煤气化工艺技术的分类与选择

1、煤气化工艺技术的分类与选择 一、我国能源状况的分析 能源是人类赖以生存和推动社会可持续发展的重要 物质基础, 在世界矿物能源储量中, 煤占相当大的比例。 我国是以煤为主要能源的国家, 煤炭在能源结构中占 70% 左右, 实现煤炭洁净、高效、经济和合理的利用, 尤其是煤化工利用具有重大的现实和战略意义。煤化工 涉及领域广泛, 可生产几乎所有种类的石油化工产品, 目前我国油品短缺与原油储量及开采不足的矛盾已突现 出来, 二十一世纪前期我国煤化工的发展直接关系着国 家能源战略安全和基本化工产品的供给。 可见，煤的有效利用对于我们来说是多么重要的 一件事情。 从煤的加工过程区分，进行如下分类：从煤的加

2、工过程区分，进行如下分类： 气气 化化 直接液化直接液化 炼炼 焦焦 低温干馏低温干馏 其他加工其他加工 煤气化技术 煤气化工艺以煤炭(块煤、焦炭或粉煤) 为 原料, 采用空气、氧气、二氧化碳和水蒸气为 气化剂, 在气化炉内高温环境下进行热化学反 应。其主要气化反应是煤与气体介质之间的反 应, 即气、固两相之间的非均相反应, 同时也有 气体反应物之间的均相反应。这些反应进行的 程度决定于气化炉的操作条件, 即温度、压力、 气化剂与煤炭的接触时间及煤炭的化学反应活 性、表面情况等。其产品可作为燃料气、原料 气或合成气, 与气化炉炉型有关。气化炉的分 类按煤与气化剂的相对流动方式可分为逆流、 并逆

3、流和并流, 与其相对应的则是固定床、流 化床和气流床气化炉。 煤气化工艺技术的分类与选择煤气化工艺技术的分类与选择 1、移动床气化移动床气化（固定床气化）（固定床气化） 2、流化床气化、流化床气化 3、气流床气化、气流床气化 1、移动床气化移动床气化（固定床气化）（固定床气化） 移动床气化又称固定床气化移动床气化又称固定床气化, 属于逆流操作。可分为常压与属于逆流操作。可分为常压与 加压两种。常压法比较简单加压两种。常压法比较简单, 但要求用块煤但要求用块煤, 低灰熔点的煤难以使低灰熔点的煤难以使 用。加压法是常压法的改进和提高用。加压法是常压法的改进和提高,常用常用O2 与水蒸气为气化剂与水

4、蒸气为气化剂, 对对 煤种适应性大大提高。移动床气化常用方法是煤种适应性大大提高。移动床气化常用方法是Lurgi 加压气化法加压气化法, 生产的煤气中甲烷含量高生产的煤气中甲烷含量高, 适合处理灰分高、水分高的块粒状褐适合处理灰分高、水分高的块粒状褐 煤。煤。 常见的固定床常见的固定床(慢移动床慢移动床)气化炉有间歇式气化气化炉有间歇式气化( UG I)和连续和连续 式气化炉式气化炉(鲁奇鲁奇Lurgi)两种两种, 目前都是已淘汰或落后的气化技术。目前都是已淘汰或落后的气化技术。 其中其中固定床间歇式气化炉国外已于固定床间歇式气化炉国外已于20世纪世纪60年代初废弃年代初废弃。 连续式气化炉应

5、用碎煤加压气化技术, 20纪 30年代由德国鲁奇( Lurg i)公司开发成功, 是逆向气化, 煤在炉内停留时间长达1 h, 反应炉的操作温度和炉出 口煤气温度低, 碳转化率高, 气化效率高, 可以使用劣质 煤气化, 在世界各国得到广泛应用。但气化炉结构复杂, 炉内设有破粘和煤分布器、炉篦等转动设备, 制造和维 修费用大; 入炉煤必须是不粘块煤, 原料采购成本较高; 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, 增加了投资和成本。 鲁奇炉的产品气适合做城市煤气。 据悉我国云南解化集团和山西天脊集团采用该技 术生产合成氨。鲁奇气化炉生产合成气时, 气体成分中 甲烷含量

6、高( 8% 10% ) , 且生产流程长, 投资大; 因此, 鲁奇气化炉不适宜生产合成气。 2、流化床气化、流化床气化 流化床气化炉的气化剂由炉下部吹入流化床气化炉的气化剂由炉下部吹入, 使细粒煤使细粒煤(小于小于6mm)在在 炉内呈并逆流反应炉内呈并逆流反应, 煤粒煤粒(粉煤粉煤)和气化剂在炉底锥形部分呈并流运和气化剂在炉底锥形部分呈并流运 动动, 在炉上筒体部分呈并流和逆流运动在炉上筒体部分呈并流和逆流运动, 使炉内的煤粒在流化状态下使炉内的煤粒在流化状态下 气化气化, 在燃烧产生的高温条件下在燃烧产生的高温条件下, 气固两相充分混合接触气固两相充分混合接触, 发生煤的发生煤的 还原反应还

7、原反应, 最终实现煤的气化。最终实现煤的气化。 常见的流化床气化炉有常见的流化床气化炉有温克勒温克勒(W inkler)、灰团聚、灰团聚( U - Gas)、 循环流化床循环流化床( CFB)、加压流化床、加压流化床( PFB是是PFBC的气化部分的气化部分)以及中以及中 国科学院山西煤炭化学研究所研发的灰熔聚气化炉等国科学院山西煤炭化学研究所研发的灰熔聚气化炉等。目前较成功。目前较成功 的流化床气化炉有的流化床气化炉有鲁奇公司开发的循环流化床鲁奇公司开发的循环流化床( CFB )和中国科学和中国科学 院山西煤炭化学研究所研发的院山西煤炭化学研究所研发的灰熔聚气化炉灰熔聚气化炉。 随着灰熔聚技

8、术的研究成功随着灰熔聚技术的研究成功, 美国煤气技术研究所美国煤气技术研究所( IGT) 和美国和美国 凯洛格公司分别开发出了凯洛格公司分别开发出了U-GAS 和和KRW 两种流化床气化工艺两种流化床气化工艺, 这这 两种工艺弥补了传统工艺排灰含碳过高的不足两种工艺弥补了传统工艺排灰含碳过高的不足。 3、气流床气化、气流床气化 气流床是在固体燃料气化过程中气流床是在固体燃料气化过程中, 气化剂将煤粉夹气化剂将煤粉夹 带进入气化炉带进入气化炉, 进行并流气化。粉煤气化具有较大的反进行并流气化。粉煤气化具有较大的反 应表面积。气流床气化的特点在于煤粒各自被气流隔应表面积。气流床气化的特点在于煤粒各

9、自被气流隔 开开, 燃料的粘结性对气化过程没有影响。燃料在气流床燃料的粘结性对气化过程没有影响。燃料在气流床 气化炉的反应区停留时间极短气化炉的反应区停留时间极短, 即燃料与气化剂的反应即燃料与气化剂的反应 很快。为了维持较高的反应温度很快。为了维持较高的反应温度, 采用采用O2 和少量的水和少量的水 作为气化剂作为气化剂。 气流床气化炉从原料形态分为气流床气化炉从原料形态分为水煤浆、干煤粉水煤浆、干煤粉 两类。气流床对煤种两类。气流床对煤种(烟煤、褐煤烟煤、褐煤)、粒度、含硫、含、粒度、含硫、含 灰都具有较大的兼容性灰都具有较大的兼容性, 其清洁、高效代表着当今煤其清洁、高效代表着当今煤 气

10、化技术发展潮流。气化技术发展潮流。 水煤浆气流床气化技术水煤浆气流床气化技术 水煤浆气流床气化又称湿法进料气流床气Texaco （德士古）炉是一种率先实现工业化的气化技术, 由于 其进料方式简单, 工程问题较少, 又有重油气化经验, 近 十几年来得到长足的发展, 具有大的气化能力,Texaco 气化炉使用的典型煤浆浓度是60% 70% , 由于煤浆具 有液体的特性, 加压进料容易,所以可以实现更高压力 ( 8MPa 10MPa) 操作。 但存在主要的问题是氧耗较高。目前水煤浆气化技 术还有一些关键技术需改进, 如: ( 1) 喷嘴寿命短, 进口 可使用约60d( 25 万$ / 台) , 国产

11、可使用约52d; ( 2) 激 冷环使用寿命仅一年; ( 3) 耗氧量大, 有效气产率不够 高。为了降低过程氧耗, 提高冷煤气效率, 在Texaco 气 化技术基础上发展了两段进煤煤气化工艺, 干粉进料气流床气化技术干粉进料气流床气化技术 干粉进料气流床气化技术相对湿法进料具有氧耗低、 煤种适应广、冷煤气效率高等优点。其代表技术有Shell （壳牌）、Prenflo、日立气流床等。 Shell 粉煤制气工艺( SCGP) 是一个洁净的煤气化工艺 技术, 对原料具有广泛的适应性, 高级烟煤至褐煤、石油焦 均可作为原料。该工艺不但适于联合发电, 制取的合成气 还作为化工原料。SCGP 采用干粉煤进

12、料, 避免了湿法因 水气化升温带来的能量损失, 提高了冷煤气效率, 加压气流 床吹入纯氧, 使设备紧凑, 高效气化, 降低了非有效成分。 气化炉维持在1 300 1 700 e 温度范围之内, 采用膜式水 冷壁, 炉渣呈熔融状态, 起到隔热保护炉壁的作用( 所谓/ 以 渣抗渣0) 。原料中的碳在炉内的高温下99% 以上已经转 化, 这一高温也防止了高分子有机物和焦油类物质的生成。 对称式烧嘴保证了良好的混合性, 高转化率, 并且易于放大。 相比较而言相比较而言, Shell 技术有以下明显优势: ( 1) 煤种的广泛适用性, 原料选择范围更宽, 因此合成气 成本更低; ( 2) 任何煤种的完全

13、转化( 碳的转化率99% ) ; ( 3) O2 和煤的消耗低。Shell 技术与Dexaco 工艺相比, 每吨煤 可多产10% 的合成气, 消耗氧量可省15% 25%; ( 4) 工艺炉内壁采用水冷壁技术, 熔态排渣, 利用熔渣在 炉壁上冷却硬化结成的渣层保护炉壁不受磨损, 且烧嘴 寿命长( 保证1 年) , 使得气化炉坚固耐用; ( 5) Dexaco 炉的优点, 诸如有效气体成分高、无三废污 染等优点, Shell 炉也具备; ( 6) Shell气化炉及废热锅炉较庞大, 需大的高框架, 但 材质要求较低, 一次投资与Dexaco 大致相当。 相比较而言相比较而言, Shell 技术有以

14、下明显优势: ( 1) 煤种的广泛适用性, 原料选择范围更宽, 因此合成气 成本更低; ( 2) 任何煤种的完全转化( 碳的转化率99% ) ; ( 3) O2 和煤的消耗低。Shell 技术与Dexaco 工艺相比, 每吨煤 可多产10% 的合成气, 消耗氧量可省15% 25%; ( 4) 工艺炉内壁采用水冷壁技术, 熔态排渣, 利用熔渣在 炉壁上冷却硬化结成的渣层保护炉壁不受磨损, 且烧嘴 寿命长( 保证1 年) , 使得气化炉坚固耐用; ( 5) Dexaco 炉的优点, 诸如有效气体成分高、无三废污 染等优点, Shell 炉也具备; ( 6) Shell气化炉及废热锅炉 较庞大, 需

15、大的高框架, 但材质要求较低, 一次投资与 Dexaco 大致相当。 煤气化工艺的选择煤气化工艺的选择 在具体选用煤气化工艺时, 必须以科学的态度, 既要根据技术发展水平考虑工艺的先进性, 又要根 据实际情况考虑工艺的合理性。以自身或附近的原 料煤源为基础, 以产品煤气的用途为目标, 同时考虑 煤气工程的生产规模与气化设备的生产能力相配 套。鉴于国际煤气化工艺的现状, 结合我国的国情, 有如下建议: 1、小氮肥改造可采用灰熔聚流化床气化炉, 整 套装置与国外引进技术相比, 减少投资60% 左右, 改造投资小; 吨氨制气成本可大幅降低, 经济效益 明显 2、中氮肥改造可采用华东理工大学等开发的四

16、喷嘴 对置式水煤浆气化炉, 该技术已通过工业化试验, 对煤 种(特别是高硫煤)、粒度有较大兼容性, 具有单系列、 大容量、加压、高效、洁净的技术优势, 与我国的能 源资源国情相适应, 具有与国际先进技术竞争的能力。 3、建设大型煤化工或IGCC 发电项目, 首选Shell气化 炉。我国的干粉气化工艺虽已通过中试, 但工业化之 前必须引进大型干粉气化炉, 这是国内大型煤化工必 须面对的现实。国内科研设计单位也应抓住时机, 加 紧消化吸收引进技术, 为我所用, 增强自主创新能力, 形成有自主知识产权的新技术。 小小 结结： (1) 煤气化是煤化工发展的先导和关键技术,需大力开 发对煤种适应性强、单炉生产能力高、煤气成本低、 气体成分可调的各种先进加