现代煤气化技术及其煤种的适应性分析

第31卷第3期山西化工Vol.31 No.32011年6月SHANXI CHEMICAL INDUSTRYJun.2011。专题讨论.现代煤气化技术及其煤种的适应性分析原小静(山煤国际能源集团华远有限公司,山西太原030001)摘要:结合国内外煤气化技术发展现状与趋势,讨论了煤质特性对气化过程的影响及其在不同气化炉型中的适应性。分析表明,煤种的多样性及气化工艺的选择促进了煤气化技术的快速发展，气流床和流化床代替固定床是煤气化技术发展的必然所趋。在充分认识各类煤气化技术优缺点的基础上,应发挥优势,针对煤种选用炉型,开发具有单炉生产能力高、煤种适应性强、气体成分可调等优势的加压气化技术以及可有效利用煤气高温显热的两段或多段式气化技术。关键词:煤;气化;固定床;流化床;气流床中图分类号:TQ54文献标识码:A文章编号:1004-7050(2011 )03-0035-04包括:1)固定床煤气化:间歇式常压(UCI)气化、鲁引言奇(Lurgi)加压气化、液态排渣Lurgi( BCL)气化等;煤气化是以煤(块煤、焦炭或粉煤)为原料,空2)流化床煤气化:温克勒(Winkler)及高温温克勒气、氧气、二氧化碳或水蒸气为气化剂，在- -定的温(HTW)气化、灰团聚流化床( U-Gas, KRW, ICC)气度、压力等条件下发生反应而转化为煤气的工艺过化、Lurgi循环流化床(CFB)气化等;3)气流床煤气程。在气化炉内高温环境下进行的热化学反应主要化:常压粉煤(K-T)气化、德士古( Texaco)和包括气、固两相的非均相反应与气体反应物间的均(Destec)水煤浆加压气化、壳牌( Shell)、Prenflo和相反应。反应进行的程度取决于气化炉的操作条GSP粉煤加压气化等。本文对典型的气化技术及其件,即温度、压力、煤的化学反应活性及气化剂与煤对煤质的要求进行归纳总结,以期为我国煤气化技的接触时间等。煤气化技术是煤化工的先导技术，术的发展 提供- -定的参考。气化技术的选择,需要充分考虑原料煤的特性、煤气1 煤质特性及其对气化性能的影响的用途和规模、气化技术的成熟度与可靠性、粗煤气构成及经济性等[。我国煤炭资源丰富,包含了褐煤到无烟煤的不目前,按煤在气化炉内运动方式的不同,煤气化同变质程度的各类煤种。但各煤种的储量不均衡、技术可分为固定床(移动床)、流化床(沸腾床)和气区域分布差别较大,不同煤种的组成和性质相差也流床等形式;按气化操作压力的不同，可分为常压煤非常大。并且,即使是同- -变质程度的煤种,因其成气化和加压煤气化;按进料方式的不同,可分为固体煤环境不同,性质差异也较大。气化反应过程与煤进料和浆液进料;按排渣方式的不同,可分为固体排的性质密切相关,直接影响着煤气化的产物组成与渣和熔融排渣等。煤气化技术及其代表性炉型主要气化工艺的配置。不同的气化工艺对原料煤的性质要求不同，在选择煤气化工艺时，考虑气化用煤的特性及其影响极为重要。影响煤气化工艺煤质特性收稿日期:201103-22作者简介:瓯小静,女,1965年出生，1988年毕业于太原理工大学化的因素主要中国煤化工工系煤化工专业,工程师,主要从事煤炭贸易工作。1)水分MHCNMH G变质程度的加●36.山西化工2011年6月深呈规律性的变化,从泥炭褐煤、烟煤到年轻无烟原料,适用于生产燃料煤气或间接液化制油的原料煤,水分含量逐渐减少。不同的炉型对气化用煤的气;单炉生产能力大,炉型结构复杂，出炉煤气中含水分含量要求不同:固定床要求水分质量分数在焦油、酚类及氰化物,后续污水处理和煤气净化工艺8% ~ 10% ;流化床和气流床则规定煤的含水质量分复杂 、设备多,固态排渣、炉渣含碳质量分数5%左数小于5% ,过高的含水量会降低颗粒的流动性;粉右.4。BGL液态排渣Lurgi炉结构比传统的Lurgi煤气流床气化使用的烟煤中,要求原料煤的水分质炉简单,煤种适应性强，气化强度高,生产能力大，量分数小于2%。煤气中可燃组分提高,碳转化率、气化效率和热效2)灰熔点。灰熔点是煤灰分熔融时的温度。率均较高,对环境的污染小。但其高温、高压的操用于固态排渣气化炉的煤,在气化时不能出现结渣,作条件限定了其应用,在今后的发展中有待进- -其灰熔点应较高;液态排渣时,灰熔点越低越好,但步改进。要保证- -定的流动性,其黏度应小于25 Pa.s,黏度2.2流化床煤气化 ,太大,液渣的流动性变差,有可能出现结渣现象。流化床(沸腾床)气化采用气化剂使粉煤在反3)灰组成。灰组成影响着灰熔点的高低。灰应器内呈流态化状态,在- -定温度、压力条件下与气中SiO2和AI203的含量越大,其熔化温度范围越化剂反应生成煤气。温克勒煤气化技术最早用于工高,灰分越难结渣;而Fe203 和MgO等碱性成分含业生产,适用于褐煤、不黏煤、弱黏煤、中等黏结性的量越高,熔化温度越低,灰分越易结渣。烟煤,煤粒的允许粒度范围较寬,气化炉的结构简4)成浆性。湿法气化技术对原料煤的成浆性单、造价低,气化剂消耗也较低。但温克勒炉为常压有一定的要求,成浆性好的煤种所制得的煤浆浓度操作,生产能力低,气化温度低,灰渣和带出物碳损高气化指标好。失大,氧耗高,碳利用率低,煤耗高[2.5]。针对温克5)发热量。发热量即热值,是煤的主要性能指勒煤气化技术的缺点,开发了新的流化床气化技术,标之- -。热值越高,单位煤气化有效气量越大。如高温温克勒和灰团聚气化技术。通过提高气化温6)煤化程度。不同煤化程度的煤在组成、结构度和操作压力而开发的高温温克勒( HTW)气化技和性质方面有明显的不同。随煤变质程度的加深,术中,气化温度由900 C ~950 C提高到950 C ~煤中碳元素含量逐渐增加,氧元素、内在水分和挥发1100 C ,粗煤气带出物经分离后返回气化炉,灰渣分含量逐渐降低。煤的反应活性与煤化程度直接相中含碳量降低,提高了碳转化率,增加了煤气产率,关, - -般随煤的变质程度的降低而增强。各煤种反操作压力由常压提高到1.0 MPa,提高了气化炉的应活性高低的顺序为:褐煤>烟煤>无烟。生产能力。流化床气化技术生产强度较固定床大，2不同煤气化技术及 其对煤种的适应性直接利用碎粉煤(0 mm ~ 10 mm) ,适应于采煤技术的发展,避开了块煤供求矛盾。2.1固定床煤气化灰熔聚流化床气化工艺中,床层内局部区域的常压固定床煤气化工艺是开发最早、工业化应温度被提高,使煤中的灰分在软化而未熔融的状态用时间最长的气化法。固定床(移动床)气化是逆下相互团聚,黏结成含碳量较低的球状灰渣,且有选流气化,床层间存在明显的温度梯度分布,依次形成择性地被排出炉外。其特点是增加了灰熔聚颗粒预热干燥、干馏、气化和燃烧几个不同的区域。以块物,容易与半焦分离,使排灰碳含量降低，提高碳转煤(焦)为原料,根据气化炉型和煤种的不同,所用化率,灰渣中含碳质量分数低于10% ,煤气化效率块煤的粒度范围在5 mm ~80 mm。该类气化技术高于70%,适应于黏结煤、高灰煤在内的各类等级对煤性质要求严格,适应于反应性好、灰熔点高、热的煤种[5)。应用此原理的气化技术主要有U_Gas、稳定性好的弱低黏结性煤。对黏结性、膨胀性高和KRW和中科院山西煤炭化学研究所的灰融聚粉状煤处理困难。气化。间歇式常压固定床( UGI)煤气化的设备结构简循环流化床一般在大于颗粒终端速度下操作,单、易于操作、技术成熟投资少,但其效率低、原料床中气体返温少于气泊龙东旨因相接触好,生产煤种单一能耗高,在现代工业中势必被淘汰。Lur~能 力大大提中国煤化工化床大3倍~gi加压气化是典型的加压固定床气化技术,可以使4倍。但煤. CNMHC不到完全气化，用高灰分煤,但不能气化粉煤;以弱黏结性贫瘦煤为此过程要求更高效的粉尘分离系统。，38●山西化工2011年6月.甚至稻草等生物质的气化[9.01 ,在中国具有较广阔虽然某种煤气化工艺适应的煤种范围较宽,但最适的应用前景。宜和最经济的适宜煤种不多。因此,一方面,应充分现有的千法进料气流床气化中,为了让高温煤认识气化技术的优缺点,发挥优势,针对煤种选用炉气中的熔融态灰渣凝固,避免堵塞煤气冷却器,需采型;另-方面,需大力开发具有单炉生产能力高、煤用后续工艺中的大量冷煤气对高温煤气进行激冷，种适应性强、气体成分可调等优势的加压气化技术。因此热量损失较大,造成气化炉出口煤气高温显热气流床和流化床代替固定床应该是煤气化技术发展无法很好地利用，限制了现有气化技术总体热效率的必然趋势。的提高。其典型代表是Shell炉和Texaco 炉, Shell参考文献:炉煤气带走的显热约占人炉煤气热值的13% ,Tex-aco炉约占20% (不含潜热)。鉴于此,开发了两段[1]步学朋 ,任相坤,崔永君.煤炭气化技术对煤质的选择及适应性分析[J].神华科技,2009,7(5):73-80. .或多段干粉进料气流床气化技术。西安热工研究院[2] 许世森,张东亮,任永强,等.大规模煤气化技术[M].的两段式干煤粉气化炉(TRPI气化炉)采用上置式北京:化学工业出版社,2006.加煤,在第2反应区加煤和蒸汽代替激冷,比一-段炉[3] 许祥静,刘 军.煤炭气化工艺[M].北京:化学工业降低约10%左右氧耗,废锅的体积和价格可降低出版社,2008.1/2[5。华东理工大学洁净煤技术研究所开发了采[4] 沙兴中,杨南星.煤的气化与应用[M].上海:华东理用化学反应方法回收煤气显热的煤基两段组合式煤工大学出版社,1995.气化工艺,提出将煤气化工艺由多喷嘴对置式气化[5]黄戒介 ,房倚天,王洋. 现代煤气化技术的开发与进炉和块煤固定床气化炉2个不同形式的气化炉组合展[J].燃料化学学报,2002 ,30(5) :385-391.协同完成,- -段气流床气化炉出口高温煤气中CO2[6]张继臻 ,种学峰.煤质对Texaco气化装置运行的影响和H20可以与二段固定床气化炉内的块煤发生气及其选择[J].中氮肥,2002(3) :16-20.化反应,转化为CO及H2有效成分,同时有效地回7] 章荣林.基于煤气化工艺技术的选择与评述[J].化肥设计,2008 ,4(2) :38.收-段气流床气化炉出口煤气的高温显热,提高了[8] 赵瑞同,李磊,张蜂.未来能源公司的GSP气化技煤气热值和气化工艺的整体热效率。术[J].煤化工,2005 ,6(11):19-22.3结语9] 徐振刚,官月华,蒋晓林. CSP加压气流床气化技术及其在中国的应用前景[J].洁净煤技术,1998 ,4(3) :9-11.煤气化是现代煤化工的先导与关键技术,也是[10]田大林,李强,夏 迎,等.煤种对化学热回收两段组实现煤清洁高效利用的基础。煤种的多样性及气化合式煤气化工艺的影响[J].上海煤气2008(3):48.工艺的选择促进了煤气化技术的快速发展。目前，Analysis of coal gasification technology and its adaptability for coalYUAN Xia-jing( Shanxi Coal International Energy Group Huayuan Co. , Lld. , Talyuan Shanxi 030001, China)Abstract:Coal gification is the key and precursor of the modem coal chemical industry, and also be the bases of achiering to the utilization of clean and efective coal. The efcet of coal qualties on its gasification behavior and the adaptability of diferent coal type inthe dfferent gasification tchnique had been discussed based on the development status and trend of coal gasification technology in thispaper. The results show that the diversity of coal type and the choice of gasification techniceal conditions had promoted the rapid devel-opment of coal gaifcation technology. It was the ineritable trend that tbe entrained-low and fluidized bed would instead of the fixedbed. So, the coal gasifcation technology was sected on the basis of the properies of coal and the advantages of fumace. Strenghs andweaknesses of coal gasification technology should be fully awared during seleting the ftting gasifer for the coal quality. The pressur-ized gasifers with the advantages of the high production capacity of single furnace, the strong adaptability of coal type and the adjusta-ble gas composition and the two-stage or multi - stage gasifiers needed to be resea中国煤化工Key words :coal; gasifcation; fixed-bed; fluidized-bed; entrained-Alow bedMYHCNMHG