤氣化是煤高效潔凈利用的關(guān)鍵技術(shù)

煤炭氧化是煤炭化學(xué)加工的重要方法。高壓、大容量氣流床氣化技術(shù),顯示了良好的經(jīng)濟和社會效益,代表著發(fā)展趨勢,是現(xiàn)在最清潔的煤利用技術(shù)之一,是潔凈煤技術(shù)的龍頭和關(guān)鍵[]。氣流床氣化具有較大的煤種與粒度適應(yīng)性和更優(yōu)良的技術(shù)性能,是煤基大容量、高效潔凈的燃氣與合成氣制備的首選技術(shù)。它采用1300~1700℃的氣化溫度,液態(tài)排渣,使氣化過程由約900℃的化學(xué)反應(yīng)控制、約1100℃的化學(xué)反應(yīng)與傳遞共同控制(900~1100℃為固定床、流化床的通常溫度范圍)躍升為傳遞控制。此時,煤的化學(xué)活性已退居次要地位;而采用約90μm的粉煤或煤漿進料,對原料煤已不再有大粒度要求;粉煤的比表面積比粒度6mm左右的粒煤增加了近2個數(shù)量級,對提高熱質(zhì)傳遞速率、消除內(nèi)擴散極為有利。1煤氣化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)氣流床氣化的共同特點是加壓、高溫、細粒度,但在進料形態(tài)與方式、實現(xiàn)混合、爐殼內(nèi)襯等方面對策迥異,從而形成不同風(fēng)格的技術(shù)流派。迄今已商業(yè)化的整體煤氣化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)大型(250MW以上)電站都是采用氣流床煤氣化,可見其技術(shù)上具有優(yōu)勢。它們是以水煤漿為原料的ChevronTexaco、GlobalE_Gas(以前稱Destec)氣化爐,以干粉煤為原料的Shell、Prenflo、Noell(以前稱GSP,德文GaskombiantSchwarzePumpe的簡稱)及Eagle氣化爐[,,]。1.1當前技術(shù)條件1.1.1texaco水煤漿氣化的裝置美國Texaco公司(2002年初成為Chevron公司一部分)開發(fā)的水煤漿氣化工藝是將煤加水磨成水煤漿,用純氧作氣化劑,在高溫高壓下進行氣化反應(yīng),液態(tài)排渣,煤氣成分CO+H為80%(體積分數(shù))左右,不含焦油、酚等有機物質(zhì),碳轉(zhuǎn)化率96%~99%,氣化強度大,爐子結(jié)構(gòu)簡單,煤適應(yīng)范圍較寬。目前Texaco最大商業(yè)裝置是Tampa電站,1989年立項,1996年7月投運,12月宣布進入驗證運行。該裝置為單爐,日處理煤2000~2400t,氣化壓力為2.8MPa,冷煤氣效率約76%。噴嘴、氣化爐、激冷環(huán)等為Texaco水煤漿氣化的技術(shù)關(guān)鍵。提高更大尺寸Texaco氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率的方案為:增加氣化爐的停留時間、氣化爐直徑給定條件下增加長徑比。Texaco水煤漿氣化工藝自工業(yè)化以來,先后在世界各地建成多套生產(chǎn)裝置[],表1為Texaco水煤漿氣化的應(yīng)用情況,表2總結(jié)了擬建設(shè)的氣化裝置。從已投產(chǎn)的水煤漿加壓氣化裝置的運行情況看,由于工程設(shè)計和操作經(jīng)驗的不完善,還沒有達到長周期、高負荷、穩(wěn)定運行的最佳狀態(tài),存在的問題還較多[,]。(1)延長燒敞壽命燒嘴是Texaco氣化工藝的關(guān)鍵,燒嘴壽命直接決定著裝置的長期、經(jīng)濟運行。燒嘴壽命很短,延長壽命是目前亟待解決的一個問題。燒嘴通常都是三通道結(jié)構(gòu),中間通道走水煤漿,外層和內(nèi)層通O。內(nèi)層通O量小于8%,且無法調(diào)節(jié),這使燒嘴和耐火磚壽命、氣體組成和碳轉(zhuǎn)化率都受到了影響。(2)氣化爐中耐火磚的破壞耐火磚的壽命對Texaco氣化過程也很重要[]。高溫氣化爐中,耐火磚在一個較短時間內(nèi)(6~18個月)就會經(jīng)歷較大的毀壞。換磚大概要花1個多月時間,維修費用中耐火磚的更換占了很大份額,所以延長耐火磚的壽命很有必要。(3)煤的灰、灰、沖突面煤的性質(zhì)對Texaco氣化裝置的長期穩(wěn)定運行具有極大的影響。煤的灰分低、灰熔點低、黏溫特性好及成漿性好,這種煤可很好地氣化。所以利用合適的煤質(zhì)對氣化的長期、經(jīng)濟運行也十分必要。(4)冷環(huán)的激活激冷環(huán)也是氣化過程中的重要設(shè)備。目前仍有不少問題,如激冷室?guī)⒁何槐２蛔?、?nèi)環(huán)易變形、布水縫隙不均勻、下降管易燒壞變形等。1.1.2t型鋼煤炭爐GlobalE_Gas氣化爐由美國DowChemical公司開發(fā)成功,1989年更名為Destec,2000年開始為美國GlobalEnergy公司擁有。已建設(shè)2套商業(yè)裝置:LGTI(1987年運行,1995年停運)與WabashRiver(2臺爐,一開一備,單爐容量2500t/d,2.8MPa,1995年投運)。爐型類似于K-T,分第一段(水平段)與第二段(垂直段)。第一段2個噴嘴呈180°對置,最高反應(yīng)溫度約1400℃。第二段采用總煤漿量的25%(質(zhì)量分數(shù))進行冷激,反應(yīng)溫度約1040℃。采用壓力螺旋式連續(xù)排渣系統(tǒng)。該技術(shù)的缺點是:二次水煤漿停留時間短,碳轉(zhuǎn)化率較低;設(shè)有一個龐大的分離器,以分離一次煤氣中攜帶灰渣與二次煤漿的灰渣與殘?zhí)?。倒T字型爐其水平段與豎直段交接處,難以承受高壓,隨著IGCC工廠中CO的排放標準日趨嚴格,高壓氣化生產(chǎn)將會使這種爐型的應(yīng)用受到限制。如果把倒T字型改為直圓柱型,氣化爐的設(shè)計和制造費用降低,氣化爐可以承受較高的壓力。美國PortArthurGCCProject計劃采用E_Gas氣化技術(shù)氣化石油焦,將于2005年建成3臺氣化爐,生產(chǎn)的煤氣用于發(fā)電。1.1.3水冷壁氣化爐t1988年Shell煤氣化技術(shù)用于BuggenumIGCC電站,單爐,日處理煤2000t。1990年10月開工建設(shè),1993年開車,1994年1月進入為時3年的驗證期,目前已處于商業(yè)運行階段,2003年運轉(zhuǎn)時間僅約6500h。Shell氣化爐殼體直徑約4.5m,高約30m,4個噴嘴位于爐子下部同一水平面上,沿圓周均勻布置,借助撞擊流以強化熱質(zhì)傳遞過程,使爐內(nèi)橫截面氣速相對趨于均勻。爐襯為水冷壁,總質(zhì)量500t[,]。其技術(shù)優(yōu)勢在于:干粉進料系統(tǒng)采用的是膜式水冷壁氣化爐而非耐火磚,使高溫氣化(1700℃)可行,所以原料選擇范圍較寬。由于是干煤粉進料,不受制漿難易的限制。爐內(nèi)壁采用水冷壁技術(shù),無須耐火磚,節(jié)省了運行費用。氣化后產(chǎn)生的煤氣中CO含量低,有效氣體(CO+H)的體積分數(shù)約90%,氧耗比水煤漿氣化低約10%。Shell氣化爐膜式壁的設(shè)計壽命據(jù)說至少為25年,燒嘴壽命為1年。其存在的問題主要是:煤粉的干燥、制備、存儲和輸送、計量系統(tǒng)復(fù)雜,比較容易發(fā)生故障;需要專門設(shè)置高純度N的制造和增壓系統(tǒng),耗電增多,并使空分系統(tǒng)復(fù)雜化;密相輸送煤粉所帶入的N影響后續(xù)化工過程;氣化爐的壓力低于4.5MPa,不能與后續(xù)過程相銜接(如等壓合成甲醇);高壓干法供粉系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)復(fù)雜;干法進料系統(tǒng)的粉塵排放遠大于水煤漿進料系統(tǒng);一次性設(shè)備投資費用高,遠高于水煤漿氣化技術(shù);氣化爐結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,加工難度極大;運行經(jīng)驗不夠豐富。目前世界上只有Buggenum在運轉(zhuǎn),而且是用于IGCC發(fā)電,沒有應(yīng)用于化工領(lǐng)域的經(jīng)驗;國內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)較差,無合作設(shè)計、建設(shè)和生產(chǎn)的經(jīng)驗。今后幾年世界上采用Shell技術(shù)擬建設(shè)的干煤粉氣化裝置見表3。1.1.4igcc氣化工藝1986~1992年Krupp_Koppers(現(xiàn)Krupp_Ubde)公司在德國Furstenhousen建成并運轉(zhuǎn)Prenflo日處理48t加壓氣化裝置并取得成功。1992年西班牙Elcogas公司(由西班牙、法國、葡萄牙的6家能源工程公司組成)采用Prenflo氣化技術(shù)在西班牙Puertollano建設(shè)IGCC電站,這也是Prenflo的第一個商業(yè)化裝置。PuertollanoIGCC發(fā)電裝置為單爐,日處理2500t混合燃料(煤與石油焦各半)。氣化壓力為2.6MPa,溫度約1700℃。氣化爐殼直徑5m,高45m。1997年12月19日第一次生產(chǎn)煤氣,1998年6月備煤、氣化、脫硫三單元連續(xù)運轉(zhuǎn)198h。至2001年底,Prenflo氣化累計運行時間超過11400h。2002年開始進入商業(yè)運行。1.1.5texaco激冷型氣化爐Noell氣化爐由原東德的燃料研究所(FreibergFuelInstitute)開發(fā),爐型與Texaco激冷型氣化爐酷似,采用干煤粉進料。爐襯采用水冷壁,含一薄層起保護作用的特殊SiC填充物質(zhì)。據(jù)稱噴嘴與水冷壁爐襯的壽命可達5年以上,碳轉(zhuǎn)化率99%。1996年在德國SchwarzePumpe運行以煤、油為原料的40MWIGCC裝置。1.1.6煤氣化爐項目Eagle(原Hycol)氣化爐由日本J-Power/EPDC(JapanPower/ElectricPowerDevelopmentCompany)開發(fā),采用干煤粉給料,一室二級旋轉(zhuǎn)流式氣流床氣化。氣化爐分熱回收段、氣化段和激冷段。氣化爐下部有蒸汽噴嘴,氣化高溫熔渣中的碳。已建設(shè)日處理煤150t試驗裝置,氣化壓力2.5MPa,2002年5月開始運行,共累計運行840h,最長連續(xù)運行291h。將運行至2006年初,試燒5個煤種。1.2氣化爐模型的開發(fā)水煤漿氣流床氣化的發(fā)展趨勢為[]:開發(fā)/改善耐火材料系統(tǒng);改善氣化爐測量和控制儀表;開發(fā)/改善高壓和其他氣化爐的多固體給料系統(tǒng),包括煤和生物質(zhì)給料;開發(fā)壽命長、投資低、燃料和負荷彈性好的燒嘴;開發(fā)不同氣化爐給料的流量、組成和其他特征的連續(xù)在線分析的技術(shù);開發(fā)氣化爐模型。干煤粉氣流床氣化的發(fā)展趨勢為[,]:干煤粉進料系統(tǒng)用二氧化碳或合成氣、天然氣作為傳輸介質(zhì);煤粉輸送問題能否很好解決是干煤粉氣化裝置的關(guān)鍵,建議設(shè)計出密封的、可在高壓下運行的干煤粉進料泵;增加二段進料;采用激冷法提供變換反應(yīng)的水蒸汽,省去合成氣冷卻器;當前基于鎖斗系統(tǒng)的干煤粉進料,限制了其操作壓力(4MPa),建議運用耗能低的、高壓操作的漿體(CO)進料氣化。2國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.1煤氣化聯(lián)合循環(huán)水煤漿氣化中國自煤的商業(yè)化和社會化迄今已100余年,但沒有形成能與國際抗衡的商業(yè)化自主產(chǎn)權(quán)煤氣化技術(shù)。近40年來在研究與開發(fā)、消化引進技術(shù)方面進行了大量工作,有代表性的是:20世紀70年代起西北化工研究院研究開發(fā)水煤漿氣化技術(shù)并建設(shè)了中試裝置,為此后4家廠引進Texaco水煤漿氣化技術(shù)提供了豐富的經(jīng)驗;“九五”期間就“整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)關(guān)鍵技術(shù)(含高溫凈化)”立項,有10余個單位參加攻關(guān);1999年科技部立項“煤的熱解、氣化及高溫凈化過程的基礎(chǔ)研究”正在進行中?！熬盼濉逼陂g華東理工大學(xué)、兗礦魯南化肥廠、中國天辰化學(xué)工程公司承擔了國家重點科技攻關(guān)項目“新型(多噴嘴對置)水煤漿氣化爐開發(fā)”,中試裝置的結(jié)果表明:有效氣成分約83%;碳轉(zhuǎn)化率>98%;比煤耗、比氧耗降低7%[]。依托本成果,“十五”期間兗礦集團有限公司、華東理工大學(xué)承擔“863”課題——新型水煤漿氣化技術(shù),建設(shè)日處理1150t煤的四噴嘴對置水煤漿氣化技術(shù)商業(yè)示范裝置(4.0MPa)。2.2第二代煤氣化技術(shù)及設(shè)備20世紀80年代末以前,我國的煤氣化完全依賴常壓固定床技術(shù),國內(nèi)有常壓固定床氣化爐數(shù)千臺,配套小型合成氨生產(chǎn)裝置及少量甲醇和聯(lián)醇裝置,這些氣化裝置中相當一部分至今仍在運轉(zhuǎn)。80年代初我國開始引進第二代煤氣化技術(shù),1家引進加壓Lurgi技術(shù),于山西潞城建廠;共有4家引進Texaco水煤漿氣化裝置,分別建于山東魯南、上海吳涇、陜西渭河、安徽淮南。這4套裝置均用于生產(chǎn)合成氣,制氨或甲醇。目前正在引進的煤氣化技術(shù)仍有多套。2.3加壓氣流床氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢我國發(fā)展煤炭氣化技術(shù)的總體目標是基于我國煤炭自身的特點,形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)化技術(shù),為新型煤化工和能源轉(zhuǎn)化提供滿足不同需要的龍頭技術(shù)。常壓固定床氣化技術(shù)只能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上挖潛改造,應(yīng)有條件地放棄進一步使用。加壓固定床氣化技術(shù)因受到煤種資源影響和煤氣處理費用高而限制其用途。使用活性高的粉煤為原料的加壓流化床技術(shù),目前在開發(fā)和使用