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煤气化技术进展李永恒(湖南湘氮实业有限公司，湖南 株洲 412005) 2001-09-16 当前化肥生产形势严峻，企业为了生存和发展，从降低化肥生产成本着手，狠抓造气技术改造。为此，本文介绍一些技术先进、效益好的煤气化方法，供大家借鉴。 1 德士古水煤浆气化技术 兖矿鲁南化肥厂的德士古水煤浆加压气化装置于1993年投入运行，经过几年的摸索，取得了较好的成果。国家为了推广德士古技术，专门成立了“水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心”。该中心设计出多种完整的方案，供我国中小型化肥厂技术改造时选用。 1.1 水煤浆气化原理 水煤浆气化属于气流床气化技术，即水煤浆与气化剂(纯氧)经特殊喷嘴混合后，快速进入气化炉反应室，遇室内灼热的耐火砖瞬间燃烧，直接发生火焰反应。微小的煤粒与气化剂在火焰中并流流动，煤粒在火焰中来不及相互熔结就迅速发生气化反应，反应在数秒钟内完成。此间放热反应和吸热反应几乎是同时进行的。因此，水煤浆中的碳基本上全部参加了反应，高温下所有干馏产物都迅速分解转变为均相水煤气的组分，所以产生的煤气中只含有极少量的CH4。 1.2 水煤浆气化特性 (1)该气流床气化的特点是每颗煤粒均被气流隔开，能单独膨胀、软化、燃烧尽而形成熔渣，与邻近的颗粒互不相干。燃料颗粒不易在塑性阶段凝聚和熔结。因此，燃料的粘结性、机械强度、热稳定性等不会对气化过程产生影响。 (2)气化炉结构简单。该技术关键设备气化炉属于加压气流床湿法加料液态排渣，不需要机械传动装置。 (3)开停炉方便，加减负荷较快。 (4)煤种适应性较广，可以利用无烟粉煤、烟煤、次烟煤、石油焦、煤加氢液化残渣等作原料。 (5)相同条件下，半水煤气价格低。 (6)碳转化率高。该工艺的碳转化率为9798。 (7)煤气质量好。CO+H2含量80，且H2与CO含量之比约为0.77，可以对CO全部或部分进行变换，以调整其比例用来生产合成氨、甲醇等。另外后系统气体的净化处理也很简单。 (8)德士古水煤浆气化是在高压(4.06.7MPa)下进行，单炉产气量较高，容易形成规模化生产。目前单炉日气化200t煤的气化炉已在运行中。 (9)三废排放物中有害物质较少。 1.3 进展情况 鲁南化肥厂对德士古水煤浆气化技术进行了改造，为我国煤气化技术的发展作出了贡献。自 1995年以来，该厂的德士古装置多次创出了新纪录，合成氨日产量最高达到346.68t，1999年生产合成氨107846 t。 德士古水煤浆气化技术已很成熟，国内外已建成了多套德士古装置。该技术在鲁南化肥厂的成功应用，为大中小化肥厂提供了成功的经验。 2 常压间歇式流化床技术 该技术是国内开发的常压粉煤气化技术，其特点是不用氧气，以空气和蒸汽为气化剂，对013 mm粉煤进行气化。生产过程只有吹风和制气。该技术已在我国煤气工业上应用，完全可应用于化肥生产。原化工部化肥工程技术中心曾派专家到现场考察，并在现场对流化床所产的半水煤气进行了测定。其成分()如下： 从以上分析数据看，制得的半水煤气可作为生产合成氨的原料气。 该技术的特点是：以各种粉煤(粉焦)为原料，而且可以做到蒸汽自给。气化时没有干馏过程，焦油和酚等有机物在高温区燃烧干净，不需要建焦油和污水处理系统。所以工程投资和煤气成本与固定床煤气炉相比可节约30以上。另外还具有操作简单和设备维修量小等优点。 原理与流程：气化炉开炉前先用油点火升温，当气化炉内部温度达到要求时，粉煤由螺旋机送入炉内底部。经过预热的空气和过热蒸汽交替从炉底进入，分别进行吹风(放热)，制气(吸热)。流程如下： 第一废锅和第二废锅所产蒸汽，经减压后进入蒸汽缓冲罐，再进入蒸汽过热器，最后进入气化炉作气化剂。 若该技术应用于化肥生产，不但能解决我国化肥行业的煤炭资源问题(可以利用本地廉价粉煤)，而且也可大幅度降低化肥生产成本，保护环境。 3 焦载热循环流化床制气工艺 由清华大学煤燃烧工程研究中心与鞍山焦化耐火材料设计研究院及鞍山锅炉厂合作，共同开发的焦载热循环流化床制气新技术，小试成功后，1997年在清华大学试验厂，完成了每小时处理2 t煤的中间试验，效果较好。 该技术工艺流程为：粉煤由煤仓底部螺旋加煤机送入提升段，与底部进入的提升用空气发生燃烧反应，生成的热半焦被提升至顶部分离装置。分离下来的热半焦大部分通过J型阀进入气化罐，其余进入流化床锅炉燃烧。进入气化罐的热半焦被从罐底进入的蒸汽流化生成水煤气。 焦载热制气工艺是两个快速循环流化床的有机结合，利用高温焦炭为载热体，为粉煤干馏及部分气化提供热量，制取优质煤气。特别是通过S型阀和L型阀，将提升段和气化罐可靠地隔断，而通入少量蒸汽又可实现热半焦的流通，从而将提升段和气化罐连在一起，巧妙地实现了干馏、气化反应与燃烧反应的有机结合。 该技术与循环流化床锅炉配合，以粉煤为原料，联供廉价的水煤气及蒸汽作为合成氨的原料气。不仅技术先进，而且经济合理。拟在平安化肥厂建设一套每小时处理5 t煤的制气装置。4 谢尔干粉煤气化技术 谢尔干粉煤气化技术是目前世界上较为先进的第二代粉煤气化技术之一，气化过程也是在高温加压下进行的。其进料方式是将粉煤磨成0.1mm以下的细粉，高压氮气通过特殊的喷嘴将粉煤送进炉膛，与纯氧及蒸汽在高温高压下进行放热和吸热气化反应，最终生成水煤气(CO+H290)或半水煤气。 该技术工艺流程较简单，原煤经破碎后送至磨煤机，磨成的细粉被热空气干燥，由高压氮气将干煤粉送人气化炉，另外高压氧气和中压过热蒸汽混合后也由喷嘴喷人炉内。炉口1500的高温煤气被冷煤气冷却至900后进入废锅，然后再进入干式除尘器和洗涤系统。该技术有如下优点。 (1)煤种适应性强。烟煤、次烟煤、褐煤、无烟煤等均可。 (2)采用水冷壁结构，仅在向火一面有一层薄的耐火涂料层。正常操作时依靠挂在水冷壁的熔渣层保护金属冷壁，不需要砌筑昂贵的耐火砖。 (3)由于是干法进料，不需要庞大的制浆系统，降低了生产成本。 (4)气化炉使用寿命长，不需要备用炉。单炉气化能力大，一台气化炉日产合成氨600t以上。 (5)气化效率高，碳转化率可达到99以上，生成的煤气中CH4含量低。另外，污染少，有利于三废治理。5 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科学院山西煤炭化学研究所开发的一项新技术。 5.1 特点 (1)气化炉是一个单段流化床，在炉内同时完成煤的破粘、脱挥发分、气化和灰的团聚等4个过程，设备结构简单。 (2)气化剂(空气或氧气)从气化炉底部进入，使炉内形成一个局部高温区，促使灰团聚成球形，从而保证灰与煤的有效分离，提高了碳的利用率。 (3)水蒸气从分布板进入气化炉，形成一个周边的相对低温区，有效地防止了炉内结渣。另外炉内半焦量较多，使得过程操作稳定，抗负荷波动能力强。 (4)高温煤气夹带的细粉煤大部分经旋风除尘系统捕集下来，并通过料腿返回气化炉，再进行燃烧气化，碳的利用率高。煤气中少量粉尘经二次除尘后送出。 (5)气化炉出口温度适中，煤气经废锅后进入洗涤系统。 (6)该技术煤种适应性强，凡是小于8mm的各种煤均可气化，对煤种无特殊要求。 (7)气化强度高(是固定床煤气炉的35倍)，气化温度适中，可以在炉内预脱硫。三废污染小，有利于环保。 (8)投资少，仅是引进的粉煤气化技术的4070，容易推广应用。 5.2 原理与流程 根据射流原理，将气化剂(空气加蒸汽、氧气加蒸汽、富氧空气加蒸汽)从炉体底部吹入，使由螺旋机送入炉内的煤产生沸腾气化，在灰团聚分离装置中形成床内局部高温区，实现煤的破粘、挥发物逸出、气化和灰的团聚成球，借助重量的差别达到灰球与煤粒的分离，并连续排出含碳量低的灰渣。煤气夹带的飞灰经旋风分离后再返回炉内气化。该技术流程如下：5.3 试验情况 已完成日处理1 t煤的小型试验和24 t煤的中间试验，以及相配套的冷态试验。 近期在陕西固城氮肥厂，建设2400mm常压气化炉工业化示范装置，2001年可得到工业示范成果。另外还在云南解放军化肥厂建设一套2400mm加压气化炉工业示范装置。6 恩德粉煤气化技术 恩德粉煤气化技术是在温克勒气化技术基础上，经过较大的改进和完善后，得到的一种独特的新型粉煤(010mm)气化技术。 该技术的工艺流程与原理是：粉煤被送至氮气加压密封的气化炉煤仓，通过底部的3个螺旋加煤机将煤加入气化炉底部锥体。根据煤气热值要求，气化剂可采用空气和蒸汽、过热蒸汽与纯氧(或富氧空气)。如果采用富氧空气为气化剂，纯氧在富氧风机吸入侧与空气混合，加压到40kPa后送气化炉前与废锅自产的240过热蒸汽混合，分别进入一次风喷嘴和二次风喷嘴。一次风喷嘴位于加煤机下方，共6个，在炉体均布，一次风沿均线方向入炉并呈螺旋形上升，气化剂与粉煤进行流化，发生燃烧反应和加热反应，生成水煤气或半水煤气。大粒径煤在炉底锥体附近形成密相段并成旋风沸腾状，继续进行气化反应。少量细粉煤和小粒径煤在炉体中上部与喷入的二次风发生反应。煤中夹带的煤矸石等杂质及反应后的灰渣落到气化炉底部，由螺旋出渣机排入密闭灰斗，定期排出炉外。少部分未反应完全的细粉煤随煤气从炉上带出，经旋风除尘器，将其中较大粒径煤分离下来，返回气化炉底部，再次气化。炉下温度为800950，炉上温度为9501080。煤气进入废锅，出废锅煤气温度约为300(此热还可利用)，再进入洗涤塔经冷却除尘后去气柜。 朝鲜使用恩德粉煤气化技术已有30多年。该技术成熟可靠。产品已系列化，单炉生产能力有 10000、20000、40000m3h。中国黎明机械厂与朝鲜合作，共同在中国推广恩德粉煤气化技术。 7 富氧连续气化技术 常压固定层煤气炉用富氧空气进行连续气化技术已在多厂使用过，目前淮南化肥厂、解放军化肥厂仍在用此技术制半水煤气。其优点是，气化强度大，可以使发气量提高一倍以上，经济效益好。 富氧空气与煤燃烧发生放热反应的同时，蒸汽与灼热的煤发生吸热反应，两反应基本达到平衡时，气化过程便会连续平稳进行。为使半水煤气成分符合要求，富氧空气中的O2含量应控制在4752。 实现富氧气化后，由于没有吹风燃烧炭损失，气体带出物减少和灰渣含碳量降低。而且因气体空速低，可使用625mm碎煤进行气化，使炭的利用率提高，煤耗降低。 由于该技术是连续气化，煤气炉温度较稳定，蒸汽分解率比间歇式固定层煤气炉高。另外所有煤气全部进入废锅，废锅副产蒸汽量大(原中氮厂下吹煤气不经过废锅)，合成氨系统能实现蒸汽自给。 该技术选用自动加煤机和不停炉下灰装置，可以实现连续气化。另外取消了许多自动阀门，简化了工艺流程，减少了系统故障率，从而减少了设备维修费用。 研究富氧空气连续气化技术的可行性，效益是首要问题。因为富氧气化技术早在60年代就有许多厂使用过，最后都因制氧成本高而停用。过去都采用深冷法制氧，生产成本高。90年代初，变压吸附制氧装置的问世，为富氧气化技术的应用带来了希望。于是成都齐益科技研究设计所于 1992年首次提出煤(焦)富氧连续气化及气体净化方案，并申请了国家专利。1996年四川大竹氮肥厂将变压吸附制氧工艺应用于该厂煤气炉获得成功，2000年6月通过国家技术鉴定和工程验收。专家组一致认为该项目是以煤(焦)为原料的中、小氮肥厂实现节能降耗的一项重大技术创新。煤质对Texaco气化装置运行的影响及其选择张继臻，种学峰(兖矿鲁南化肥厂，山东 滕州 277527) 2002-03-160 引 言 Texaco水煤浆加压气化技术煤质的好坏直接影响到正常的生产操作和经济效益。鲁南Texaco装置从1993年4月20日投料成功以来，煤质曾是困扰满负荷、长周期、稳定运行的关键因素。我国其他三套Texaco煤气化装置也出现了同样的问题。本文谈谈煤质对Texaco煤气化工艺的影响，国内2套大型Texaco煤气化装置对煤质选择的经验，供大家参考。1 Texaco水煤浆加压气化工艺对煤质的要求 Texaco气化是气流床湿法加料，液态排渣的加压煤气化技术。无烟煤由于反应活性低，碳转化率低，可磨指数小，不适宜于水煤浆加压气化。褐煤的内在水分含量较高，内孔表面大，吸水能力强，成浆时，煤粒上能吸附的水量多。因而，在水煤浆浓度相同的条件下，自由流动的水相对减少，以致流动性较差，若使其具有相同的流动性，则煤浆浓度必然下降，即褐煤的成浆性差。故褐煤在目前尚不宜作为水煤浆加压气化的原料。适宜于水煤浆加压气化的是烟煤，而烟煤中最适宜气化的是长焰煤、气煤等。即使是长焰煤、气煤，如果煤的灰熔融温度很高(1400)，且灰渣的粘度很大，也不宜选用Texaco气化法气化。1.1 主要指标 煤质适应性的主要指标如下。 (1)发热量达25.12MJkg一般的烟煤(原煤)都能达到这个要求，精煤更是如此，越高越好。 (2)灰熔融温度FT在1300为宜。过高或过低都不利于气化，(鲁化的优化指标为11001250)。 (3)煤中灰量不得高于1520，越低越好。鲁南现用的是精煤，灰含量一般在7左右。灰含量高会导致比煤耗、比氧耗增大，灰分愈多，随灰渣而损失的碳量就愈多。灰含量每增加1，氧耗增加0.70.8(体积分率)，生产成本上升，同时增加了三废治理的工作量。 1.2 次要指标 (1)全水分含量越低越好。煤的成浆浓度随着内在水分含量的增大而降低，内在水分低的煤易于制取高浓度水煤浆。随着水煤浆浓度的提高，煤气中有效气体成分增加，气化效率提高，氧气耗量下降。 (2)挥发分含量越高，越利于Texaco气化反应，增加煤气产率。优化指标为Vdaf37。 (3)固定碳含量越高越好。 (4)液渣粘度维持在1525Pas之间，以维持正常的液态排渣。 (5)煤中有害元素硫、氯、砷、汞、氟等越低越好。 (6)可磨指数越大越好，越大，煤越易磨碎，可提高煤磨机的产量，降低耗电率。 2 Texaco煤气化工艺对原料煤的四个关键要求 2.1 成浆性 影响煤成浆性的因素很多，如煤的变质程度，煤的灰分含量，内在水分含量，灰成分，煤的粒度分布，制备水煤浆用水特性，制浆温度，搅拌时间、强度，添加剂的种类、用量等，且有些因素之间是密切相关的。其中最关键的是煤的种类、添加剂的型号及量。性能好的煤浆要有高的煤含量、低粘度，表观流动性、稳定性好，析水率低等。作为Texaco水煤浆加压气化工艺要求煤浆浓度在60以上，粘度小于1000cP。变质程度浅的煤，内表面大，吸附水多，不易制得高浓度煤浆，年老煤亲水性官能团少，与水的结合力弱，也不易制得高浓度煤浆。一般变质程度较深，内在水分含量较低的年轻烟煤较易制出高浓度的水煤浆。煤的内水含量越高，煤中OC比越高，含氧官能团和亲水官能团越多，空隙率越大，煤的制浆难度越大。目前较为通用评价成浆性难易程度的数学模型如下： D=7.5+0.5Mad0.05HGI式中 Mad煤的分析基最高内在水分；HGI煤的哈氏可磨指数；D成浆难度指数。 当D4时，煤易成浆；4D7，成浆难易程度一般；740时，煤灰的FT必定超过1500。 (2)SiO2含量的影响没有Al2O3那样显著。SiO240的煤灰其熔融温度较SiO23，且SiO2含量50的煤灰，当CaO含量在2025时，煤灰熔融温度最低，CaO含量超过这个范围时，煤灰熔融温度开始提高。当(SiO2Al2O3)3.0，CaO含量在3035时，煤灰熔融温度最低，当CaO含量超过这个范围时，再增加CaO，煤灰熔融温度开始提高。 (4)由于煤灰中的MgO含量一般很少，MgO又和SiO2形成低熔点硅酸盐，所以也起降低灰熔融温度的作用。 (5)氧化铁和SiO2可以形成一系列低熔点的硅酸盐，所以氧化铁起降低灰熔融温度的作用。在弱还原气氛中，Fe2O3以FeO的形态存在，与其他价态的铁相比，FeO具有最强的助熔效果。如果煤灰中的CaO、碱金属氧化物等助熔组分含量较高，且硅铝比较高，在Fe2O3含量较低时，就能使煤灰熔融温度很低；对于硅铝比较低，且CaO、碱金属氧化物等助熔组分含量亦较低的煤灰，在Fe2O3含量较高时，才能使其熔融温度最低。特别是氧化铁含量低于20的煤灰，Fe2O3含量每增加1，煤灰的ST温度平均降低18。因此，煤灰的熔融温度是随Fe2O3含量增高而降低，煤灰的颜色也是随Fe2O3含量增高而加深。这就是为什么煤浆的灰熔融温度比原料煤的灰熔融温度低4080的原因(磨机磨煤时部分铁屑进入煤浆中)。 (6)K2O和Na2O含量增高，煤灰熔融温度显著下降，每增加1，煤灰的FT温度平均降低17.7。 (7)硫在煤灰中起降低熔融温度的作用。 煤灰熔融温度的计算方法 长期以来，除实测外，国内外学者做了大量研究工作，提出了几种根据煤灰化学组成预测煤灰熔融温度的方法。如姚星一、王文森根据我国煤灰组成特点，提出了灰熔融温度FT计算的经验公式： (1)、 (2)适用于b(b即为Fe2O3+CaO+MgO+KNaO)小于30的煤灰。(3)式适用于b大于30的煤灰；如果(2.5b+20Al2O3)332，应再加上2332一(2.5b+20Al2O3);如果(3.3b +10SiO2)475，应再加上2475(3.3b+10SiO2)，这些经验式计算出的FT值一般和实测值之差在100以内。Winegartner和Rhodes，Sondreal和Ellman分别利用大量美国煤样的分析数据，通过回归分析，得到能够准确预测煤灰熔融温度的预测方程；Vincent研究了新西兰煤灰化学组成和熔融温度之间的关系。他根据特定煤田的煤灰组成，利用多元回归法、逐步回归法来预测煤灰熔融温度。平户瑞穗根据煤灰中主要化学成分如CaO、Fe2O3、Al2O3和SiO2与熔融温度之间的关系建立了多元回归方程(相关系数r0.95)，能够较为准确地预测煤灰熔融温度。 3.2 灰渣的粘温特性 科技工作者通过大量的研究，分析了煤灰各组分对灰渣粘度的综合影响并回归出许多经验公式，其中较为常用的是灰渣粘度为250 Pas所对应的温度t250： 通过t250的高低大致可以判断灰渣流动性能。t250低说明气化炉在较低的温度下即可顺利排渣。 WattFereday等人对灰渣成分对粘度的影响进行了回归，得出如下关系式： 根据煤灰渣成分计算不同温度下的灰渣粘度已成为判断煤种能否适应于Texaco气化过程及确定气化炉操作温度范围的重要依据。4 配煤技术在Texaco煤气化工艺中的应用 优化Texaco配煤的理论依据是灰熔融温度、粘温特性和熔渣的腐蚀性。配煤质量的预测是基于挥发分、灰分、发热量、灰熔融温度等与单煤有较好的可加性(即可加权平均)而得的。根据Texaco炉对煤质的要求及煤质适应性的主要指标，兼顾其他指标，选择价格最优或灰分最少，运用线性规划模型来求解单煤配比，所得结果的误差在工业生产允许的范围内，并可在试验基础上进一步校正。配煤、掺焦可以使不能适应Texac。气化工艺的单煤或石油焦等低品质原料气化，并可保持Texaco炉的操作稳定和长周期运行，减少或不用助熔剂，降低氧耗、煤耗等优点。由于石油焦和低碳煤的价格低廉，商业性较好，美国滩帕电厂、日本宇部氨厂已将石油焦与煤混合制浆作为Texaco气化炉进料。操作运行情况良好。尤其是日本宇部氨厂在石油焦浆中加入助熔剂(锅炉飞灰和石灰粉)进行石油焦气化试验获得成功后，于1996年9月直接使用石油焦浆作为气化炉进料，工艺运行情况良好。5 Texaco工业化装置对煤质选择的实例介绍5.1 陕西渭化Texaco装置的煤质选择 陕西渭河化肥厂Texaco煤气化装置原设计采用陕西黄陵煤。投产后，煤来自多矿井，关键指标难以控制在要求范围之内，装置不能平稳运行。煤质经常变化对制浆、气化、排渣、灰水处理产生了极大的影响，工艺操作难度大，装置停车频率高，生产负荷受到限制。为从根本上解决此间题，选择了甘肃华亭矿烟煤进行试验。 试验表明,黄陵煤具有较高固定碳和热值，内水和挥