国内煤气化技术现状

设计与计算CFHI TECHNOLOGY10.3969/jisn.1673-3355.2014.04.001国内煤气化技术现状孙曙光摘要:简要介绍煤气化技术的原理和种类,重点阐述国内煤气化技术的研究进展和工业应用现状,指出国内煤气化技术发展存在的问题及未来的发展方向。关键词:煤气化;流化床;气流床中图分类号:TQ54文献标识码:A文章编号:1673-3355(2014)04-0001-05Current Status of Coal Gasification Technology in China Sun ShuguangAbstract: The paper describes the principle and classification of coal-gasification technology and points out the problerthat are encountered in the development of the coal-gasification technology and the developing trend in ChinaKey words: coal gasification; fluidizing bed; entraining bed中国的资源现状为富煤、贫油、少气,煤炭煤(C)的消耗量逐年提高,其中发电用煤、工业锅炉用煤和民用煤占全部煤炭开采量的90%左右。煤炭气化剂的主要利用方式为直接燃烧,由于固体燃烧不充气化炉(O2、H1O)(CO、H2、CH)分,造成能量的整体利用效率低,对环境的污染十分严重。煤气化是煤炭化学工业的清洁技术灰渣气化产物为混合气,便于净化处理和运输,既可图1煤气化技术基本原理以做基本化工原料,用于制氢、合成氨、合成甲应。如果仅考虑煤中的主要元素碳,则炉内发生的醇、合成油等领域,又可以作清洁燃料,用于发主要反应为电、冶金、机械和城市燃气等领域。发展煤气化技术,适合我国国情,符合可持续发展战略和节C+O,→CO能减排的要求,对我国而言有着重大意义。C+O→COC+HO→CO+H2原理和分类C+CO2→2CO3C+2HO→2CO+CH1.1基本原理CO+H2O→CO2+H煤气化的基本原理是:以煤为气化原料,以虽然煤的成分复杂,但是气化反应一般可以简氧气、水蒸气等为气化剂,在高温条件下在气化化为放热反应(如C+O2),吸热反应(如C+HO炉中发生反应,最终生成由CO、H2、CH等组成C+CO),甲烷生成反应和水煤气平衡反应等。最的煤气(见图1)。煤气化的过程分两种类型终的煤气各成分的含量取决于反应条件和反应深种为气化剂或气态产物与固体煤的非均相反应,度。另一种为气态产物之间或与气化剂之间的均相反中国煤化工1.一重集团大连设计研究院有限公司助理工程师,辽宁大连116600CNMHG2014年第4期总160期)1一重技术设计与计算1.2技术分类及命名对煤气化技术的描述应包括技术命名、技术分类和煤气化技术发始于20世纪30年代,70年代气化原料形态,如:灰熔聚流化床粉煤气化、二段是此技术的迅猛发展期,主要有两次重大突破,第式气流床干煤粉气化、四喷嘴气流床水煤浆气化一次是工业制氧装置的开发,用氧气代替空气进行等。煤气化;第二次是加压气化技术的开发。至今,已形成了多种大规模煤气化工业技术。2国内发展现状及应用煤气化技术的分类和气化炉有关,气化炉又称21发展现状煤气发生器,是煤进行气化反应的场所,是工艺装置中的核心设备。传统上按照煤在气化炉中的流体在引进国外各类型煤气化技术的同时,国内也力学行为,分为固定床气化、流化床气化、气流床投入了大量人力物力开展煤气化技术的研究工气化三种(见图2)。固定床气化一般使用块煤或经过几十年的不懈努力,涌现出一批有代表性的煤煤焦为原料,筛分范围6-50mm,原料煤从上部加气化技术,包括:灰熔聚气化技术、两段式气化技入,气化剂自下而上通过床层,产出的煤气中含有术、四喷嘴气化技术、非熔渣-熔渣分级气化技烃类及焦油等。流化床气化使用粒径3-5m的煤术、航天炉气化技术、多原料浆气化技术料,同样采用原料煤与气化剂错流接触的方式,由个新的化工工艺流程思想要达到可以大规模于炉内原料煤保持沸腾运动状态,整个床层温度和工业化,要经过五个阶段。即小试、中试,工业化组成均匀,故煤气中不含有焦油和酚类杂质。气流试验、示范厂、商业化工厂。国内这些技术正在产床气化多使用粒度小于o.1mm的干煤粉或混合均业化道路上发展,基本上都处于示范阶段,有的进匀的水煤浆为气化原料,与气化剂以并流的方式在展的比较快一些,有几个工厂已经运行,或者有几炉内进行高温高压反应,煤气中不含焦油等杂质个工程正在建设,个别技术已经开始向国外推广生产能力大。(见表1)表1国内正在开发的煤气化技术煤气化技术的命名方式有两种,一种是根据该技术的工艺特点命名,如:灰熔聚气化、二段式气技术原料单炉投煤量开发单位化、四喷嘴气化、多原料浆气化等,另一种是以技灰熔聚流化床粉煤300山西煤化所术的开发者或将开发者名称冠于这个炉型前面来命航天炉气流床粉煤航天部名,例如 Lurgi(鲁奇)气化、She(壳牌)气化粉煤2000/1000西安热工研究院Texaco(德士古)气化、恩德炉气化、航天炉气化多原料浆气流床水煤浆500西北化工研究院等凹。非熔渣-熔渣分级气流床水煤浆700清华大学描述一种煤气化技术的关键点还应该包括入炉原料煤的形态,即块煤,粉煤、水煤浆等。故完整四喷嘴气流床水煤浆1150华东理工大学技术分类拉术命名人炉煤形态2.2技术研究及应用概况(1)灰熔聚气化灰熔聚流化床粉煤气化技术由中国科学院山西煤炭化学研究所研发,历经20余年,拥有自主知灰熔聚思抽炉,温克勒识产权。该技术以小颗粒粉煤为气化原料,主设备包括气化炉和一、二级旋风分离器(见图3)。炉hell. Penile二段式内生成的高温煤气夹带大量细粉进人一旋,大部分P.航天炉细粉被捕集下来经料腿返回气化炉,再次进行气Tesa Leste化,有效提高了碳转化率。少量粉尘随煤气进入二四哈旋,由精除尘系统补捕集,使煤气含尘量满足要求。非熔渣一熔渣分级气化炉分为小直径段和扩大段两部分。炉底采多兀料紧化工进入,形成图2煤气化技术分类及命名MHG气作为氧化22014年第4期(总160期)CFHI设计与计算CFHI TECHNOLOGY水煤气煤气水汽去汽包二次煤粉+苗汽次煤和+汽蒸汽煤粉亮带氯气英汽+氧气煤(夹带氢气+荡汽+氧气锅炉水进口渣池水进口氧气汽渣池水出口图3灰熔聚气化炉图4二段式气化炉剂由分布器进人,形成局部高温区。碎煤由侧面进度髙达1400~1600℃的煤气进入气化炉上部二段料斜管进入炉内,煤中的焦油和酚类在高温下裂反应区,煤粉与蒸汽通过两个喷嘴进入,利用来自解,煤颗粒完成气化过程,灰渣可在此区域内团聚一段的煤气显热进行煤的裂解、挥发物的气化和碳成球,借助质量的差异与未完全气化的煤(又称半的气化等反应,产生额外的煤气。显然,二段部焦)分离,经由锁渣分离装置排出,灰熔聚因而得分没有氧气参与反应,但存在甲烷的转化。二段未名。部分氧气从上部扩大段进亼炉内,增加了半焦转化的碳颗粒经补集后返回一段煤贮斗返烧。生成的气化率。气化炉顶部设有激冷喷嘴,喷入软水将的炉渣为熔融炉渣,附着在气化炉水冷壁的内壁生成的高温煤气调节至900℃上,形成一层渣保护层。随着渣层的增厚,向火如今,技术方已经完成了常压和加压试验。应测的熔渣在重力作用下向下流动,进入气化炉底部用此专利技术,2008年至2009年河北石家庄和山的水浴内,被水激冷后定期从气化炉底部排出η西晋城相继成功运行了0.6MPa低压装置,单炉日该技术方2006年已经建成了中试装置,先后处理无烟煤320t。2013年,云南文山运行的0.4完成了褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤等多煤种的气化MPa低压装置,单炉日处理褐煤接近400t。实际实验,取得良好效果。目前正在进行此项技术的工工业生产证明,灰熔聚流化床粉煤气化技术对煤种业示范和推广。华能绿色煤电公司采用此技术用于的适应性宽,工艺流程简单,设备投资低,适合煤IGCC示范电站项目,设计规模200/d;内蒙古气需求量不大的用户。缺点是煤气中二氧化碳含量世林公司采用此技术用于煤制甲醇项目,设计规模较髙,炉渣残炭含量较髙,煤气带岀飞灰量偏大。1000td,前者已经开始试运行,后者正在调试。(2)二段式气化该技术能否快速发展尚需市场验证N。二段式气流床干煤粉气化技术由西安热工研(3)四喷嘴气化究院开发,具有自主知识产权。该技术根据后期流四喷嘴气流床水煤浆气化技术由华东理工大学程的不同可分为废锅流程和激冷流程,前者适用于开发,此技术是对 Texaco气化的较大改进,具有发电领域,后者适用于化工领域。该技术使用干煤自主知识产权。 Texaco气化炉进料喷嘴只有一个粉为气化原料,主设备气化炉包括膜式水冷壁室、且位于炉顶,而本技术中气化炉进料喷嘴为四个环形空间和高压容器,操作压力3~4MPa,气化反位于气化炉的中上部对称布置(见图5)。气化炉应实际发生在水冷壁圈成的空腔里,气化压力由外操作压力为3.5~4MPa,以质量浓度60%~65%的部的高压容器承受(见图4)。煤浆作为气化原料。气化炉内分为两个区,下段为第一反应区,夹常规进料喷嘴内部设有预混段,本技术改进了带N2的粉煤、O2和蒸汽通过两个对置喷嘴进入炉喷嘴的型式中国煤化工喷嘴,利用内,进行部分氧化反应,产生高温湿煤气。之后温内、外侧高速CNMHG化和混合,2014年第4期(总160期)3一重技术设计与计算料,进料喷嘴结构特殊,为三通道外冷式,即中心煤家+氧气一煤+氧气走氧气,内环走煤粉,外环走冷却水,原料通过气化炉顶部的喷嘴自上而下进入。气化炉为水冷壁结构,炉内操作温度1350~1500℃,操作压力3~4MPa,反应产物向下进入激冷室,经激冷后排渣,微冷水透水煤气粗合成气由激冷室上部排出14。近年来,航天炉技术推广迅速。2008年,河南濮阳龙宇化工第一套航天炉气化装置试车成功,激冷水回水随后安徽临泉的晋煤中能集团、山东鲁西化工、河南中新化工等相继建成多套航天炉气化装置,均进人试运行阶段。此技术的设计理念先进,原料适应图5四喷嘴气化炉性强,气化炉结构简单,投资运行费用低吲。降低了进氧压力损失,减少了对煤浆通道的磨损。(6)多原料浆气化在13560℃高温下,炉内发生颗粒的湍流弥散、振西北化工研究院对多原料浆气化技术进行了多荡运动、对流加热、辐射加热、煤浆蒸发、颗粒中年研究,此种技术与其他气化技术的区别在于气化挥发物析出、气相反应、灰渣的形成等过程。煤气原料上。生产中将煤、石油焦、油等含碳物质与添与熔渣一起流经气化炉底部的激冷室激冷后,气体加剂和水按比例混合磨制成料浆,加压后与氧气和固渣分开,煤气出气化炉門同进入气化炉反应。气化炉的炉型与 Texaco气2000年,第一台中试装置在山东建成并投料化炉类似,操作方式为气流床,反应生成煤气最终开车成功。之后国内相继建立了十几套四喷嘴气化进入激冷室降温。装置。运行情况表明,该技术各项工艺指标全面超在生产实践上,国内有化肥厂和合成氨厂应用过了国外同类技术,缺点是气化炉拱顶处耐火材料此技术已取得成功。实践发现煤浆流变性影响煤浆烧损较快,大约运行5000h就需要更换。该技术雾化和燃烧特性,进而影响到气化效率,故需要在在国内市场推广迅速。是否能达到企业安稳常满的成浆性上加大研究力度。整体来看,技术的推广运行要求尚需要进一步的实践验证。力度有待加强。(4)非熔渣-熔渣分级气化非熔渣-熔渣分级气化技术又称清华炉技术3国内技术的现状、问题和发展趋势由北京达立科有限公司、清华大学、山西丰喜肥业3.1国内技术的应用现状和存在的问题集团共同开发研制。该技术使用煤浆为气化原料,主设备气化炉为气流床,分为上下两段。煤浆长期以来,我国都采取先引进国外技术,消化通过给料机构进入气化炉第一段,以纯氧作为气化吸收后在国内开发自有技术的政策,但是在实际工剂,以其他气体做预混来调节气化温度,以保证第作中,出现了偏重引进国外技术的现象。据不完全段在灰熔点以下。未气化的碳以半焦的形式进人统计,目前全国已建和在建的大中型气化炉有近百第二段,此时补充部分氧气,使气化温度达到煤的台,其中有35台 Lurgi炉,1台BCL炉,23台灰熔点以上,完成全部氧化反应12。Shell炉,3台GSP炉,12台 Texaco炉,国内开发2006年,山西丰喜集团建成第一套气化装置的气化炉不到一半。实际上国外的技术并不一定完并顺利投产,效果良好叫。该技术的特点是氧气分全适用于国内情况,如引进的23台 Shell a气流床干级供给,相对于连续气化技术,炉内高温区域更煤粉气化装置,一方面将发电工艺强行用于化工装大,有效气的含量较高,氧气消耗少。相对于其它置,另一方面使用的原料煤种不合适,导致长时间气化技术,还需要加强市场推广力度。达不到预期目标(5)航天炉气化国内煤气化技术存在的问题是:航天炉气化和航天炉气流床干煤粉气化技术是航天工业部门德国西门子G$P气化,多元料浆气化和美国原的一项产业化成果。该技术使用干煤粉做为气化原Texaco气化中国煤化工国际上可能存在知识产权CNMHG利的气化技2014年第4期(总160期)设计与计算CFHI TECHNOLOGY术,如灰熔聚气化、二段式气化、非熔渣-熔渣分低了企业的生产成本,对于我国煤气化工业的发展级气化,在国内的推广力度不够,运行的厂家不和能源利用具有重要意义。相信随着工艺条件的改多,导致技术研发成功后没有取得应有的效益。进和研发水平的提高,国内的煤气化技术将取得更32未来发展趋势大的成绩。参考文献对于国内市场,只要煤气化技术切合国情,符(陈启文,李聪敏煤化工工艺[M.北京:化学工业出版社合能源结构改进的目标,就有广阔的发展空间。未2009:124来的煤气化发展趋势主要集中在以下几个方面[2]郭树才,煤化工工艺学[M],北京:化学工业出版社,2009(1)技术多样化实践证明,一种气化炉及其工艺使用有限的煤3]唐宏青.现代煤化工新技术[M].北京:化学工业出版社2009:41~42.种才能达到最佳运行状态,同样的,一定的煤种也凹4王洋加压灰燧聚流化床粉媒气化技术的研究与开发门.山西只能使用一定炉型及其相关工艺才更经济合理。此化工,2002,22(3):4-7.外,已经建成运行的装置中,灰熔聚煤气化技术的5]苏立伟,杜三民灰熔聚粉媒气化炉存在的问题及改进.中单炉投煤量为200~500td,航天炉技术、非熔渣氮肥,2007,(5):8-11熔渣分级气化技术、多元料浆气化技术适用于中型6]任永强,许世森,张东亮等,干煤粉加压气化技术的试验研完们.煤化工,2004,(3):10-13气化装置,单炉适宜投煤量为500~1000t/d,二段「7]许世森,任永强两段式干煤粉加压气化技术的研究开发团式气化技术和四喷嘴气化技术适合大型气化装置,氮肥与甲醇,2006,1(3):1-5单炉投煤量为1000~2000ud。由于国内煤炭资源81丁志云两段式干煤粉加压气化炉的复杂控制田,广州化工,种类繁多,用户的煤气需求量大小不同,导致国内013,41(4):163~164煤气化技术出现了百花齐放,相互补充的局面。I9于广锁,龚欣,多喷嘴水煤浆对置式气化技术旧,现代化工,(2)加压工艺10]赵旨厚,张大晶.多喷嘴水煤浆气化炉的工业化应用.化肥国内外新开发的气化炉都采用了加压气化工艺。在相同碳转化率情况下,随着气化压力的增1夏洪强.清华炉气化技术的原理及在煤化工行业的应用田·广大,装置的气化强度增大,单炉处理量显著提高东化工,2011,38(9):169-170相应的压缩能耗较低,因而降低了单位产出的投资121韩春民,非渣渣分级气化技术在气化装置的用化肥设计,2009,47(1):47~49.和运行成本。「]3]赵东兴,白口丰喜非熔渣-熔渣分级气化炉介绍及在醇改尿(3)低污染、易净化系统中的运行特点团.化工设计通讯,2011,37(6):54随着国内污染问题的凸显,国家的环保要求将越来越高。我国煤炭含硫量高,气化后产生的污水4孙永才,刘伟,航天炉粉煤加压气化技术浅楫,化肥工北和煤渣需要处理。因此,通过完善技术来减少三废2010,37(1):55-57排放、方便后期净化,将是各类技术改进的方向。1’5]童维风,黄保才,郭兴建,航天炉粉煤气化装置运行及改造总结.小氮肥,2013,41(3):1-44结语16]门长贵,多原料浆气化制合成气技术团,煤化工,1998国内新型煤气化技术的开发,打破了国外在先7李玉成,多原料浆气化装置的运行及问题探讨1.大氮肥,2008,31(1):62-6进技术方面的垄断,拓宽了原料煤种的范围,提高收稿日期:2014-04-29了煤炭资源的利用效率,减少了对环境的污染,降◆必◆◇中国煤化工CNMHG2014年第4期(总160期)5