中国煤气化工艺(技术)的现状与发展

第2期(总第111期)煤化工No.2(Total N.111)2004年4月Coal Chemical IndustryApr. 2004中国煤气化工艺(技术)的现状与发展张东亮(西北化工研究院,710600)摘要在总结我国40多年来研究开发煤气化工艺技术的基础上,提出了我国煤气化工艺的发展方向,即大型气化炉( 100t/0)采用干法进料的Shell炉,而小型炉( 100t/d )则采用灰熔聚流化床气化炉。关键词煤气化Shell炉灰熔聚炉文章编号:1005- 9598( 2004 )-02-0001-05中團分类号:TQ54 文献标识码:A多年的历史。第一台常压固定床空气间歇气化炉于引|言1882年设计,1913年工业化后被美国气体改进公司发展成现在的U.G.I炉。该炉以焦炭为原料、蓄热和煤气化工艺是煤化工.IGCC、加氢工艺、煤液化等气化交替进行制取合成气,国外早已于20世纪60年的龙头和基础,气化工艺在很大程度上影响煤化工产代初废弃。品(电力)的成本和效率,因此研发高效、低耗无污染我国于20世纪30年代~40年代引进U.G.1炉,的煤气化工艺(技术)是发展煤化工的前提。50年代改烧无烟煤,主要用于制氨和甲醇,最多时有煤气化工艺过程是在气化炉内进行的,为简便叙1 000余家采用约数千台炉子,至今尚有670余家,主述,人们习惯把某种气化工艺称作某炉型，如常压固要原料是无烟煤和土焦。U. G. I炉生产的氨(甲醇)大定床气化工艺称作U.G.I炉、水煤浆气化工艺称作约占全国煤基氨厂总产量的90%以上。Texaco炉、干粉加压气化工艺称作Shell炉等。德国于20世纪30年代~50年代初,完成了所谓气化炉的分类大多按煤和气化剂之间的相对流第一代气化工艺的研究与开发,计有固定床的碎煤加动方式来分,它有三种类型:压气化Lurgi炉、流化床的常压Winkler炉和气流床(1)逆流一-固定床或移动床 ,如U.G. I、Lurgi;的常压KT炉。这些炉型都以纯氧为气化剂,实行连续(2)并逆流-流化床或沸腾床,如HTW、KRW、灰操作,大大提高了气化强度和冷煤气效率。德美等国熔聚炉;于70年代开始又研发了所谓第二代炉型如BGL、HTW、(3)并流一-气流床 、喷流床、夹带床,如KT、Texaco、Shell、KRW 等。第二代炉型的显著特点都是加Texaco. Shell炉。压操作，至此，两种常压操作的第- -代炉型(KT 和.我国是继德国以后研发应用煤气化工艺(技术)Winkler)停止发展。最多的国家,几乎遍及上述三种床层的各个领域。本针对U.G.I炉这种“史前"工艺的缺点(如煤种文试求总结我国40多年来的研发历史，探求煤气化限制.环保、气化强度和效率),我国从60年代初至今工艺的发展方向,为国家高层决策提供参考。曾研发过多种气化工艺,而实现工业化的只有碎煤加压气化(Lurgi)、水煤浆气化(Texaco)和灰熔聚流化1沿革和现状床气化,即将工业化的有干粉加压气化(Shell) ,而大部分试验炉型仅停于试验阶段，以下为我国40多年煤气化工艺大多为德国人所研发,至今已有100来研发(应用)的气化工艺。1.1对U.G.I炉的改进研究收稿日期:2003-10-20中国煤化工: 蒸汽连续上吹制取作者简介:张东亮，男,1937年生.1961年毕业于莫斯科门捷列夫化工学院,教授级高工。长期从事煤(油)气化工艺的研合晨，DYHCNM H G化的对比见表1。究,主要成果有水煤浆加压气化制合成气开发研究。由表1可知，富氧气化煤的粒度降至25m ~8m,煤化工2004年第2期一2-(工业示范)和φ3 800mm (工业炉) ,Lurgi炉已在几个表1寓氧气化与空气气化的比较煤气厂和化肥厂推广应用，试验.设计和应用经验较项目空气气化富氧气化多。1.3 FRESH-Demag炉煤块度/mm25-808~25气化强度/m. (m.h)-11502290为在固定床气化炉改烧烟煤,我国曾研发- -种叫比氧耗:m10000(CO+H)]+214FRESH-Demag的气化炉(小试和中试) ,在吹风阶段,空比煤耗/kg. [000m0 (CO+H)]-+600542气从炉顶送入,将炭层蓄热,并使煤灰达到软化温度而形成灰渣;在制气阶段,水蒸气从炉顶送人,煤气经气化强度提高-倍，比煤耗下降10%,但增加了氧耗火层裂解,大大降低焦油及CH含量,煤气质量基本合214m2/1 00mC(O+H2),折合470m/t氨。格;在分渣阶段,水蒸气从炉底送人,将较重的灰渣和1.1.2 粉煤成型及气化较轻的煤粒分离出来而排出炉外。灰渣和炭分离困难随着机采的发展和煤在运输过程中的破碎,到厂是该炉不能工业化的主要原因。煤的成块率- -般为40%~-70%， 约30%-60%的煤不能有1.4 流化床气化效利用。粉煤成型气化为U. G. I炉不能利用的13mm20世纪50年代我国从前苏联引进牌号为以下的粉煤找到一条利用途径。煤球的制作随粘结剂r H A n(前苏联国家氮素工业研究院)的常压沸腾床不同可分为石灰碳化煤球(石灰作粘结剂、吸收变换气化炉(相当于德国Winkler炉) ,以褐煤为原料,用气中CO2即“碳化"而形成球的固定骨架)、纸浆粘土02、H20 连续吹风制取合成气。90 年代又从美国引进煤球和腐植酸煤球等,粉煤成型工艺大多用于小型氮U-Gas炉生产低热值燃气。这两种炉型运行时间都不肥厂,其通病是气化强度下降。长,主要原因是碳转化率太低,飞灰多,炉子不能正常1.1.3变压气化炉操作。采用常压吹风.加压(0.6MPa)制气的循环方式,中科院山西煤化所研发的灰熔聚炉对普通流化优点是煤气可直送加压变换工序，节省煤气的压缩床(沸腾床)炉作了重大改进,从中心管(射流区)送入功。这种炉型尚停留在试验阶段。部分氧气,形成局部高温,有利于灰渣分离,加上其他1.1.4空气连续气化配深冷除氮工艺措施(如回流)，提高了碳转化率。该炉首先在陕西城利用空气-蒸汽连续上吹制低热值燃气,用深冷固投入工业应用(φ2 400m),取得了较好的成绩(将法除去多余的N2以满足合成氨工艺需要，该工艺未在下节重点介绍)。工业化。1.5 粉煤气化1.1.5 双炉气化1.5.1 常压粉煤气化(KT炉)为使U.G. I炉改烧烟煤,曾将两炉串联制气,A.B中国在研发KT炉方面倾注了较大的精力，先后两炉在空气吹风后，由A炉蒸汽上吹制气，煤气在B建成小试(0.2t/h)、中试(1t/h,原形妒1.5t/h)和工炉自上而下通过火层,裂解后甲烷含量基本上符合合业炉(4t/h.台) ,前后经历十余年,但遗憾的是未能工成气要求。双炉气化不能正常运行的主要原因是两炉业化，究其原因是主导思想上跳不出以砖抗渣的框阻力不平衡。框,不敢大胆采用全水冷壁结构,气化炉因耐火材料1.1.6下吹制气腐蚀等问题不能长周期运行。在U.G. I炉改烧烟煤时，曾对操作方法作了改1.5.2常压涡流式气化炉 (Suimitomo- -住友)进,即在吹风(吹扫)后立即下吹制气(下吹为主),煤该炉与KT炉之不同点是粉煤和气化剂切向人气在火层中裂解而除去大部分焦油和烃类。由于合成炉,以延长煤停留时间,提高碳转化率。该炉停留在试氨中烯烃含量较高,影响合成氨后续工序(合成塔析验阶段。碳) ,这种制气工艺还停留在生产中热值燃气阶段,炉1.5.3铁蒸汽法制氢, 常压粉煤空气气化制还原气。径较小(φ 1 600mm~- φ2 400m)。限于实验室探索。1.2 碎煤加压气化(Lurgi炉)-. 常压)中国煤化工我国自70年代起,通过自主研发和引进相结合，三然烧室和气化室,公建成了一系列Lurgi炉试验和生产装置，炉型有用.YHCN MH G尧窒渣池蓄热,在气φ650mm (评价试验炉) .中1100m (中试炉) .中2800mm化室粉煤和水蒸气利用熔渣提供的热量进行气化反2004年4月张东亮:中国煤气化工艺(技术)的现状与发展3-应生成合成气。该炉最大的问题是渣池析铁,即渣池效率)要高,氧煤单耗要低;中氧化铁被还原气和碳粒还原成金属铁，这也是(3)零污染或低污染;Saarberg/otto (加压Rummel 炉)停运的主要原因。(4)气化强度要高,能达到装置大型化.过程自动.1.5.5水煤浆加压 气化(Texaco)炉化的要求。(1)中试-水煤浆蒸发方案(1969年~1971年),在固定床气化炉方面，常压U.G.I 炉属淘汰炉由上海化工研究院提出。该技术路线是参照Texaco型加压Lurgi炉虽然冷煤气效率较高,氧耗较低,但炉早期(1965年前)的工艺而设计的,水煤浆制备、泵低温焦油污染严重,环境治理较困难,人炉煤基本上送和气化炉运行均较顺利,问题出在煤浆蒸发器的堵是13mm以上的小块煤(南非SASOL实测数据是>13mm塞、结垢(主要是CaSO,)、 磨损等,致使气化炉不能正占87%以上) ,若用Lurgi炉生产合成气,因分离和转常运行(最长24h)。化煤气中甲烷生产流程较长,操作可靠性和稳定性降(2)中试-水煤浆直接入炉方案(1985年~1992低,这种炉型不在考虑之列。年),由西北化工研究院提出。中试装置经美国TDC公煤气化工艺的选择,在排除固定床工艺后,加压司认可,可作为水煤浆气化煤种评价装置,双方曾合气流床和流化床就成为优选工艺。作评价两个中国煤种,为上海焦化厂和陕西渭河化肥2.1大型气化(1 000td)厂工业炉建设提供设计依据。代表当今煤气化工艺发展方向的应是Shell炉(3)工业化装置目前在四个厂 建有十余台炉子(1 000t/d)和灰熔聚炉(100t/d)。Texaco水煤浆气化(另有两厂处于可研和工程设计阶段) ,操作压力分为工艺是率先实现工业化的第二代炉型,国内外都有成2. 6MPa、4. 0MPa和6. 5MPa三档，最大单炉投煤.熟的经验，但与新兴的Shell型干粉加压气化相比,750t/d, 这些厂运行都很正常,积累了丰富的操作经其竞争力日益处于不利的地位,主要原因是水分(35%验,可以说我国在Texaco炉的研发、设计和操作等方~40%)人炉带来-系列麻烦。因为水分入炉,气化炉不面,均达到国际先进水平。能用水冷壁,只能以砖抗渣(耐火材料),由此引起的1.5.6干煤粉加压 气化(Shell炉)问题是对人炉煤的灰熔融性温度(T)限制很严,- -般从本质上来说, Shell炉就是加压操作的KT炉，要求T.<1 350C。美国两厂全用低灰熔融性温度煤,国国外研究开发已有50多年历史(从KT炉算起)。欧洲内已投产的四个厂中,有两个(鲁南化肥厂、渭河化肥两个大厂(2000t/d)运转都很正常,但国内刚起步，厂)投产后改换煤种。我国煤种灰熔融性温度普遍较湖北应城化肥厂引进Shell公司基础设计(由化四院高，加人CaCO3助熔剂后又会引起耐火砖腐蚀和灰水做工程设计)正建设-台规模为800t/d(相当于20万结垢等问题。在炉子安排上,Texaco炉因筑炉(含烘t氨/a) 的工业示范装置，预计2004年投运。烟台炉)周期长,必须设置备用炉(日本3+1,鲁南2+1,渭250MW等级的IGCC示范电站正进行评标，估计采用化2+1,上焦3+1) ,炉子利用率较低。Shell 炉是用以Shell气化工艺可能性较大。为配合IGCC 引进工程,渣抗渣的水冷壁结构,炉子寿命长(如南非KT炉5年国电热工研究院西北化工研究院等7家单位正联合~8年) ,水冷壁局部损坏后喷补方便,不需设置备用攻关,建设一套1. 5t/h的中试装置。为取得中国自主炉。Shell炉对煤灰熔融性温度限制不严，很适合中国开发的知识产权，中试炉采用两段进煤上置加料和.大多数煤灰熔融性温度偏高的国情。CO2输煤等方案。Texaco炉因约35%~ 40%水分人炉,气化指标无法与干法进料的Shell炉相比(表2)。2我国煤气化工艺的发展方 向表2 Texaco和Shell气流床工艺的比较选择适宜的气化工艺应根据具体煤种和服务对项目名称Texaco法Shell法象而定,我国煤资源的大多数是褐煤和低变质烟煤,煤气含C0+H2量/%78~8290-95 .灰熔融性温度又普遍较高,大众的服务对象又是化工煤气含CO2量/%18~20≈2和ICCC。煤气化工艺的选择应遵循下列原则:中国煤化工99(1)煤适应性要宽,对粒度、灰熔融性温度等限制:YHCNMHG不应太严;l0our (ur21托氧/田”1wu--20330-360(2)气化效率(含碳转化率.有效气含量、冷煤气1000m2 (CO+H2)耗煤/ kg61520煤化工2004年第2期-酶除化工合成外, IGCC是气流床气化的另一最大用小块煤、粉煤又不能合理利用,因此原料问题是长期户，某电力设计院曾对450MW等级的IGCC示范电站困扰企业发展的主要障碍。有些地方(如云南、广西)作了两种方案的技术经济比较,见表3。当地就有丰富的褐煤资源,苦于缺乏适宜的气化技术表3 IGCC 示范电站Shell和Texaco方案比较。而舍近求远，经济效益低下。出路就在于研发新型气化技术,走炉子(气化技项目名称Shell方案Texaco方案术)可适应原料之路。陕西城固化肥厂采用中科院山机组容量/MW450485西煤化所技术,建成一座灰熔聚流化床气化工业示范自用电率/%12.414.3装置(规模100t/d,相当于2万t氨/a) ,以陕西彬县煤耗/ kg. (kW.h) 10.2380.245‘烟煤为原料，人炉煤粒度0m~8mm。该示范装置于供电效率/%45.243.02002年10月份通过验收。投资/元.kW-16 9056 899灰熔聚气化是对普通流化床的发展,其原理是部分氧气从炉底通人,煤灰在炉中心射流区形成局部高从表2、表3可知，Shell气化比Texaco比氧耗温，操作温度在T2左右,煤灰相互粘结团聚,碳粒和低25%，冷煤气效率高出10个百分点，供电效率灰球因重度差异而得到有效分离，渣中含碳较少(6CC)高出2个百分点,而投资基本持平(Shell炉在(<8%) ,加上炉内回流,总的碳转化率达90%左右,这磨煤、输煤多花的投资大致抵消Texaco炉供氧多花样高的碳转化率是普通流化床气化所无法比拟的。的费用)。诚然目前Texaco炉运行经验丰富,而Shell气化炉操作压力为常压(0.03MPa),操作温度炉尚未投运，在2004年应城化肥厂投运后,Shell炉.1 000C~1 100C， 气化炉下小上大，炉内径分别为必将显示巨大的优越性。2.4m和3.6m,总高15m,配套空分能力2065m^(92%)。在论及两种气流床工艺时,应该强调这样- -个事(1)煤质实，即水煤浆直接人炉并非美国开发的Texaco工艺工业分析(%): M5. 81.Au14. 42、v27.48的初衷,无论是1948年的试验炉(加州, 15t/d) ,还是灰熔融性温度(C): T，1 320、T21 380、Ts 1 4301956年的原形炉(西弗吉尼亚, 100t/d)都是采用干粉(2)煤粒度: <8m,其中(0~1) mn<20%人炉方案即煤浆蒸发方案:干煤粉和水拌制成水煤浆(3)气化指标(平均值)(当时水平为50%煤浆浓度) ,用泵升压后送人外热式.CO+H2 68. 6%蒸发器,水煤浆在此经历预热、蒸发、过热三阶段,水碳转化率90. 6%蒸气-煤粉悬浮物在人炉前尚需分离过多的蒸汽(汽灰渣含C 7. 8%煤比由1:1变成0. 3:1)。鉴于蒸发器问题较多(结煤气产率2. 17m/kg、C0+H2产率为1. 49m/kg垢堵塞、结焦、磨损) ,气化炉不能稳定运行。在第一比氧耗300m/1 00m2 (C0+H2)次能源危机后(70 年代初期) ,Texaco工艺重新试验比煤耗673kg(千)/1 000m (CO+H2)时将蒸发方案改为水煤浆直接人炉方案,突破了长期气化炉生产能力相当于两台U.G. I炉子困扰的加料技术,但带来了前面所提到的诸多问题。(4)扩大煤种该气化技术适 用从褐煤至无烟煤Shell炉适用于大型煤化工(IGCC)项目,气化规.的多种煤,碳转化率均达90%以上。模为1000t/d~2 000t/d,相当于750t氨/d~1 500t .(5)经济效益分析氨/d(或175MW~350MW电力)。气化炉结构简单,无改造投资:约2 000万元需备用炉,该工艺是我国建设大型煤化工项目或中氮降低成本: 210 元/t氨.(20万t/a) 改造的主要方向。灰熔聚流化床气化炉用于小氮肥改造的经济效2.2小型气化(单炉能 力100Vd)益是明显的,改造投资是小型企业能接受的，城固的我国小型化肥厂(2万t/a~10万t/a)几乎都用无烟煤和烟煤都是从外地运人，运距相对较近,如果U.G.I炉生产原料气,造气原料基本上是无烟煤和土某厂远离无烟煤产区而本地又富产烟煤(褐煤)，改造焦,土焦因污染严重而限制其发展。无烟煤主产地又中国煤化工,灰熔聚气化还限于在山西,有些企业运距较远(200km以上),运输成本YH.CNMH(_IPa,则同等炉子投煤很高，而印度规定动力煤的运距不得超过35km。除长!氨/a) ,将适合于中距离运煤以外,到厂煤的成块率约60%,占40%左右的型氮肥厂的改造。2004年4月张东亮:中国煤气化工艺(技术)的现状与发展5-床是气化工艺的必然趋势,也能适应现代化采煤成块3讨论率低的现状。3.1从国内外煤气化工艺发展趋势来看， 氧气气化3.3 KT炉从工业化到停止发展只有不足30年的历必然取代空气气化,犹如氧气炼钢早已取代空气炼钢史,这是因常压操作而引起的。灰熔聚炉(常压)比起一样。 国外虽研发多种空气气化炉型,真正实现工业U.G. I炉来是一个进步,如果不研发加压炉必将走KT化并还在沿用(中国)的只有U.G.I炉。该炉国外40炉的老路,生命力不会太强。多年前已停止使用，而在中国还是煤气化主力炉型，3.4 Shell 炉、Texaco炉虽属先进炉型,但投资太高,产量竟占煤制合成气的九成以上。为推动煤气化工艺一般企业无法接受,且氧耗高、成本高、煤种适应性差的技术进步,必须发展Shell、灰熔聚等第二代炉型,也是必须改进的问题。降低造价的办法是采用国内专逐步减少直至淘汰U.G.I炉,提高煤气化工艺水平。利、走国产化之路,这对国内科研设计单位提出了更3.2 利用粉煤代替块煤、 气流床和流化床代替固定高的要求，上级部门也应制定相关的政策。Present Status and Future Development of Coal Gasification Technology in ChinaZhang Dongliang(North-west Institute of Chemical Industry,710600)Abstract The development orientation of coal gasification in China is suggested based on the do-mestic research and development of the coal gasification technology over the past 40 years, i.e. forlarger (1 000t/d) gasifiers， the Shell technology with dry feed is recommended while for smaller ones(100t/d), the ash agglomeration technology is preferred.Key words coal gasification, Shell gasifier, ash agglomeration gasifier《现代煤化工技术手册》出版贺永德主编,化学工业出版社出版,2004年2月出版,16开/精装,288.00元经过三年的磨砺,汇集70多位煤化工专家的智慧,长达280多万字的《现代煤化工技术手册>最近在化学工业出版社隆重推出,为我国煤化工的发展增添了一部力作。该书由贺永德主编,全书共11篇54章,详细介绍了煤田地质,煤的储运、燃烧、气化、焦化、液化的方法及物化基础.工艺流程、工艺条件选择。另外,还介绍了相关设备结构与材质及环保、安全、仪表自控等的公用工程。该书内容有以下特点:①技术先进、方法全面,反映了国际最新技术。如气化技术中流化床的水煤浆加压气化、粉煤加压气化、流化床的灰熔聚气化技术、煤的地下气化技术等;焦化中焦油煤化工产品的分离与提取技术;煤液化的直接与间接液化技术等。②全书理论联系实际,内容实用可操作性强。③煤的利用涉及面广. 如燃煤气化联合循环发电、燃料电池碳素材料、由合成气制取氨甲醇、二甲醚、低碳醇和羟基合成多种化工产品等均有介绍。④该手册中有大量图表.数据.公式,文字深入浅出,通俗易懂。⑤该手册是权威性专著,国内首创。目前,一-批以油为原料生产合成氨和甲醇的大中型企业,面临油改煤的原料结构调整;中小合成氨需要进行技术改造。如用粉煤作为制肥气化原料。煤作为重要的化工原料受到了新的重视。在这种形势下,本书的问世具有特别重要的意义。一本好的技术书如同-件利器,指导人们在工作中“逢山开道,遇水架桥”。该书可供煤炭、煤化工领城的科研、设计、生产的工程技术人员使用,也可供相关专业大中专院校师生参考。中国煤化工本书全国各大新华书店均有销售,地址:北京市朝阳区惠新里3号邮编 : 1000YHCNMHG行部邮购电话:010-64918013电子信箱:fxb@cip. com. cn