煤氣化技術(shù)應用分析

2012年10月棗莊學(xué)院學(xué)報Oet. 2012第29卷第5期JOURNAL OF ZAOZHUANG UNIVERSITYVol. 29 NO.5煤氣化技術(shù)應用分析李鳳剛,李肖,楊杰,鞠彩霞(棗莊學(xué)院化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院,山東棗莊277160)[摘要]煤氣化技 術(shù)作為煤炭深度加工、轉化的先導技術(shù),是潔凈煤技術(shù)的優(yōu)先發(fā)展技術(shù)之一.本文主要對代表性的煤氣化技術(shù)(固定床(移動(dòng)床)氣化;流化床氣化;氣流床氣化)進(jìn)行了分析,并得出煤氣化技術(shù)更適應現代煤化工的發(fā)展[關(guān)鍵詞]煤氣化;潔凈煤技術(shù);固定床(移動(dòng)床)氣化;流化床氣化;氣流床氣化[中圖分類(lèi)號]TQ53[文獻標識碼]A[文章編號]1004 -7077 (2012)05 -0105 -05我國以煤炭為主要能源,以前從煤炭中獲取能量的方式主要是燃燒，造成了資源大量浪費、環(huán)境污染嚴重.因此大力發(fā)展潔凈煤技術(shù),高效清潔地利用我國煤炭資源,對于促進(jìn)能源與環(huán)境協(xié)調發(fā)展,滿(mǎn)足國民經(jīng)濟快速穩定發(fā)展的需要,具有極其重要的戰略意義.煤氣化是潔凈煤技術(shù)的龍頭.它是發(fā)展煤基化學(xué)品、煤基液體燃料、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、多聯(lián)產(chǎn)等過(guò)程工業(yè)的基礎"，是潔凈煤技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵性技術(shù),也被認為是最清潔的煤轉化利用方式.1煤氣化的發(fā)展從煤氣化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程來(lái)看,早期的煤氣化大都使用塊煤和小粒煤為原料制合成氣如各種常壓移動(dòng)床氣化爐、魯奇加壓氣化爐及流化床中的恩德?tīng)t氣化、U-gas氣化和灰熔聚煤氣化等氣化方法,通稱(chēng)為第- -代煤氣化工藝.進(jìn)入20世紀80年代后,煤氣化技術(shù)取得了重大成果并進(jìn)行了商業(yè)化運行,其采用先進(jìn)的氣流床反應器,以干粉煤或水煤漿為原料,加壓氣化，如Texaco法、Shell法、GSP粉煤氣化技術(shù)和四噴嘴對置式水煤漿氣化等,通稱(chēng)為第二=代煤氣化工藝'21.2煤氣化技術(shù)分析煤氣化技術(shù)按氣化爐內固體和氣化劑的接觸方式不同分為固定(移動(dòng))床氣化、流化床氣化、氣流床氣化、熔融床氣化,目前已經(jīng)工業(yè)化運行的只有前三種.2.1固定( 移動(dòng))床氣化工藝在氣化過(guò)程中,塊煤或碎煤由氣化爐頂部加入，氣化劑由底部人，煤料與氣化劑逆流接觸,逐漸完成煤炭由固態(tài)向氣態(tài)的轉化,煤料的下降速度相對于氣體的上升速度而言很慢,未達到流化速度,故稱(chēng)為固定床(移動(dòng)床)氣化”。固定床氣化的代表工藝有常壓固定層間歇式無(wú)煙煤(或焦炭)氣化技術(shù)、常壓固定層無(wú)煙煤(或焦炭)富氧連續氣化技術(shù)、魯奇加壓氣化技術(shù)等.2.1.1常 壓固定層間歇式無(wú)煙煤(或焦炭)氣化技術(shù)以無(wú)煙煤或焦炭為原料,水蒸氣為氣化劑進(jìn)行常壓移動(dòng)床氣化.該技術(shù)氣化效率低,操作繁雜,單爐生產(chǎn)能力較差,環(huán)境污染嚴重,屬于將逐步淘汰的工藝[收稿日期]2012 -06-19[作者簡(jiǎn)介]李鳳剛(1973 - ),男,山東成武人.棗莊學(xué)院化工與材料科學(xué)學(xué)院碩土。實(shí)驗師，主要從事煤炭深加工及其設備開(kāi)發(fā)方面的研究，棗莊學(xué)院學(xué)報2012年第5期2.1.2魯 奇加壓氣化技術(shù)魯奇加壓氣化技術(shù)與常壓氣化技術(shù)類(lèi)似，只是在高于常壓條件下氣化,采用固態(tài)排渣,煤種適用性較廣，其主要優(yōu)點(diǎn)包括:加壓氣化可以使用劣質(zhì)煤氣化;生產(chǎn)能力高;低氧耗，低溫操作、碳效率高、氣化效率高(4.但其只能以塊煤為原料,不僅原料昂貴,氣化強度低，而且氣一固逆流換熱，合成氣復雜,并且甲烷體積含量大.魯奇加壓氣化技術(shù)在合成氨、甲醇、城市煤氣和合成油中都有應用,山西天脊集團采用該氣化技術(shù)生產(chǎn)合成氨,運行狀況較好.通過(guò)表2-1對以上氣化爐進(jìn)行比較.表2-1幾種 固定床(移動(dòng)床)工藝比較常壓氣化爐加壓氣化爐混合煤氣氣化爐水煤氣 氣化爐魯奇氣化爐壓力1. 01 Mpa3MPa :煤種煙煤褐煤、次煙煤、低揮發(fā)分煤耗氧量常壓的1/3 ~2/3氣化強度一般較高高熱值/( MJ/m' )5.0~6.010~ 11.014 ~16.52.2流化床氣化工藝流化床技術(shù)是以粒度為0~10mm的小顆粒煤為氣化原料,以空氣、氧氣或富氧和蒸汽為氣化劑,氣體從爐內氣化板自上而下經(jīng)過(guò)床層,通過(guò)控制氣化劑的流速,使碎煤處于流化狀態(tài),在充分攪拌和返混的條件下,煤粉與氣化劑充分接觸,發(fā)生氧化和熱傳遞過(guò)程,故被稱(chēng)為流化床造氣(又稱(chēng)沸騰床).流化床氣化爐的代表有德國的恩德?tīng)t,美國的U-Gas氣化爐,國內主要有中科院山西煤炭化學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的灰熔聚流化床粉煤氣化爐，2.2.1恩德?tīng)t氣化恩德?tīng)t屬于改進(jìn)后的溫克勒氣化爐，氣化技術(shù)的核心由三部分組成:-是沸騰床粉煤氣化發(fā)生爐(以下稱(chēng)恩德?tīng)t);二是沸騰床粉煤氣化裝置及使用該裝置生產(chǎn)煤氣的方法;三是廢熱鍋爐系統.該氣化爐適用褐煤及長(cháng)焰煤等,主要用于生產(chǎn)燃料氣和合成氨原料氣等.操作可靠,運轉率可達92%.主要缺點(diǎn)是氣化壓力為常壓,單爐氣化能力相對比較低，有效氣體含量較低且含氮高,產(chǎn)品氣中CH體積分數高達1.5% ~2. 0% ,環(huán)境污染及飛灰堆存和綜合利用問(wèn)題有待解決.2.2.2 U - gas氣化U-gas氣化工藝由美國煤氣工藝研究所(GTI)于20世紀70年代開(kāi)發(fā),屬于單段流化床粉煤氣化工藝，采用灰團聚方式操作.其特點(diǎn)是灰渣的形成和排渣方式是團聚排渣，與固態(tài)排渣相比,降低了灰渣中的碳損失;與液態(tài)排渣相比,減少了灰渣帶走的熱損失,從而提高了氣化過(guò)程的碳利用率.煤種適用性極廣,主要定位于氣化劣質(zhì)煤,對高灰、高硫和高水分煤的氣化有較大優(yōu)勢.但依然存有不足排出的灰渣經(jīng)灰冷器,然后經(jīng)輸灰系統送至灰倉,灰冷器的密封較難解決,運行中經(jīng)常發(fā)生灰冷器堵塞等情況,影響氣化爐的正常生產(chǎn)。2.2.3灰熔 聚煤氣化灰熔聚煤氣化技術(shù)由中科院山西煤化所開(kāi)發(fā)成功,屬于流化床氣化爐.氣化爐是--個(gè)單段流化床,可在流化床內一次實(shí)現煤的破碎、脫揮發(fā)分、氣化、灰團聚及分離、焦油及酚類(lèi)的裂解.該技術(shù)具有投資少,生產(chǎn)成本低,碳的利用率高等優(yōu)點(diǎn).其缺點(diǎn)是有效氣體成分較低、產(chǎn)品氣中CH體積分數較高;其次是氣化壓力低、單爐產(chǎn)氣量小.通過(guò)表2 -2對以上流化床氣化爐進(jìn)行了相應比較'5I.●106●李鳳剛，李肖，楊杰,鞠彩霞煤氣化技術(shù)應用分析表2-2幾種流化床氣化工藝比較項目恩德氣化爐U●gas氣化爐灰熔聚氣化爐操作溫度/C .1000 - 1050950 - 10501050一1100操作壓力/MPa高壓0.25 - 1. 000.3、0.5、1.0(CO + H2)體積分數/%> 6868-74> 70碳轉化率/%9288-9586冷煤氣效率/%8比氧耗/( ma,標志)190 -210320 - 360367比煤耗/kg580570 - 640553單爐煤處理能力/(1●d-1)500 - 600300一1200100一500排渣方式固態(tài)排渣固-液態(tài)排渣專(zhuān)利商遼寧恩德公司美國SES公司中科院煤化所2.3氣流床氣化技 術(shù)氣流床氣化是將氣化劑(氧氣和水蒸氣)夾帶著(zhù)煤粉或煤漿.,通過(guò)特殊噴嘴送人氣化爐內.在高溫輻射下,煤氧混合物瞬間著(zhù)火、迅速燃燒,產(chǎn)生大量熱量.在爐內高溫條件下,所有干餾產(chǎn)物均迅速分解,煤焦同時(shí)進(jìn)行氣化，生產(chǎn)以cO和H,為主要成分的煤氣和液態(tài)熔渣.典型的氣流床煤氣化技術(shù),國外有美國德士古(Texaco)公司(現屬于GE公司)水煤漿氣化技術(shù)、荷蘭殼牌(Shell)粉煤氣化技術(shù)和德國未來(lái)能源公司的GSP粉煤氣化技術(shù),國內有四噴嘴對置式水煤漿氣化爐、四噴嘴干煤粉加壓氣化爐、二段干煤粉加壓氣化爐和HT- L航天爐等.2.3.1德士古水煤漿 氣化技術(shù)德士古水煤漿氣化技術(shù)由美國德士古公司在重油氣化的基礎上開(kāi)發(fā)成功的煤氣化技術(shù),屬于氣流床濕法加料、液態(tài)排渣的加壓氣化技術(shù).德士古水煤漿氣化技術(shù)是目前商業(yè)運行較好的煤氣化技術(shù).該氣化技術(shù)對煤種適應性廣、合成氣質(zhì)量較好，產(chǎn)品氣中(CO+ H2)可達80%左右,甲烷含量低.但其也包含一些不足之處，僅適宜于氣化低灰分、低灰熔融性溫度的煤;比氧耗和比煤耗較高;氣化爐耐火磚使用壽命較短;氣化爐燒嘴使用壽命較短,需停車(chē)進(jìn)行檢查、維修或更換噴嘴頭部6].對管道及設備的材料選擇要求嚴格,一次性投資比較高.2.3.2殼牌( Shell)粉煤氣化技術(shù)Shell煤氣化技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)SCGP,是由荷蘭Shell國際石油公司開(kāi)發(fā)的一種加壓氣流床粉煤氣化技術(shù)”.Shell煤氣化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)較為突出:可氣化煙煤、褐煤、石油焦等原料,使煤炭得以充分利用.其中的硫化物被還原成硫磺,可作為化工行業(yè)的原料;灰分則被回收用來(lái)制造建筑材料;氣化過(guò)程無(wú)廢氣排放，對環(huán)境幾乎沒(méi)有影響.但其依然存在不足,如Shell煤氣化的指標數據是在發(fā)電上得到的,并不完全適合于氫、氨、醇的生產(chǎn);水冷壁管對水質(zhì)及相關(guān)設備有較高要求;高壓氮氣結合超高壓氮氣的用量過(guò)大，部分抵消了其節能的優(yōu)勢.在國內市場(chǎng)上,殼牌煤氣化技術(shù)主要用于生產(chǎn)合成氨、尿素、甲醇以及合成氫燃料等的原料氣.在未來(lái)的發(fā)展道路上,隨著(zhù)化工企業(yè)多聯(lián)產(chǎn)道路的發(fā)展,實(shí)現煤--化一-電一熱的聯(lián)合,就要將殼牌等煤氣化技術(shù)與分布式能源系統相結合.2.3.3 GSP 粉煤氣化技術(shù)為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)褐煤及其它煤種的氣化，原民主德國的黑水泵公司于1976年開(kāi)發(fā)了GSP粉煤氣化技術(shù)8). GSP氣化技術(shù)氣化原料來(lái)源廣泛,氣化效率和碳轉化率高,產(chǎn)物完全無(wú)焦油,燒嘴使用壽命長(cháng),投資及運行成本較低,兼備Texaco和Shell氣化爐的優(yōu)點(diǎn)，自上而下的噴射和內水冷壁結構,六通道的燒嘴也比較合理，是--種有廣闊發(fā)展前景的氣化技術(shù).神華寧夏煤業(yè)集團在建的五座2000噸/天氣化能力的氣化爐和山西蘭花煤化,107.棗莊學(xué)院學(xué)報2012年第5期工有限責任公司兩座同樣的氣化爐,都采用了西門(mén)子CSP氣化技術(shù),這是該技術(shù)在國內煤化工項目中首次應用2.3.4四噴嘴 對置式水煤漿氣化華東理工大學(xué)、水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心與充礦集團有限公司合作開(kāi)發(fā)的四噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)打破了國外對我國大型煤氣化技術(shù)的壟斷.該技術(shù)與德士古氣化技術(shù)最大的不同是，它將德士古單噴嘴改為對置式四噴嘴,從而強化了傳質(zhì)傳熱過(guò)程,氣化效果較好9.采用直接換熱式含渣水處理工藝;采用蒸汽進(jìn)人熱水室與循環(huán)灰水直接接觸換熱,蒸發(fā)熱水塔實(shí)現熱量的回收.該氣化爐最大優(yōu)勢之一是整個(gè)爐膛溫度分布均勻,最高與最低溫度差一般為50~150,最高溫度也不超過(guò)1300C.不足之處是出現氣化爐拱頂磚沖刷嚴重和拱頂超溫問(wèn)題,氣化爐內向下的攛擊流有可能直接沖向氣化爐出口,形成“短路”現象,從而影響裝置的運行穩定性和氣化效率.該技術(shù)到目前為止在國內已推廣了30余家,共20多臺氣化爐.如兗礦集團有限公司、山東華魯恒升化工股份有限公司均采用該技術(shù).通過(guò)表2 -3對以上氣流床技術(shù)技術(shù)進(jìn)行了比較0]。表2-3幾種 A氣流床氣化工藝比較項目德士古水煤漿殼牌( Shell) GSP 粉煤氣化熔融床氣化 四噴嘴對置式氣化技術(shù)粉煤氣化技術(shù)技術(shù)法水煤漿氣化.適用煤種煙煤、石油焦、褐煤、煙煤、石褐煤褐煤、煙煤、煙煤、石油 焦、煤液化殘渣油焦石焦油進(jìn)料方式60%水煤漿干煤粉干粉煤熔融物質(zhì)水煤漿冷煤氣效70 ~7680 ~8573 ~7883 ~84率/%爐壁冷卻.熱壁爐，2層水冷壁,掛渣周?chē)浔谒浔谔胤N耐火磚.無(wú)耐火磚襯里氣化壓力/4.0-6.52.0~4.02.81~1.972.0~3.0MPa氣化溫度/C 1 300~1 400 1 400~1 600 1400 ~ 1500930~1700 < 1300耗氧量m3●380 ~43330 ~ 360(km) -3碳轉化率/%94~96~ 99~99~98>98由上可得,通過(guò)表2-4對王大氣化工藝進(jìn)行相應比較.●108●李鳳剛,李肖,楊杰,鞠彩霞煤氣化技術(shù)應用分析表2-4三種煤氣化技術(shù) 比較主要特點(diǎn)固定床流化床氣流床排灰形式干灰.熔渣干灰灰團聚原料煤特性塊煤煤粉干粉煤粒度/mm5 ~50<8<0.1灰含量/%< 20< 15不限< 13灰熔點(diǎn)> 1400< 1300約1300操作壓力(MPa)2.241.00.05 ~2.5.2.5 -6.5操作溫度400 ~ 1200900 ~ 1100 950 ~ 1100 1350 ~ 1700氣化強度(kg/m;●h) 900 ~ 15001000 ~ 1200煤氣熱值低高碳轉化率氧氣消耗蒸汽消耗中日處理煤量/t5008402000 ~ 2600工藝評價(jià)簡(jiǎn)單較復雜較大投資校大代表技術(shù)Lurgi(魯奇)HTWShell/Texaco3結論三種氣化技術(shù)有各自的優(yōu)缺點(diǎn),要從煤種的適用性、技術(shù)的成熟性、工藝的先進(jìn)性、投資大小以及環(huán)境負荷等方面綜合考慮采用哪種氣化技術(shù)合適.Lurgi固定床氣化技術(shù)，由于粗煤氣中甲烷含量較高,適合用作城市煤氣聯(lián)產(chǎn)化工產(chǎn)品，以溫克勒和灰熔聚技術(shù)為代表的流化床技術(shù)則被廣泛應用于中小型化工企業(yè).而Shell、GSP等氣流床氣化技術(shù)作為現代煤氣化的發(fā)展方向之- - ,可用于大規模生產(chǎn)裝置中煤氣化是煤化工的核心技術(shù),未來(lái)時(shí)期要加強我國自主創(chuàng )新的氣化技術(shù)的開(kāi)發(fā)、產(chǎn)業(yè)化推廣和應用,鼓勵和支持企業(yè)使用我國具有自主知識產(chǎn)權的煤氣化技術(shù).參考文獻[1]錢(qián)伯章.煤炭氣化的國內外技術(shù)進(jìn)展述評[J].西部煤化工,2007,(2):5-17.[2]曹征彥.中國潔凈煤技術(shù)[M].北京:中國物質(zhì)出版社,1998.[3]馮振堂,徐麗萍,王國祥、固定床煤氣發(fā)生爐制氣技術(shù)進(jìn)展[J] . 小氮肥設計技術(shù),2006 ,27(2):17-19.[4]J. 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