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1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化学的根底. 煤气化技术是开展煤基化学品、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根底,是这些行业的共性技术、关键技术和龙头技术, 对我国经济和保证国家平安具有重要的战略意义.煤气化过程采用的气化炉炉型,日前主要有以下3种：固定床UGL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、PRENFL 0W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

2、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8 001 0 0 0 °C.代表炉型有美国的U. G. I型和前苏联的U.G. I型.工艺过程都比拟 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7 075%,产品本钱 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

3、% 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9 0011 5 0C,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808 4%.技术缺点：需要空分装置,投资比拟大.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, 由于气化剂中氧含量的增加,气化反响过程中,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,可以得到稳定的反响温度和固定的反响床层, 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 大的提升.1 . 1.3固定床加压气化工艺：前西德鲁奇公司Lurgi开发.工艺

4、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. I MPa,生产强度大,碳转化率高约90%o技术缺点:反响温度略低7 0 0110 0 °C,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,投资比拟大.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

5、速地进行气化反响,反响产生的煤气出气化炉后去废热回收和除尘洗涤 系统,反响产生的灰渣由炉底排出.气流床反响物料之间的传热和传质速率更快, 过程更容易限制,生产水平也有了较大的提升.下面就流化床气化工艺开展过程 中的凡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2 0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. 5 mm,干法排渣,氧气或空气 加蒸汽作气化剂,炉体上部有别离空间,使煤气当中夹带的半焦和灰颗粒别离,并 且用一次空气加蒸汽进一步气化,气化温度815U00°

6、;C,碳转化率7073%, 适用煤种：褐煤、次烟煤、弱粘结性煤.主要技术问题:炉底的炉算经常出现局部高温,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2 0世纪6 0年代在常压温克勒气化工艺的根底上开发的.工艺特点:常压气化,粉煤进料粒度小于10 mm,干法渣,氧气或空气加蒸汽 作气化剂,取消了炉算,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9 50105 0 °C,在炉气出口增设了旋风别离气,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

7、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技术的旋风别离器别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9 0%.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

8、环流化床气化,碳的转化率更高了,单炉生产水平大,煤种适应 广.技术缺点：排灰的含碳量仍然比拟高.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DO E 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根底上开展起来的,它的技术突破 在于采用了灰聚熔技术,所谓灰聚熔指的是：在炉底中央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,在这里灰渣中未反响的碳 进一步反响,煤灰那么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 量到达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,大幅度提升了碳的转化

9、率,是循环流化床气化技术开展史上的 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升到9 6-98%,气化 温度95广1038°C.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,而 且大大提升了碳的转化率,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0.692. 4 1 MP a ,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IG T20世纪8 0 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

10、的根底上开展起来的,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. 73.4MPa.该 技术对设备阀门的要求比拟高,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,反响物料被气化剂夹带,以气流床的形式进行反响,因而反响进行得更 快.一般要求反响的温度和操作的压力都比拟高.1.3. 1柯伯斯-托切可粉煤气流床气化工艺：前西德K.p p er-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

11、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响,产生高达 2000°C的高温,反响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.反响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炷类物资,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 资比拟大.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根底上开

12、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根本相同,所 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1 0 00°C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,气流床反响,加压气化3. 0 4.0MPa,气化温度1 340C熔融排渣,夹套水冷,煤种适应宽,儿乎可以气化 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

13、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.I .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复原反响生成水煤气,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9 4-98%,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6 5 %,

14、粒度9 9%通过14目筛网.技术缺点：氧耗比拟高,投资大、技术费用高.2其它制气技术2. 1 “热-电-煤气三联产煤制气技术“热-电一煤气三联产煤制气技术是在热电联产的根底上以较少的投资获 得高品质、低本钱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、褐煤等进行干馅产出煤气经净化后供应用户.“热一电一 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.烘1-CFB锅炉燃烧室：2-旋风别离器：3-热灰输送阀;4-热分解反

15、响器:5-煤斗：6 气液别离器;7-半焦输送阀；8-罗茨鼓风机图1热一电煤气三联产工艺流程示意图 优点：1原料煤为劣质煤褐煤、次烟煤等,煤种在我国分布广,价格低.2工艺过程反响条件温和常压、中温.3工艺过程无氧化反响,根本上不增加C02气体排放.4节能效果显著,工艺局部与热电联产相结合,综合热效率可达90%. 局限：1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.2对原料煤的煤种有一定的限制.3煤气化技术开展趋势世界现代煤炭气技术的特点及开展趋势是：1气化压力向高压开展 气化压力由常压、低压 I OMPa向高压 2. OF. 5 MPa气化开展,从而提升气化效率、碳转化率和气化炉水平,实

16、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,降低生产本钱.如Te x aco气化压力可达6. 58. 5M Pa, She 1 1气化压力为24MPa.2气化炉水平向大型化开展 Texaco和Sh e 1 1单台气化炉气化煤量 已到达2000吨/天以上.Pren f lo气化炉气化煤量已达26 0 0吨/天.大型化便 于实现自动限制和优化操作,降低能耗和操作费用.3质化温度向高温开展Te x a c o气化温度1 40 0、1500°C, S h ell气化 温度高达14 0 01700°C,流化床气化温度为1000120 0

17、°C,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.不断开发新的质化技术和新型气化炉,提升碳转化率和煤气质量,降低建设投资 目前碳转化率高达98%99%,煤气中C0+H 2到达80%、90%.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、二甲酰技术联合实现等 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 如在气化炉内参加脱硫剂石灰石,脱硫效率可达80%90%;采用高效除尘 器使煤气中含尘降到广2mg / m3o总之,先进流

18、化床、气流床煤气化技术已实现工业化和大型化,并不断改良 和完善,应用范围不断扩大,是今后的开展方向.4煤气化工艺比拟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,提升了操作压力,生产强度提升了.4. 2流化床气化工艺恩德粉煤气化技术旋风除尘别离的灰尘返回气化炉回收利用,比温克勒技术 的碳的转化率提升了.CFB的除尘别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 含量进一步提升了碳的转化率.加压的灰熔聚技术提升了气化压力,进一步提升 了装置的生产强度.4.

19、 3气流床气化工艺中Shel 1气化技术比K opper-T o bek气化技术的压力提升了,生产强度提升 了 dexac o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, 操作更容易限制,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,比方：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 e s t inghou

20、se )流化床气化技术、粘聚灰 流化床气(Bat t e 1 e-Uni o n Carbide)气化技术、粉煤气化技术.另外还有 其他的一些新技术,比方DOW炉、PRENFOL炉、德意志燃料技术研究所开发的G SP炉等技术.儿种常用煤气化炉的主要气化工艺性能和指标比拟见表I、表2、表3：表1固定床气化炉技术指标工程气化炉炉型U. G. I 炉M型炉W.G型炉鲁奇炉气化炉规格 炉膛内径/m 气化炉总高/m4)2. 4368. 51 2.6巾2.03.08. 99.24)2. 03013.88<1)2.4-5.012-13.2原料煤种入炉煤粒度/mm无烟煤、焦炭 1375无烟煤、烟煤1 8

21、60无烟煤、焦炭625褐煤、烟煤55 0气化条件气化压力/kPa气化温度/C炉顶温度/C气化强度/ (kg.nWh-i )1 8209 0 0100 035 0 "400 3505604. 06. 08 7 0 10004505002 0 0-2508 1 09 00 105045 0 50 02 8 03 4 025 0 02942950-1 1 003 5 04 50 700" 0消耗定额氧气消耗率/m3标.kg' i煤空气消耗率/m3标.kg煤 蒸汽消耗率/kg, kg煤 粗煤气产率/m3标加煤2. 83.11. 41 .61 6 0 018 702.802.

22、90 0.30.5300036002 .0-2.50. 3 5 0.63 00040000.150. 201. T1.41400、1600干煤气组成/% Vh2COCO2ch4O2N->半水煤气39 4 128 307.58. 51. 0. 20. 3 0. 41921空气煤气11 1 2272 94.0500. 4 0 . 50.2 0.352 5 4空气煤气121328 303 .54.50.5 0.80.2 0.3525 338 391 5-18 3广32 101 20.150.20 1.21 .5煤气低热值标/MJm'8. 38.55. 25. 45.4"5.

23、610.210.5表2流化床气化炉技术指标工程气化炉炉型HTWCFBU- g a s灰熔聚代化炉参数炉膛内径/m 气化炉体高度/m.2.23.716 236 2.83. 511-18<I>1. 2 2. 615. 3" 1 8.5巾2.43.0 15 1 8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01 0< 1 21 6 8" 2 840焦炭、次烟煤树皮、木屑06< 1 15 0 0 "2000褐煤、变质煤 甘蔗渣、木屑 .6<31 2026 0褐煤、烟煤焦粉08< 51 2

24、 02 1 6气化条件气化压力/kPa 气化温度/C 入炉蒸汽温度/°c 炉顶温度/C1.0" 3.09 5 010502503009 0 095 00050.2 85 0 -1100I 5 0200 9 001 0 000. 2 22. 79 5 0 10502502 859 00-9 8 00.0 3-0. 05950"1 00280 31095010 0消耗定额氧气消耗率/ r m 3g -1煤蒸汽消耗率/ CkgLkg '煤粗煤气产率/m3标.L煤0.48 60.5 2160018500.5 040.591700" 8500. 6 0.7

25、0.45-0. 72 4680"4 9700.470.540. 6的.82 2 002400干煤气组成/% v h2COco2CH4O232 34363 89.0-10. 02.02.20.2-0. 3363 84 3.545. 213. 5 15 . 62. 0 "2.515" 1 62 021 89081.50.2-0. 33839 3广32 2广221.82. 1 0.20. 4n20.61.30.2" 0 . 30.6 1.3565 74. 0 6. 0煤气低热值标/ M J.m38.8 9.21 0. 3 1 0.64.64.8'8.8

26、 5-9.1U-gas气化剂为空气和水蒸汽,因此煤气中含N?很高,煤气热值低.表3气流床气化炉技术指标工程气化炉炉型Texac 0Sh ellK-TP r enflo气化炉参数炉膛内径/m 气化炉体高度/md)l. 7、3.014.2 7-19.854)4.5<1)2.03. 54)1. 5 5. 03 0 4 5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低灰熔点烟煤 < 0 . 076 占70% 354 0 5002000烟煤<0.15 占90%<2.0 4002000烟煤<0. 07 6 占 80%<2.04308 6 0烟煤

27、、石油焦< 0. 1 占 75%约2 .01 5 0 26 00气化条件气化压力/kPa气化温度/C入炉蒸汽温度/°c加煤方式3.5飞.51 40 0 1500 不加蒸汽 水煤浆2. 0-4.014001 700250干煤粉0.03-0.0 51500160 0 250260 干煤粉2.615 00-1 600250 30 0 干煤粉消耗定额氧气消耗率/标.kg->煤蒸汽消耗率/ fkg '.kg-*煤粗煤气产率/m3标.t煤0. 6 2 -0.6501. 9-2.10. 5 60. 57 0.130.15 1.7-1.8 60.60-0.6 50 . 4 0. 51 . 751 .800.5 5 "0. 58 0.160.18 1. 86-1. 92干煤气组成/%( v)COCO2CH4Nz+ArO2CO+H23 5 364 5 4 617 180.020 030.70.80.T0.28082262 861631 . 8 3.8o. o To.0 24. 35.40.