初探煤气化工艺方案的选择

1 初探煤气化工艺方案的选择初探煤气化工艺方案的选择 1 几种煤气化工艺及特点介绍几种煤气化工艺及特点介绍 煤气化是煤化工的龙头技术 是煤洁净利用技术的重要环节 C1 化学的基 础 煤气化技术是发展煤基化学品 煤基液体燃料 联合循环发电 多联产系 统 制氢 燃料电池等过程工业的基础 是这些行业的共性技术 关键技术和 龙头技术 对我国经济和保障国家安全具有重要的战略意义 煤气化过程采用的气化炉炉型 目前主要有以下 3 种 固定床 UGI 鲁奇 流化床 灰熔聚 UGAS 鲁奇 CFB 温克勒 KBR 恩德等 气流床 Texaco Shell GSP PRENFLOW 国产新型水煤浆 二段干煤 粉 航天炉等 1 1 固定床制气工艺 1 1 1 常压固定床间歇制气工艺 工艺特点是 常压气化 固体加料 10 50mm 固体排渣 间歇气化 空气 和蒸汽作气化剂 吹风和制气阶段交替进行 适用原料白煤和焦碳 气化温度 800 1000 代表炉型有美国的 U G I 型和前苏联的 U G 型 工艺过程都 比较熟悉 这里从略 技术优点 历史悠久 技术成熟 设备简单 投资省 生产经验丰富 技术缺点 技术落后 原料动力消耗高 炭转化率低 70 75 产品成本 高 生产强度低 程控阀门多 维修工作量大 废气 废水排放多 污染严重 面临淘汰 1 1 2 常压固定床连续制气 常压固定床连续制气工艺的技术特点 常压气化 固体加料 床体排渣 连续制气 富氧空气 氧占 50 或氧气加蒸汽做气化剂 无废气排放 适用 煤种白煤和焦碳 技术优点是 连续制气 炉床温度稳定 约为 900 1150 操作简单 程控阀门少 维修费用低 生产强度大 碳转化率高 约 80 84 技术缺点 需要空分装置 投资比较大 固定床连续制气工艺的技术突破在于以氧气或富氧空气加蒸汽做气化剂 2 由于气化剂中氧含量的增加 气化反应过程中 燃烧产生的热量与煤的气化和 蒸汽分解所需要的热量能够实现平衡 可以得到稳定的反应温度和固定的反应 床层 可以实现连续制气 不用专门吹风 无废气排放 生产强度和能源利用 率都有了很大的提高 1 1 3 固定床加压气化工艺 前西德鲁奇公司 Lurgi 开发 工艺特点 加压气化 固体加料 固体排渣 连续气化 氧气和蒸汽作气 化剂 设有加压的煤锁斗和灰储斗 适用煤种 褐煤 次烟煤 活性好的弱粘 结煤 技术优点 加压气化 3 1 MPa 生产强度大 碳转化率高约 90 技术缺点 反应温度略低 700 1100 甲烷含量较高 煤气当中含有焦 油和酚类物质 气体净化和废水处理复杂 流程较长 投资比较大 1 2 流化床工化工艺 流化床气化工艺的总体特点是 以粉煤或小颗粒的碎煤为原料气化 气化 剂以一定的速度通过物料层 物料颗粒在气化剂的带动下悬浮起来 形成流化 床 由于物料层处于流化状态 煤粉和气化剂之间混合更允分 接触面积更大 煤粉和气化剂迅速地进行气化反应 反应产生的煤气出气化炉后去废热回收和 除尘洗涤系统 反应产生的灰渣由炉底排出 气流床反应物料之间的传热和传 质速率更快 过程更容易控制 生产能力也有了较大的提高 下面就流化床气 化工艺发展过程中的几种工艺的技术特点分别作一下介绍 1 2 1 温克勒 W inkier 常压流化床气化工艺 是前西德莱菌褐煤公司和伍 德公司 20 世纪 20 年代开发的 是世界上最早的流化床气化工艺 工艺特点 常压气化 粉煤进料粒度小于 9 5mm 干法排渣 氧气或空气 加蒸汽作气化剂 炉体上部有分离空间 使煤气当中夹带的半焦和灰颗粒分离 并且用一次空气加蒸汽进一步气化 气化温度 815 1100 碳转化率 70 73 适用煤种 褐煤 次烟煤 弱粘结性煤 主要技术问题 炉底的炉箅经常出现局部高温 结渣 偏炉现象 炉出口气 体带出物较多 排灰的含碳量较高 2 2 2 恩德常压流化床气化工艺 是朝鲜恩德郡七 七化工厂 20 世纪 60 年代在 常压温克勒气化工艺的基础上开发的 3 工艺特点 常压气化 粉煤进料粒度小于 10mm 干法渣 氧气或空气加蒸汽 作气化剂 取消了炉箅 改造为布风喷嘴向炉内送气 解决了炉底结渣的问题 气化温度 950 1050 在炉气出口增设了旋风分离气 返料从炉底入炉循环 使用 技术优点 煤种适从性宽 可气化褐煤 次烟煤 弱粘结性煤 返料循环 使用 碳转化率可达 76 极少产生焦油 技术缺点 气化压力低 难以实现大规模生产 排灰含碳量高 1 2 3 循环流化床粉煤气化工艺 CFB 20 世纪 70 年代鲁奇公司开发 工艺特点 该技术的工艺过程和恩德粉煤气化工艺比常相似 所有不同的是 CFB 技术的旋风分离器分离的粉尘直接从气化炉上部进入气化炉炉膛 多重循 环 使循环物料和新鲜物料之比高达 40 倍以上 导致碳粒的反复气化 因而碳 的转化率很高 可达 90 由于夹带固体物料的速度大大低于气流速度 气体 和固体间的滑动速度较大 因而物料和气化剂间的混介更充分 接触时间更长 气化效率较高 可以用蒸气加空气 富氧空气 氧气作气化剂 但产气品质不 一样 技术优点 循环流化床气化 碳的转化率更高了 单炉生产能力大 煤种 适应广 技术缺点 排灰的含碳量仍然比较高 1 2 4 灰熔聚粉煤循环流化床汽化工艺 美国煤气研究所在美国能源部 DOE 的资助下于 20 世纪 70 年代开发 该技术是在常压循环流化床气化工艺的基础上发展起来的 它的技术突破 在于采用了灰聚熔技术 所谓灰聚熔指的是 在炉底中心有一个氧气或空气入 口 该处由于氧气或空气的进入 形成一个局部的高温区 在这里灰渣中未反 应的碳进一步反应 煤灰则在高温下开始软化并且相互粘结在一起 当熔渣的 密度和重量达到一定的程度时灰球就会克服气流的阻力落入炉底 灰熔聚技术 极大地降低了排灰的碳含量 大幅度提高了碳的转化率 是循环流化床气化技 术发展史上的重要里程碑 灰熔聚技术使循环流化床气化炉的碳转化率提高到 96 98 气化温度 954 1038 技术特点 灰熔聚循环流化床气化工艺具有循环流化床工艺的一切优点 4 而且大大提高了碳的转化率 气化剂分两路进入 从炉底排灰管进入一路气化 剂的氧含量较高 以实现灰熔聚 U Gas 炉操作压力为 0 69 2 41 MPa 有带 压的煤斗和灰斗 煤气中无焦油 无废气排放 目前的问题是出口气带灰较多 不能长周期运行 1 2 5 高压灰熔聚粉煤循环流化床汽化工艺 美国煤气研究所 IGT20 世纪 80 年 代开发 该技术是在常压灰熔聚粉煤循环流化床气化工艺的基础上发展起来的 也 有进料的煤斗和排灰的灰斗 所不同的是它的操作压力可达 2 7 3 4MPa 该 技术对设备阀门的要求比较高 尚未广泛推广开来 1 3 气流床气化工艺 气流床气化工艺的共同特点是 煤进料的粒度比粉煤流化床气化的进料粒 度更小 反应物料被气化剂夹带 以气流床的形式进行反应 因而反应进行得 更快 一般要求反应的温度和操作的压力都比较高 1 3 1 柯伯斯 托切可粉煤气流床气化工艺 前西德 Kopper Tobek 公司 20 世纪 40 年代开发 流程简述 粉碎研磨合格的煤粉用氮气输送到煤储斗当中 再由螺旋给料 机送至混合器 在混合器当中 粉煤在氧气和蒸气的携带下经烧嘴进入气化炉 氧气 蒸气和粉煤一起并流进入气化炉 在气化炉内发生强烈的氧化反应 产 生高达 2000 的高温 反应后产生的水煤气先进入废热锅炉回收热量 然后进 入洗涤除尘系统 反应产生的灰份被炉内的高温融化沿气化炉的炉壁流入激冷 槽内 冷却固化后由捞渣机排出 该工艺的主要技术特点是 粉煤进料小于 0 1mm 熔融排渣 常压气化 操 作简单 产气当中无焦油和酚及烃类物资 甲烷含量低等特点 要求煤的活性 好 灰熔点适宜 该技术的缺点是 氧耗高 对气化炉耐火砖的要求高 显热回收设备多 投资比较大 1 3 2 谢尔粉煤气流床气化工艺 谢尔 Shell 国际石油公司在柯伯斯 托切 可粉煤气流床气化工艺的基础上开发的 工艺过程 与柯伯斯 托切可粉煤气流床气化技术的工艺过程基本相同 所 5 不同的是该工艺的废热锅炉和气化炉不是联体的 而是分开的 而且高温煤气 在进入废热锅炉前先和洗涤冷却后的冷煤气混合激冷到 1000 以下再进入废热 锅炉 有效地防了熔融灰渣粘结到废热锅炉壁上 技术特点 粉煤进料粒度 90 通过 170 目筛网 气流床反应 加压气化 3 0 4 OMPa 气化温度 1340 熔融排渣 夹套水冷 煤种适应宽 几乎可以 气化所有煤种 气化效率高 一般 98 以上 产品气当中有效气成分在 90 以上 无焦油类物资 适应于制气和商业化联合发电装置 IGCC 技术缺点是 技术费用高 投资大 采用的夹套水冷壁使用寿命只有 25 年 而且该技术难以实现国产化 1 3 3 德士古水煤浆加压气化工艺 美国德士古 T exaco 公司 20 世纪 70 年 代开发 工艺过程 磨制合格的水煤浆由泵加压后和氧气经特制的烧嘴喷入气化炉 水煤浆被高效雾化并蒸干水分后和氧发生复杂的氧化还原反应生成水煤气 生 成的水煤气和熔渣一起进入气化炉下面的激冷室 熔渣被冷却固化后经锁灰斗 收集排出 水煤气激冷后出气化炉激冷室去洗涤除尘系统 技术特点 水煤浆进料 加压气化 纯氧作气化剂 熔融排渣 原料适应范 非比常广 碳转化率高 94 98 有效气成分高达 84 废物排放少 生产能力 大 前景广阔 水煤浆浓度 65 粒度 99 通过 14 目筛网 技术缺点 氧耗比较高 投资大 技术费用高 2 2 其它制气技术其它制气技术 2 1 热 电 煤气 三联产煤制气技术 热 电 煤气 三联产煤制气技术是在热电联产的基础上以较少的投资获 得高品质 低成本煤气的一种制气方法 该技术利用热电厂循环流化床锅炉的 循环热灰对煤 次烟煤 褐煤等 进行干馏产出煤气经净化后供给用户 热 电 煤气 三联产煤制气的实质是 原料煤在送入锅炉之前先将煤中的挥发分提 出 产出煤气 提出挥发分的煤变成半焦 半焦作为主要燃料直接送入锅炉炉 膛燃烧 锅炉产生蒸汽用于发电 供热 从而实现热 电 煤气三联产 6 1 CFB 锅炉燃烧室 2 旋风分离器 3 热灰输送阀 4 热分解反应器 5 煤斗 6 气液分离器 7 半焦输送阀 8 罗茨鼓风机 图图 1 热热 电煤气三联产工艺流程示意图电煤气三联产工艺流程示意图 优点 原料煤为劣质煤 褐煤 次烟煤等 煤种在我国分布广 价格低 工艺过程反应条件温和 常压 中温 工艺过程无氧化反应 基本上不增加 CO2 气体排放 节能效果显著 工艺部分与热电联产相结合 综合热效率可达 90 局限 制煤气工艺的实现必须依附于循环流化床锅炉的正常运行 对原料煤的煤种有一定的限制 3 3 煤气化技术发展趋势煤气化技术发展趋势 世界现代煤炭气技术的特点及发展趋势是 气化压力向高压发展气化压力向高压发展 气化压力由常压 低压 1 0MPa 向高压 2 0 8 5MPa 气化发展 从而提高气化效率 碳转化率和气化炉能力 实现气 化装置大型化和能量高效回收利用 降低合成气的压缩能耗或实现等压合成 如甲醇低压合成 降低生产成本 如 Texaco 气化压力可达 6 5 8 5MPa Shell 气化压力为 2 4MPa 气化炉能力向大型化发展气化炉能力向大型化发展 Texaco 和 Shell 单台气化炉气化煤量已达 到 2000 吨 天以上 Prenflo 气化炉气化煤量已达 2600 吨 天 大型化便于实 现自动控制和优化操作 降低能耗和操作费用 气化温度向高温发展气化温度向高温发展 Texaco 气化温度 1400 1500 Shell 气化温 7 度高达 1400 1700 流化床气化温度为 1000 1200 气化温度高 煤中有 机物质分解气化 消除或减少环境污染 对煤种适应性广 不断开发新的气化技术和新型气化炉 提高碳转化率和煤气质量 降低不断开发新的气化技术和新型气化炉 提高碳转化率和煤气质量 降低 建设投资建设投资 目前碳转化率高达 98 99 煤气中 CO H2 达到 80 90 现代煤气技术与其它先进技术联合应用现代煤气技术与其它先进技术联合应用 如与燃气轮机发电组合的 IGCC 发电技术 高压气化 6 5MPa 与低压合成甲醇 二甲醚技术联合实现等 压合成 省去合成气压缩机 使生产过程简化 总能耗降低 煤气化技术与先进脱硫 除尘技术相结合 实现环境友好 减少污染煤气化技术与先进脱硫 除尘技术相结合 实现环境友好 减少污染 如在气化炉内加入脱硫剂 石灰石 脱硫效率可达 80 90 采用高效除尘 器使煤气中含尘降到 1 2mg m3 总之 先进流化床 气流床煤气化技术已实现工业化和大型化 并不断改 进和完善 应用范围不断扩大 是今后的发展方向 4 4 煤气化工艺比较煤气化工艺比较 4 1 固定床制气工艺 富氧连续制气比间歇制气的进步是用富氧空气作气化剂 实现了连续气化 鲁奇加压气化比常压富氧连续气化 提高了操作压力 生产强度提高了 4 2 流化床气化工艺 恩德粉煤气化技术旋风除尘分离的灰尘返回气化炉回收利用 比温克勒技 术的碳的转化率提高了 CFB 的除尘分离物料直接从气化炉上部入炉 多重循 环流化 气化效率更高了 灰熔聚粉煤气化技术采用了灰熔聚技术 降低了排 灰的碳含量进一步提高了碳的转化率 加压的灰熔聚技术提高了气化压力 进 一步提高了装置的生产强度 4 3 气流床气化工艺中 Shell 气化技术比 Kopper Tobek 气化技术的压力提高了 生产强度提高了 Texaco 气化技术比上两种气流床气化技术的进步在于使用了水煤浆进料 操作 更容易控制 压力及生产强度可以提得更高 4 4 其他技术 除了上述介绍的气化技术外还有其他一些气化技术 比如 江苏理工大学 开发的常压间歇流化床粉煤气化技术 华东理工大学和鲁化开发的多喷嘴水煤 8 浆气化技术 中科院山西煤炭化学研究所开发的灰熔聚粉煤气化技术 国外的 新技术有 鲁奇公司开发的熔渣炉奇炉 63BCG lurgi 气化技术 德国的高温 温克勒 HTW 气化技术 美国的西屋 W estinghouse 流化床气化技术 粘 聚灰流化床气 Batte1e Union Carbide 气化技术 粉煤气化技术 另外还有 其他的一些新技术 比如 DOW 炉 PRENFOL 炉 德意志燃料技术研究所开发的 GSP 炉等技术 几种常用煤气化炉的主要气化工艺性能和指标比较见表 1 表 2 表 3 表表 1 固定床气化炉技术指标固定床气化炉技术指标 气 化 炉 炉 型项目 U G I 炉M 型炉W G 型炉鲁奇炉 气化炉规格气化炉规格 炉膛内径 m 气化炉总高 m 2 4 3 6 8 5 12 6 2 0 3 0 8 9 9 2 2 0 3 0 13 88 2 4 5 0 12 13 2 原料煤种原料煤种 入炉煤粒度 mm 无烟煤 焦 炭 13 75 无烟煤 烟 煤 18 60 无烟煤 焦 炭 6 25 褐煤 烟煤 5 50 气化条件气化条件 气化压力 kPa 气化温度 炉顶温度 气化强度 kg m 2 h 1 18 20 900 1000 350 400 350 560 4 0 6 0 870 1000 450 500 200 250 8 10 900 1050 450 500 280 340 2500 2942 950 1100 350 450 700 1050 消耗定额消耗定额 氧气消耗率 m3 标 kg 1煤 空气消耗率 m3 标 kg 1煤 蒸汽消耗率 kg 1 kg 1煤 粗煤气产率 m3 标 t 1煤 2 8 3 1 1 4 1 6 1600 1870 2 80 2 90 0 3 0 5 3000 3600 2 0 2 5 0 35 0 6 3000 4000 0 15 0 20 1 1 1 4 1400 1600 干煤气组成干煤气组成 v H2 CO CO2 CH4 O2 N2 半水煤气 39 41 28 30 7 5 8 5 1 0 1 2 0 3 0 4 19 21 空气煤气 11 12 27 29 4 0 5 0 0 4 0 5 0 20 3 52 54 空气煤气 12 13 28 30 3 5 4 5 0 5 0 8 0 2 0 3 52 53 38 39 15 18 31 32 10 12 0 150 20 1 2 1 5 煤气低热值煤气低热值 标标 MJ m 38 3 8 55 2 5 45 4 5 610 2 10 5 9 表表 2 流化床气化炉技术指标流化床气化炉技术指标 气 化 炉 炉 型 项目 HTWCFBU gas灰熔聚 气化炉参数气化炉参数 炉膛内径 m 气化炉体高度 m 2 2 3 7 16 23 2 8 3 5 11 18 1 2 2 6 15 3 18 5 2 4 3 0 15 18 原料煤种原料煤种 入炉煤粒度 mm 入炉煤含水量 m 气化炉进煤量 t d 1 褐煤 次烟 煤 0 10 12 168 2840 焦炭 次烟 煤 树皮 木屑 0 6 11 500 2000 褐煤 变质 煤 甘蔗渣 木 屑 0 6 3 120 260 褐煤 烟煤 焦粉 0 8 5 120 216 气化条件气化条件 气化压力 kPa 气化温度 入炉蒸汽温度 炉顶温度 1 0 3 0 950 1050 250 300 900 950 0 05 0 2 850 1100 150 200 900 1000 0 22 2 7 950 1050 250 285 900 980 0 03 0 05 950 1100 280 310 950 100 消耗定额消耗定额 氧气消耗率 m3 标 kg 1煤 蒸汽消耗率 kg 1 kg 1煤 粗煤气产率 m3 标 t 1煤 0 486 0 52 1600 1850 0 504 0 59 1700 1850 0 6 0 7 0 45 0 72 4680 4970 0 47 0 54 0 6 0 8 2200 2400 干煤气组成干煤气组成 v H2 CO CO2 CH4 O2 N2 32 34 36 38 9 0 10 0 2 0 2 2 0 2 0 3 0 6 1 3 36 38 43 5 45 2 13 5 15 6 2 0 2 5 0 2 0 3 0 6 1 3 15 16 20 21 8 9 08 1 5 0 2 0 3 56 57 38 39 31 32 21 22 1 8 2 1 0 2 0 4 4 0 6 0 煤气低热值煤气低热值 标标 MJ m 38 8 9 210 3 10 64 6 4 8 8 85 9 1 U gas 气化剂为空气和水蒸汽 因此煤气中含 N2很高 煤气热值低 表表 3 气流床气化炉技术指标气流床气化炉技术指标 气 化 炉 炉 型项目 TexacoShellK TPrenflo 气化炉参数气化炉参数 炉膛内径 m 1 7 3 0 4 5 2 0 3 5 1 5 5 0 10 气化炉体高度 m14 27 19 8530 45 原料煤种原料煤种 入炉煤粒度 mm 入炉煤含水量 m 气化炉进煤量 t d 1 低灰熔点烟煤 0 076 占 70 35 40 500 2000 烟煤 0 15 占 90 2 0 400 2000 烟煤 0 076 占 80 2 0 430 860 烟煤 石油焦 0 1 占 75 约 2 0 150 2600 气化条件气化条件 气化压力 kPa 气化温度 入炉蒸汽温度 加煤方式 3 5 6 5 1400 1500 不加蒸汽 水煤浆 2 0 4 0 1400 1700 250 干煤粉 0 03 0 05 1500 1600 250 260 干煤粉 2 6 1500 1600 250 300 干煤粉 消耗定额消耗定额 氧气消耗率 m3 标 kg 1煤 蒸汽消耗率 kg 1 kg 1煤 粗煤气产率 m3 标 t 1煤 0 62 0 65 0 1 9 2 1 0 56 0 57 0 13 0 15 1 7 1 86 0 60 0 65 0 4 0 5 1 75 1 80 0 55 0 58 0 16 0 18 1 86 1 92 干煤气组成干煤气组成 v H2 CO CO2 CH4 N2 Ar O2 CO H2 35 36 45 46 17 18 0 02 0 03 0 7 0 8 0 1 0 2 80 82 26 28 61 63 1 8 3 8 0 01 0 02 4 3 5 4 0 1 89 92 26 5 27 5 63 65 1 5 2 0 约 0 1 89 5 93 0 22 08 60 51 3 87 0 01 13 53 82 83 煤气低热值煤气低热值 标标 MJ m 39 6 9 7210 5 11 011 129 7 9 8 5 煤气化工艺方案的选择煤气化工艺方案的选择 5 1 专家意见 评价煤气化工艺技术必须建立在是否属于洁净煤气化技术的基础上 到现 在为止 可以说还没有万能的煤气化炉型和气化技术 各种煤气化炉型和气化 技术都有其特点