浅析煤炭气化技术

1、浅析煤炭气化技术摘要：本文阐述了煤炭气化技术的基本原理和过程，简述了移动床（固定床）气化、流化床气化、气流床气化3 种煤气化技术的进展。关键词：煤气化；气化原理；气化炉1 引言我国是一个煤炭资源相对丰富、油气资源匾乏的国家，能源结构主要以煤为主。长期以来，我国煤炭的利用大部分采用传统的直接燃烧方法，致使我国成为典型的煤烟型污染的国家，不仅煤炭利用效率较低，而且燃煤排放的大量有害物质引起了城市空气质量的恶化，对环境造成严重的污染。如何提高煤炭的利用效率，减少煤炭利用过程中的环境污染，己成为煤炭利用中的焦点问题。因而开发洁净高效的煤炭利用技术，是解决我国能源需求和环境问题的关键技术，具有重要的研究

2、意义。2 煤气化原理煤气化是将煤与气化剂（空气、氧气或水蒸气）在一定温度和压力下进行反应，使煤中的可燃部分转化为可燃气体，而煤中灰分以废渣的形式排出的过程。所生成的煤气再经过净化，就可作为燃气或合成气来合成一系列的化工产品。在气化炉内，煤炭经历了干燥、干馏、气化和燃烧等几个过程。干燥：原料煤进人气化炉后受热，大约在200煤孔中吸附态或吸藏的气体及水分首先被脱除。干馏：干馏是脱除挥发分过程，当干燥煤的温度进一步提高，煤中的挥发物从煤中逸出。气化过程的基本反应：经干馏后得到的半焦与气流中的H2O、CO2和H2等反应，生成可燃性气体等产物，其主要反应有碳与水蒸气的反应，碳与二氧化碳的反应，甲烷生成反

3、应，变换反应。燃烧：经气化后残留的半焦与气化剂中的氧进行燃烧。由于碳与水蒸气、二氧化碳之间的反应都是强烈的吸热反应，因此气化炉内要保持高温才能维持吸热反应的进行。一般将热解后的固定碳与气化剂的化学反应按照参与反应物的物质相态分成两种类型：非均相的气固反应和均相的气相反应。煤的气化反应方程很多，其中受到关注和研究的可概括为以下的九个反应： 非均相反应： 均相反应： 国内外学者对上述9个主要的煤气化方程进行研究，但还没有形成统一的结果，许多研究者认为煤的气化反应主要是非均相反应，这其中包含发生化学反应的化学过程，也包含了气体在煤焦表面的吸附、扩散传质、气体流场分布以及热传导等质量、能量的传递过程；

4、而且也有气体反应物之间的均相反应，其总的气化历程通常经过如图1所示的7个步骤：图1 气-固非均相反应示意图1) 气体反应物通过外气膜边界层扩散到煤焦颗粒的表面；2) 气体反应物在多孔煤焦结构中沿孔隙内扩散至颗粒的内表面；3) 气体反应物被颗粒内表面的活性位吸附，形成C(O)化合物中间络合物；4) 吸附在表面的中间络合物在颗粒内表面发生化学反应；5) 吸附态的产物从颗粒内表面脱附；6) 气体产物从颗粒的内孔通道向颗粒外表面扩散；7) 气体产物从颗粒外表面扩散到周围的气相环境中。由此可见，煤焦的气化反应历程是化学动力学过程和扩散过程共同影响的复杂过程。3 煤炭气化技术煤的气化技术有几十种，但可归纳

5、为三大类：固定床气化、流化床气化和气流床煤气化技术。3.1 固定床气化固定床气化炉是最早开发出的气化炉，通常，煤从气化炉的顶部加入，而气化剂（氧气、空气或水蒸气）从炉子的下部供入，因此气固间是逆向流动的。固定床煤气化技术主要有间歇固定床气化炉(UGI)、鲁奇( Lurgi) 炉和BGL (鲁奇改进) 气化炉。1) 间歇固定床气化炉(UGI)UGI常压固定床气化技术的优点是操作简单、投资少，但技术落后，能力和效率低，污染严重。以常压2650的气化炉为例，单台炉投煤量仅为60t/d，且原料为2580mm的无烟块煤或焦炭。2) 鲁奇( Lurgi) 炉鲁奇( Lurgi) 固定床气化工艺成熟可靠，气

6、化温度900 1050， 包括焦油在内的气化效率、碳转化率和气化热效率都较高，氧耗是各类气化工艺中最低的， 原料制备和排渣处理成熟。煤气热值是各类气化工艺中最高的，它最适合生产城市煤气。若选择制合成气存在以下问题：煤气成分复杂，合成气中含有甲烷7% 10% ，如果将这些甲烷转化为H2 和CO， 势必增大投资，成本高；有大量污水需要处理。污水中含大量焦油、酚、氨、脂肪酸、氰化物等，因此要建焦油、酚、氨回收装置和生化处理装置， 会增加投资和原材料消耗；该气化技术需15 50mm 的块煤。块煤价格高， 将增加成本。3) BGL气化炉BGL气化炉由英国煤气公司与德国鲁奇公司联合开发。BGL炉是鲁奇(L

7、urgi) 炉的改进型，由固态排渣改为液态排渣。该炉型需2050mm的块煤，细粉比例不能大于35%，需要加入适量的助滤剂。其气化产物中含有一定量的焦油和苯酚，分离比较困难。BGL气化炉的优点如下：(1) 与流化床或气流床气化相比，耗氧量较低；(2) 熔渣区的高温气化使反应速度加快，处理量增大以及不受煤的反应性影响；(3) 炉内存煤量大，在发生煤源中断时能保证安全运行。负荷调节容易，开、停工快； (4) 喷嘴中可喷入煤粉，本工艺冷凝后的焦油油类，所产生含酚废水可制成水煤浆自喷嘴入炉气化；(5) 高温区位于炉底中心线周围，使高温运行不致发生随之而来的炉体材料问题。BGL气化炉的缺点有：(1) 炉气

8、化以块煤为主，在不易获得块煤的地方就不便采用；(2) 煤种适应性差，要求采用低灰含量、低灰熔点的煤，当使用高灰熔点煤时，就需加入助熔剂；(3) 炉内所用耐火材料需能耐高温和抗腐蚀性能，必须致密、孔径小，不含活性铁，对 排渣口的耐火材料要求更高；(4) BGL气化炉中，排渣是整个操作的关键问题，此项操作较鲁奇干灰炉更为复杂；(5) 有含酚废水排出，需用生化处理等方法加以净化；(6) 煤气中CO含量较高，甲烷含量较低(与鲁奇干灰炉相比)，更适于作燃料气。 3.2 流化床气化工业上应用的流化床气化技术主要是常压、增压流化床，其中典型的有：高温温克勒( HTW) 、灰熔聚气化( KRW和 U-gas)

9、 和循环流化床气化工艺。1) 高温温克勒(HTW)气化炉高温温克勒(HTW)气化炉提高操作压力和温度，增加流化床带出细分循环入炉系统，从而提高了气化炉的气化强度和碳转化率，煤气中的CH4 含量亦降低。已运转的示范装置操作压力为1.0MPa，其生产能力为干褐煤720t/d。为应用于IGCC，进一步提高压力至2.5MPa 以上， 气化炉直径3. 7m，褐煤处理能力达到160t/h，可满足36.7kW 发电装置.2) 灰熔聚气化( KRW和 U-gas)U-gas 气化炉是一个单段灰熔聚流化床， 在床内完成4 个主要过程： 煤的破黏、脱挥发分、煤的气化和灰的熔聚、分离。 气化剂( 氧/蒸气) 分两路

10、进入气化炉：含氧较低的一股气化剂， 通过流化床分布板进入， 使流化床温度均匀保持954 1010；含氧较高的一股气化剂，以较高气速， 通过特殊喷嘴喷入， 目的是在喷嘴上方形成低泡相高温区( 高出床层温度38 ) ， 此高温区的温度控制在煤灰的软化温度， 在此温度下， 灰渣可熔聚成团粒。 当其粒度和相对密度逐渐增大到一定程度， 即能克服逆向而来的气流阻力， 落入灰斗， 用水冷却后即可排出炉外。煤气夹带的煤粉， 经两个串联的旋风分离器分离出来。其中一个旋风分离器装在炉内， 能使绝大多数的夹带物分离并返回流化床；另一个装在炉外， 进一步分离煤气夹带物并返回喷嘴再进入床层燃烧。U-gas气化炉由于采用

11、了灰熔聚技术和内外两个旋风分离器，提高了碳的利用率。灰渣含量约为5%10%；对煤种适应较广，并能使用粉煤为原料；炉体结构简单，操作安全可靠，并易于实现自动化；煤气中无焦油和油类，便于气体的净化处理；无废气排空，对环保有利。KRW 炉由美国Kellog rust synfuels 及Westing House Company 合作开发。KRW 炉是一种灰熔聚排灰的加压流化床气化炉。该炉为一圆筒形容器，由上大、下小直径不同的三段壳体组成。 粉煤、输送气( 循环煤气) 和空气( 或氧气)由炉底中心管喷入炉内， 在喷管周围通入蒸汽， 在喷咀处形成一股射流， 向上运动，此即射流高温燃烧区。 当含碳量降低

12、了的颗粒变得越来越软， 碰撞后互相黏结，增大而成团粒，当团粒增大至不再被流化时， 落入扩底并从灰斗排出，在炉内的流化床中， 煤与空气( 或氧气) 、蒸气进行气化反应， 生成煤气并由颈部排出， 经旋风除尘器除下夹带的焦粉， 此焦粉返回炉内， 与入炉煤粉相混而参加气化反应。3.3 气流床气化国外已经产业化或完成中试的气流床煤气化炉主要有K- T、Shell、Prenflo、GSP、Texaco、E- Gas 等技术。国内气流床煤气化炉主要有多喷嘴对置和TPRI 两段干煤粉气化技术等。1) K-T气化炉 K-T气化工艺将干燥的煤粉与过热蒸汽和氧气混合，从燃烧喷嘴喷入高温炉头进行燃烧和气化。气化炉采用

13、水冷壁耐火衬里，炉壁为水夹套。高温炉头对称设置，可促进煤粉充分燃烧，同时避免火焰冲刷炉墙，保护衬里。炉头内温度高达2 000，反应迅速，需要的时间约0.1s。气化炉中部温度为1 5001 600，气体停留时间约为1.01.5s。部分煤灰以熔渣形式自炉底排出，其余渣滴和未燃尽炭粒则被煤气夹带出炉。气化的煤气经余热锅炉回收显热后进入煤气净化工序。K- T 气化法的优点是对煤质适应性较广，气化强度高，生产能力大。然而，根据气流床气化动力学，则更宜选用活性高、地质年龄低、粒度较细、低灰熔点和低灰分的煤。再考虑经济效益，K-T 法更适合于气化低价的烟煤、褐煤。此法的缺点是飞灰带出物的质量分数约为15%之

14、多，是大规模生产应注意的一个问题；采用煤粉气力输送能耗大，设备磨损严重；对气化炉耐火材料要求较高；捕渣率低，约21%30%，易造成后续系统堵塞；负荷调节幅度低，约70%。2) Texaco 气化炉Texaco气化炉采用水煤浆进料，液态排渣，其内壁衬有多层耐火砖。水煤浆和氧气从炉顶的燃烧器高速连续地喷入部分氧化室，高温状态下工作的喷嘴设有冷却水装置，水煤浆喷入气化炉内迅速发生反应，数秒内完成气化过程。气化炉的下部因冷却方式不同有两种形式：一种是激冷型，一种是全热回收型。Texaco 气化工艺的优点是气化炉结构简单，煤种适应性广，开停车方便，合成气质量好，合成气价格低，碳转化率高，可达97%98%

15、，单炉生产能力高；此工艺的缺点是水煤浆进料需气化大量水分，导致较高的煤耗和氧耗；气化炉耐火材料使用寿命短，烧嘴使用周期短等。3) E- Gas 气化炉E- Gas 气化炉内衬采用耐火砖，约85% 的煤浆与氧气通过喷嘴射流进入气化炉第一段，进行高温气化反应，一段出口的高温气体中含量分别接近20%；15%左右的煤浆从气化炉第二段加入，与一段的高温气体进行热质交换，煤在高温下蒸发、热解，残碳与CO2和H2O进行吸热反应，可以使上段出口温度降低到1040左右。1040的合成气通过一个火管锅炉（合成气走管内）进行降温，降温后的合成气进入陶瓷过滤器，分离灰渣，过滤器分离出的灰渣循环进入气化炉一段。此工艺的

16、优点是采用了两段气化方式，增加了合成气的热值，同时降低了合成气的温度，减少换热负担，导致煤耗和氧耗的减少。其缺点是此炉型结构不能承受高压。4) GSP气化工艺GSP 气化炉属下喷式加压气流床液态排渣工艺，以煤、化学残渣或生物质为原料。煤粉通过旋风分离器进入常压进料斗，通过氮气输送，与氧气、过热蒸汽一起进入气化炉进行气化反应，炉内温度为12001700，压力2.53.0MPa，内衬为盘管式水冷壁，粗合成气携带熔渣进入激冷室冷却洗涤，激冷后的灰渣经渣斗排出，激冷水送黑水处理工段。GSP 气化工艺的优点是气化原料来源广，碳转化率高，可达99.6，气化强度大、能耗低，采用水冷壁结构，以渣抗渣；其缺点是

17、加料过程复杂，投资高，易堵塞。5) Shell 气化炉Shell 工艺是在K- T 气化工艺上演变而来的高温加压粉煤气化工艺。Shell 气化炉包括内筒和外筒两部分，内筒上部为燃烧室，下部为激冷室，采用膜式水冷壁。侧壁烧嘴进料，根据气化能力设置48 个烧嘴对喷，从而使操作具有很强的可调幅能力。气化温度为1 4001 700左右，气化压力2 4MPa，煤粉、氧气和过热蒸汽在加压条件下并流进入气化炉，瞬间完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物化反应过程。熔渣从炉底排出。Shell 气化炉的优点是煤种适应性广，碳转化率达99%以上，产品气体不含重烃，甲烷含量极低，有效气体含量达90%以上。

18、气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖衬里，维护量少，运转周期长。国内引进的Shell工艺运行出现的问题主要有粉煤输送系统的稳定性差，下渣口堵塞，锅炉积灰，投资巨大，不能保证后续化工装置长期满负荷运行，甚至水冷壁被烧穿。6) Prenflo 气化炉Prenflo 气化炉本质上与Shell气化炉是一致的，Prenflo 气化炉也是使用的水冷壁结构，但其水冷壁为盘管，Shell为立管管排。独特的地方是Prenflo集气化室和合成气的冷却室于一身，气化炉内含氮气较Shell多。煤粉，富氧，蒸汽从气化炉子下半部的地方分两个喷嘴喷进去,在气化室内完成气化过程，气化温度在1600以上，在气化炉出口用已净化好的合成

19、气来激冷粗煤气,将煤气温度降至800左右。合成气的热能在表面蒸发器中得到回收，表面蒸发器面积较大处于炉子上部，炉底用激冷水来激冷。Prenflo气化与Shell气化的主要差异是用纯度为85%的氧气代替Shell气化中纯度为95%的氧气作为气化剂，借以减少制O2系统用电的消耗。但是它也带来了三个副作用：冷煤气效率低，为76%78%；O2的消耗量由Shell气化的0.95kg/1kgMAF增加到1.15kg/lkgMAF；蒸汽耗量略有增加。7) 新型多喷嘴对置气化炉新型多喷嘴对置气化工艺由华东理工大学洁净煤技术研究所开发，此工艺也是对Texaco 气化工艺的改进，是在对气流床特性及煤气化过程深入分

20、析的基础上开发的撞击流气流床水煤浆气化技术，气化炉主要由炉体和四个对称分布在气化炉中上部同一水平面上的预膜式喷嘴组成，炉内壁衬耐火砖。以氧气为气化剂，水煤浆和氧气一起从喷嘴喷入气化炉，形成撞击流并进行气化反应，粗煤气携带熔渣向下进激冷室，熔渣固化排出，粗煤气自液位下鼓泡出激冷室后送后续工序。此工艺的优点是对称布置的喷嘴能够很好的实现煤浆的雾化，降低煤耗，碳转化率提高，可达98%。此工艺的缺点是存在拱顶砖冲刷严重、拱顶温度过高的问题，撞击流向下可能冲击气化炉出口，影响到气化炉的稳定性和气化效率。8) TPRI 两段干煤粉气化技术TPRI 两段干煤粉气化炉是对Shell 和Prenflo 气化炉的

21、改进。西安热工研究院开发的两段式干煤粉加压气化炉为圆筒型结构，采用水冷壁炉膛。一段炉膛有四个水平布置且对称分布的煤粉喷嘴、二段有两个对称分布的煤粉喷嘴。在气化炉产生的煤气向上流动，从顶部离开气化炉，同时液态渣熔沿着竖直的水冷壁向下流动，从气化炉底部排出，经水激冷后固化且分散成小的颗粒状，然后流入渣池。这样设置可确保煤气产品和大部分渣/灰的简单而有效的分离。部分飞灰夹带在煤气中进入煤气激冷罐。冷壁炉膛安装在气化炉内，水冷壁管被不饱和锅炉水冷却，同时产生中压蒸汽。此技术的优点是可降低煤气出口温度，相比一段炉冷煤气效率提高2%3%， 氧耗降低10%，同时使碳转化率得到提高，缩小循环冷煤气压缩机，节省功耗。此技术已在华能集团“绿色煤电”项目、内蒙古世林化工公司甲醇项目、华能满洲里煤化工公司甲醇项目和美国宾夕法尼亚IGCC项目上应用，标志着此技术已进入工程化实验阶段。4 结论随着工业的快速发展，大量温室气体及有害气体如SOx 和NOx 等严重危害了人类赖以生存的生态环境，同时，化石燃料加速消耗，使