煤氣化工藝技術的選擇

1、煤氣化工藝技術的選擇滑體之(中原大化集團有限責任公司，河南濮陽 ) 2005-09-16 煤炭通過氣化轉化成煤氣是煤炭化工、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、煤氣化多聯(lián)產(chǎn)等技術的關鍵和龍頭技術。自發(fā)展以煤為原料的石油替代能源戰(zhàn)略在我國確立之后，各地紛紛上馬或正在積極醞釀著各種規(guī)模的煤化工項目，掀起了又一輪煤化工熱。本文對我國煤氣化技術的現(xiàn)狀作簡單介紹，并對如何科學選擇煤氣化工藝提出建議。1 煤氣化技術簡介 煤氣化工藝以煤炭(塊煤、焦炭或粉煤)為原料，采用空氣、氧氣、二氧化碳和水蒸氣為氣化劑，在氣化爐內(nèi)高溫環(huán)境下進行熱化學反應。其主要氣化反應是煤與氣體介質(zhì)之間的反應，即氣、固兩相之間的非均相反應，同時也有

2、氣體反應物之間的均相反應。這些反應進行的程度決定于氣化爐的操作條件，即溫度、壓力、氣化劑與煤炭的接觸時間及煤炭的化學反應活性、表面情況等。其產(chǎn)品可作為燃料氣、原料氣或合成氣，與氣化爐爐型有關。氣化爐的分類按煤與氣化劑的相對流動方式可分為逆流、并逆流和并流，與其相對應的則是固定床、流化床和氣流床氣化爐。1.1 固定床氣化爐 常見的固定床(慢移動床)氣化爐有間歇式氣化爐(UGl)和連續(xù)式氣化爐(魯奇Lurgi)兩種，目前都是已淘汰或落后的氣化技術。固定床間歇式氣化爐國外已于20世紀60年代初廢棄。我國于2 0世紀40年代引進UGI爐，50年代改燒無煙煤，主要用于制氨和甲醇；至今尚有600余家在使用

3、。隨著能源政策和環(huán)境的要求越來越高，不久的將來，會逐步為新的煤氣化技術所取代。 連續(xù)式氣化爐應用碎煤加壓氣化技術，20世紀30年代由德國魯奇(Lurgi)公司開發(fā)成功，是逆向氣化，煤在爐內(nèi)停留時間長達1 h，反應爐的操作溫度和爐出口煤氣溫度低，碳轉化率高，氣化效率高，可以使用劣質(zhì)煤氣化，在世界各國得到廣泛應用。但氣化爐結構復雜，爐內(nèi)設有破粘和煤分布器、爐篦等轉動設備，制造和維修費用大；入爐煤必須是不粘塊煤，原料采購成本較高；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、設備多，增加了投資和成本。 魯奇爐的產(chǎn)品氣適合做城市煤氣。我國云南解化集團和山西天脊集團采用該技術生產(chǎn)合成氨。魯

4、奇氣化爐生產(chǎn)合成氣時，氣體成分中甲烷含量高(810)，且生產(chǎn)流程長，投資大；因此，魯奇氣化爐不適宜生產(chǎn)合成氣。1.2 流化床氣化爐 流化床氣化爐的氣化劑由爐下部吹入，使細粒煤(小于6 mm)在爐內(nèi)呈并逆流反應，煤粒(粉煤)和氣化劑在爐底錐形部分呈并流運動，在爐上筒體部分呈并流和逆流運動，使爐內(nèi)的煤粒在流化狀態(tài)下氣化，在燃燒產(chǎn)生的高溫條件下，氣固兩相充分混合接觸，發(fā)生煤的還原反應，最終實現(xiàn)煤的氣化。 常見的流化床氣化爐有溫克勒(Winkler)、灰團聚(U-Gas)、循環(huán)流化床(CFB)、加壓流化床(PFB是PFBC的氣化部分)以及中國科學院山西煤炭化學研究所研發(fā)的灰熔聚氣化爐等。目前較成功的流

5、化床氣化爐有魯奇公司開發(fā)的循環(huán)流化床(CFB)和中國科學院山西煤炭化學研究所研發(fā)的灰熔聚氣化爐。1.2.1 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，是固定床的2倍，碳轉化率高(97)，爐底排灰中含碳23，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)氣流速度為57 ms，有很高的傳熱、傳質(zhì)速度，氣化壓力0.15 MPa，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8001 050之間。魯奇公司的CFB氣化技術在全世界已有60多

6、個工廠采用，正在設計和建設的還有30多個工廠。 CFB氣化爐基本是常壓操作，1 kg煤消耗氣化劑水蒸氣1.2kg，氧氣0.4kg，可生產(chǎn)煤氣1.92.0m3。煤氣成分(CO+H2)75，甲烷含量2.5左右，二氧化碳含量在15，低于德士古爐和魯奇MK型爐煤氣中二氧化碳含量，有利于合成氨的生產(chǎn)。但國際上尚無生產(chǎn)合成氣先例，在未取得應用于合成氨廠的工業(yè)化成功經(jīng)驗之前應慎重。1.2.2 灰熔聚流化床氣化爐 自20世紀80年代開始，中國科學院山西煤炭化學研究所獨立研究開發(fā)了具有國際先進水平的灰熔聚流化床粉煤氣化技術?；胰劬蹱t屬單段流化床，結構簡單，煤種適應性寬，對煤的灰熔點沒有特殊要求。以08 mm粒徑

7、的干粉煤為原料，氣化壓力0.03 MPa，用富氧(氧濃度為92，壓力不小于0.13 MPa)、水蒸氣作氣化劑。粉煤和氣化劑從氣化爐底部連續(xù)加入，從中心管(射流區(qū))送入部分氧氣，在爐內(nèi)1 0501 100的高溫下進行快速氣化反應，被粗煤氣夾帶的未完全反應的殘?zhí)己惋w灰，經(jīng)兩級旋風分離器回收，再返回爐內(nèi)進行氣化，碳轉化率達90以上。局部高溫，有利于灰渣分離，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。缺點是碳轉化率較德士古和魯奇爐低。 該技術的工業(yè)化示范裝置建在陜西城固化肥廠，2002年3月通過陜西省科技廳組織的驗收。它以陜西彬縣煙煤為原料，日處理原煤100120 t，所產(chǎn)合格氣

8、有效成分（CO+H2）68，甲烷含量不高于2.0，送入合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)。該技術可用于生產(chǎn)燃料氣、合成氣和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，特別適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1520。 目前漢中成化有限公司亦有一套工業(yè)化裝置運行。1.3 氣流床氣化爐 氣流床氣化爐從原料形態(tài)分為水煤漿、干煤粉兩類。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，其清潔、高效代表著當今煤氣化技術發(fā)展潮流。1.3.1 德士古(Texaco)氣化爐 Texaco水煤氣化爐雷同于1952年開發(fā)成功的渣油氣化爐，經(jīng)過1975年、1978年低壓與高壓中試裝置(激冷流程

9、)以及1978年西德Oberhausen的RCHRAG示范裝置(廢爐流程，日處理煤150t，4.0 MPa)考核與經(jīng)驗積累，于1982年建成TVA裝置(日處理煤180 t，二臺爐，一開一備，6.5 MPa)，1984年建成日本UBE裝置(日處理煤1 500 t，三開一備，3.6 MPa)以及Cool WaterIGCC電站(日處理煤910t，二臺爐，4.0MPa)，這些裝置投運后都取得成功。目前Texaco最大商業(yè)裝置是Tampa電站，屬于DOE的CCT-3，該裝置為單爐，日處理煤2 000t，氣化壓力為2.8 MPa，氧純度為95，煤漿濃度68，冷煤氣效率76，凈功率250 MW，輻射鍋爐直

10、徑5.18 m，高30.5 m，重900t。 20世紀80年代末至今，我國共引進4套Texaco水煤漿氣化裝置，即魯南(二臺爐，一開一倍，單爐日處理煤450t，2.8 MPa)、吳涇(4臺爐，三開一備，單爐日處理煤500t，4.0MPa)、渭河(三臺爐，二開一備，單爐日處理煤為820 t，6.5 MPa)、淮南(三臺爐，無備用，單爐日處理煤500 t，4.0 MPa)，這4套裝置均用于生產(chǎn)合成氣，7臺用于制氨，5臺用于制甲醇。 引進的水煤漿氣化裝置具有以下優(yōu)點：水煤漿制備、輸送、計量控制簡單、安全、可靠；設備國產(chǎn)化率高，投資省。主要缺點：褐煤的制漿濃度約5961；煙煤的制漿濃度為65；因氣化煤

11、漿中的水量要耗去入爐煤的8，比干煤粉為原料氧耗高1220，所以效率較低。因為水分(約40)入爐，氣化爐不能用水冷壁，只能以磚抗渣(耐火材料)。因此對入爐煤的灰熔融性溫度限制很嚴，而我國煤種灰熔融性溫度普遍較高，加入CaCO3助熔劑后又會引起耐火磚腐蝕和灰水結垢等問題。魯南化肥廠和渭河化肥廠投產(chǎn)后被迫改換煤種。筑爐(含烘爐)周期長，必須設置備用爐。1.3.2 Shell氣化爐 Shell氣化爐殼體直徑約4.5 m，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，爐內(nèi)橫截面氣速相對趨于均勻。爐襯為水冷壁，總重。500 t。爐殼與水冷管排之間有約0.5 m間隙，有環(huán)形

12、平臺，作安裝、檢修用。 煤氣攜帶煤灰總量的2030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：與生成煤氣量的6070，煤氣降溫至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7080以熔態(tài)流入氣化爐底部渣池，遇水激冷凝固，自爐底排出。粉煤由氮氣或二氧化碳攜帶進入噴嘴。輸送氣的選擇取決于煤氣的用途，合成氨用氮氣，合成甲醇用二氧化碳。工藝氧(純度為95)與蒸汽也由噴嘴進入，氣化溫度為1 5001 700 ，氣化壓力為3.0 MPa以上，冷煤氣效率為7981。 Shell煤氣化技術優(yōu)點：采用干煤粉進料，氧耗比水煤漿低15；碳轉化率高，可達99；煤耗比水煤漿

13、低8；凋節(jié)負荷方便，關閉一對噴嘴，負荷則降低50；煤種適應性廣；膜式水冷壁結構，熔渣附于水冷壁表面，使用壽命長，水冷壁局部損壞后修補方便(其壽命為20年，噴嘴壽命為1年)；能量利用率高，其中8083以合成氣形式回收，1416以蒸汽形式回收。主要缺點：設備投資大于水煤漿氣化技術；氣化爐及廢熱鍋爐結構復雜，加工難度大，目前殼牌僅授權西班牙BBE和印度L&T公司制造。2 我國煤氣化技術的最新進展 為了提高煤氣化的氣化率和氣化爐氣化強度，發(fā)達國家加快了新一代煤氣化技術的開發(fā)和工業(yè)化進程。總的方向是：氣化壓力由常壓向中高壓(8.5MPa)發(fā)展，氣化溫度向高溫(1 5001 600)發(fā)展，氣化原料向多樣化

14、發(fā)展，固態(tài)排渣向液態(tài)排渣發(fā)展。 針對我國煤種多、煙煤多、粉煤多、煤質(zhì)變化大的特點，我國加大力度研制開發(fā)先進的煤氣化技術，在流化床(含循環(huán))、煤及煤漿燃燒、兩相流動與混合、傳熱、傳質(zhì)、煤化學、氣化反應、煤巖形態(tài)、磨煤與干燥、高溫脫硫與除塵等科學領域與工程應用等方面取得了大量研究成果，并在較短的時間內(nèi)開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權的水煤漿氣化爐和干煤粉氣化爐的中試裝置。 今年6月初，由華東理工大學等單位合作開發(fā)建設的四噴嘴對置式水煤漿氣化工業(yè)裝置運行成功。該裝置日處理煤750 t，氣化壓力6.5 MPa。運行結果表明，該爐工藝指標優(yōu)于德士古氣化爐：比煤耗降低約9，有效氣(CO+H2)成分高約1，碳轉化率

15、大于98。在操作方面也有較多優(yōu)勢，如激冷室液位穩(wěn)定、易于控制，帶水量降低，交叉流式洗滌冷卻水分布器的水均布、洗滌、冷卻性能好等，至2005年7月累計運行已超過600h。 依托多噴嘴對置式中試氣化爐、上述單位又共同承擔了國家“十五”科技攻關計劃“粉煤加壓氣化制合成氣新技術研究與開發(fā)”課題。設計裝置日處理煤1545t，操作壓力2.02.5MPa，操作溫度l 300l 400，于2004年7月正式投運。結果表明，該干粉氣化爐氣化運行指標高于水煤漿氣化爐，接近Shell干粉氣化爐。該技術具有自主知識產(chǎn)權，對清潔、高效利用我國豐富的煤炭資源，滿足國民經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展需求具有重要意義，前景十分廣闊。3

16、 煤氣化工藝的選擇 在具體選用煤氣化工藝時，必須以科學的態(tài)度，既要根據(jù)技術發(fā)展水平考慮工藝的先進性，又要根據(jù)實際情況考慮工藝的合理性。以自身或附近的原料煤源為基礎，以產(chǎn)品煤氣的用途為目標，同時考慮煤氣工程的生產(chǎn)規(guī)模與氣化設備的生產(chǎn)能力相配套。鑒于國際煤氣化工藝的現(xiàn)狀，結合我國的國情，有如下建議： 小氮肥改造可采用灰熔聚流化床氣化爐，整套裝置與國外引進技術相比，減少投資60左右，改造投資小；噸氨制氣成本可大幅降低，經(jīng)濟效益明顯。中氮肥改造可采用華東理工大學等開發(fā)的四噴嘴對置式水煤漿氣化爐，該技術已通過工業(yè)化試驗，對煤種(特別是高硫煤)、粒度有較大兼容性，具有單系列、大容量、加壓、高效、潔凈的技術

17、優(yōu)勢，與我國的能源資源國情相適應，具有與國際先進技術競爭的能力。建設大型煤化工或IGCC發(fā)電項目，首選Shell氣化爐。我國的干粉氣化工藝雖已通過中試，但工業(yè)化之前必須引進大型干粉氣化爐，這是國內(nèi)大型煤化工必須面對的現(xiàn)實。國內(nèi)科研設計單位也應抓住時機，加緊消化吸收引進技術，為我所用，增強自主創(chuàng)新能力，形成有自主知識產(chǎn)權的新技術。煤氣化及多元料漿氣化技術簡介(西北化工研究院) 2007-03-07 多元料漿新型氣化技術屬濕法氣流床加壓氣化技術，是指對固體或液體含碳物質(zhì)(包括煤/石油焦/瀝青/油/煤液化殘渣)與流動相(水、廢液、廢水)通過添加助劑(分散劑、穩(wěn)定劑、PH值調(diào)節(jié)劑、濕潤劑、乳化劑)所制

18、備的料漿，與氧氣進行部分氧化反應，生產(chǎn)CO+H2為主的合成氣。水煤漿加壓氣化屬多元料漿氣化的特定型式。1 開發(fā)背景 本院在多年煤氣化技術研究基礎上，特別是水煤漿加壓氣化技術開發(fā)研究及工業(yè)化應用積累的經(jīng)驗和教訓，結合國內(nèi)市場背景及需求情況，本項技術開發(fā)基于以下幾方面原因： (1)配合實現(xiàn)國家”煤代油”的能源發(fā)展戰(zhàn)略。 (2)解決水煤漿加壓氣化技術在工業(yè)化應用過程中暴露的問題，更有利于實現(xiàn)裝置長周期安全穩(wěn)定運行，克服水煤漿氣化技術缺陷。 (3)獲得自主知識產(chǎn)權、節(jié)省技術引進費。 (4)實現(xiàn)氣化原料多樣化，擴大原料使用范圍。 在國家、中石化、中石油及企業(yè)的支持下，先后承擔并完成了“煤油水混合料漿制備

19、及氣化研究”、“煤焦水乳化制漿及氣化研究”、“煤瀝青水漿制備及氣化研究”和國家科技部攻關項目“多元料漿新型氣化技術開發(fā)研究”。并同相關企業(yè)進行了卓有成效的研究，成功開發(fā)了多元料漿新型氣化技術(MCSG)，并實現(xiàn)工業(yè)化應用。2 技術特點、創(chuàng)新點和關鍵技術 多元料漿新型氣化技術使用工藝氧氣，對固態(tài)或液態(tài)含碳物質(zhì)所制備的料漿進行部分氧化反應，生產(chǎn)合成氣(CO+H2)。 工藝技術包括： 料漿制備 料漿氣化 粗煤氣洗滌凈化 灰水處理 主要技術特點： (1)通過不同原料(特別是難成漿原料)的制漿技術研究，大大提高料漿的有效組成，降低氣化過程的消耗。 (2)該技術原料適應性廣，包括煤、石油焦、石油瀝青、渣油

20、、煤液化殘渣、生物質(zhì)等含碳物質(zhì)以及紙漿廢液、有機廢水等。 (3)長距離料漿輸送技術，解決了高濃度、高粘度料漿難輸送的問題。 (4)新型結構的氣化爐，具有結構簡單，操作安全易控的特點，而且有利于熱量回收和耐火材料保護，使用周期延長兩倍左右。 (5)富有特色的固態(tài)排渣和液態(tài)排渣工藝技術，不僅解決了高灰熔點原料的氣化難題，而且從技術角度解決了原料適應性問題。 (6)通過配煤技術，優(yōu)化資源配置，既解決了原料成漿性問題，又解決了灰熔點問題，為多元料漿主要特色之一。 (7)獨具特色的灰水處理技術(級換熱閃蒸技術)，減少了設備投資，簡化了工藝流程。 (8)成熟完善的系統(tǒng)放大技術，解決了不同規(guī)模、不同壓力等級

21、裝置的氣化工程化問題。 (9)設備完全立足于國內(nèi)，投資少，效益顯著。 (10)三廢排放少，環(huán)境友好，屬潔凈氣化技術。 (11)通過十余年的開發(fā)和完善，多元料漿氣化技術形成了完整、系統(tǒng)的氣化專利技術。 技術主要創(chuàng)新點： (1)多元料漿組成的優(yōu)化設計，提高料漿有效組成，降低消耗的系統(tǒng)技術； (2)多元料漿制備工藝技術和添加劑技術； (3)多元料漿氣化工藝技術； (4)新型結構的氣化爐； (5)灰水處理系統(tǒng)及排渣技術； (6)系統(tǒng)放大技術； (7)多元料漿氣化軟件評價體系。 技術所形成的關鍵技術： (1)完備的多元料漿制備技術 料漿組成優(yōu)化技術，研磨體級配技術，難成漿原料的料漿制備工藝技術，添加劑技

22、術，料漿長距離輸送技術等。 (2)系統(tǒng)的多元料漿氣化技術 料漿氣化工藝技術，氣化噴嘴技術，新型結構氣化爐，煤氣激冷系統(tǒng)，排渣系統(tǒng)，氣化過程自控及測溫系統(tǒng)等。 (3)一體化的粗煤氣洗滌凈化及灰水處理技術 簡潔的換熱閃蒸技術、真空過濾技術等。3 工業(yè)化應用業(yè)績 已工業(yè)化并實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行的裝置： 浙江豐登公司，3萬噸/a合成氨裝置 浙江巨化公司，6萬噸/a甲醇裝置 山東華魯恒升公司，30萬噸/a合成氨裝置 已簽訂技術轉讓合同并開工建設的項目： 山東華魯恒升化工股份有限公司，二期20萬噸/a甲醇項目 內(nèi)蒙古三維資源集團有限公司，20萬噸/a甲醇項目 華亭中煦煤化工有限責任公司，60萬噸/a甲醇項目 內(nèi)蒙伊泰煤制油有限公司，16萬噸/a煤制油項目 久泰能源內(nèi)蒙古有限公司，60萬噸/a甲醇項目 陜西咸陽化學工業(yè)有限公司，60萬噸/a甲醇項目 山西華鹿煤炭化工有限公司，20萬噸/a甲醇項目 淮南化工集團有限公司，30萬噸/a合成氨項目 內(nèi)蒙古奈倫集團有限責任公司，30萬噸/a合成氨項目4 多元料漿項目與工程公司合作情況 浙江豐登項目，與浙江省化工設計院合作； 浙江巨化項目，與巨化集團公司設計院合作； 久泰項目，與天辰公司(一院)合作； 伊泰項目，與中石化寧波工程公司(五院)合作； 淮