煤气化化学与技术进展

第20卷第3期洁净煤技术Vol 20 No. 314年5月Clean Coal Technology煤气化化学与技术进展汪宝林(中国石化集团四川维尼纶厂研究院,重庆401254摘要:阐述了煤气化化学及气化过程,说明煤气化过程主要包括煤的热裂解、部分氧化燃烧、炭的气化、炉渣的生成和排出4个转化步骤。论述了固定床气化技术、流化床气化技术、气流床气化技术3种煤气化技术的工艺、设备、优缺点和适用范围。从煤灰液渣对耐火衬里的腐蚀机理、煤灰化学组成、灰熔融性和灰熔融温度、液渣黏度四方面分析了气流床灰/渣特性。最后阐述了美国煤气化技术进展及发展方向,提出应重点开展IGCC煤气化、低阶煤(褐煤和次烟煤)气化技术研究,开展以提高气化炉可靠性、气化效率和煤种适应性为目标的气化炉优化研究,控制多种污染物排放至极低水平的合成气净化技术研究,低成本高效率的O2分离技术及H2和CO2的分离技术研究等。关键词:煤气化;固定床;流化床;气流床;煤灰;熔渣中图分类号:TD849;TQ53文献标志码:A文章编号:1006-6772(2014)03-0069-06Chemistry and technology progress of coal gasificationWANG BaolinResearch Institute of SINOPEC Sichuan Vinylon Works, Chongging 401254, ChinaAbstract: Chemistry and behavior of coal gasification are elucidated in this paper, including coal pyrolysis, partial oxidative combustionke gasification, generation and discharging of slag. The process, equipments, advantages and disadvantages of moving-bed gasificationfluidized-bed gasification and entrained-flow gasification are also summarized. The characteristics of ash/ slag are discussed in detail basedon the mechanism of refractory lining degradation from slag-refractory interactions, ash chemical composition, ash fusibility and ash fusiotemperature, molten slag viscosity. The advances and development trends of coal gasification technology in USA are also analyzed. It is suggested that studies on coal gasification for IGCC and low-rank coal such as lignite and subbituminous coal, gasifier optimization to improvereliability, eficiency and coal feedstock flexibility, syngas cleanup technologies to control multi-contaminants to extremely low levels, Oseparation with low cost and high efficiency, and H2 and CO2 separation with low cost should be focused for clean and high-efficiency coalKey words: coal gasification; moving bed; fluidized bed; entrained flow bed; slag; molten slap0引言煤种适应性强、运行可靠性高的方向发展。笔者论述了煤气化化学、煤气化技术现状、气流床灰/渣特随着石油资源消耗的加剧和大气污染的加重,性,并分析了美国煤气化技术进展及发展方向,以期煤气化在满足社会能源需求、替代石化产品以及煤为中国煤气化技术的改进应用提供参考。炭高效清洁转化利用方面具有日益重要的作用。煤气化技术已成为发展煤基化学品合成(氨、甲醇、乙1煤气化化学及气化过程酸、烯烃等)、液体燃料合成(二甲醚、汽油、喷气燃煤气化是指煤中有机质在一定温度及压力下与料、柴油等)先进联合循环发电(IGC)、多联产、制气化剂(如蒸汽/空气或O2等)发生一系列化学反氢、直接还原炼铁等工业的基础技术和关键技应,将固体煤转化成粗合成气,同时副产蒸汽、焦油术1-3),煤气化技术正朝着装置大型化、热效率高灰渣等副产品的过程。煤气化化学反应示意如图1收稿日期:2014-01-20;贵任编辑:白娅娜DOH:10.13226/jis.106-672.204.03018中国煤化工作者简介:汪宝林(1971-),男江西乐平人,高级工程师,从事天然气和煤化工技术开发工CNMHG8@hotmail.com引用格式:汪宝林煤气化化学与技术进展J]洁净煤技术,2014,20(3):69-74WANG Baolin Chemistry and technology progress of coal gasification[ J ]. Clean Coal Tech014,20(3):69-742014年第3期洁净煤披术第20卷所示。煤气化是一个复杂的热化学过程,主要包括剂(氧和蒸汽)由气化炉底部加入,煤料与气化剂逆煤的热解反应、燃烧反应、Bω edouard(碳素溶解损流接触,煤料在重力作用下低速向下移动,煤料通常失)反应、水汽反应、甲烷化反应、水汽转换反应、水较粗(5~75mm)以确保床层具有良好透气性。煤汽甲烷重整反应、甲烷干重整反应等反应+。料在加压固定床中的停留时间可长达数小时,以促HCN次级挥发分使大颗粒煤转化完全。煤料从顶部加入依次经过预炭黑H.热裂解热区、干燥区、热解区气化区和燃烧区,在燃烧区达气态碳到最高温度。液态排渣固定床气化炉燃烧区温度可氢化物达1500~1800℃,干灰排渣气化炉最高温度可达H O CO焦油co&H氧化&气化1300℃,气体经煤料换热冷却后从顶部排出,温度达400~500℃。固定床气化炉除产出合成气外,还副产各种焦油、轻质油及粗酚等。由于排气温度较煤一脱挥发分氧化&气化Co&h低,只有400~500℃,因而排出气体中CH4体积分数较高(10%-15%)。固定床气化技术的典型代表是鲁奇加压气化炉技术和BCL液态排渣气化炉技术[9,11图1煤气化化学反应示意2.2流化床气化技术依据气化条件(气化温度、气化压力和煤质等)流化床气化技术以德国温克勒( Winkler)气化不同,反应程度也各不相同,氧化燃烧反应为气化反技术,山西煤化所的ICC灰融聚气化技术和恩德粉应提供大部分热量。除了上述反应外,煤中含有的煤气化技术为代表。流化床气化技术以0.5~6.0S、N、Cl及其他有害元素也在气化反应的还原气氛mm小颗粒煤为原料,在气化炉内使其悬浮分散在中转化成H2S、N2、NH3、HCN、HCl、Hg等物质。垂直上升气流中,煤粒在沸腾状态进行气化反应,煤煤气化过程主要包括4个转化步骤6。①煤的粒气化停留时间为10~100s。气化剂(空气或氧热裂解,煤在350~800℃高温下发生快速热裂解反蒸汽)同时作为流化介质,炉内气化温度(900~1050应释放出CO、H2O、CH4、氢、焦油等有机挥发分,热℃)均匀,气化易于控制,气化效高率解速率取决于气化温度、压力、煤粒大小等;②部分近年来流化床气化技术已有较大发展,相继开氧化燃烧,消耗氧产生热量,为气化反应提供热量,发了如高温温克勒(HTW)、美国煤气化技术研究所生成CO和CO2;③炭的气化,为吸热反应,将炭、GTIT)U-Gas加压流化床气化工艺及美国KBR的CO2和H2O转化成合成气(CO和H2);④炉渣的生高级循环流化床(输送床)工艺,在一定程度上解决成和排出,有些需加助熔剂调节炉渣黏度6。了常压流化床气化带出物过多等问题,但仍存在煤炭气化在整个煤气化过程中最为重要,决定着气中带出物含量偏高、带出物碳含量高且较难分离、煤气化的碳转化率、反应速率及炉渣的生成。炭的碳转化率偏低、煤气中有效成分低等问题。高孔隙率有利于传质和传热,促进炭的气化,提高碳2.3气流床气化技术转化率。炭的孔隙率受煤种、气化条件影响,高气流床气化技术是目前世界上应用最广的气化压气化条件有利于形成高孔隙率的炭9技术,广泛用于ICC(整体气化联合循环发电)和煤化工121。气流床气化技术采用细煤粉(-0.12煤气化技术mm)或水煤浆(-0.1mm)与气化剂(一般采用纯煤气化是煤炭能源转化的基础技术,也是煤化氧)在高温(1200-1600℃)、高压(2-10MPa)下高工发展的关键工艺过程之一。目前有上百种不同规速并流发生部分氧化燃烧反应和气化反应,生成以模(从试验规模、中试到商业化规模)气化炉技术,CO+H2为主的合成气灰渣以液态形式排出气化炉。但大多数商业气化炉可归为3类,固定床气化技术、煤粉在气化时问恒气化怕生产能力大,碳转化率高中国煤化工流化床气化技术、气流床气化技术0。有效气(CO+2.1固定床气化技术H2)含量口等物质,是一种固定床气化过程为煤由气化炉顶部加入,气化环境友好型气化技术。但气流床气化炉存在操作温汪宝林:煤气化化学与技术进展014年第3期度高、耐火材料和喷嘴寿命短、煤氧比操作弹性小氧煤比、煤浆浓度、气化温度、气化压力和停留时间排渣控制较难等缺点。等影响外,煤的矿物组成、灰熔温度、黏温特性、熔渣气流床气化技术主要分为水煤浆气化技术和粉腐蚀及煤灰沉积对气化炉的操作也有重要影响。煤气化技术。水煤浆气化技术的典型代表有CE水煤浆加压气化技术、康菲石油公司的E-Gas两段进3气流床灰/渣特性料水煤浆气化技术、华东理工大学的多喷嘴对置式气流床气化停留时间短,需要高温提高碳转化水煤浆气化技术以及西北化工研究院的多元料浆气率和熔化煤渣,通常气流床适于低灰分煤,过高的灰化技术。粉煤气化技术典型代表有She公司的分熔融会降低热效率。高温气流床气化过程中,煤SCGP粉煤气化技术、德国Uhde公司的Pren煤气中灰分熔融为液态渣,在重力及气流作用下沿气化化技术、西门子公司的GSP粉煤气化技术、日本三炉壁流出排渣口,熔渣能否顺利排出、飞灰是否玷污菱重工(MHI)的以空气为气化剂的两段进料煤气化和堵塞冷却器、是否腐蚀炉壁是关系气化炉安全稳技术以及航天长征化学工程公司的HT-L气化技术定运行的重要因素。气化炉操作温度由碳转化率、等。其中,应用最广的是EE德士古气化炉和壳牌灰熔融温度、液渣黏度25Pa·s时的温度T3、临界气化炉。黏度温度T及耐火衬里耐受温度综合决定1,CE德士古气化炉按工艺流程可分为水激冷型般在灰熔融温度基础上增加50~100℃作为气化温和热完全回收废锅型,气化炉操作温度1250~1450度,但由于灰熔融温度与煤渣黏温特性无严格对应℃,气化炉操作压力3MPa(GCC)和6~8MPa(煤关系,需对灰/渣特性进行深入研究。制化学品)。水激冷型气化炉投资小、运行可靠,合3.1煤灰液渣对耐火衬里的腐蚀机理成气被水蒸汽饱和有利于下道工序的水汽转换,但GE水煤浆气化炉和康菲E-Gas气化炉采用耐热效率较低;热完全回收废锅型气化炉利用废锅流火材料衬里,耐火材料通常是氧化铬基或氧化锆基程将粗合成气从约1400℃冷却至约700℃,同时产耐火砖。液态灰渣,如SO2、碱金属氧化物、碱土金生高压蒸汽,熔融炉渣在气化炉底部激冷,粗合成气属氧化物、氧化铁会腐蚀或侵蚀耐火砖,引起耐火砖离开气化炉后用对流冷却器进一步回收热量。开裂而失效。壳牌和西门子干粉气化炉采用水冷膜壳牌气化炉采用N2输送并以较高的固气比将壁,材质是碳化硅,液态煤渣会固化沉积在水冷膜壁煤粉送至多个气化炉喷嘴,煤粉在喷嘴里与纯度上形成一层薄的保护层,减少了液渣对耐火衬里的99.6%的O2混合并与蒸汽一起进入气化炉反应,气渗透和腐蚀,因而寿命较长6。化炉温度为1400~1600℃,压力2~4MPa,灰分熔导致耐火材料失效的因素有:高温、温度急剧变化并滴到气化炉底部,经淬冷后,变成一种玻璃态渣化或大的变化、热应力、颗粒侵蚀、液渣中一些氧化排出;粗煤气则随气流上升到气化炉出口,经过一个物组分的渗透和溶解、热腐蚀性气体的进攻等,如碳过渡段,用除尘后的低温粗煤气(200℃左右)使高化硅能与液渣中的氧化铁反应生成CO、SO2和金温热煤气急冷至900℃,然后进人废热锅炉。 Shell属铁而使其逐渐失效。耐火材料的腐蚀失效机炉壳体内布置垂直管膜式水冷壁,产生中高压蒸汽,理如图2所示。向火侧有一层很薄的耐火涂层,当熔融态渣在上面流动时,起到保护水冷壁的作用。粗热煤气在废热锅炉中进一步冷却到250℃并产生蒸汽,除尘后a)新耐火材料b)预热产生c)熔渣渗透40%~50%粗合成气循环到气化炉顶部激冷反应合内含少量裂纹机械裂纹产生腐蚀成气,其余进入下道除氨、脱硫等工序。壳牌气化炉具有氧耗煤耗低、热效率高、碳转化率高(可达99%),有效合成气(CO+H2)含量高等优点,但也存d)水平裂纹形成c)空洞形成f)耐火材料脱落循环步骤c~e在设备投资大、气化炉及废锅炉结构复杂、易出现飞灰、玷污堵塞现象等缺点。H中国煤化工理气流床煤气化除受煤种、煤的可磨性和成浆性、此外,CNMHG渣对耐火材料煤的颗粒大小和分布、孔结构、煤的反应性、发热量、微裂纹的渗透,从而加快耐火材料腐蚀,加入助熔2014年第3期洁净媒技术第20卷剂、增加CaO也会加快铬基耐火材料的腐蚀。有石灰石、白云石、橄榄石等。3.2煤灰化学组成液渣黏度高度依赖煤灰化学组成和温度,煤煤灰组成对灰熔融性、液渣黏度、耐火材料寿命灰化学组成(碱酸比R)与Tx的关系如图4所示。有重要影响,煤灰主要由SO2、Al2O3CaO、Fe2O3、SO3、MgO、TO2、K2O、P2O3、Na2O组成,其中钙、铁含量对煤的灰熔融性影响最大煤灰组成常被用来评价或预测灰熔融温度、液渣黏度和是否需要添加助熔剂。碱酸比R(CaO+1300MgO Fe203+ Na20+ K2O)/(Si02+A1,,+ TiO2)1200为0.4~0.7时,煤灰具有低的灰熔融温度和更高的液渣流动性;对气流床气化炉,一般要求SiO2比酸性碱性碱酸比R100s02(S0O2+Fe2O3+CaO+Mg0)<80,SO2比高图4T25温度与碱酸比R的关系时需添加石灰类助熔剂81。温度对液渣黏度有重要影响。温度下降时,液3.3灰熔融性和灰熔融温度渣黏度依据煤灰组成不同呈现两种不同的黏度上升灰熔融温度是气流床气化炉操作的重要技术参形态。一种是黏度随温度的下降逐渐上升,呈牛顿数,灰熔融性可用灰初始变形温度(DT)、灰软化温型玻璃态行为;另一种是非牛顿型,黏度在低于T度(ST)、半球温度(HT)和灰熔融温度(FT)表示点时会急剧上升,出现渣结晶,易导致排渣困难在还原气氛中这些温度的测量值比在氧化气氛中略气流床气化炉的操作温度应在T之上,对气流床气低。两种煤样在还原、氧化气氛下灰熔融温度的对化炉,T应低于1400℃,既有利于降低气化温度,比如图3所示。也有利于提高冷煤气效率。准确预测T。比较困难,160 Illinois6号煤样 Pocahontas煤样可以煤灰软化温度加110℃简单预测临界黏度1200温度。液渣黏度高度依赖其化学组成,但其机理目前尚不清楚,一般可用硅酸盐熔体网络结构理论解释,siO2是主网络形成物,碱金属氧化物(Na2O还原气氛氧化气氛还原气氛氧化气氛K2O)是网络修饰物(降黏度作用)。碱土金属化合DT OST HI m FT物(如Mg0、CaO)通常也是网络修饰物,具有降黏度图3两种煤样在还原、氧化气氛下灰熔融温度的对比作用,但其实际作用也依赖液渣组成,含高浓度Ca、多,在还原气氛下,OFe2O比对灰熔融温度影M8化合物的液渣黏度会随温度改变而大幅变化,有时甚至还会增加T值。Al2O3和Fe2O3依据煤灰组CaO比对灰熔融温度影响最大。一般钙、铁含量高,成不同既能起网络形成物(增加黏度)作用,也能起灰熔融温度降低,酸组分SiO2、Al2O3、TO2含量增网络修饰物作用(降黏度作用)。加,灰熔融温度提高。预测液渣黏度有许多经验或半经验预测模3.4液渣黏度型:5,但这些模型都只能预测一定煤灰化学组成液渣黏度可用高温旋转黏度计测定,也可根和特定温度区间的液渣黏度。如改进阿累尼乌斯据煤灰组成大致估计。影响气化炉内液渣黏度的因S模型预测液渣黏度公式如下素主要有:灰化学组成、未反应颗粒碳含量、铁的还原状况、气化炉工艺参数等,液渣中的炭颗粒和还原7=44685)22100金属铁均会增加液渣黏度。液渣黏度对气流床气化式中,T为温度,K为SiO2比。炉操作有重要影响,气流床气化炉适宜的液渣黏度z按下中国煤化工为15Pa·s,最大不宜超过25Pa·s(此时温度为CNMHGT23),高于25Pa·s时需加入助熔剂。常用助熔剂Sio, + Fe, 0,+ Ca0 mgO汪宝林:煤气化化学与技术进展2014年第3期4美国煤气化技术进展及发展方向接加料。3)适于严苛气化环境的高可靠、高精度单点蓝伊士曼化T公司是全球首家商业化应用德士古宝石光纤温度传感器的开发,1600℃高温能实现温气化炉进行煤气化制甲醇、醋酸、醋酐等化学品的公度读数准确,克服热电偶在高温含氧剧烈震动、易司,也是美国煤气化技术的典型代表,至今已有30燃易爆、强电磁干扰等恶劣环境下的应用限制,实现多年的应用经验。伊土曼化工公司在美国田纳西州高温含氧环境、高精度、实时在线气化炉温度的快速Kingsport建有两套高压(6.5MPa)GE德士古气化测定。炉(一开一备),投煤量已达设计负荷的135%。伊4)实时火焰监测传感系统开发,采用光学火焰土曼化工公司通过煤气化技术的持续改进,开发使传感器通过监测紫外、可见和近红外波长,开发高可用了煤在线分析系统,可实时检测煤的C、0含量和靠、实用、低成本的气化炉监测系统,监测气化炉火煤灰组成采用了液渣黏度预测模型,能更好控制配焰状况、液渣以及温度等运行参数。煤、助熔剂的添加及气化温度,气化炉的切换时间由5)开发基于光学传感器网络的气化炉预测控原来的数小时降至不到1h即完成切换满负荷运制模型,监控、预测液渣黏度、气化炉耐火材料的腐行。与波音等外包商合作持续改进耐火材料和加料蚀和冷却器的玷污堵塞,提高气化炉运行可靠性。系统,耐火材料平均热面工作时间大为提高;通过改6)开发合成气高温脱硫净化工艺以及高活性进喷嘴,提高了喷嘴的耐硫腐蚀能力,延长了喷嘴T吸附剂和输送床反应器系统,H2S和羰基硫脱除率作寿命;改进了棒磨机和气化炉隔离阀,减少了气化大于99.9%,氨去除率大于96%,汞、砷去除率达到炉的非计划停车,气化炉的运行率超过98%,非计划停车率低于1%-2%,单列可靠性达到94%。开90%,大幅提高热效率,降低成本。7)开发氢传输膜用于低成本的氢分离和高压发了无硫开车工艺,大幅减少了开车火炬对环境的污染,硫去除率大于99.%%,汞、砷去除率达CO2的分离捕集。将水汽转换后富含CO2的高压气90%~95%(21体通过氢传输膜分离出H2,余下的高压CO2进行捕伊士曼化工公司还与美国能源部合作开发了高集,H2回收率大于90%,纯度近100%。温合成气脱硫清洁「艺,该工艺采用输送床以氧化8)新型磷酸盐改性高铬耐火材料开发,研究如锌基吸附剂为脱硫剂进行脱硫。脱硫温度300~400何更好控制液渣黏度、耐火砖的腐蚀和侵蚀、评价助℃,硫(硫化氢和羰基硫)去除率控制在小于2×10-6熔剂的添加、建立气化炉预测模型,以期提高气化炉(总硫),采用硫直接回收工艺回收,SO2转化率达的可靠性、运行性和可维护保养性(RM),减少冷99.8%,除脱硫外,吸附剂还能脱除汞、砷和氨却器的玷污堵塞。此外,美国能源部根据美国能源需求特点,重点9)开发高碱金属、碱土金属低阶煤的灰分控制支持lGCC煤气化研究,开展西部地区低阶煤(褐煤技术,减少冷却器的玷污堵塞。和次烟煤)气化技木的研究开发,以实现降低发电5结语成本、提高电厂运行周期和效率达到最高环保标准的目标“。重点开展了以提高气化炉可靠性、气化与石油和天然气相比,煤炭是一种杂质(灰分、效率和煤种适应性为日标的气化炉优化研究,控制有害元素等)含量高、结构复杂且富含稠环芳烃的多种污染物排放至极低水平的合成气净化技术研非晶质高度交联高分子缩聚物原料,难以裂解成究,低成本高效率的O2分离技术研究,以及H2和各种易加工利用的小分子,需在高温下几乎完全打CO2的分离技术研究项目等2。具体开展或支持的断煤大分子结构气化成合成气,因而煤气化在煤炭研究开发项目主要有:的高效、清洁转化利用方面起着重要作用。通过对1)离子输送膜(IM)O2分离技术,通过对空气煤气化技术持续不断的改进创新,推动煤气化装置进行膜分离得到高纯度O2,与深冷空气分离工艺相大型化发展执效率增强气化炉的煤种适应比,可将O2生产成本降低1/3性、改善气化山中国煤化工养性2,对2)高压固体煤粉输送泵开发项目,实现低成本促进下游煤CNMHG联产等现代工高可靠IGC干煤粉的高压(达到65MPa以上)直业的发展以及煤炭的高效清洁利用都有重要意义。014年第3期洁净堞技术第20卷[13]冯亮杰郑明峰,尹跷晖,等煤制甲醇项目的煤气化技术选择参考文献:[J]洁净煤技术,2011,17(2):34-381]王辅臣,于广锁,龚欣,等大型煤气化技术的研究与发展14] 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