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煤气化技术及其工业应用
摘 要：我国是一个以煤炭为主要能源的国家，煤炭气化技术的发展对我国的经济建设和可持续发展都有具有重要意义。本文介绍了我国的煤化工行业的发展现状以及煤气化技术的工业应用。
关键词:煤化工,煤气化技术,工业应用
我国是一个以煤炭为主要能源的国家。近几十年来，煤炭在我国的一次能源消费中始终占据主要地位，以煤为主的能源格局在相当长的时间内难以改变。中国传统的煤炭燃烧技术存在综合利用效率低，能耗高、煤炭生产效率低、成本高、环境污染严重等问题，煤炭气化技术的发展对我国的经济建设和可持续发展都有具有重要意义。
以煤气化为基础的能源及化工系统，不仅能较好的提高煤转化效率和降低污染排放，而且能生产液体燃料和氢气等能源产品，有效缓解交通能源紧张。煤气化技术正在成为世界范围内高效、清洁、经济地开发和利用煤炭的热点技术和重要发展方向。煤炭的气化和液化技术、煤气化联合循环发电技术等都已得到工业应用。
煤气化技术包括:备煤技术、气化炉技术、气化后工艺技术三部分，其核心是气化炉。按照煤在气化炉内的运动方式，气化方法可划分为三类，即固定床气化法、流化床气化法和气流床气化法，必须根据煤的性质和对气体产物的要求选用合适的煤气化方法。
1 煤气化工艺概述
煤炭气化是煤洁净利用的关键技术之一，它可以有效的提高碳转化率、冷煤气效率，降低气化过程的氧耗及煤耗。煤气化工艺是以煤或煤焦为原料，氧气(空气、富氧、纯氧)、水蒸气或氢气等作气化剂(或称气化介质)，在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为煤气的热化学加工过程。
目前世界正在应用和开发的煤气化技术有数十种之多，气化炉也是多种多样，最有发展前途的有10余种。所有煤气化技术都有一个共同的特征，即气化炉内煤炭在高温下与气化剂反应，使固体煤炭转化为气体燃料，剩下的含灰残渣排出炉外。气化剂为水蒸气、纯氧、空气、CO2和H2。煤气化的全过程热平衡说明总的气化反应是吸热的，因此必须给气化炉供给足够的热量，才能保持煤气化过程的连续进行。
煤气化根据供热原理大致可分为3种：
（1） 热分解(约500-1000℃)：加热使煤放出挥发分，再由挥发分得到焦油和燃气(CO、CO2、H2、CH4)，必须由外部供热，残留的固态炭(粉焦和焦炭等)作它用；
（2） 部分燃烧气化(约900-1600℃)：煤在氧气中部分燃烧产生高温，并加入气化剂(H2O、CO2等)，产生可燃气(CO、CO2、H2)和灰分；
（3） 化学循环气化(约600-800℃)：该技术是近年才开发的，在煤气化炉中投入水和CO2吸收剂，产生吸收CO2的放热反应，为煤气化反应提供热量，得到产品氢(H2)、灰分和吸收剂CO2。
2 煤炭气化工艺的分类和比较
按照生产装置化学工程特性，煤气化工艺可分为固定床气化、流化床气化气流床气化和熔融床气化4种类型。
2.1 固定床气化技术
固定床气化也称移动床气化，其煤气化炉的主要结构特点是：原料煤块由气化炉顶部加入，用炉箅来支撑。由下部吹入气化剂(O2或空气与水蒸气)进行气化，气化剂与煤及其残渣彼此逆向流动，因而将要离开气化炉的热灰渣可在运动过程中加热刚进入气化炉的气化剂，而即将离开气化炉的热煤气则可对原料煤干馏、气化及预热。煤燃烧状态的温度为1200-1400℃。煤中的灰分通过炉箅落炉底移出炉外，煤在进入气化炉前，需经破碎和筛分，除去直径小于3.175mm的细煤块，通常要求煤粒尺寸控制在6.35mm-38mm之间。为防止煤的熔结，炉内设有搅拌器或旋转炉箅。煤通过各反应区域，逐步被气化，气化显热用于干燥和热分解。
固定床气化过程的设计与制比较完善，操作技术方面也积累了丰富的经验。常见有间歇式气化和连续式气化(鲁奇UGI)。固定床气化的局限性是对床层均匀性和透气性要求较高，入炉煤要有一定的粒(块)度及均匀性。煤的机械强度、热稳定性、黏结性和结渣性等指标都与透气性有关，因此固定床气化炉对入炉煤有很多限制。其原料煤必须使用无烟块煤，设备能力低，由于气化温度低，产生的苯酚焦油废水等有害物质难以处理，污染大，原料可利用率低，粗合成气中甲烷含量高，只适于作城市煤气，不宜作合成气。
2.2 流化床气化技术
流化床气化的气化剂由炉下部吹入，使细粒煤(小于6mm)在炉内呈并逆流反应，通常称为流态化气化。气化剂(富氧或纯氧加水蒸气)与煤粉(或水煤浆)经特殊喷嘴进入反应室，瞬间着火，在1300℃-1600℃高温下将煤转化成CO、H2、CO2等气体，残渣以熔渣形式排出气化炉。在流化床气化炉内，主要进行的反应有:碳的燃烧反应、二氧化碳还原反应、水蒸汽分解反应及水煤气变换反应等。
根据所用原料的粒度分布和性质，控制气化剂的流速，使床内的原料煤全部处于流化状态，在剧烈的搅动和返混中，煤粒和气化剂充分接触，同时进行着化学反应和热量传递。
这种气化炉的特点是不副产焦油，生成气中甲烷含量少。气流床对煤种、粒度、含硫、含灰都具有较大的兼容性，其清洁、高效代表着当今技术发展潮流。为提高碳转化率，生成气温度高，为减少显热损失，必须采用热回收技术，并处理伴随生成气的熔融灰。常见流化床气化炉有温克勒(Winkler)、灰团聚(U-Gas)、循环流化床(CFB)、加压流化床等。煤与气化剂能很好地混合，使炉内温度均匀，但为了防止灰分成熔块，通常在1000℃以上运行。因此，不能用灰分融点低的煤。为维持炉内流化状态并保证不结疤，气化温度应控制在灰软化温度以下。要避免煤颗粒相聚而变大以致破坏流态化，显然不能使用黏结性煤。由于炉温低、停留时间短，带来的最大问题是碳转化率低、飞灰多、残碳量高，且灰渣分离困难，其次是炉温不易控制，副产焦油少，但未分离的灰分与炭一起从炉顶排出，碳利用率低[5]。
常见流化床气化炉有温克勒(Winkler)、灰团聚(U-Gas)、循环1流化床(CFB)、加压流化床等。
2.3 气流床气化技术
所谓气流床气化，一般是将气化剂(氧气和水蒸汽)夹带着煤粉或煤浆，通过特殊喷嘴送入炉膛内。在高温辐射下，氧煤混合物瞬间着火、迅速燃烧，产生大量热量。火焰中心温度可高达2000℃左右，所有干馏产物均迅速分解，煤焦同时进行气化，生成含一氧化碳和氢气的煤气及熔渣。
气流床气化炉内的反应基本上与流化床内的反应类似。
气流床气化炉粉煤与气化剂(O2、水蒸气)一起从喷嘴高速吹入炉内，快速气化。炉内维持1500℃以上高温，生成以H2、CO为主要成分的合成气灰分熔融成渣落入炉底回收。这种气化炉的特点是不副产焦油，生成气中甲烷含量少。为提高碳转化率，生成气温度高，为减少显热损失，必须采用热回收技术，并处理伴随生成气的熔融灰。
气流床从原料形态分有水煤浆、干煤粉两类，Texaco、Shell最具代表性。
2.4 熔融床气化技术
熔融床气化也称熔浴床气化或熔融流态床气化。它的特点是有一个温度较高(一般为1600℃-1700℃)且高度稳定的熔池，煤粉和气化剂以切线方向高速喷入熔池内，池内熔融物保持高速旋转。此时，气、液、固三相密切接触，在高温条件下完成气化反应，生成 H2 和 CO 为主要成分的煤气。熔融床有3类:熔渣床、熔盐床和熔铁床。在现代煤气化技术开发中，熔融床技术并未完全商业化，还未见可靠的实际应用[5]。选择气化方法通过对各种气化方法的了解，应认识到每一种具体气化方法都不是无条件地可被采用的，特别是对煤种都有一定的要求。
2.5 小结
当选用合适的煤种时，则该气化方法就能发挥出效益。反之，煤种不合适，即使是先进的气化方法也不一定能表现出其优点，甚至正常的气化过程都会发生困难。如煤的灰熔点很高且灰渣的粘度很大，则不宜选用德士古气化法。
选择气化方炔还应考虑煤气的用途，所以，应该以可能选用的煤种和煤气的用途为出发点预选几种可供采用的气化方法，结合过程的总热效率和环保要求加以考虑和比较。
总热效率(过程热能的总出量与总入量的比值)能很好地说明气化装置综合利用热能的结果，所以这也是选择气化方法的重要依据之一。
为使气化过程的总热效率较高，希望气化炉的单炉生产能力较大，这样，可使气化炉的热损失减少。
2.3 煤气化技术的工业应用
煤气化是洁净、高效利用煤炭的主要途径之一。长期的生产实践表明，在将煤炭转变成更便利的能源和产品形式的各种技术中，煤气化是应优先考虑的一种加工方法。城市煤气、化工合成用原料气、先进的联合循环发电用燃气和综合利用系统是煤气化发展和应用的主要方向。煤炭气化技术广泛应用于下列领域。
3.1 作为工业燃气
一般热值为1100-1350大卡热的煤气，采用常压固定床气化炉、流化床气化炉均可制得。主要用于钢铁、机械、卫生、建材、轻纺、食品等部门，用以加热各种炉、窑，或直接加热产品或半成品。
3.2 作为民用煤气
一般热值在3000-3500大卡，要求CO小于10%，除焦炉煤气外，用直接气化也可得到，采用鲁奇炉较为适用。与直接燃煤相比，民用煤气不仅可以明显提高用煤效率和减轻环境污染，而且能够极大地方便人民生活，具有良好的社会效益与环境效益。出于安全、环保及经济等因素的考虑，要求民用煤气中的H2、CH4、及其它烃类可燃气体含量应尽量高，以提高煤气的热值；而CO有毒其含量应尽量低。
3.3 作为化工合成和燃料油合成原料气
早在第二次世界大战时，德国等就采用费托工艺(Fischer-Tropsch)合成航空燃料油。随着合成气化工发展，以煤气化制取合成气，进而直接合成各种化学品的路线已经成为现代煤化工的基础，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液体燃料等。化工合成气对热值要求不高，主要对煤气中的CO、H2等成分有要求，一般德士古气化炉、Shell气化炉较为合适。目前我国合成氨的甲醇产量的50%以上来自煤炭气化合成工艺。
3.4 作为冶金还原气
煤气中的CO和H2具有很强的还原作用。在冶金工业中，利用还原气可直接将铁矿石还原成海棉铁；在有色金属工业中，镍、铜、钨、镁等金属氧化物也可用还原气来冶炼。因此，冶金还原气对煤气中的CO含量有要求。

3.5 作为联合循环发电燃气
整体煤气化联合循环发电(简称IGCC)是指煤在加压下气化，产生的煤气经净化后燃烧，高温烟气驱动燃气轮机发电，再利用烟气余热产生高压过热蒸汽驱动蒸汽轮机发电。用于IGCC的煤气，对热值要求不高，但对煤气净化度-如粉尘及硫化物含量的要求很高。与IGCC配套的煤气化一般采用固定床加压气化(鲁奇炉)、气流床气化(德士古)、加压气流(Shell气化炉)广东省 加压流化床气化工艺，煤气热值2200-2500大卡左右。
3.6 作煤炭气化燃料电池
燃料电池是由H2、天然气或煤气等燃料(化学能)通过电化学反应直接转化为电的化学发电技术。目前主要由磷酸盐型(PAFC)、熔融碳酸盐型(MCFC)、固体氧化物型(SOFC)等。它们与高效煤气化结合的发电技术就是IG-MCFC和IG-SOFC，其发电效率可达53%。
3.7 煤炭气化制氢
氢气广泛的用于电子、冶金、玻璃生产、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氢能电池等领域，目前世界上96%的氢气来源于化石燃料转化。而煤炭气化制氢起着很重要的作用，一般是将煤炭转化成CO和H2，然后通过变换反应将CO转换成H2和H2O，将富氢气体经过低温分离或变压吸附及膜分离技术，即可获得氢气。
3.8 煤炭液化的气源
不论煤炭直接液化和间接氧化，都离不开煤炭气化。煤炭液化需要煤炭气化制氢，而可选的煤炭气化工艺同样包括固定床加压Lurgi气化、加压流化床气化和加压气流床气化工艺。
煤气化技术在中国已有近百年的历史，但仍然较落后和发展缓慢。全国有近万台各种类型的气化炉在运行，其中以固定床气化炉为最多。如氨非工业中应用的 UGI 水煤气发生炉就达4000余台；生产工业燃气的气化发生炉近 5000台其中还包括近年来引进的两段气化炉和生产城市煤气和化肥的Lurgi炉。Winkler 和 U-GAS 流化床气化和Texaco气流床气化等先进技术则多用于化肥工业，但数量有限。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，将影响经济、能源和环境的协调发展。在国家的鼎力支持下，中国在研究与开发、消化引进技术方面进行了大量工作。仿k-T气化技术的研究与开发，在新疆芦草沟和山东黄县建设中试装置，为以后国内引进 Texaco 水煤浆气化技术提供了丰富的经验。80年代在灰熔聚流化床煤气化领域中进行了大量工作并取得了专利。“九五”期间立项开发多喷嘴对置气流床气化炉，已经通过中试装置考核运行，并获得了专利。“九五”期间还就“整体煤气 )”立项，有 10 余个联合循环关键技术 (含高温净化单位参加攻关。我国在近 20 多年时间，共引进了数十台 Texaco 气化炉和 20台 Shell 气化炉，并在国内配套完成了部分设计、安装与操作，积累了丰富的相关经验。此外，在流化床、煤及煤浆燃烧、两相流动与混合、传热、传质、煤化学、气化反应、煤岩形态、磨煤与干燥、高温脱硫与除尘等科学领域与工程应用等方面也进行了大量的研究工作[1]。
以煤气化为基础的能源及化工系统不仅能较好的解决煤转化过程中提高效率和降低污染排放的问题，而且能生产液体燃料和氢气等能源产品，有效缓解交通能源紧张。因此我们提出了洁净煤技术，以燃煤的整体煤气化燃气整体联合循环技为代表的清洁燃烧技术，和以煤气化为核心的多联产系统(Polygeneration)为代表的煤的综合利用技术，作为可持续发展能源系统的重要组成部分，正逐渐成为我国重点关注的对象。
煤气化技术正在成为世界范围内高效、清洁、经济地开发和利用煤炭的热点技术和重要发展方向。煤炭的气化和液化技术、煤气化联合循环发电技术等都已得到工业应用。
参考文献
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