主要煤氣化技術簡介

1、主要煤氣化技術概述摘要介紹了包括Texaco水煤漿氣化、Shell煤氣化、GSP煤氣化、Lurgi煤氣化在內的四種主要煤氣化技術,分別介紹其工藝流程,以及在應用后對其的評價。關鍵詞煤氣化技術Texaco水煤漿氣化Shell煤氣化GSP煤氣化Lurgi煤氣化煤氣化是煤轉化技術中最主要的方面,它的歷史非常悠久,甚至早于發(fā)電。通常,煤的氣化泛指各種煤(焦與載氧的氧化劑(O2、H2O、CO2之間的一種不完全反應,最終生成由CO、H2、CO2、CH4、N2、H2S、COS等組成的煤氣。煤的氣化反應一般可人為簡化成氧化(放熱反應(如C+O2,還原(吸熱反應(如C+H2O、C+CO2,甲烷生成(裂解反應和水

2、煤氣平衡反應(CO+H2O等。國內外先后開發(fā)了100多種氣化工藝(爐型,但是最有發(fā)展前途的也只有幾種1。在這里簡要的介紹幾種應用廣泛的幾中煤氣化技術,主要包括:Texaco 水煤漿氣化、Shell煤氣化、GSP煤氣化、Lurgi煤氣化。1.Texaco水煤漿氣化Texaco(德士古水煤漿加壓氣化工藝簡稱TCGP,是美國德士古石油公司在重油氣化基礎上發(fā)展起來的2,3。TCGP技術包括煤漿制備、灰渣排除、水煤漿氣化等技術,其核心和關鍵設備是氣化爐。它的主要優(yōu)點是流程簡單、壓力較高、技術成熟、投資低。1.1 氣化爐內的反應水煤漿和99.6%的純氧經(jīng)TCGP燒嘴呈射流狀態(tài)進入氣化爐,在高溫、高壓下進行

3、氣化反應,生成以CO+H2為主要成分的粗合成氣。在氣化爐內進行的反應相當復雜,一般認為氣化分三步進行:(1煤的裂解和揮發(fā)分的燃燒。水煤漿和氧氣進入高溫氣化爐后,水迅速蒸發(fā)為水蒸氣。煤粉發(fā)生熱裂解并釋放出揮發(fā)分。裂解產(chǎn)物及揮發(fā)分在高溫、高氧濃度下迅速完全燃燒,同時煤粉變成煤焦,放出大量的反應熱。因此,在合成氣中不含有焦油、酚類和高分子烴類。這個過程相當短促。(2燃燒及氣化反應。煤裂解后生成的煤焦一方面和剩作的氧化發(fā)生燃燒反應,生成CO、CO2等氣體,放出反應熱;另一方面,煤焦又和水蒸氣、CO2等發(fā)生化學反應,生成CO、H2。(3氣化反應。經(jīng)過前面兩步的反應,氣化爐中的氧氣已消耗完。這時主要進行的

4、是煤焦、甲烷等與水蒸氣、CO2的氣化反應,生成CO和H2。1.2 對TCGP工藝技術的評述(1TCGP是具有代表性的第二代煤氣化工藝,經(jīng)過各國的逐步完善,其技術趨于成熟,國內對該技術的消化吸收做得比較好。我國近年的應用表明4,這種工藝是成熟的,比較容易與后續(xù)化工裝置結合。(2我國引進TCGP技術不公提高了我國煤氣化的技術水平,也帶動了相關技術的研究和開發(fā),如工藝燒嘴、耐火材料、相關儀表、閥門等在國內均有制造商可以生產(chǎn),并有較好的業(yè)績。(3TCGP也存在著一些突出問題,主要是燒嘴和耐火磚的問題。若這些問題得以解決,并且大量采用國產(chǎn)設備,TCGP工藝在我國將會成為節(jié)能、低耗、低投入的主流煤氣化技術

5、之一。(4目前對TCGP氣化爐的燒嘴和耐火磚的研究主要是硬件方面的研究,沒有從機理方面出發(fā)。建設硬件研究人員與軟件研究人員結合,如采用Fluent 和CFX流體流動軟件,從燃燒、傳熱,來研究通道和爐內氣流分布的設計是否合理,找到容易燒壞和沖刷壞的原因。用這種方法來研究燒嘴和耐火磚,可以設計合理的流道分布,對于提高燒嘴和耐火磚的壽命可能會有幫助。(5有研究表明4,高灰熔點煤與低灰熔點煤種混配,可降低低入爐煤的灰熔點,保證氣流床熔融排渣氣化工藝穩(wěn)定運行。2.Shell煤氣化Shell煤氣化過程是在高溫加壓下進行的,該技術是目前世界上較為先進的第二代煤氣化工藝之一。Shell煤氣化發(fā)屬氣流床氣化,煤

6、粉、氧氣及蒸汽在加壓條件下并流進入氣化爐內,在極為短暫的時間內完成升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒及轉化等一系列物理和化學過程。2.1 Shell煤氣化工藝來自煤場的煤和石灰石通過稱重給料機按一定比例混合后進入磨煤機混磨后,并由熱風作為動力帶走煤中的水,再經(jīng)過袋式過濾器過濾,干燥的煤粉進入煤粉倉中貯存。來自空氣的氧氣經(jīng)氧壓機加壓并預熱后與中壓過熱蒸汽混合后導入燒嘴。出煤粉倉的煤粉通過鎖斗裝置,由輸送氣體加壓至4.2MPa,并以輸送氣體作為動力送至燒嘴,與蒸汽、氧氣一起進入氣化爐內燃燒,反應溫度1500 1600,壓力3.5MPa。出氣化爐的氣體先在氣化爐頂部被激冷壓縮機送來的冷煤氣激冷至900,然

7、后經(jīng)輸氣管換熱器、合成氣冷卻器回收熱量后溫度降至350,再進入高溫高壓陶瓷過濾器除去合成氣中99%的飛灰。出高溫高壓過濾器的氣體分為兩股,一股時入激冷氣壓縮機壓縮后作為激冷氣返回氣化爐上的氣體返回室。另一股進入文丘里洗滌器和洗滌塔,經(jīng)高壓工藝水除去其中剩余的灰并將溫度降至150 300后去氣體凈化裝置。處理后的煤氣塵含量小于1mg/m3,送后續(xù)工序。氣化爐內產(chǎn)生的溶渣沿氣化爐爐壁流入氣化爐底部的渣池,遇水固化成玻璃狀爐渣,然后通過收集器、渣鎖斗,定時排放至渣脫水槽,再通過撈渣機撈出送至渣場,作為商品出售。在高溫高壓過濾器中收集的飛灰經(jīng)飛灰氣提塔氣提并冷卻至100后進入飛灰貯罐,一部分飛灰返回至

8、磨煤機,另一部分作為商品出售。氣化爐膜式壁內和各換熱器的水由泵進行強制循環(huán),產(chǎn)生的5.4MPa飽和蒸汽進入汽包,經(jīng)汽水分離后進入蒸汽總管,水循環(huán)使用。2.2 對Shell工藝的改進意見國內對于Shell工藝的意見主要不是在爐子上,而是在它的后續(xù)工藝上。各方面提出的改進方法有以下三種。(1維持干煤粉“由上到下”的下噴式氣化爐,氣化出口仍在氣化爐的上部,這對于激冷流程中的文丘里洗滌器和激冷洗滌塔有一個明顯的位差,連接它們的不再是廢熱鍋爐,而是一根高壓管道加一個激冷室。這個辦法是全激冷法,已經(jīng)在兩段式粉煤氣化中實施。(2采用干煤粉“由上而下”的上噴式氣化爐,這就雷同于GSP和Texaco 工藝,保持

9、Shell多噴嘴的特色。這個辦法已經(jīng)在多噴嘴粉煤氣化中實施。(3維持干煤粉“由下而上”的下噴式氣化爐及相關設備,氣化出口仍在氣化爐上部,仍然可以有返回原激冷氣體。將氣化爐上部出口的熱合成氣加冷氣體激冷后,從1600冷卻到900,之后進入水冷激冷室,噴入霧化的水將溫度進一步降低到500。然后用一級旋風分離器除去大部分的干灰。此后,用兩級文丘里洗滌器洗去合成氣中殘留的飛灰,并進入洗滌塔。出溫洗塔后的合成氣溫度為220230,水蒸氣含量達到60%,可以完全滿足耐硫變換對水蒸氣的要求,部分冷氣體返回作激冷氣源。這就是Shell公司提出的“半激冷法”,是用循環(huán)氣冷卻后再激冷。這個辦法仍然需要循環(huán)壓縮機,

10、存在耗能不合理的問題,目前沒有在國內實施5。3.GSP煤氣化GSP工藝技術(或稱為“加壓氣流床氣化技術”是20世紀70年代末由前民主德國GDR燃料研究所開發(fā)并投入商業(yè)運行的大中型粉煤氣化技術。該技術是以煤為原料發(fā)電、燃料與制備化工產(chǎn)品,化學殘渣的氣化和生物質液化為主要目的的煤化工技術。與其它同類氣化技術相比,該技術因采用氣化爐頂干粉加料與反應室周圍水冷壁結構,因此在氣化爐結構以及工藝流程上有其不同之處。3.1 GSP煤氣化工藝與其它煤氣化工藝一樣,GSP氣化工藝過程主要是由給料系統(tǒng)、氣化爐、粗煤氣洗滌,即備煤、氣化、除渣三部分組成。固體氣化原料被碾磨至不大于0.5mm的粒度后,經(jīng)過干燥,然后通

11、過濃相氣流輸送系統(tǒng)送至燒嘴。對于液態(tài)或污泥狀的氣化原料則可用泵送至燒嘴。氣化原料與其它氣化劑(氧氣、水蒸氣經(jīng)燒嘴同時噴入氣化爐內的反應室,然后在高溫(14001600、高壓(2.54.0MPa下發(fā)生快速氣化反應,產(chǎn)生以CO和H2為主要成分的熱粗煤氣。氣化原料中的礦物部分形成溶渣。熱粗煤氣和熔渣一起通過反應室底部的排渣口進入下部的激冷室。冷卻后的粗煤氣去洗滌系統(tǒng),使渣粒固化成下班狀,然后通過鎖斗系統(tǒng)排出,溢流出的激冷水送至污水處理系統(tǒng)。氣化溫度的選擇是由原料煤的物理化學性質來決定的,氣化壓力的確定主要取決于產(chǎn)品煤氣的利用工藝。3.2 對GSP工藝的評述(1GSP氣化技術有十發(fā)廣闊的應用前景煤炭氣

12、化技術作為煤炭嘗試加工、轉化的先導技術,是中國潔凈煤技術的優(yōu)先發(fā)展領域之一。目前,中國在加速發(fā)展大型煤化工(氫、氨、醇、油和城市煤氣、發(fā)電的過程中,需要配套使用大中型先進煤氣化技術。GSP煤氣化技術的特點是:煤種適應性強、氣化效率高、設備制造安裝周期短、投資成本低、運行成本低,開停車操作維護方便,它是當今世界比較先進的煤氣化技術之一。此技術在合成氨、碳一化工、發(fā)電、制氫和燃料合成領域的應用,會帶來大巨大的經(jīng)濟效益。因此,GSP氣化技術是一項比較好的候選技術,在中國應該具有十分廣闊的應用前景。(2有足夠吸引人的優(yōu)點GSP氣化爐兼?zhèn)銽exaco和Shell氣化爐的優(yōu)點,即自上而下的噴射和水內冷壁的

13、氣化爐,六通道的燒嘴也比較合理,因此,這個技術有足夠吸引人的地方。(3煤氣化技術實際上是包括備煤、氣化爐、氣化后工藝三個部分GSP技術的優(yōu)點是它的氣化爐和燒嘴,并非是西門子公司的全套煤氣化技術,除了氣化爐和燒嘴以外,我們都有豐富的經(jīng)驗。國內引進的煤氣化技術已經(jīng)有很多了,在這個時候,我們應該考慮是否可以采用以下辦法:僅僅引進氣化爐單元。備煤和氣化后工藝由國內根據(jù)用戶的實際情況,進行國產(chǎn)化的配置,這已經(jīng)有成熟的經(jīng)驗,具備了工程化的能力!我們可以自信地說,國內的工程公司已經(jīng)羽翼豐滿!4.Lurgi煤氣化固定床加壓煤氣化爐是Lurgi公司所開發(fā)的煤氣化技術,其主要特點是帶有夾套鍋爐固態(tài)排渣的加壓煤氣化

14、爐,原料是碎煤,經(jīng)加壓氣化得到粗煤氣(CO+H26。4.1 Lurgi煤氣化工藝原料煤由煤鎖加入氣化爐后,在約3.0MPa壓力下,自上而下依次經(jīng)過干燥、干餾、氣化層(或稱還原層后達到燃燒層。在此,煤中的殘留碳與氣化劑中的氧發(fā)生燃燒反應,灰渣將熱量傳遞給氣化劑后爐箅排入灰鎖。氣化劑中的氧自下而上在燃燒層全部參與反應,然后進入氣化層,在此水蒸氣與碳、CO2與碳分別反應,生成了CO、H2、CH4、焦油、苯和酚等組分,即成為粗煤氣,冷凝和洗滌下來的污水處理系統(tǒng)比較復雜。4.2 對Lurgi煤氣化工藝的評述(1Lurgi爐在初期僅限于生產(chǎn)城市煤氣,后來南非將其產(chǎn)出的氣休用于生產(chǎn)合成油、蠟等產(chǎn)品,國內將其

15、運用于合成氨生產(chǎn),拓寬了Lurgi爐的應用領域。(2小化肥一般為常壓水煤氣發(fā)生爐,該爐型能耗高,氣化效率低,單爐產(chǎn)氣量小,且為間歇造氣,應逐步淘汰。但要選擇Lurgi爐改造,則由于需要空分等原因,認為投資比較大。(3Lurgi爐在國內運行了10年多,它的運行、操作、技術管理等經(jīng)驗已基本掌握,通過實踐、摸索,一些技術改造已獲得成功,使Lurgi爐達到了長周期穩(wěn)定運行的目標。Lurgi 爐作為一種成熟的氣化技術會逐漸被人們所認可，在 不斷地改進和技術進步下，Lurgi 爐會變得更趨合理、完善，對發(fā)展我國的煤化 工事業(yè)是非常必要的。Lurgi 爐作為中型煤氣化技術盡管存在不足，但是還有競 爭的余地，仍然可以成為大中型碳一化工的領頭技術之一，因此在我國仍將有廣 闊的發(fā)展前景。 5小結 對四種煤氣化技術的工藝進行了簡單的介紹， 并綜合了在應用過程中對其的 評價，這些氣化爐技術都各有優(yōu)點，但也各有其缺點，在實際應用過程中要結合 實際情況，選取最符合現(xiàn)場環(huán)境和煤質的氣化爐，以取得較好的效益。 1 唐宏青