煤气化及其多联产系统技术的发展现状 煤气化及其多联产系统技术的发展现状

煤气化及其多联产系统技术的发展现状

  • 期刊名字:上海电力学院学报
  • 文件大小:439kb
  • 论文作者:冷雪峰,潘卫国,王文欢,沈敏强,顾先青,章玲,胡深亚
  • 作者单位:上海电力学院
  • 更新时间:2020-07-12
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论文简介

第25卷第2期上海电力学院学Vol.25, No.22009年4月Joumal of ShanghaiUniversity of Electric PowerApr. 2009文章编号: 1006 - 4729(2009)02 -0117 -05煤气化及其多联产系统技术的发展现状冷雪峰,潘卫国,王文欢,沈敏强,顾先青,章玲,胡深亚(上海电力学院能源与环境工程学院,上海200090)摘要: 煤气化多联产技术是-项高效清洁综合利用煤炭资源的技术,是应对我国能源供应紧张以及能源使用过程中污染排放严重两大问题的积极有效措施.简述了煤气化技术以及合成气的净化系统,重点讲述了以煤气化技术为龙头的多联产系统的应用发展趋势.关键词:煤气化;多联产;节能中图分类号: TM611.23; TE08文献标识码: AStatus Quo of the Development of IntegratedGasification Combined CycleLENG Xue-feng, PAN Wei-guo, WANG Wen-huan,SHEN Min-qiang, GU Xian-qing, ZHANG Ling, HU Shen-ya( School of Thermal Power & Entironmental Engineering , Shanghai Universityof Eletric Power, Shanghai 200090, China)Abstract:Integrated gasification combined cycle ( IGCC) technology is a clean and highlyefficient way to utilize coal comprehensively. It is also believed as an active and efective measure tosolve energy supply and serious pollution problems which are caused by energy use. This paperintroduces coal gasification technology and syngas purification system, focusing on coal gasificationtechnology as the leading co-production system of application development trend.Key words: coal gasification; multi-generation system; energy saving煤炭是化石能源中储量最大的能源,其预计而排放为零的电站. FutureGen电站的装机容量为的可开采年限远高于石油和天然气.近年来随着2.75x 10° kW,电站在生产电能和H2产品的同国际石油供应紧缺和价格攀升,高效清洁的煤炭时,能捕获和收集CO2,并将其埋藏于地下深层,利用技术逐渐成为国际能源技术研发的新热点.实现碳封存. 这一计划的实施将每年减少1.0x美国将煤炭气化为基础的多联产系统作为其未来10° t的CO2排放,实现能源和环境的双重效益.能源技术的重要方向之一-.目前,最大型的研究项多联产系统技术利用从单一-的设备(气化目是FutureGen".美国政府将投入10 亿美元,建炉)中产生的“合成气”(主要成分为CO和造世界上第- -座以煤为燃料、既能发电又能制氢、H2)"进行跨行业、跨部门的生产,以得到多种具收稿日期: 2008-11-13中国煤化工作者简介:冷雪峰( 1985 -) ,男,在读研究生,江苏淮安人主要.MYHCNMHG流塔优化、电厂污染物控制. E mail:lengxuefeng9@ 163. com.基金项目:国家863计划(2006AA05A108-03);上海市地方高校能力建设项目(08160512400). .118上海电力学院学报2009年有高附加值的化工产品、液体燃料(甲醇、F-T合接激冷式流程、余热锅炉式流程、余热锅炉激冷组成燃料、二甲醚、城市煤气、氢气).此外,还可用合式流程等3种.具体应用时可根据合成气的用于工艺过程的供热以及发电等.所用的燃料可以途、下游工序对 蒸汽的需要量和催化剂的性能选是煤(尤其是高硫煤)、石油焦或生物质2.煤气择合适的工艺流程. .化多联产是以煤为燃料的多联产系统,本文主要Shell 粉煤气化工艺'5]是基于粉煤(焦)浆的就煤气化多联产相关内容展开技术分析.加压气流床气化工艺,也属非催化部分氧化工艺.在该工艺中,气化炉采用类似锅炉的水冷壁技术,1煤气化技术其烧嘴和水冷壁寿命均较长,防护性优于传统的“耐火砖”,气化炉易大型化,而且由于超高温1.1主要的煤 气化工艺介绍(1 400~1 700 C )煤气化,使得煤种的适用范围煤气化技术是实现煤炭综合利用和洁净煤技宽,对煤的特性(煤的粒度、粘结性、水含量、硫含术的重要手段,是发展现代煤化工、煤造油、燃料量氧含量及灰分含量)不敏感,但对于灰熔点较煤气和发电等重要工业化生产的龙头.以煤炭为高的煤,需加人助熔剂(石灰石),以改变熔渣性原料,采用空气、氧气和水蒸气为气化剂,在气化能.此外,由于采用干法进料,氧耗比水煤浆进料炉内进行煤的气化反应,以生产出不同组分及不法要低,合成气中CO2的含量也远小于水煤浆进同热值的煤气.为了提高煤气化的气化率和气化料的合成气.炉气化强度,改善环境,20世纪70年代以来发达1.2煤气化工艺的比较国家加快了新- -代煤气化技术的开发和工业化进程.其总的发展方向是:气化压力由常压向中高压(1)水煤浆气化工艺Texaco 煤气化炉是水(8.5 MPa)发展;气化温度向高温(1500~1 600 C)煤浆气化工艺的主要代表.水煤浆气化工艺与干发展;气化原料向多样化发展;固态排渣向液态排法进料相比,热效率较低.由于产生的煤气中含有渣发展).17% ~ 20%的CO2 ,不仅降低了煤气的热值,而且煤和气化剂在气化炉内的反应如下:给后续的湿法脱硫工艺带来了困难. Texaco气化煤+气化剂(空气或氧气+水蒸气)→合成炉最突出的优势在于运行经验丰富.喷嘴运行简气(H2 +CO+CH,等)化了设备系统和控制系统,炉内温度只需控制煤洁净煤气化(4]主要是将原煤经加工转化为浆量和氧气量即可.水煤浆便于高压泵送,可以制粗合成气,然后再通过气体净化获得煤液化所需备压力很高的粗煤气.此外,气化炉运行费用较要的氢原料.从煤气化技术发展进程看,早期的煤低,不像干法供煤方案那样,需要花费能量千燥湿气化大都使用块煤和小粒煤为原料生产合成气,煤.但Texaco煤气化炉喷嘴和耐火砖的寿命较短.而近年来煤气化工艺已有了很大发展.进入20世(2)干粉气化工艺Shell 粉煤气化工艺的优纪80年代后,洁净煤气化技术的开发研究已取得势在于干法进料,氧气气化系统,热效率高.煤气了重大成果,并进行了商业化运作.洁净煤气化技中的H20 +CO2含量较少,煤气热值高,氧耗和蒸术采用先进的气流床反应器,以水煤浆和干粉煤汽耗量都较低.此工艺还可使用褐煤、烟煤和沥青为原料,运用大规模、单系列的加压气化技术实现砂等多种煤,碳转化率达98%以上.单炉生产能了工业化,其气化指标好,有利于环境保护,成为力大,装置处理能力可达3000 Vd.此外,运转周煤气化技术的主流.目前典型的煤气化技术有德期长,Shell煤气化工艺煤烧嘴可以连续运行.士古(Texaco)和壳牌( Shell)两种.8000h以上.Shell煤气化工艺排出的炉渣含碳小.Texaco水煤浆气化工艺'5]是基于水煤浆进.于1%,飞灰含碳小于5%,可以进行再利用.同料的加压气流床气化工艺,属于非催化部分氧化时,Shell 粉煤气化工艺排出的废水较少.工艺适用Texaco气化工艺的原料较多,而针对1.3中国煤化工煤、高硫石油焦、脱油沥青等原料的气化,在YHCNMHGTexaco气化中都已有成功的运行经验. Texaco 气煤在气化炉中气化为粗煤气时,原煤中所含化技术已实现了工业化的主要工艺流程,包括直的相当一部分灰分 、硫分、氮分,以及碱金属盐和冷雪峰,等:煤气化及其多联产系统技术的发展现状119卤化物等都会转移到粗煤气中,并以不同尺寸的床气化炉内与煤反应,使其产生C +H20=CO +尘粒,H2S+CoS,NH,+HCN,钠盐和钾盐的蒸H2和C+CO2=2C0的反应,从而降低一-段炉出汽,以及HCL + HF等形式存在于粗煤气中.这些口的温度,以达到有效回收气体显热的目的.有害物质若不除尽,不仅会导致后续设备的腐蚀(3)提高煤种适应性由 于煤炭是- -种结构和结垢,影响其使用寿命和工作可靠性,还会影响复杂、杂质(灰分、有害元素等)含量较高的原料,周围环境,甚至造成污染.目前,在使用的粗煤气煤气化炉对人炉的煤炭有一定的要求,为满足煤净化系统中有“常温湿法的净化系统”[6]和“高温气化炉的入炉条件,可通过以下办法实现,即将气干法的净化系统”门之分,前者具有相当成熟的化炉内部结构分为耐火砖结构和水冷壁结构.耐技术,后者则在研究开发之中.火砖结构要求煤的灰熔点要低(一般不大于1在常温的湿法净化系统中可以达到清除粗煤400 C) ,而水冷壁结构可适应灰熔点高达1600气中有害污染物的目的,特别是在文氏洗涤器中~1 700 C的煤种.可以清除细灰、碱金属化合物、卤化物和氮化物..2煤气化多联产系统及需要解决的在湿法常温的除灰脱硫的过程中,粗煤气经文氏问题管除尘器的喷水除尘后,还必须进一步冷 却到30~40C,才能进人常温的脱硫设备中脱除H2S.2.1煤气化多联产 系统显然,此过程中必然会有-部分水蒸气从煤气中凝结出来,以致损失--定数量的汽化潜热此外,以气化为基础的煤炭利用是指经煤气化联合在飞灰的水洗过程中还会产生大量的黑水,需要循环或煤气化制氢燃料电池联合循环发电或以大建立比较复杂的废水处理系统进行处理.因此,人吨位液体燃料(油、醇、醚、氢)合成为目的的能源们希望改用高温千法的净化系统和设备,力求充生产(如图l所示)过程'$] ,它通过先进技术的集分利用粗煤气的显热,使粗煤气的净化系统得以成应用,大幅度提高- -次能源效率,臧轻或消除环简化,并能达到与常温湿法相当的净化效果.境污染,保证社会和经济的可持续发展.煤气化多联产系统如图1所示.1.4煤气化技术面临的问题及 其解决方案煤气化技术面临的问题及解决方案如下[0)].备煤}>气化}一净化→发电一电力二+见拣神、(1)大型化、单系列的发展方向现代工业空分变换燃料电池电力(化工、发电、多联产、制氢等)发展的主要方向之一就是大型化、单系列,这对煤气化技术也提出了H氨合成t氨、肥料较高的要求,即向大规模、高效率的方向发展.为实现这一目标,一方面需要提高单炉的温度、增加合成卢油、醇、醚炉内压力、强化混合;另一方面,则要满足实现大CO,(埋存)规模高效煤气化过程所需的苛刻条件,如1 300 ~图1以气化为基础的煤炭利用1 700 C的高温、3.0 ~8.5 MPa的高压,以及多相流动的条件.以煤的气化为中心,将煤气化后产生的合成(2)实现能量的高效转化和合理回收由于气( 主要成分是Co和H2)净化后再利用.煤气化在高温下进行,合理回收煤气高温显热是该系统具有如下特点.提高煤气化整体效率的重要环节.回收煤气显热(1)多产品联合生产抗市场风险能力较强.的技术有两种,即激冷工艺和废热锅炉工艺.但激以合成气为原料可以生产包括化工产品、电力产冷工艺热效率不高,而废热锅工艺设备复杂且投品、动力概料气体楸料和人T天然气在内的多种资巨大,所以有学者提出了化学法回收高温显热产品中国煤化工多领域较广,因的技术.其主要原理是利用一段大型气流床水煤此该YHCNMHG能力.浆气化产生的高温煤气中含有的各约20%的(2)多联产系统中的技术工艺路线可以进行H20和CO2这一特点,将高温煤气通人二段固定链接和耦合.从气化炉出来的粗煤气经过除尘和.120上海电力学院学报2009年.脱硫后,可以分成几个部分,供应给发电、化工合可以生成甲醇,大量未反应的气体需要经分离后,成、城市煤气等不同的生产过程.由于各部分的比反复、多次进行循环反应,以提高甲醇生产效率.例可以根据需要灵活地进行调整,因而可以达成这样,生产甲醇的工艺流程及设备就较复杂,并要各方面的协调生产.额外消耗分离、循环用的能量.而在多联产系统(3)以煤气化为中心的超清洁技术.原料煤中,CO只进行单程(或称之为一步,英文为once经过纯氧气化后,得到的合成气可以达到很高的through)反应,未反应的合成气不再送回反应器,除尘和脱硫率,其污染物的排放指数将大大降低.而是送入燃气/蒸汽联合循环电厂进行动力利用,(4)多联产系统是-一个具有自身更新能力的这样 就避免了设备投资和运行的多次循环,具体开放系统.由于多联产系统在组成上十分灵活,是反应过程如图2所示.一个优化集成过程.. 没有反应的气体、. 甲原产品(蒸汽)(5)多联产系统的总能利用效率较高,使得. 典型的甲醇合成气状态项目具有较强的市场竞争力.压力: 5~ 10 MPa燕汽温度: 250 C2.2 煤气化多联产系统的具体应用催化剂在油中2.2.1合成气的具体应用冷却气泡ζ液体气泡2H煤气化多联产系统产生的合成气具有广泛的合成气进入用途,具体包括以下3个方面.co ?催化剂甲游(1)提高化工生产效率合 成气是重要的化图2一步法生产甲醇工原料,可利用其生产化工产品油、醇、醚等,由于此反应所需CO和H2比例不一,往往不能- -步反2.2.3与发电结合的 F-T过程的工艺流程应完全,有了多联产系统后,可以将反应后的剩余和甲醇生产一样,煤间接液化的F-T过程也气体直接送人燃气/蒸汽联合循环电厂进行动力可运用一步法,在多联产系统中,不需要进行多次利用,可避免化工生产的多次循环反应.循环,直接把未反应的合成气引人燃气轮机燃烧(2)提供清洁能源合成气中 Co +H20经室进行发电.如今,最先进的液相反应器单程转化重整反应后生成H2 +CO2,将H2 +CO2分离后可率可达80% .不仅可避免多次循环转换,以大大获得高纯度的H2和CO2 ,其中高纯度的H2可用降低设备投资和系统的复杂程度,还可减少运行来制备燃料电池以驱动新型汽车,为汽车提供动费用,其经济性是显而易见的[91 ,力,且不会产生任何污染.而CO2可用来埋存于3煤气化多联产系统中需要解决的煤层或油田,置换其中的天然气,以提供相对洁净的燃料供人类使用.问题(3)作为燃料气使用可 驱动燃气轮机发煤气化多联产系统中需要解决的问题主要表电,并使产生的尾气通过余热锅炉生成蒸汽,以驱现在以下几个方面()].动汽轮机发电,实现燃气与蒸汽联合发电.此外,(1)气体分离的膜技术在多联产 系统生产电厂产生的电力又可供油、醇、醚、氨等化工厂和的各个阶段需要实现多种气体大流量、低能耗、廉燃料电池厂使用,剩余电力还可以送上电网.价的分离.例如,在用于ICCC煤的气化中,空气2.2.2与 发电结合的甲醇生产工艺流程中氧和氦的分离,用目前的空分装置耗能很大,空甲醇生产的常规方法是通过液相反应实现分耗能占整个发电量的15%以上.的.从反应过程看,合成气进人反应器后,有很大(2)高温除尘脱硫为了充分利用从气化炉-部分CO需要通过变换反应: CO+ H20- H2出来的合成气的显热.不宜采用水激冷的方法,因+ CO2来转化为氢气,以达到甲醇合成过程所要此在中国煤化工个关键.求的进料化学计量比[9 ,具体反应如下:|YHCNMHG机21世纪化CO + 2H2一CH,0H(放热反应)石能源和资源利用均以燃气轮机为核心,我国已通常,参加反应的CO只有小于10%的部分在着手研究部署先进燃气轮机在我国发展的战冷雪峰等:煤气化及其多联产系统技术的发展现状121略,近期仍以引进或合作生产为主.这是我国在能合化工生产氨、醇等产品的需要,从而减少设备的源领域面临的重大挑战.投资.多联产系统就是将这些独立的子系统联系(4)先进的高温(如固体氧化物SOFC)和低起来,统一调度,以达到效益最大化.如何更好地温(质子交换膜PEM-FC)的燃料电池技术前配置多联产系统则需要用经济学原理进行分析.者可用于分布式热、电、冷联供,后者用于车辆随着技术的进步,煤气化多联产系统中需要(5)氢气的存储和基础设施管道材料氢气进一步研究的问题有:气体分离的膜技术;高温除作为新的零排放的载能体,前景十分吸引人,但其尘脱硫技术;先进的高温、高效燃气轮机技术;先储运、分配是应用上的瓶颈,必须加速研究灵活、进的高温(如固体氧化物SOFC)和低温(如质子方便低价格的氢气储运新技术.交换膜PEM-FC)的燃料电池技术;氢气的存储和(6)煤气化技术的国产化面对 我国煤一基础设施管道材料;煤气化技术的国产化煤气化高灰含量、高灰熔点一-的特 点,如何选择已有的多联产的系统设计与优化等.解决这些问题将有煤气化技术,以及如何对这些技术进行优化配置,助于提升我国煤气化与多联产系统的技术水平.这是一个亟待解决的问题.(7)煤气化多联产系统的设计与优化煤气参考文献:化多联产系统是-一个开放的高效环保系统,它是1] 吕东颖.美国“未来发电(FureCen)”研究项目[J].热力洁净煤技术的一部分,要想进-步提高煤气化多发电2005 ,(12):109.联产系统的经济性,应根据市场需求,结合其他洁[2]邓剑. 煤气化多联产[J].上海节能,006,(6) :4648.净煤技术(煤的直接液化技术、洁净煤燃烧技术[3]叶亚莉,李天文. 国内煤气化技术现状及发展趋势[].泸天化科技,2005 ,(3) :248-255.等) ,以扩展多联产系统. .[4] HOTCHKISS R. Coml gaification tchnoloige[J]. Proceed-ingo of the Institution of Mechanical Engineers Part A Power4结束语& Energy, 2003,(1) :27-33.从社会的角度来说,多联产系统是以煤为原[5]蒋德军. 以部分氧化工艺为核心的ICCC技术进展[J].炼袖技术与工程,200 ,35(8);16.料,利用先进的煤气化技术生产煤气,再经过煤气[6]王辅臣 ,于广锁,龚欣,等大型煤气化技术的研究与发展净化系统,对煤气除尘(包括固体颗粒,重金属痕[C]/第78杨工程科技论坛暨第五届长三角科技论坛论量元素,还有氨等)和脱硫,生成合成气(主要成文集2008:7782.27分CO和H2).可利用合成气燃烧进行蒸汽循环[7]许世森 ,张东亮,任水强.大规模煤气化技术[ M].北京:化学工业出版社,2006 :687.发电,也可利用合成气燃烧进行燃气循环发电,还[8]王洋 ,房倚天,黄戒介,等煤气化技术的发展[J].东莞理可利用合成气生产以氢、氨、醇、油(含各种烃工学院学报, 2006 ,13(4) :93-100.类)、燃气5大产品为基础的重化工产业.利用多[9]倪维斗 ,李政.以煤气化为核心的多联产能源系统[J].煤联产系统,可以直接调节输出煤气的压力,使其符化工, 2003,(1):3-10.中国煤化工MYHCNMHG

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