干法进料煤气化技术在中国的进展与发展趋势

第37卷第6期中国电力Vol. 37, No. 62004年6月ELECTRIC POWERJun., 2004发电技术中干法迸料煤气化技术在中国的迸展与发展超势任永强l,许世森2,郜时旺2(1.西安交通大学,陕西西安710049; 2.国电热工研究院,陕西西安710032)摘要:煤气化技术是燃煤联合循环、煤化工、综合利用系统和零排放系统的关键技术之一。介绍中国煤气化技术的应用和发展现状，包括固定床气化(常压UCI炉和加压Lurgi 炉)、流化床气化(U-gas 炉和中国科学院山西煤炭化学研究所开发的常压灰熔聚流化床炉)和气流床气化(国电热工研究院提出的2段式干煤粉加压气化炉)，并对这3种床态的优缺点进行了对比。通过比较认为，2段式干煤粉加压气化炉气化和灰熔聚流化床气化优势明显。关键词:煤气化，干法进料;流化床气化中国分类号: TQ546.2文献标识码: A文章编号: 1004-9649(2004)06-0049-04动的。因而,将要离开气化炉的热灰渣可在运动过程0前言中加热刚进入气化炉的气化剂，即将离开气化炉的热煤气则可用来预热刚进入气化炉的煤。在进入气煤气化是洁净、高效利用煤炭的主要途径之一，化炉前,煤需经破碎和筛分,除去直径小于3.175 mm长期的生产实践表明,在将煤炭转变成更便利的能源的细煤块。通常要求煤粒尺寸控制在6.35-38.00mm和产品形式的各种技术中,煤气化是应优先考虑的一间。为防止煤的熔结,可采用搅拌器或旋转炉箅。固种加工方法。城市煤气、化工合成用原料气先进的联定床气化的局限性是对床层均匀性和透气性要求较合循环发电用燃气和综合利用系统是煤气化发展和高,人炉煤要有一定的粒(块)度及均匀性。煤的机械应用的主要方向。气化炉的分类按煤与气化剂的相对强度、热稳定性、粘结性和结渣性等指标都与透气性流动方式可分为逆流、并逆流和并流等3种。与这3有关,因此,固定床气化炉对人炉煤有很多限制。种方式相对应的则是固定床.流化床和气流床气化炉。煤气化工艺大多为德国人研发，至今已有100虽然国外已有多种煤气化技术开发成功，但我多年历史。第1台常压固定床空气间歇气化炉于国煤气化技术及相应的煤气高温净化技术都还处于1882年设计,1913年工业化后被美国UGI Corpora-开发阶段,与世界先进技术相比差距甚远。针对我国tion发展成现在的UGI炉(由UGI Corporation研发,幅员广大、煤种多、烟煤多、粉煤多、煤质变化大的特故名UGI炉)。该炉以焦碳为原料、蓄热和气化交替点,国家从“六五”(1980~1985年)至“十五"(2000~进行制取合成气,国外已于20世纪60年代初废弃。2005年)期间投人大量人力、物力,研制开发先进的我国于20世纪40年代引进UGI炉,50年代改煤气化技术,以便在较短时间内赶上世界先进水平。烧无烟煤,主要用于制氨和甲醇,最多时有1 000余我国是继德国以后研发和应用煤气化工艺(技术)最家采用约数千台炉子,至今尚有670余家,主要原料多的国家,几乎遍及.上述3种床层的各个领域。现总是无烟煤和土焦。UGI炉生产的氨(甲醇)大约占全结40多年来中国在煤气化技术方面的研发和应用国煤基氨厂总产量的90%以上。由于UGI炉有诸多历史,以此探求煤气化工艺的发展方向。缺点，包括煤种限制、环保、气化强度和效率,我国从60年代初至今曾研发过多种气化工艺,而实现工业1固定床化的只有碎煤加压气化(Lurgi),而大部分试验炉型仅处于试验阶段。在固定床气化炉中用炉箅来支撑煤块。气化剂我国对碎煤加压气化技术的研究始于20世纪(O2或空气与水蒸气)与煤及其残渣是彼此逆向流50年代。当时在中国科学院山西煤化所和锦州的石中国煤化工收稿日期: 2003-10-23; 修回日期: 200-12-29基金项目:“十五”国家高技术研究发展计划(863计划)课题(2003AA522(MHCNMH G作者简介:任永强(1974-),男,山西汾阳人,博士研究生,从事气固两相流、煤气化和煤气净化技术的研究。E-mail:renyongqiang@tpri.com.cnI发电技术2004年第6期中国电力第37卷油工业部六厂研究所分别建立了2台D80mm、世界最大。生产规模为产低热值煤气300x104 m'/天D150mm实验装置,用于不同煤种的试验。1963年(煤气高热值5.827 MJ/m'),共开6台炉子,每台U-沈阳煤气化研究所建立了第1台D1200mm中试Cas炉产煤气50x10*m?/天(另有2台备用)。炉装置,用于褐煤气化试验。1985 年在煤炭科学院上海焦化厂的U- -Cas气化装置已运行了几年,目北京煤炭研究所又建立了1台D 650 mm中试炉。这前的主要问题是气体带出物太多(200g/m2),还不能长些小试和中试装置为国家开展碎煤加压气化的研究周期稳定运行(- -般每运行1000h就要停车检修)。奠定了理论基础并积累了丰富的数据和经验。我国2.2灰熔聚流化床气化炉正式使用碎煤加压气化技术的工业化装置是在灰熔聚流化床气化炉是由中国科学院山西煤炭1970年。20世纪50年代中期从前苏联转手进口的化学研究所开发的。该所从80年代开始,在国家计22台捷克产碎煤加压气化炉(相当于第1代鲁奇委和科委及中国科学院的大力支持下，独立研究开炉)，于1970年在云南开远的解放军化肥厂启用4发了具有国际先进水平的“灰熔聚流化床粉煤气化”台,用于生产合成氨原料气,后增加到11台。进入20技术并先后建立了日处理能力为1t煤的小型试验世纪50年代中期后,碎煤加压气化炉在我国得到了装置和24t煤的中间试验装置及相配套的冷态试验较大发展,国内现有32台碎煤加压气化炉在5个厂模型。2001年该所建成1座灰团聚流化床气化I业使用。示范装置(规模100/天,相当于2万t氨/年),以陕中国碎煤加压气化炉的国产化主要经历了2个西郴县烟煤为原料,人炉煤粒度0~8mm。该示范装过程:小试、中试逐步放大到工业化;引进、消化直接置于2002年10月通过验收。转移到工业化。这中间2者的结合起到了关键作用。2.2.1灰 熔聚流化床粉煤气化技术基本原理流态化粉煤气化是借助气化剂(蒸汽.空气或氧2流化床气)的吹人，使炉内中的煤粒在流化状态下气化,在燃烧产生的高温条件下.气固2相充分混合接触,发气化剂由炉下部吹人，使细粒煤(小于6mm)在生煤的还原反应,最终实现煤的气化。炉内呈并逆流反应,通常称为流态化气化。煤粒(粉灰熔聚流化床粉煤气化工艺的特点:(1)主设备煤)和气化剂在炉底锥形部分呈并流运动,在炉上简气化炉的结构简单,是一个单段流化床。(2)高 温煤体部分呈并流和逆流运动。为维持炉内流化状态并气夹带的细粉绝大部分经旋风除尘系统捕集下来，保证不结疤,气化温度应控制在灰软化温度(7)以并通过料腿返回气化炉内,再次进行燃烧、气化,这下。要避免煤颗粒相聚而变大以致破坏流态化,显然样有利于碳利用率的提高。(3)煤种适应性宽,可利不能使用粘结性煤。由于炉温低、停留时间短,带来用碎煤(小于8mm),对煤的灰熔点没有特殊要求。的最大问题是碳转化率低、飞灰多.残碳高,且灰渣(4)气化炉的气化强度高,气化温度适中。粗煤气中分离困难。其次是炉温不易控制。不含焦油，含酚低,废水处理简单。20世纪50年代我国从前苏联引进牌号为rmun2.2.2灰 熔聚流化床粉煤气化工艺流程的流化床气化炉(相当于Winkler 炉),以褐煤为原灰熔聚流化床粉煤气化工艺主要设备:进煤系料,用O2、H2O连续吹风制取合成气。90年代又从美统、气化炉、排灰系统、--级旋风降尘器、二级旋风除国引进U-Gas炉生产低热值燃气。这2种炉型的主尘器、废热回收(其中包括废热锅炉、换热器等设备)要缺点是碳转化率太低,”飞灰多,炉子不能正常操作。和冷却水洗塔等。灰熔聚流化床粉煤气化工艺流程中国科学院山西煤化所研发的灰熔聚炉对普通见图1。流化床炉作了重大改进,从中心管(射流区)送人部2.2.3工业化示范装置分氧气,形成局部高温,有利于灰渣分离,加上其它采用中国科学院山西煤化所灰熔聚流化床气化措施(如回流),提高了碳转化率。该炉首先在陕西城技术的工业化示范装置建在陕西城固化肥厂。主要设固投人工业应用,取得了较好效果。备气化炉内径为~下部D2400mm、上 部D3600 mm,2.1 U-Gas 炉(由美国煤气工艺研究院研发)总高15m,气化压力0.03 MPa,气化温度1 000~.上海焦化总厂三联供工程日产城市煤气170x.1 100C,气化炉内衬耐热耐磨材料。配套制氧装置104 m',年产甲醇18x10*t. 已建成投产多年。其中城能力2065 m?/h (氧浓度92%)，氧气压力大于等于市煤气部分是引进U-Gas气化技术,生产低热值煤0.13中国煤化工: *能力4.2~5.0th,气(高热值5.80MJ/m2)作焦炉加热用的燃料煤气,要求二粒度小于8 mm,其原用于加热焦炉的高热值焦炉煤气(高热值20.50中小MHCNMH G在20%以下。气化MJ/m'),被替代出来经掺混后用作城市煤气(高热和空分全部用DCS(分散控制系统)集中在一个控值15.90MJ/m')。本工程中U- -Gas 炉直径2.6 m,为制室内操作。6|第37卷任永强等:干法进料煤气化技术在中国的进展与发展趋势2004年第6期发电技不士 d800t/天的工业示范装置,预计2004年投运。烟台250MW等级的整体煤气化联合循环(IGCC)示范电站正进行评标。为配合IGCC引进工程,国电热|叫工研究院于2000年建成了国内第1套干煤粉加压。自气化特性试验装置并进行了试验研究,其流程见图2。该装置气化能力为每小时10-20 kg煤粉,压力为3.0 MPao研究的目标是积累中国主要动力煤在干粉出4其它用检=p预热空气气化状态下的气化数据库，形成- -套干煤粉加压气(2。蒸汽化评价方法。灰渣1-皮带输送机;2-破碎机;3-埋刮板; 4-筛分机;5- 回转干燥炉;6-埋刮板;7--煤仓; 8- 给料器:9-斗提机:10-煤储罐;11-平衡斗; 12- 进料斗;.0_- °9-化学教水13-螺旋进料器; 14- 气化炉;15-上灰斗; 16- -下灰斗;90取样口17--级旋风分离器;18-.二级旋风分离器:19- -级飞灰斗; 20- 二级飞灰斗; 21-废热锅炉;→去火炬22-空气预热器; 23- -水洗塔24-砂子储罐;25- -除尘器:26-除尘绞龙;27-砂子下储罐;自来*gr0污水28-空气分气缸; 29- -蒸汽分气缸圄1灰熔聚流化床煤气化工艺流程 .水1- 煤粉仓;2-变压仓; 3- 加压仓;4- - -螺旋输送机;设计规模:气化炉进煤量4.2 t/h,粗煤气产量.s- 氧气缓冲罐; 6- -计量泵; 7-蒸汽发生器: 8一氮气缦冲罐1;9 000 m/h,生产合成氨2.8th,年产合成氨2万t(年9-氬气缓冲罐2;10-电动往复泵;11-喷嘴;12-气化炉; 13- 汽液分离器;14-焦炭过滤 器操作日按300天计)。圄2干煤粉加压气化试验装置工艺流程该装置于2000年4月土建开工,2001年3月全部建成,4月开始联动试车,6月中旬开始第1次现在，热工研究院联合国内煤科总院北京煤化投煤试车,至2001年12月先后实验4次,停车整改所、西北化工研究院等6个单位正联合攻关,建设- -3次。2002年2月上旬完成了实验,工业化示范取得套1.5Uh的中试装置。为取得中国自主开发的知识成功,煤气送人合成氨生产系统。2002 年3月21-产权,中试气化炉采用2段进煤方案。气化炉结构见26日通过陕西省科技厅组织的验收。图3。2.2.4灰熔聚气化技术的展望. 煤气出口气化炉压力P的提高有利于增加生产能力。压力提高亦降低了炉内气流速度，而降低气流速度使,水汽去汽包煤气夹带物量减少。作为合成原料气生产时.压力炉+上联箱产生的煤气可减少合成气压缩功的耗量。中国科学院山西煤化所正在进行加压灰熔聚气化技术研究。通过试验发现,提高压力,反应速度增加,相应地气化强度增加。从煤气组成看,压力提高，二次粉煤和水蒸汽进口锅炉水进口下联箱煤气中CO+H2含量有所改善。而甲烷含量在0.5~1.4 MPa(表压)压力下变化不大。气化压力提高,碳冷却水出口+粉煤(氨气夹带)转化率和冷煤气效率明显增加。而排灰碳含量随压水蒸汽和氧气.水蒸汽和氧气力增加而减少。由此可看出灰熔聚流化床气化技术.冷却水进-渣口碳回流入炉将朝着提高压力的方向发展。3气流床接锁渣罐中国煤化工国外研究开发干煤粉气流床气化技术已有50，炉膣分为上炉多年历史,其代表是K-T炉(Koppers-Totzek) .Shell膛和:MYHCN MH G应区,为一个两端炉和PRENFLO炉。国内在该技术领域刚起步,湖北窄中间寬的腔体,4个对称的用于输入粉煤、水和氧应城化肥厂引进Shell公司技术正建设1台规模为气喷嘴设在下炉膛两侧壁上，渣口设在下炉膛底部5共众电技示2004年第6期中国电力第37卷高温段,采用液态排渣,在下炉膛内壁面上设有用于回收部分热量的水冷壁;上炉膛为第2反应区，5讨论高度较长,在上炉膛的侧壁开有2个对称的二次粉煤和水进口,同时在上炉膛内壁面也设有用于回收(1)从国内外煤气化工艺发展趋势看,氧气气化热量的水冷壁。工作时,由气化炉下段喷人干煤粉、必然取代空气气化。国外虽研发多种空气气化炉型，氧气(纯氧或富氧)以及蒸汽,所喷人的煤粉量占总真正实现工业化并还在沿用(中国)的只有UGI炉。煤量的80%-85%，在上炉膛喷入过热蒸汽夹带的为推动煤气化工艺的技术进步，必须发展气流床气粉煤, ,喷人量占总煤量的15%-20%。该装置中.上段化、灰团聚气化等第2代炉型，逐步减少直至淘汰炉的作用:一是代替循环合成气使温度高达1 400 CUGI炉,提高煤气化工艺水平。(2)K-T 炉从工业化的煤气急冷至约900 C;二是利用下段炉煤气显热到停止发展只有不足30年历史,这是因常压操作而进行热裂解和部分气化,提高总的冷煤气效率和热引起的。灰团聚炉(常压)比UGI炉是一个进步,如效率。果不研发加压炉必将走K-T炉的老路,生命力不会太强。(3)Shell炉、PRENFL0炉虽属先进炉型,但由4我国煤气化工艺的发展方向于专利费过高,一般企业无法接受.降低造价的办法是采用国内专利、走国产化之路,这对国内科研设计当前煤气化技术发展趋势:(1)适当提高气化压单位提出了更高的要求，国家应在干法进料加压气力对提高单炉生产能力、提高效率、降低成本都意义流床气化技术开发.上增加投资，争取开发自主知识重大。(2)扩大煤种和粒度适应范围。(3)扩大单炉生产权的专利技术。产能力。(4)气化效率(含碳转化率.有效气含量、冷煤气效率)要高,氧煤单耗要低。(5)合理生产,综合参考文献:利用。把煤气化技术与发电(如IGCC) .联产化工产品联系起来,以提高总热效率,降低产品成本。(6)满[1]唐宏青.媒化工工艺技术评述与展望[J].燃料化学学报.2001 ,29足环保要求。(1):1-5.在固定床气化炉方面，常压UGI炉属淘汰炉[2]黄戒介,房倚天,王洋现代煤 气化技术的开发与进展[J].燃料型,加压Lurgi炉虽然冷煤气效率较高,氧耗较低，化学学报,2002 ,30(5 ):385-390.但低温焦油污染严重,环境治理较困难,人炉煤基本[3]王洋,张建民,黄戒介,等,加压灰熔聚流化床粉煤气化技术的是13mm以上的小块煤,若用Lurgi炉生产合成气，研究与开发[A].全国清洁能源技术研讨会论文集[C].2001.因分离和转化煤气中甲烷生产流程较长，操作可靠[4] 许世森,任永强.两段式干煤粉气化炉[P].中国. 实用新型:性和稳定性降低。ZL012404071 ,2001-11-30.加压气流床和流化床应是煤气化首选工艺。(责任编辑孙家振)Development status and tendency of coal gasification technology with dry coal feed in ChinaREN Yong-qiang', XU Shi-sen', GAO Shi-wang2(1.Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China; 2.Thermal Power Research Institute, Xian 710032, China)Abstract: Coal gasification technology is the key technology of coal-fired combined cyecle, coal chemical industry, comprehensive utilizationsystem and zero draining system. This paper introduces the applications and development status of coal gasifcation technology in China, in-cluding fixed bed gasification (atmospheric UGI gasifers and pressurized Lurgi gasifer), fluidized bed gasification (U-gas gasifers and atmo-spheric ash agglomerating fluidized bed gasifier) and entrained flow gasification (two-stage pressured entrained flow gasifer put forward byThemal Power Research Institute). By comparison, the entrained flow gasification of dry coal feding and ash agglomerating fluidized bed gasi-fication are evidently predominant.Key words: coal gasification; dry coal fed; fluidiged bed gasification电力科技信有权中国煤化工k营权则交给了国家电网YH了权和经营权的分▲意大利欲将国家电网的所有权和经营权离。目. CN M HC雄电网所有权和经统一自意大利政府实行电力改革后，其国家电网的所营权的统- - ,并推进其私有化进程,将议案提交议会讨论。52|