煤气化技术概论.docx

燃料煤气气化技术与发展前景的展望
过程装备141 张一皓
0）引言：
目前,能源短缺和环境污染是制约国内经济发展的主要因素，煤气化是洁净、高效利用煤炭的主要途径之一,实践证明,在将煤炭转变为更便利的能源和产品形式的各种技术中,煤气化是最应优先考虑的一种加工方法。生产城市煤气、化工合成用原料气、联合循环发电用燃气和综合利用是煤气化发展和应用的主要方向。煤炭在中国能源结构中占有举足轻重的地位，中国的储煤量占其化石能源储量的９２．９４％，到本世纪中叶，煤炭在中国能源消费中的比重仍然保持在５０％左右。中国的能源状况决定了我们的经济发展离不开煤炭，基于低碳经济的要求，大力开发洁净煤应用技术符合我国能源安全战略，煤气化技术是洁净煤应用的主要技术之一，它是发展煤基化学品、煤基液体燃料、先进的ＩＧＣＣ发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的关键技术、基础技术和共有技术，同时也是提供工业燃料煤气的主要技术。
目前中国煤化工和ＩＧＣＣ电站建设风起云涌，据专家预测，到２０２０年，中国需要为此配套的煤气化炉的需求量将达到２２５０套。壳牌、ＧＥ、鲁奇、西门子等国外知名企业的成熟气化技术纷纷抢滩中国，清华大学、华东理工大学、中科院山西煤化所、中国航天科技集团、西北化工研究院等也开始研发为煤化工和ＩＧＣＣ电站配套的煤气化技术，截止２００８年３月，准备中试和已经工业化应用的国内外煤气化技术有１３种，其中中国自有技术９种。相比而言，作为工业燃料煤气供应单元的煤气化技术发展缓慢，基于多数冶金、化工、陶瓷、玻璃和机械等行业对燃料煤气的大量需求，有必要针对其应用特点，适度投入研发精力，借鉴煤化工和ＩＧＣＣ电站配套的煤气化技术，在优化现有技术的前提下，开发适于供应工业燃料煤气的气化技术。
1）工业燃料煤气气化技术要求及现有气化技术
1．１工业燃料煤气对气化技术的要求
中低热值和高热值煤气均可作为工业燃料煤气
应用，绝大多数用户一般要求煤气热值在５０２４￣１００４８ｋＪ／Ｎｍ，只有个别用户要求煤气热值大于１６７２０ｋＪ／Ｎｍ。作为燃料一般要求煤气热值越高越好，目前工业上的常用气体燃料，按热值从高至低区分，有液化石油气、天然气、焦炉煤气、转炉煤气、发生炉煤气和高炉煤气等，其热值参见表２。工业燃料煤气的供应一般以单个企业为一个用气单元，一般每个用气单元的用气规模都不大，以发生炉煤气为供应燃料为例，单个用气单元的用气量一般为１０００￣１０００００Ｎｍ／ｈ，同时各用气单元比较分散，不易于规划统一供气，所以提供工业燃料煤气的气化炉的单炉最大产量不宜过大，最大产能气化炉的单炉气化煤炭量以２００ｔ／ｄ左右为宜。多数应用工业燃料煤气的企业为传统产业，终端产品的利润率不高，企业对系统投资和运行成本控制严格，提供工业燃料煤气的气化技术，其系统造价应该与应用企业的要求相对应，目前作为工业燃料煤气供气单元被广泛应用的常压固定床两段炉煤气站，每生产１００ＧＪ热量的煤气其设备投资为５００￣５５０万元。多数用于煤化工和ＩＧＣＣ电站的气化炉投资较大，不符合供应工业燃料煤气的投资要求，以年产６００ｋｔ甲醇项目气化站为例，Ｔｅｘａｃｏ气化工艺总投资８５４４４万元，Ｓｈｅｌｌ气化工艺总投资１０９２４２万元，仅生产氧气的空分装置的投资，Ｔｅｘａｃｏ气化工艺为４１２８８万元，Ｓｈｅｌｌ气化工艺为３６２２３万元，一般生产１ｔ甲醇需要（ＣＯ＋Ｈ）为２２５０Ｎｍ，按照（ＣＯ＋Ｈ）＝９０％估算，年产６００ｋｔ甲醇项目煤气需求量约为２０×１０Ｎｍ／ｈ，该煤气热值约为１０４５０ｋＪ／Ｎｍ，如果应用以上两种气化工艺提供燃料煤气，每生产１００ＧＪ热量的煤气其设备投资分别约为１７２４万元和１９６６万元。
1．２目前应用的工业燃料煤气气化技术
（1）常压固定床气化技术
作为工业燃料煤气供气单元，常压固定床煤气发生炉应用最为广泛，该炉型全国应用量达数千台套，按其结构形式一般分为一段炉、两段炉和干馏炉，它们分别适用于不同的气化煤种，发生炉最常用的气化煤种为弱黏结性烟煤和无烟煤，其煤气热值一般为５２２５￣６６９０ｋＪ／Ｎｍ。常压固定床水煤气发生炉，按其结构形式分为一段式和两段式两种，以无烟煤和焦炭为气化原料，制取热值为１０８６０￣１１７００ｋＪ／Ｎｍ的半水煤气，多用于中小规模合成氨行业，有些合成氨企业也将其富裕的半水煤气作为工业或民用煤气供应。
常压固定床煤气发生炉的主要缺点是煤气中氮气含量高、煤气热值低、设备气化强度较低等，其冷煤气效率仅为７０％左右。常压固定床水煤气发生炉虽可生产较高热值的煤气，但多为间歇制气，制气工序复杂，有效造气时间仅占生产全过程的６３％，冷煤气效率仅为６０％左右。常压固定床气化技术受床层阻力、炉径限制和反应性质的影响，一般需要气化块煤，增加造气成本；单炉产气量不高，单位供气量设备配置数量多，煤气站系统占地面积较大；产生含酚废水，增加污水处理难度。
（2）流化床气化技术
在原温克勒气化炉基础上改造而成的恩德气化炉，是国内应用较早且相对比较成熟的粉煤常压流化床气化技术，恩德气化炉曾在我国多个化肥厂应用，用于生产合成气，作为燃料供气单元也有应用。与常压固定床发生炉相比，该炉具有可气化粒度为０￣１０ｍｍ粉煤、单炉生产能力大（Φ５ｍ恩德气化炉单炉最大产气量为４００００Ｎｍ／ｈ）、气化过程很少产生焦油和酚类物质、煤气生产成本较低等优点，但该炉在以空气和水蒸气为气化剂生产煤气时，煤气热值较低，仅为４３４６ｋＪ／Ｎｍ。
2）工业燃料煤气气化技术的发展方向
１粉煤气化技术
随着机械化采煤技术的发展应用，开采的煤炭中块煤比例明显减少，块煤和粉煤的差价也不断增大，历史数据显示，当块煤价格达到１０００元／ｔ左右时，与粉煤差价可达到了２００￣３００元／ｔ。煤炭的消耗在煤气生产成本中占了绝对的比例，充分利用粉煤气化技术，有利于获得气化煤源，同时可以大幅度降低煤气成本，利用粉煤生产煤气的气化技术包括流化床气化技术、气流床气化技术和型煤气化技术。
（1）气流床气化技术
１气流床气化对煤的粒度要求较高，一般要求粒径≤９０的质量分数大于９０％，≤５的质量分数小于１０％，同时还要求对煤进行干燥，将水分质量分数控制在２％以内，系统需要配置磨煤、干燥、惰性气体输送和粉煤过滤等设备。气流床气化一般以纯氧为气化剂，煤粉和气化剂必须在高压状态通过粉煤烧嘴喷入气化炉内，系统需要配置空分设备、粉煤加压输送设备和气化剂增压设备，如果采用水煤浆气流床气化技术，同样需要配套水煤浆加工设备。由此可以看出，气流床气化技术配套辅助设施较多，增加了系统造价和运行成本。文献［７］对三菱空气气化炉与Ｓｈｅｌｌ氧气气化炉进行了对比，在不考虑空分的情况下，气化炉容量相同时，三菱空气气化炉的投资比Ｓｈｅｌｌ氧气气化炉投资约少１５％，若再考虑空分的投资和运行费用，则空气气化炉的经济优势更为明显。合理简化系统工艺，降低系统造价和运行费用，气流床气化炉作为工业燃料煤气的气化技术具有广阔的应用前景
流化床气化技术对煤的粒径要求较低，一般可以气化０￣１０ｍｍ的干煤粉，备煤设备相对简单，虽然对煤同样需要干燥处理，但备煤系统的投资明显小于气流床气化技术，而且煤气生产成本较低，适于作为工业燃料煤气的气化技术。文献［６］就某工程实例对恩德炉与常压固定床两段炉的选择进行了对比，该工程煤气用量１６×１０Ｎｍ／ｈ，煤气热值８７７８ｋＪ／Ｎｍ，由于煤气热值要求较高，两种气化工艺均选用富氧气化，该工程需要选择Φ３ｍ常压固定床两段炉３２台套（其中５台套备用），或Φ５ｍ恩德气化炉恩德气化炉４台套（不设备用），对比结果两段炉系统投资为２９２００万元，恩德炉系统投资３５０００万元，如果考虑土地及厂房建设，二者投资基本相同，而且恩德炉的煤气成本仅为两段炉的１／２（按照块煤５００元／ｔ；粉煤３００元／ｔ计算）。流化床气化炉煤气带出物（小颗粒粉煤）较多，且带出物的含碳量高达２５％￣３０％，煤气及带出物的温度较高，为９５０￣１０００℃，炉渣离开气化炉的温度也高达３００℃，冷煤气效率较低，一般仅为６０％，需要采取相应技术措施，减少碳损失，并充分利用煤气、带出物及灰渣的显热，提高系统能量利用效率
（３）型煤气化技术
将粉煤制成型煤用于常压固定床煤气炉气化的技术经过了大量的生产实践，该技术不仅能够提供块度均匀、大小合适的气化煤料，增强煤的化学反应活性，而且通过配煤、添加添加剂、快速加热等技术手段，还可以改善煤的热稳定性、提高煤的灰熔点和机械强度、降黏、助燃和固硫，达到对煤改质优化的良好的效果，更有利于满足入炉气化要求。型煤压制技术包括冷压和热压两种，冷压型煤技术，成型工艺简单，型煤生产线的工程投资较小，但由于结剂的原因，型煤入炉之后的热态强度较低，很容易粉碎，致使气化冷压型煤时，炉内阻力大、气化负荷低、粉渣多、灰渣含碳较高，料层越高越难于气化，实践表明一段炉基本可以实现全部应用冷压型煤气化，两段炉和干馏炉一般只能采取冷压型煤与块煤掺混气化的方式。热压技术生产的型煤，具有较高的冷、热态强度，能够满足入炉气化要求，而且还具有很好的防水性能，但热压成型的生产工艺较复杂，型煤生产线的工程投资较大，生产成本较高，当块煤与粉煤差价较小时，热压型煤经济性较差。开发良好性能的冷压型煤结剂，优化热压型煤生产工艺，是发展型煤气化技术的关键。
4富氧气化技术
２０世纪６０年代开始，中国的一些化肥厂相继对其常压固定床水煤气发生炉进行技术改造，成功开发出常压固定床富氧连续气化技术。随气化剂中氧浓度的增加，气化炉的气化强度、气化效率、煤气有效成分得以大幅度提高。最早尝试性进行富氧连续气化改造试验的厂家，一般都是利用本厂深冷空分富余的氧气，在老的间歇造气炉上进行“富氧空气－水蒸气”连续气化制取合成氨原料气，但是利用深冷空分制氧，系统投资和制氧成本都比较高，受制氧技术发展的影响，常压固定床富氧连续气化技术推广较慢，目前随着变压吸附制氧技术的发展和推广，降低了制氧设备的造价，同时制氧成本也随之降低，大大推动了连续富氧气化技术的发展。
与以“空气－水蒸气”作为气化剂的常压固定床连续气化工艺相比，常压固定床富氧连续气化具有较为明显的性能优势，由于采用富氧空气与水蒸气的混合物作为气化剂，提了气化剂中氧气的浓度，煤气成分中可燃部分（ＣＯ和Ｈ）的含量增加，惰性成分的浓度相对下降，煤气热值得以有效提高，同时加剧了碳的氧化反应程度，炉温随之上升，使气化反应速度随之加快，气化效率和气化强度也得到了提高。
3）热煤气净化与脱硫技术的研究开发
煤炭气化作为重要的煤炭洁净转化技术,在生产化工合成气(合成氨、甲醇)、工业燃料气、城市煤气等领域发挥着重要作用。从气化炉出来的煤气往往夹带粉尘、硫化物等,这些物质不仅对下游设备产生损坏,影响工艺的正常操作,而且如排放到大气中,会对环境产生严重污染,因此煤气的净化及脱硫是煤炭气化技术得以顺利利用的关键技术之一。对整体煤炭气化联合循环发电技术(IGCC)和煤炭气化燃料电池(IGFC)等高新技术,前者工业示范已达到43%发电效率,在发电高效率的同时,电厂的排放污染物被降低到极低的水平。在现在的示范发电循环中,一般采用煤气冷却、湿法净化脱硫的工艺路线,若采用高温煤气净化和脱硫技术,可提高发电效率1%～2%,而且可能使流程简化,降低成本。因此世界上许多国家都在积极开展热煤气净化与脱硫技术的研究开发工作
4. 1 高温陶瓷过滤器除尘器研究
所建立的高温除尘试验装置以烛状陶瓷管为核心,配套有气体进出口装置、煤气反吹装置、温度控制和参数测量系统等。其主要工艺参数包括操作压力115～210MPa,操作温度为可达700℃。与加压流化床气化炉相连接可进行真实煤气连续除尘试验,飞灰在陶瓷管上沉积到一定程度后,煤气通过阻力增加,此时要使用洁净冷煤气进行反吹。已在该装置上试验测试过美国IF&P公司和Dupont公司等研制的陶瓷管,试验表明,夹带粉尘的煤气经过陶瓷管后,除尘效率大于9919%,出口气体含尘浓度小于10mg/m3,除尘器工作可靠、除尘效果稳定。
4. 2 热煤气脱硫剂研制及开发
北京煤化所气化室已建成较完善的脱硫剂研制、制备及性能评价实验室及装置。针对固定床、流化床和气流床等不同工艺和不同煤气组成,研制出多种配方的Fe系、Zn系、Cu系、Mn系脱硫剂和复合脱硫剂。脱硫剂经过实验室台架实验装置长时间多循环脱硫及再生考核试验,选择了物理性质和化学性质等性能优异的脱硫剂,进行放大制备。优秀脱硫剂通过了50～100循环脱硫及再生试验。制备出若干公斤优良脱硫剂用于间歇流化床脱硫试验和SMOVEN工艺装置的连续过程试验。
4. 3 热煤气脱硫间歇试验装置
热煤气脱硫间歇装置的目的在于对各种热煤气进行脱硫、脱硫剂再生性能评价和寿命试验,同时也为热煤气脱硫工艺的研究和开发进行基础性试验工作。间歇装置由气体调制、流化床反应器、尾气处理及放散、过程测量控制及数据采集、气体取样及分析等单元组成。反应器由外管即压力承受管、内管即流化床反应管和外热式电加热器等组成。流化床反应管内径为50mm,其底部采用多孔陶瓷质的气体布风板;系统设计压力为215MPa,设计温度为800℃。气体的流量测量、控制选用了美国BROOKS公司的高性能气体质量流量控制器。试验过程工艺参数信号送至OMEGA公司的数据采集器并与计算机相连,专用的数据处理软件完成数据的分析处理。气体分析系统由三台大型气相色谱仪和二氧化硫分析仪组成。其中一台HP5890色谱仪配置了相串接的热导池检测器(TCD)和火焰光度检测器(FPD),用于检测气体中的含硫组分(如H2S、COS等)从百万分级至百分含量级的较宽范围浓度变化;二氧化硫分析仪连续跟踪再生尾气中SO2浓度。

根据实验结果 可得
(1) 研制开发的高温陶瓷除尘装置,在温度700℃,115～210MPa压力下,除尘效率达到99.19%。
(2) 建立了完善的脱硫剂研制及性能评价装
置,开发并筛选了铁系、锌系、铜系和锰系等系列热煤气脱硫剂,并通过了100次脱硫再生循环。
(3) 建立了热煤气脱硫间歇试验装置,试验显示,UCI脱硫剂的脱硫及再生性能良好。
(4) 开发了有独自知识产权的热煤气脱硫SMOVEN工艺,它包括流化床气化炉、高温除尘器和热煤气输送以及热煤气连续脱硫和再生单元的联合试验系统并成功投入试验运行。
(5) 在SMOVEN工艺上,试验了L—991、L—992和UCI三种脱硫剂,脱硫效率达到99%,净化后煤气中硫化物的质量分数为2×10-5左右,空气和氧气均顺利用于脱硫剂再生操作。
(6) 数十次的连续运行试验表明,SMOVEN热煤气脱硫工艺装置的可操作性较好,过程运行灵活、安全。
4) 总结
（１）目前煤化工和ＩＧＣＣ电站配套的煤气化技术发展迅速，但用于煤化工和ＩＧＣＣ电站的气化炉，一般单炉生产规模较大，系统投资和造气成本较高，不符合工业燃料煤气的生产要求。
（２）在煤化工和ＩＧＣＣ电站配套的煤气化技术基础上，合理简化系统工艺，降低系统造价和运行费用，并充分利用余热资源，提高系统能量利用效率，开发适于提供工业燃料煤气的气流床和流化床粉煤气化技术，是工业燃料煤气气化技术发展方向之一。
（３）发展工业燃料煤气气化技术，还应该立足于改进优化现有技术，开发良好性能的冷压型煤黏结剂，优化热压型煤生产工艺，大力发展型煤固定床气化技术；同时发展富氧气化技术和高温空气气化技术，有利于提高煤气热值和气化炉的气化效率
故而面对国内煤化工行业众多的煤气化方式,企业如何选择是一个关键的问题。各企业应该根据本企业的实际情况,包括所处资源区域、原料煤种类、运输情况、合成气的用途、产品定位及资金状况来选择适合于自己的煤气化方式,这样才能既有明显的经济效益,又能满足国家环保政策要求。
5 参考文献
煤化工工艺技术评述与展望
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煤气化动力学模型研究
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以煤气化为核心的多联产能源系统一资源/能源/环境整体优化与可持续发展
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气流床煤气化技术的现状及发展
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中国煤气化工艺(技术)的现状与发展
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