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煤氣化技術(shù)基本知識

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編輯: 馬亮亮
發(fā)布時間: 2011-10-31
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一、煤氣化原理                                                                        

　　氣化過程是煤炭的一個熱化學加工過程。它是以煤或煤焦為原料，以氧氣（空氣、富氧或工業(yè)純氧）、水蒸氣作為氣化劑，在高溫高壓下通過化學反應(yīng)將煤或煤焦中的可燃部分轉(zhuǎn)化為可燃性氣體的工藝過程。氣化時所得的可燃氣體成為煤氣，對于做化工原料用的煤氣一般稱為合成氣（合成氣除了以煤炭為原料外，還可以采用天然氣、重質(zhì)石油組分等為原料），進行氣化的設(shè)備稱為煤氣發(fā)生爐或氣化爐。
　　煤炭氣化包含一系列物理、化學變化。一般包括熱解和氣化和燃燒四個階段。干燥屬于物理變化，隨著溫度的升高，煤中的水分受熱蒸發(fā)。其他屬于化學變化，燃燒也可以認為是氣化的一部分。煤在氣化爐中干燥以后，隨著溫度的進一步升高，煤分子發(fā)生熱分解反應(yīng)，生成大量揮發(fā)性物質(zhì)（包括干餾煤氣、焦油和熱解水等），同時煤粘結(jié)成半焦。煤熱解后形成的半焦在更高的溫度下與通入氣化爐的氣化劑發(fā)生化學反應(yīng)，生成以一氧化碳、氫氣、甲烷及二氧化碳、氮氣、硫化氫、水等為主要成分的氣態(tài)產(chǎn)物，即粗煤氣。氣化反應(yīng)包括很多的化學反應(yīng)，主要是碳、水、氧、氫、一氧化碳、二氧化碳相互間的反應(yīng)，其中碳與氧的反應(yīng)又稱燃燒反應(yīng)，提供氣化過程的熱量。
　　主要反應(yīng)有：
　　1、水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)：C+H2O=CO+H2-131KJ/mol
　　2、水煤氣變換反應(yīng)：CO+ H2O =CO2+H2+42KJ/mol
　　3、部分氧化反應(yīng)： C+0.5 O2=CO+111KJ/mol
　　4、完全氧化（燃燒）反應(yīng)：C+O2=CO2+394KJ/mol
　　5、甲烷化反應(yīng)：CO+2H2=CH4+74KJ/mol
　　6、Boudouard反應(yīng)：C+CO2=2CO-172KJ/mol
二、煤氣化工藝
　　煤炭氣化技術(shù)雖有很多種不同的分類方法，但一般常用按生產(chǎn)裝置化學工程特征分類方法進行分類，或稱為按照反應(yīng)器形式分類。氣化工藝在很大程度上影響煤化工產(chǎn)品的成本和效率，采用高效、低耗、無污染的煤氣化工藝(技術(shù))是發(fā)展煤化工的重要前提，其中反應(yīng)器便是工藝的核心，可以說氣化工藝的發(fā)展是隨著反應(yīng)器的發(fā)展而發(fā)展的，為了提高煤氣化的氣化率和氣化爐氣化強度，改善環(huán)境，新一代煤氣化技術(shù)的開發(fā)總的方向，氣化壓力由常壓向中高壓（8.5 MPa）發(fā)展；氣化溫度向高溫（1500～1600℃）發(fā)展；氣化原料向多樣化發(fā)展；固態(tài)排渣向液態(tài)排渣發(fā)展。
　　1、固定床氣化
　　固定床氣化也稱移動床氣化。固定床一般以塊煤或焦煤為原料。煤由氣化爐頂加入，氣化劑由爐底加入。流動氣體的上升力不致使固體顆粒的相對位置發(fā)生變化，即固體顆粒處于相對固定狀態(tài)，床層高度亦基本保持不變，因而稱為固定床氣化。另外，從宏觀角度看，由于煤從爐頂加入，含有殘?zhí)康臓t渣自爐底排出，氣化過程中，煤粒在氣化爐內(nèi)逐漸并緩慢往下移動，因而又稱為移動床氣化。
　　固定床氣化的特性是簡單、可靠。同時由于氣化劑于煤逆流接觸，氣化過程進行得比較完全，且使熱量得到合理利用，因而具有較高的熱效率。
　　固定床氣化爐常見有間歇式氣化（UGI）和連續(xù)式氣化（魯奇Lurgi）2種。前者用于生產(chǎn)合成氣時一定要采用白煤（無煙煤）或焦碳為原料，以降低合成氣中CH4含量，國內(nèi)有數(shù)千臺這類氣化爐，弊端頗多；后者國內(nèi)有20多臺爐子，多用于生產(chǎn)城市煤氣；該技術(shù)所含煤氣初步凈化系統(tǒng)極為復雜，不是公認的首選技術(shù)。
　　（1）、固定床間歇式氣化爐（UGI）
　　以塊狀無煙煤或焦炭為原料，以空氣和水蒸氣為氣化劑，在常壓下生產(chǎn)合成原料氣或燃料氣。該技術(shù)是30年代開發(fā)成功的，投資少，容易操作，目前已屬落后的技術(shù)，其氣化率低、原料單一、能耗高，間歇制氣過程中，大量吹風氣排空，每噸合成氨吹風氣放空多達5 000 m3，放空氣體中含CO、CO2、H2、H2S、SO2、NOx及粉灰；煤氣冷卻洗滌塔排出的污水含有焦油、酚類及氰化物，造成環(huán)境污染。我國中小化肥廠有900余家，多數(shù)廠仍采用該技術(shù)生產(chǎn)合成原料氣。隨著能源政策和環(huán)境的要來越來越高，不久的將來，會逐步為新的煤氣化技術(shù)所取代。
　　（2）、魯奇氣化爐
　　30年代德國魯奇（Lurgi）公司開發(fā)成功固定床連續(xù)塊煤氣化技術(shù)，由于其原料適應(yīng)性較好，單爐生產(chǎn)能力較大，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。氣化爐壓力（2.5～4.0）MPa，氣化反應(yīng)溫度（800～900）℃，固態(tài)排渣，氣化爐已定型（MK～1～MK－5），其中MK－5型爐，內(nèi)徑4.8m，投煤量（75～84）噸/h，粉煤氣產(chǎn)量（10～14）萬m3/h。煤氣中除含CO和H2外，含CH4高達10%～12%，可作為城市煤氣、人工天然氣、合成氣使用。缺點是氣化爐結(jié)構(gòu)復雜、爐內(nèi)設(shè)有破粘和煤分布器、爐篦等轉(zhuǎn)動設(shè)備，制造和維修費用大；入爐煤必須是塊煤；原料來源受一定限制；出爐煤氣中含焦油、酚等，污水處理和煤氣凈化工藝復雜、流程長、設(shè)備多、爐渣含碳5%左右。針對上述問題，1984年魯奇公司和英國煤氣公司聯(lián)合開發(fā)了液體排渣氣化爐（BGL），特點是氣化溫度高，灰渣成熔融態(tài)排出，炭轉(zhuǎn)化率高，合成氣質(zhì)量較好，煤氣化產(chǎn)生廢水量小并且處理難度小，單爐生產(chǎn)能力同比提高3～5倍，是一種有發(fā)展前途的氣化爐。
　　2、流化床氣化
　　流化床氣化又稱為沸騰床氣化。其以小顆粒煤為氣化原料，這些細顆粒在自下而上的氣化劑的作用下，保持著連續(xù)不斷和無秩序的沸騰和懸浮狀態(tài)運動，迅速地進行著混合和熱交換，其結(jié)果導致整個床層溫度和組成的均一。流化床氣化能得以迅速發(fā)展的主要原因在于：（1）生產(chǎn)強度較固定床大。（2）直接使用小顆粒碎煤為原料，適應(yīng)采煤技術(shù)發(fā)展，避開了塊煤供求矛盾。（3）對煤種煤質(zhì)的適應(yīng)性強，可利用如褐煤等高灰劣質(zhì)煤作原料。
　　流化床氣化爐常見有溫克勒（Winkler）、灰熔聚（U-Gas）、循環(huán)流化床（CFB）、加壓流化床（PFB是PFBC的氣化部分）等。
　?。?）、循環(huán)流化床氣化爐CFB
　　魯奇公司開發(fā)的循環(huán)流化床氣化爐（CFB）可氣化各種煤，也可以用碎木、樹皮、城市可燃垃圾作為氣化原料，水蒸氣和氧氣作氣化劑，氣化比較完全，氣化強度大，是移動床的2倍，碳轉(zhuǎn)化率高（97%），爐底排灰中含碳2%～3%，氣化原料循環(huán)過程中返回氣化爐內(nèi)的循環(huán)物料是新加入原料的40倍，爐內(nèi)氣流速度在（5～7）m/s之間，有很高的傳熱傳質(zhì)速度。氣化壓力0.15MPa。氣化溫度視原料情況進行控制，一般控制循環(huán)旋風除塵器的溫度在（800～1050）℃之間。魯奇公司的CFB氣化技術(shù)，在全世界已有60多個工廠采用，正在設(shè)計和建設(shè)的還有30多個工廠，在世界市場處于領(lǐng)先地位。
　　CFB氣化爐基本是常壓操作，若以煤為原料生產(chǎn)合成氣，每公斤煤消耗氣化劑水蒸氣1.2kg，氧氣0.4kg，可生產(chǎn)煤氣 （l.9～2.0）m3。煤氣成份CO＋H2＞75%，CH4含量2.5%左右， CO215%，低于德士古爐和魯奇MK型爐煤氣中CO2含量，有利于合成氨的生產(chǎn)。
　?。?）、灰熔聚流化床粉煤氣化技術(shù)
　　灰熔聚煤氣化技術(shù)以小于6mm粒徑的干粉煤為原料，用空氣或富氧、水蒸氣作氣化劑，粉煤和氣化劑從氣化爐底部連續(xù)加入，在爐內(nèi)（1050～1100）℃的高溫下進行快速氣化反應(yīng)，被粗煤氣夾帶的未完全反應(yīng)的殘?zhí)己惋w灰，經(jīng)兩極旋風分離器回收，再返回爐內(nèi)進行氣化，從而提高了碳轉(zhuǎn)化率，使灰中含磷量降低到10%以下，排灰系統(tǒng)簡單。粗煤氣中幾乎不含焦油、酚等有害物質(zhì)，煤氣容易凈化，這種先進的煤氣化技術(shù)中國已自行開發(fā)成功。該技術(shù)可用于生產(chǎn)燃料氣、合成氣和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，特別用于中小氮肥廠替代間歇式固定床氣化爐，以煙煤替代無煙煤生產(chǎn)合成氨原料氣，可以使合成氨成本降低15%～20%，具有廣闊的發(fā)展前景。
　　U－Gas在上海焦化廠（120噸煤/天）1994年11月開車，長期運轉(zhuǎn)不正常，于2002年初停運；中科院山西煤化所開發(fā)的ICC灰熔聚氣化爐，于2001年在陜西城化股份公司進行了100噸/天制合成氣工業(yè)示范裝置試驗。CFB、PFB可以生產(chǎn)燃料氣，但國際上尚無生產(chǎn)合成氣先例；Winkler已有用于合成氣生產(chǎn)案例，但對粒度、煤種要求較為嚴格，甲烷含量較高（0.7%～2.5%），而且設(shè)備生產(chǎn)強度較低，已不代表發(fā)展方向。
　　3、氣流床氣化
　　氣流床氣化是一種并流式氣化。從原料形態(tài)分有水煤漿、干煤粉2類；從專利上分，Texaco、Shell最具代表性。前者是先將煤粉制成煤漿，用泵送入氣化爐，氣化溫度1350～1500℃；后者是氣化劑將煤粉夾帶入氣化爐，在1500～1900℃高溫下氣化，殘渣以熔渣形式排出。在氣化爐內(nèi)，煤炭細粉粒經(jīng)特殊噴嘴進入反應(yīng)室，會在瞬間著火，直接發(fā)生火焰反應(yīng)，同時處于不充分的氧化條件下，因此，其熱解、燃燒以吸熱的氣化反應(yīng)，幾乎是同時發(fā)生的。隨氣流的運動，未反應(yīng)的氣化劑、熱解揮發(fā)物及燃燒產(chǎn)物裹夾著煤焦粒子高速運動，運動過程中進行著煤焦顆粒的氣化反應(yīng)。這種運動狀態(tài)，相當于流化技術(shù)領(lǐng)域里對固體顆粒的“氣流輸送”，習慣上稱為氣流床氣化。
　　氣流床對煤種（煙煤、褐煤）、粒度、含硫、含灰都具有較大的兼容性，國際上已有多家單系列、大容量、加壓廠在運作，其清潔、高效代表著當今技術(shù)發(fā)展潮流。
　　干粉進料的主要有K-T（Koppres-Totzek）爐、Shell- Koppres爐、Prenflo爐、Shell爐、GSP爐、ABB-CE爐，濕法煤漿進料的主要有德士古（Texaco）氣化爐、Destec爐。
　?。?）、德士古（Texaco）氣化爐
　　美國Texaco(2002年初成為Chevron公司一部分，2004年5月被GE公司收購)開發(fā)的水煤漿氣化工藝是將煤加水磨成濃度為60～65%的水煤漿，用純氧作氣化劑，在高溫高壓下進行氣化反應(yīng)，氣化壓力在3.0～8.5MPa之間，氣化溫度1400℃，液態(tài)排渣，煤氣成份CO＋H2為80%左右，不含焦油、酚等有機物質(zhì)，對環(huán)境無污染，碳轉(zhuǎn)化率96～99%，氣化強度大，爐子結(jié)構(gòu)簡單，能耗低，運轉(zhuǎn)率高，而且煤適應(yīng)范圍較寬。目前Texaco最大商業(yè)裝置是Tampa電站，屬于DOE的CCT-3，1989年立項，1996年7月投運，12月宣布進入驗證運行。該裝置為單爐，日處理煤2000～2400噸，氣化壓力為2.8MPa，氧純度為95%，煤漿濃度68%，冷煤氣效率～76%，凈功率250MW。
　　Texaco氣化爐由噴嘴、氣化室、激冷室(或廢熱鍋爐)組成。其中噴嘴為三通道，工藝氧走一、三通道，水煤漿走二通道，介于兩股氧射流之間。水煤漿氣化噴嘴經(jīng)常面臨噴口磨損問題，主要是由于水煤漿在較高線速下(約30m/s)對金屬材質(zhì)的沖刷腐蝕。噴嘴、氣化爐、激冷環(huán)等為Texaco水煤漿氣化的技術(shù)關(guān)鍵。
　　80年代末至今，中國共引進多套Texaco水煤漿氣化裝置，用于生產(chǎn)合成氣，我國在水煤漿氣化領(lǐng)域中積累了豐富的設(shè)計、安裝、開車以及新技術(shù)研究開發(fā)經(jīng)驗與知識。
　　從已投產(chǎn)的水煤漿加壓氣化裝置的運行情況看，主要優(yōu)點：水煤漿制備輸送、計量控制簡單、安全、可靠；設(shè)備國產(chǎn)化率高，投資省。由于工程設(shè)計和操作經(jīng)驗的不完善，還沒有達到長周期、高負荷、穩(wěn)定運行的最佳狀態(tài)，存在的問題還較多，主要缺點：噴嘴壽命短、激冷環(huán)壽命僅一年、褐煤的制漿濃度約59%～61%；煙煤的制漿濃度為65%；因汽化煤漿中的水要耗去煤的8%，比干煤粉為原料氧耗高12%～20%，所以效率比較低。
　?。?）、Destec（Global E-Gas）氣化爐
　　Destec氣化爐已建設(shè)2套商業(yè)裝置，都在美國：LGT1（氣化爐容量2200噸/天，2.8MPa，1987年投運）與Wabsh Rive（二臺爐，一開一備，單爐容量2500噸/天，2.8MPa，1995年投運）爐型類似于K-T，分第一段（水平段）與第二段（垂直段），在第一段中，2個噴嘴成180度對置，借助撞擊流以強化混合，克服了Texaco爐型的速度成鐘型（正態(tài)）分布的缺陷，最高反應(yīng)溫度約1400℃。為提高冷煤氣效率，在第二階段中，采用總煤漿量的10%～20%進行冷激（該點與Shell、Prenflo的循環(huán)沒氣冷激不同），此處的反應(yīng)溫度約1040℃，出口煤氣進火管鍋爐回收熱量。熔渣自氣化爐第一段中部流下，經(jīng)水冷激固化，形成渣水漿排出。E-Gas氣化爐采用壓力螺旋式連續(xù)排渣系統(tǒng)。
　　Global E-Gas氣化技術(shù)缺點為：二次水煤漿停留時間短，碳轉(zhuǎn)化率較低；設(shè)有一個龐大的分離器，以分離一次煤氣中攜帶灰渣與二次煤漿的灰渣與殘?zhí)?。這種爐型適合于生產(chǎn)燃料氣而不適合于生產(chǎn)合成氣。
　?。?）、Shell氣化爐
　　最早實現(xiàn)工業(yè)化的干粉加料氣化爐是K-T爐，其它都是在其基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，50年代初Shell開發(fā)渣油氣化成功，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)歷了3個階段：1976年試驗煤炭30余種；1978年與德國Krupp-Koppers（krupp-Uhde公司的前身）合作，在Harburg建設(shè)日處理150t煤裝置；兩家分手后，1978年在美國Houston的Deer Park建設(shè)日處理250t高硫煙煤或日處理400t高灰分、高水分褐煤。共費時16年，至1988年Shell煤技術(shù)運用于荷蘭Buggenum IGCC電站。該裝置的設(shè)計工作為1.6年，1990年10月開工建造，1993年開車，1994年1月進入為時3年的驗證期，目前已處于商業(yè)運行階段。單爐日處理煤2000t。
　　Shell氣化爐殼體直徑約4.5m，4個噴嘴位于爐子下部同一水平面上，沿圓周均勻布置，借助撞擊流以強化熱質(zhì)傳遞過程，使爐內(nèi)橫截面氣速相對趨于均勻。爐襯為水冷壁（Membrame Wall），總重500t。爐殼于水冷管排之間有約0.5m間隙，做安裝、檢修用。
　　煤氣攜帶煤灰總量的20%～30%沿氣化爐軸線向上運動，在接近爐頂處通入循環(huán)煤氣激冷，激冷煤氣量約占生成煤氣量的60%～70%，降溫至900℃，熔渣凝固，出氣化爐，沿斜管道向上進入管式余熱鍋爐。煤灰總量的70%～80%以熔態(tài)流入氣化爐底部，激冷凝固，自爐底排出。
　　粉煤由N2攜帶，密相輸送進入噴嘴。工藝氧（純度為95%）與蒸汽也由噴嘴進入，其壓力為3.3～3.5MPa。氣化溫度為1500～1700℃，氣化壓力為3.0MPa。冷煤氣效率為79%～81%；原料煤熱值的13%通過鍋爐轉(zhuǎn)化為蒸汽；6%由設(shè)備和出冷卻器的煤氣顯熱損失于大氣和冷卻水。
　　Shell煤氣化技術(shù)有如下優(yōu)點：采用干煤粉進料，氧耗比水煤漿低15%；碳轉(zhuǎn)化率高，可達99%，煤耗比水煤漿低8%；調(diào)解負荷方便，關(guān)閉一對噴嘴，負荷則降低50%；爐襯為水冷壁，據(jù)稱其壽命為20年，噴嘴壽命為1年。主要缺點：設(shè)備投資大于水煤漿氣化技術(shù)；氣化爐及廢鍋爐結(jié)構(gòu)過于復雜，加工難度加大。
　　我公司直接液化項目采用此技術(shù)生產(chǎn)氫氣。
　　（4）、GSP氣化爐
　　GSP（GAS Schwarze Pumpe）稱為“黑水泵氣化技術(shù)”，由前東德的德意志燃料研究所（簡稱DBI）于1956年開發(fā)成功。目前該技術(shù)屬于成立于2002年未來能源公司(FUTURE ENERGY GmbH)（Sustec Holding AG子公司）。GSP氣化爐是一種下噴式加壓氣流床液態(tài)排渣氣化爐，其煤炭加入方式類似于shell，爐子結(jié)構(gòu)類似于德士古氣化爐。1983年12月在黑水泵聯(lián)合企業(yè)建成第一套工業(yè)裝置，單臺氣化爐投煤量為720噸/天，1985年投入運行。GSP氣化爐目前應(yīng)用很少，僅有5個廠應(yīng)用，我國還未有一臺正式使用，寧煤集團（我公司控股）將要引進此技術(shù)用于煤化工項目。
　　總之，從加壓、大容量、煤種兼容性大等方面看，氣流床煤氣化技術(shù)代表著氣化技術(shù)的發(fā)展方向，水煤漿和干煤粉進料狀態(tài)各有利弊，界限并不十分明確，國內(nèi)技術(shù)界也眾說紛紜。
三、我國煤氣化技術(shù)進展
　　煤氣化技術(shù)在中國已有近百年的歷史，但仍然較落后和發(fā)展緩慢，就總體而言，中國煤氣化以傳統(tǒng)技術(shù)為主，工藝落后，環(huán)保設(shè)施不健全，煤炭利用效率低，污染嚴重。目前在國內(nèi)較為成熟的仍然只是常壓固定床氣化技術(shù)。它廣泛用于冶金、化工、建材、機械等工業(yè)行業(yè)和民用燃氣，以UGI、水煤氣兩段爐、發(fā)生爐兩段爐等固定床氣化技術(shù)為主。常壓固定床氣化技術(shù)的優(yōu)點是操作簡單，投資??；但技術(shù)落后，能力和效率低，污染重，急需技術(shù)改造。如不改變現(xiàn)狀，將影響經(jīng)濟、能源和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

　　近40年來，在國家的支持下，中國在研究與開發(fā)、消化引進技術(shù)方面進行了大量工作。我國先后從國外引進的煤氣化技術(shù)多種多樣。通過對煤氣化引進技術(shù)的消化吸收，尤其是通過國家重點科技攻關(guān)，對引進裝置進行技術(shù)改造并使之國產(chǎn)化，使我國煤氣化技術(shù)的研究開發(fā)取得了重要進展。50年代末到80年代進行了仿K-T氣化技術(shù)研究與開發(fā)；80年代中科院山西煤化所開發(fā)了灰熔聚流化床煤氣化工藝并取得了專利；“九五”期間華東理工大學、兗礦魯南化肥廠、中國天辰化學工程公司承擔了國家重點科技攻關(guān)項目“新型(多噴嘴對置)水煤漿氣化爐開發(fā)”(22噸煤/天裝置)，中試裝置的結(jié)果表明：有效氣成分～83%，比相同條件下的Texaco生產(chǎn)裝置高1.5～2個百分點；碳轉(zhuǎn)化率>98%，比Texaco高2～3個百分點；比煤耗、比氧耗均比Texaco降低7%。“十五”期間多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)已進入商業(yè)示范階段。“新型水煤漿氣化技術(shù)”獲“十五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)立項，由兗礦集團有限公司、華東理工大學承擔，在兗礦魯南化肥廠建設(shè)多噴嘴對置式水煤漿氣化爐及配套工程，利用兩臺日處理1150噸煤多噴嘴對置式水煤漿氣化爐(4.0MPa)配套生產(chǎn)24萬噸甲醇、聯(lián)產(chǎn)71.8MW發(fā)電，總投資為～16億元。該裝置于2005年7月21日一次投料成功，并完成80小時連續(xù)、穩(wěn)定運行。裝置初步運行結(jié)果表明：有效氣CO＋H2超過82％，碳轉(zhuǎn)化率高于98％。它標志著我國擁有了具備自主知識產(chǎn)權(quán)的、與國家能源結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的煤氣化技術(shù)具有重大的突破，其水平填補了國內(nèi)空白，并達到國際先進水平。

（來源： 中國化工網(wǎng)）