气流床气化.doc

气流床气化工艺
摘要：煤炭气化是煤利用的主要内容之一，而气流床气化是煤炭气化的一种重要形式。本文立足我国煤炭气化现状，对目前国际上比较成熟先进的气化工艺（Texaco气化工艺法、shell煤气化工艺法）做了简单介绍。同时，也阐明了我国未来煤气化的发展方向。
关键词：气流床；煤气化；气化炉；气化工艺；加压气化；环境；
引言
随着中国经济的快速增长，对能源的需求在与日俱增。我国是一个多煤贫油少气的国家，如何充分高效率的利用质量参差不等、数量有限且不可再生的煤炭资源是一个摆在国人面前的世纪问题，这关乎民生，也关系到国家的长足发展。另外，煤炭的开发利用带来了严重的环境问题，这是亟待解决的。气流床煤气化工艺为煤的洁净高效利用提供了一种可能的途径，这也是本文着重要讨论的。
1、煤炭气化概述
气流床气化是一种并流式气化。
气化剂（氧气与蒸汽）将煤粉（70%以上的煤粉通过200目筛孔）夹带入气化炉，在1600~1800℃高温下将煤进一步转化为CO、H2、CO2等气体，残渣以熔渣形式排出气化炉。也可以将煤粉制成煤浆，用泵送入气化炉，在气化炉内，煤炭细粉粒与气化剂经特殊喷嘴进入反应室，会在瞬间着火，直接发生火焰反应，同时处于不充分的氧化条件下。因此，其热解、燃烧以及吸热的气化反应，几乎是同时发生的。随着气流的运动，未反应的气化剂、热解挥发物及燃烧产物夹裹着煤焦粒子高速运动，运动过程中进行着煤焦颗粒的气化反应。这种运动形态，相当于流化领域例对固体颗粒的“气流输送”，习惯上称为气流床气化。
1.1 气流床气化技术特点
1)煤种适应性强．入炉煤以粉状(或湿式水煤浆状)喷入炉内，各个微粒被高速气流分隔，并单独完成热解、气化及形成熔渣，无相互作用，不会在膨胀软化时造成黏结，即不受煤的黏结性影响．原则上各种煤都可用于气流床气化，但炉内气化温度应高于煤的灰熔点，以利于熔渣的形成．此外，从经济角度来看，应选择褐煤等挥发分高而固定碳少的煤，可大大改善气化条件；人炉的原料煤越细越好，煤粒越小，比表面积越大，气化速度越快，反应时间越短，碳转化率也越高．
2)反应物在炉内停留时间短，反应时间约为1s～3 s．随煤气夹带出炉的飞灰中含有未反应完的碳，采取循环回炉的方法可以提高碳转化率；而且由于煤粉在气化炉内停留时间极短，为了完成反应，必须维持很高的反应温度．所以常常采用纯氧作为气化剂，气化温度可高达1 500℃，灰渣以熔融状态排出，熔渣中含碳量低．液体熔渣的排渣结构简单，排渣顺利．但是炉壁衬里受高温熔渣流动侵蚀，易于损坏，影响寿命．
3)为了达到1 500℃左右的气化温度，氧气耗量较大，影响经济性．随着高温下蒸汽分解率的提高，蒸汽耗量有所减少．
4)出炉煤气温度很高，显热损失大，可用废热锅炉回收热量，提高热效率．为了防止黏性灰渣进入废热锅炉，可先用循环冷煤气将出炉煤气激冷到
900℃～1 100℃，并分离出灰渣，再进入废热锅炉．
5)出炉煤气的组分以C0，H2，C02和H2O为主，CH4含量很低，热值并不高．产品中不含焦油．煤气产品中有效成分高，不产生含酚废水，烟气净化装置简单．
1．2影响气流床气化的主要因素
1)高气化温度．气化温度可达1 500℃以上．炉内高温是由煤粉在纯氧下燃烧或部分燃烧释放的热量而保持的，与此同时，碳粒与水蒸气或C02发生吸热的还原反应．提高炉内温度有利于加快反应速度，提高气化强度和生产能力．同时，由于炉内反应速度的提高，炉中的煤粉即使在很短的时间内也能完全气化，获得很高的碳转化率。
2)高气化压力．提高气化压力既增加了反应物浓度，又提高了反应速度．提高压力还有利于H2与CO之间进行的甲烷化反应，使煤气中CH4含量显著增加，因而提高了煤气热值．
3)氧煤比．氧煤比对气化过程存在着两方面的影响．一方面，氧煤比的增加使燃烧反应放热量增加，从而提高反应温度，促进C02还原和H2O分解反应的进行，增加煤气中CO和H2的含量，从而提高煤气热值和碳转化率；另一方面，燃烧反应由于02量的增加，将生成C02和H2O，增加了煤气中的无效成分．所以，为了获得理想的气化效果，必须选择合适的氧煤比．
4)蒸汽／煤比．在气化过程中，加入的水蒸气在高温条件下与碳发生强吸热的水煤气反应，增加煤气中H2、CO的含量，控制炉温不致过高，能降低氧
耗量．
5)气化炉结构．气化炉结构对气流床气化有较大影响，特别是加料方式以及燃烧器烧嘴造成气流的扰动，对气化过程的影响尤为明显．
2、先进的气流床气化工艺
2.1 Texaco(德士古)法
美国Texaco公司开发的水煤浆气化工艺是最成熟的第二代湿法气流床气化炉,它是将煤加水磨成水煤浆，用纯氧作气化剂，在高温高压下进行气化反应，液态排渣，煤气成分(C0+H2)为80％(体积百分数)左右，不含焦油、酚等有机物质，碳转化率96％～99％，气化强度大，炉子结构简单，煤适应范围较宽．德士古气化炉是一个直立圆筒形的压力容器．

图1 德士古气化炉中气化部分的结构示意图
Texaco水煤浆气化工艺原理：水煤浆与气化剂——纯氧在气化炉内特殊喷嘴中混合，高速进入气化炉反应室，遇灼热的耐火砖瞬间燃烧，直接发生火焰反应．微小的煤粒与气化剂在火焰中作并流流动，煤粒在火焰中来不及相互熔结而急剧发生部分氧化反应，反应在数秒内完成．在上述反应时间内，放热反应和吸热反应几乎是同时进行的，因此，产生的煤气在离开气化炉之前，碳几乎全部参与了反应．在高温下，所有干馏产物都迅速分解转变为水煤气的组分，因而生成的煤气中只含有极少量的CH4．

Texaco水煤浆气化工艺的主要特点：1)气化炉结构简单2)开停车方便，加减负荷较快；3)煤种适应较广，可以利用粉煤、烟煤、次烟煤、石油焦和煤加氢液化残渣等；4)合成气质量好5)合成气价格低，在相同条件下，天然气、在煤渣、煤制合成气中，合成气的综合价格以煤制气最低；6)碳转化率高，该工艺的碳转化率在97％～98％之间；7)单炉产气能力大8)三废排放有害物质少．
2．2 Shell(谢尔)法
Shell法是加压下操作的干法进料的气流床气化法。 Shell法它组合了谢尔国际石油公司在高压下油气化经验和柯柏斯公司在煤气化方面的经验．该工艺的特性为：气化压力为2．45MPa～3．43 MPa，干粉进料；炉内反应区火焰中心温度为2O℃，出炉煤气温度为1 350℃～1 600℃；煤气产品中Hz占30％，CO占60％，其余为C02和少量N：，碳转化率达99％，燃料气的环境特性很好．Shell煤气化方法的典型流程见图3．

Shell煤气化的主要特点如下：1)可以使用褐煤、烟煤和沥青砂等多种煤，碳转化率达98％以上．煤中含的硫、氧、灰分及结焦性的差异对过程均无显著影响；2)产品气中(CO+H2)含量达90％以上，适宜作合成气，特别是煤气中C02相当少，可以大大减少酸性气体的处理费用，气化产物中无焦油等有害成分；3)由于采用干粉煤进料，既降低了氧耗又增加了冷煤气效率(干法进料比湿法进料约高2％)． 4)单炉生产能力大，装置处理能力可达2 000t／d；5)符合环保要求，粗煤气中硫和氨很容易被清除，煤中大部分灰分变成玻璃状的固体，可作建筑材料．Shell煤气化的主要技术指标：操作压力，3．O MPa～4．O MPa；操作温度，1 400℃～1 700℃；用氮气输送煤粉浓度，400 b／m3．
3、国内气流床煤气化技术的发展
煤气化技术在中国已有近百年的历史，但技术水平仍然比较落后，而且发展缓慢．就总体而言，中国煤气化以传统技术为主，工艺落后，环保设施不健
全，煤炭利用效率低，污染严重，如不改变现状，将会影响到我国的经济、能源和环境的协调发展．
近四十年来，在国家的支持下，中国在研究与开发、消化引进煤气化技术方面进行了大量工作;在气流床应用方面，近二十年来我国共引进二十多台Texaco气化炉，国内配套完成了部分设计、安装与操作，积累了丰富的经验；引进的Shell于煤粉气化装置已有数套开工建设．
从工业应用情况看，存在的问题主要是：煤种适应性有局限；碳转化率比较低，一般在95％左右；投资巨大，
4、小结
鉴于我国的资源分布现状，我们应大力开发先进的煤炭气化工艺方法，充分利用我国各种各样质量的原煤资源，建立解决关键科学问题的理论体系，解决气流床煤气化技术目前存在的问题，用可靠的基础研究成果支撑我国的煤气化技术尽快实现大规模、高效化的跨越，形成具有自主知识产权的大规模高效气流床煤气化技术，以满足国民经济发展对煤炭清洁利用的迫切需求，同时也是国家战略安全的需要。

参考文献：
【1】、煤炭气化 邬纫云 中国矿业大学出版社
【2】、气流床煤气化技术的现状及发展 夏鲲鹏、陈汉平等
【3】、气流床气化方法的选择 赵旨厚，张大晶