煤气化技术的应用与发展

转化利用. 中国科技核心期刊矿业类核心期刊-煤气化技术的应用与发展高聚忠(中国神华煤制油化工有限公司,北京 100011)摘要:介绍了国内外煤气化技术的发展概况和发展趋势,重点对几种典型煤气化技术的应用与发展进行了研究,并对Lurgi 炉、BGL炉、GE气化炉、多喷嘴炉、清华炉、Shell炉、GSP炉、两段炉、航天炉等典型煤气化炉的结构、性能进行了对比分析。从8个方面分析了煤气化技术的选择需要注意的问题。提出了煤气化技术创新建议,指出未来煤炭的清洁高效转化利用将以大型. .先进的煤气化技术为核心,以电、化、热等多联产为方向进行技术集成。关键词:煤气化;气化炉;工艺过程;技术选择;发展趋势中图分类号:TQ546文献标识码:A文章编号:1006-6772(2013 )01 -0065-07Application and development of coal gasification technologiesGAO Ju-zhong( China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co. ,Ld. Bejing 10001 ,China)Abstract : Emphasize some typical coal gasification technologies at home and abroad. Compare the structure , charac-teristics of Lurgi gasifier, BGL gasifier, GE gasification furnace, multi-nozzle gasifier , Tsinghua gasifier , Shellgasifier , GSP gasifier, two-stage gasifier and dry coal pressurized gasifier. Give some innovative suggestions for thechoice of coal gasification technologies. In the future , the core of the clean and efficient coal conversion is large-scale and advanced technologies , which must integrate the electrical , chemical and thermal technologies.Key words:coal gasification ;gasifier ; technological process ;technologies choice ;development tendency2011年,中国原煤产量35.2亿t,商品煤消费.补中国硫资源短缺现状,同时利于实施CO2捕集、量36.8亿川,分别占一次能源生产和消费总量的利用、贮存等。78%和70%。实现煤炭的清洁高效转化越来越受1煤气化技术发 展趋势到关注。国家的有关能源政策倾向于支持使煤炭得到清洁利用的技术,煤气化是煤炭洁净利用的重1.1 国外煤气化技术发展要方面。国外煤气化技术的发展最早可追溯到1780年(2] ,中国煤的气化转化利用率较低,2010年气化煤早期的煤气化技术主要是以生产燃料气为主。移用量约1.1亿t,约占全国煤炭消费总量的3.5%，动床气化是最早发展的煤气化技术，以块煤为原主要用于合成氨、合成甲醇和新型煤化工生产。煤料,以空气、水蒸气为气化剂,固态排渣，生产发生气化过程中SO2,NO,和总悬浮颗粒物等的排放均炉煤气。1880年德国设计了世界上第一台常压移在煤炭燃烧利用排放量的5%以下,并可回收硫,弥动床空气间歇气化炉，1913 年被美国气体公司改革收稿日期:2012-10-26责任编辑:宫在芹作者简介:高聚忠( 1964- -) ,男,河北高邑人,高级工程师，长期从事煤气化及煤化工技术开发研究工作。引用格式:高聚忠煤气化技术的应用与发展[J]洁净煤技术,2013 ,19(1) :65-71.高聚忠:煤气化技术的应用与发展55转化利用成UGI炉。UGI炉是以焦炭为原料,用间歇气化制展多喷嘴水煤浆加压气化和二段式干煤粉加压技水煤气或半水煤气。第一次世界大战后,随着甲术攻关,目前,这几项气化技术均已进入工业化应醇、合成氨F-T合成等为代表的合成化学工业的发用阶段。展,为了满足合成原料气的需要,1926年第一代流目前,移动床常压气化UGI气化炉在中国仍是化床Winkler 气化炉实现工业化应用。随着工业制主力炉型,用于生产合成气或燃料气。移动床加压氧技术的成功,又发展了新的用氧气气化的技术。气化Lurgi炉在劣质煤气化方面占有- -定市场。随1939年移动床加压气化Lurgi炉实现工业化应用。着中国现代煤化工的发展,水煤浆加压气化(GE1952年第- -代气流床气化K-T炉实现工业化应用。炉、多喷嘴炉)和干煤粉加压气化(Shell炉.GSP、二，20世纪30- -50 年代，国外煤气化技术取得了很大段炉、航天炉)已成为主要选择。的成就。20世纪50年代以后,随着石油和天然气1.3 现代煤气化技术发展方向工业的发展，常压固定床气化炉在国外逐渐被淘1)加压气化:提高压力有利于提高气化炉的生汰，其它煤气化技术的发展也基本处于停滞产能力,同时大大减少气体净化的投资,并降低压状态[国]缩耗能。现代煤气化技术的发展得益于石油危机。第2)高温气化:使煤中的挥发分和可燃组分充分- -次石油危机时,发达国家出于对石油、天然气供转化,其它组分也在高温下得到钝化,得到的产品应前景的预测,把发展煤气化技术作为替代石油天煤气较纯净,三废问题少。然气的重要手段，加快了现代煤气化的开发。20世3)粉煤气化:通过增大煤的比表面积提高气化纪70年代后实现工业化的炉型有:加压固定床液态反应速率,从而提高气化炉的单炉生产能力和碳转排渣气化炉( BGL炉),加压流化床气化炉(HTW化率。炉,U-Gas炉、KBR炉、CFB气化炉和恩德炉),加压4)液态排渣:灰渣以高温熔融态排出气化炉，粉煤水煤浆气化(GE炉Destec炉),干煤粉加压气经过高温处理的炉渣,大多为隋性物质,无毒无害。化(Shell炉、Prenflo炉和GSP炉)。这一时期开发5)纯氧气化:降低惰性气升温、降温造成的热的气化炉型是目前现代煤化工发展的主要选择损,并减少气化剂压缩的能耗,提高气化效率,使加炉型。压高温、熔渣气化更经济可行。1.2中国煤气化技术发展6)气化炉大型化:适应现代工业大型化、规模中国煤气化技术起步较晚,最早于20世纪化、集约化发展,有利于降低投资，提高项目建设经30- 40 年代在大连、南京用UGI炉生产合成氨,济性。20世纪50年代末期改用无烟煤为原料。目前,中2典型煤气化技术的应用与发展国还有许多合成氨和合成甲醇厂以焦炭或无烟煤为原料,采用UGI炉生产合成气”。中国早期煤气2.1移动床加压气化技术化技术的开发主要以模仿创新或引进、消化吸收再1927- -1928 年, Lurgi气化始于德国，主要目的创新为主。是进行褐煤完全气化试验, 1936年建立了第一个工20世纪60年代，中国开始进行K-T式粉煤业化的Lurgi 气化厂。二次大战期间在德国和捷克气化试验,并于20世纪70年代初在新疆建成- - 套建设了2个Lurgi气化厂,战后在英国、西德澳大利K-T式粉煤气化制氨装置,气化炉四开- -备 ,生产亚、南非、美国等建立了大型气化装置。美国大平能力为每台4800 m'/h, 投产后由于耐火材料被腐原煤制天然 气项目采用14台Mark-IV型Lurgi炉，蚀碳转化率低、排渣困难等问题而改烧重油,此后气化用煤量达426万Va;南非萨索尔公司间接液化没有新的发展。厂, 各种型号的Lurgi 炉达97台，气化用煤达中国对于新型气化炉或新型煤气化方法的研3000万Va。究始于1978年第一-次全国科学大会。先后开展了Lurgi气化是中国最早引进和实现工业化应用固定床加压碎煤气化(相当于Lurgi 炉),水煤浆加的技术。1974 年，中国云南解放军化肥厂采用Lurgi压气化(相当于GE炉),灰团聚流化床气化(相当炉制合成氨原料气,气化炉直径2.72 m、压力2.2于U-gas气化)。“九五”、“+五”期间国家组织开MPa,以褐煤为原料。1987 年,山西化肥厂1000 V/a .《洁净煤技术》2013年第19卷第1期转化利用. 中国科技核心期刊矿业类核心期刊J合成氨装置引进4台直径为3.8 m的MARK-IV型产,气化炉压力达到4.0 MPa。目前中国运行和在Lurgi炉,操作压力为3.1 MPa, 气化能力1650 Vd, .建的各类Lurgi气化炉型超过50台,用于合成氨、合以当地贫煤为原料。此后,中国先后有沈阳煤气成甲醇、合成天然气或城市煤气。厂、兰州煤气厂、哈尔滨煤气厂和义马煤气厂等采在Lurgi炉的基础上,英国煤气公司于20世纪用此气化技术生产城市煤气,部分厂家同时联产甲80年代开发了Lurgi 炉液态排渣气化技术,又称醇[4]。近几年,随着国内煤制天然气产业的兴起,BGL( British Gas-Lurgi)气化技术,并建立了工业示Lurgi 气化受到青睐,目前在建和已经投产的煤制天范试验厂。此气化技术的操作压力2. 0~3. 0 MPa,然气项目大多采用此气化技术，如新汶新疆煤制天气化温度1400~1600 C。20世纪90年代中后期，然气项目、庆华新疆煤制天然气项目、大唐克旗煤在德国东部的黑水泵煤气化厂建设了- -台内径3.6 m制天然气项目、大唐阜新煤制天然气项目等。2012年的BCL气化炉[] ,2001年投产后,至今运行良好。8月大唐克旗煤制天然气项目一期工程投人试生图1为Lurgi炉与BGL炉的结构对比。块煤、型煤和石灰石-煤闭锁仓排气口-搅拌器手懦屋ρ.←媒气煤气骤冷装置-还原层氧化层灰层水蒸气、氧和焦油~ .喷嘴为串人焦油、水H:O- +灰渣骤冷装置-一灰渣闭锁仓灰渣a) Lurgi炉b) BGL气化炉图1 Lurgi炉与BGL炉结构对比2005年中国云南解放军化肥厂引进了Lurgi 液气化装置,单炉最大生产能力2000 Vd,最高气化压态排渣(即BGL)气化技术，直接试烧当地褐煤,示力6.5 MPa[8。2004 年美国GE公司收购了Texaco范生产线已经建成并完成了工业试验。此气化技煤气化技术,目前该技术又称为GE煤气化技术。术气化强度大、污染物排放小。计划“十二五”末建中国水煤浆气化技术开发始于20世纪60年成的中煤鄂尔多斯煤制合成氨项目拟采用此项技代。1969年在浙江建立了第一套水煤浆气化中试术，国内--些煤制天然气项目也有采用此技术的意装置(0.7Vh),后由于国内大量开发石油而停滞。向,但由于技术成熟度不够而选用Lurgi固态排渣1979- -1982 年在陕西建立了水煤浆气化小试装置,或其它技术。BGL技术在中国大规模应用还需要1985年又建成中试装置,规模为1.5 Vh、气化压力不断示范完善和经验积累的过程。2.6 MPa。1984 年山东鲁南化肥厂引进了Texaco煤2.2水煤浆加压气化技术气化技术,于1993年建成了国内第一套水煤浆气化Texaco煤气化技术是最早实现工业化应用的气工业化生产装置,设计气化煤量为400 Vd、气化压流床水煤浆加压气化技术。第- -套工业化装置于力为2.8 MPa。此后，上海焦化厂、渭河化肥厂、淮1983年在美国Eastman化工公司投入运行,1984年南化肥厂、浩良河化肥厂、金陵石化、神木化工、神美国Cool Water第一套IGCC示范电站建成。自华包头煤化工有限公司等引进了多套Texaco煤气1983年至今,美国、日本、德国先后建设了多套大型化装置 ,分别用于合成氨、合成甲醇的生产。.高聚忠:煤气化技术的应用与发展67转化利用“九五"期间,华东理工大学完成了多喷嘴对置2005年清华大学水煤浆水冷壁气化炉(清华式水煤浆气化炉开发,2000年建成了22 Vd中试装炉)开始投入研发,2011年8月第- -套工业生产装，置,2005年山东德州华鲁恒升、山东滕州兖矿国泰置在山西阳煤丰喜肥业集团投人生产运行[10] ,该装建成了2套气化压力为4.0 MPa ,处理煤量1150 Vd置采用点火、投料程序- - 体化技术，此气化技术的的气化炉[9]。此后,神华宁夏煤业集团、兖矿鲁南开发成功，又为中国水煤浆气化技术的选择提供了化肥厂、江苏索普集团等转让了40多套多喷嘴水煤一条新的途径。图2为GE气化炉、多喷嘴炉和清浆气化装置。华炉结构的对比。煤浆[O:煤浆[O2.煤浆02气化室水粗煤气原粗煤气激冷室L渣a) GE气化炉b)多喷嘴炉c)清华炉图2 GE 气化炉、多喷嘴炉和清华炉结构的对比目前，中国在建和投人运行的各类水煤浆加压投人使用的GSP气化炉约有20台。气化炉超过200台。水煤浆加压气化由于具有良好GSP气化技术也是2000年以后进人中国，的操作性和环保性,已经成为中国现代煤化工发展2005年西门子公司与神华宁煤集团成立了合资公的主流。司,负责国内技术推广。国内神华宁煤集团5台、2.3干煤粉加压气化技术晋城兰花集团2台500MW的GSP气化装置已经Shell煤气化技术是中国工业化应用最早的气建成。流床干煤粉加压气化技术。Shell 煤气化技术实际中国干煤粉加压气化技术开发起步较晚。两上是K-T炉的加压气化形式，其主要工艺特点是采段式气化炉是西安热工研究院最新开发成功的一用密封料斗法加煤装置和粉煤浓相输送，气化炉采种干煤粉加压气化技术,1997年建成了一套0.7 V/d用水冷壁结构。1993 年全球第一套大型工 业化生的小试装置,2004年建成了处理煤量为36~40 Vh产装置在荷兰建成" ,用于IGCC发电，每天消耗煤的中试装置。首套工业化示范装置在天津华能“绿量为2000 t。色煤电”项目中应用，每天耗煤量为2000 t, 废热锅Shell煤气化于2000年以后进入中国,中石化炉流程,用于IGCC发电[12]。另-套工业化装置投岳阳、洞庭、安庆3家化肥企业由于油改煤的需要，煤量1000 Vd,激冷流程,在内蒙古世林化工有限公引进了Shell煤气化技术,在此带动下，截止2008年司年产3x10't甲醇项目应用。国内先后有19家企业引进了23台煤气化炉，气化2000年以后,中国航天科技集团公司成功开发压力4.0 MPa，单炉每天最大耗煤量为2800 t。了干煤粉加压气化航天炉,用于15万Va甲醇项GSP煤气化技术是世界上最早实现工业化应用目,2008年建成投产[1)。截止2011年底,已有6家的气流床干煤粉加压气化技术。该技术由原民主企业采用航天炉的项目建成，包括中能化工、中新德国燃料研究所开发, 1985年在Schwarze Pump建化工、鲁西化工等,采用航天炉在建和建成的项目成了第-套工业化装置,投煤量为30 Vh,工作压力已经有16家。国内外各类干煤粉加压气化炉基本为3.0 MPa,产气量为40000 m'/h。东西德合并后，处于同-水平。图3为Shell.GSP、两段炉、航天炉该技术目前归西门子公司拥有。目前,全球在建和结构的对比。68《洁净煤技术》2013年第19卷第1期转化利用-中国科技核心期刊矿业类核心期刊循环冷世气粉煤蒸汽，蒸汽粗煤气煤粉租水查a) Shell炉b) GSP炉c)两段炉d)航天炉图3 Shell、.GSP 、两段炉、航天炉结构的对比度较深,对煤气化装置的依赖度也比较大，装置开3煤气化技术的选择 与创新停车-一次,少则损失几十万元,多则损失上千万甚3.1 煤气化技术的选择至上亿元。现代煤气化技术对煤质要求都较高,目国内在工业化应用的煤气化技术十分纷杂。前国内投产的煤转化项目都因煤质不稳或煤质波最先进的干煤粉加压气化技术、水煤浆加压气化技动而受到过影响。术在中国拥有全球最大规模的生产装置和最多的综合分析现代工业的发展趋势和当今各种煤气化炉。最落后的移动床常压气化技术在国外已炭气化技术的特点,对煤气化技术的选择最终落实经淘汰，但在中国还有很多用户。移动床常压气化到经济性能。煤气化技术与目标产品相结合，经济由于投资少、建设周期短、见效快等优点而得以发性能好,生命力就强。现代工业更体现的是经济、展,但此技术在中国已被列人淘汰技术，主要是因社会与环境发展的和谐统--,现代工业对煤气化选为中国对煤气化技术的选择更加注重环境因素。择要求如下:目前,还没有一种万能气化炉能气化各种煤[4),各1)技术成熟。现代工业系统关联性强,煤气化种煤气化炉型和气化技术都有优点和不足,以及对作为龙头,其安全性、稳定性直接影响经济性能。煤种的适应性和对煤气化产品的适配性。不同炉2)环境性能好。不产生或较少产生有害物质，型对原料煤种的要求和适应性不同，同- -煤种针对三废问题少。不同的目标产品应采用不同的气化炉型。3)原料煤种适应性好。气化炉型选择因煤而表1为以神华煤为原料采用移动床加压气化异,要根据原料煤的来源和煤质特点选择适宜的气Lurgi炉与水煤浆气化GE炉及干煤粉气化Shell炉化技术[15。气化性能的比较。4)与目标产品的匹配性要好。气化炉与先进神华煤是国内产量最大的商品煤,气化用户在的煤气利用技术有良好的兼容性。国内也最多。神华煤具有低灰、低硫、低灰熔融性5)建设投资少。和高水分、高挥发分、高发热量的特点,是- -种良好6)运行成本低。包括消耗低、能效高,操作和.的气化煤种,水分含量高、煤质年轻,制浆浓度是制维修简单等。约气化运行经济性的关键。神华煤用于Lurgi 炉和7)单炉气化能力大。适应现代企业大规模、集干煤粉气化应注意其结渣和成渣性。约化生产的需求。现代煤化工项目一般投资较高,装置间关联程8)自动化水平高。能与现代的计算机控制技高聚忠:煤气化技术的应用与发展69转化利用术相结合,实现智能控制和自动控制，尽可能降低工人的劳动强度。表1 Lurgi 炉、GE炉、Shell炉气化性能对比气化方法移动床加压气化Lurgi炉水煤浆气化CE炉干煤粉气化Shell炉灰排出状态干灰熔渣熔渣.对小颗粒煤不受限原料要求对灰熔融性要求/CST>1250FT<1350FT<1450粒度/mm6-50<2.5<1.0含水量/%<2038 -402-4人炉物料x(02)/%99.6蒸汽压力/MPa4(过热)无5(过热)气化压力/ MPa2-34.0-6.52.0-4.0操作特性气化温度(出口)/C<4001350- 14001400 ~ 1550炉内最高温度/心55>65煤气中焦油、酚含量适用场合高热值燃料气(城市煤气)制氢(以H2为主合成气)合成气ICCC*仅考虑电耗(包括备煤和制氧)和蒸汽(含自产蒸汽)的消耗.不考虑变换蒸汽消耗。3.2煤气化技术创新达国家技术的差距,也推动了中国现代煤气化和煤随着中国煤化工技术及产业的发展,煤直接液，化工技术的应用与发展。但长期技术引进必然会化、煤间接液化煤制烯烃、煤制乙二醇等具有自主挫伤技术创新的积极性。目前,中国正处于建设创知识产权的煤化工新技术已达国际先进水平,但作新型国家的发展时期,创新、发展、应用自主的煤气为现代煤化工支撑的现代煤气化技术开发相对化技术势在必行。滞后。纵观国内外不同煤气化技术的开发过程,一般改革开发以来,中国先后引进的煤气化技术有都要从概念形成，经过小试、中试、工业示范的过Lurgi ,GE,U-gas，Shell，GSP, KBR,恩德炉等各种工程,最终进人工业化应用。国外的GE, Shell, GSP,业化气化炉型。其中GE, Shell和Lurgi 3种气化炉Lurgi等气化技术和国内的多喷嘴气化、两段式气化总气化能力在国内排前3位,目前还有不断扩大的等都是如此。趋势。这些技术和核心专利成果基本上都是20世煤气化技术创新的核心是气化炉创新。煤气纪80年代前后取得的,GE技术核心是水煤浆进料化技术的创新范围主要包括气化炉,加料系统(含和气化炉;Shell和GSP技术核心是干煤粉加压进料喷嘴), 原料预处理系统,煤气冷却系统,黑水灰水和气化炉,其核心专利超过20 a,第四代Lurgi气化处理系统,排渣系统及相关的设备和材料等。已经超过30 a。中国是全球最大的煤炭生产国和消费国及煤4结论与建议，气化国家，也是全球最大的煤气化技术进口国。改1)煤气化技术选择的多样化是中国煤气化技革开放以来,通过技术引进，缩短了中国与国外发术发展的必然趋势。先进的煤气化技术在中国具70《洁净煤技术》2013年第19卷第1期转化利用. 中国科技核心期刊矿业类核心期刊J有很强的生命力。GE煤气化技术进入中国20多年[4] 沈浚.合成氨[ M].北京:化学工业出版社,2011.来,已向中国企业转让了几十家,占全球GE煤气化[5] 高聚忠神华煤Lurgi气化制合成气探讨[A].神华首用户的80%以上。Shell 煤气化炉2000年前后进人届科技研讨会[C].北京:煤炭工业出版社,2005:506-515.中国,目前中国的Shell 煤气化炉用户占Shell煤[6]王鹏,辑绪国鲁奇煤气化技术的发展及应用[J].洁气化炉用户的90%以上。常压移动床气化在国外净煤技术,2009 ,15(5) :48-51.虽然早已经淘汰,但由于投资低,在中国还有近[7]汪家铭. BGL碎煤熔渣气化技术及其工业应用[J].化6000台气化炉在运行。因此在中国不可能出现任学工业,2011 ,29(7):34-39.何一项煤气化技术垄断的格局。目前,应结合引进[8]任相坤. 神华煤气流床气化特性分析[A].神华首届技术取得的经验,加强自主煤气化技术的创新、应科技研讨会[C].北京:煤炭工业出版社, 2005 :443用与发展。-456.2)煤气化是现代煤化工的基础,随着中国现代[9]于遵宏,于广锁.多喷嘴对置式水煤浆气化技术的研煤化工技术及产业的发展.煤气化技术发展的重点究开发与产业化应用[J].中国科技产业,2006(2):28是大型化、高效率和环境友好,其技术应用需要考虑煤种适应性、操作的可靠性和环保特性。未来煤[10]王中刚， 韩喜民.水煤浆水冷壁气化炉项目总结[].化肥工业,2012 ,39(1):57-58.炭清洁高效转化利用将是以大型、先进的煤气化技[11] HJ vander Plocg,T Chhoa, P L Zuideveld. The Shell术为核心，以电、化、热等多联产为方向技术集成。Coal Gasification Process for the US Industry[ A].参考文献:Gasification Technology Conference[ C]. 2004:1-19.[12] 刘晓军. 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