煤的氣化技術(shù)及其應(yīng)用

1、煤的氣化技術(shù)及其應(yīng)用圖1 各種煤氣化爐模式圖目前，運(yùn)轉(zhuǎn)中的固定床氣化爐主要有魯奇氣化爐和BGC-魯奇爐。固定床中魯奇氣化爐（結(jié)構(gòu)如圖2 所示）實績最好，目前，商業(yè)爐還在運(yùn)轉(zhuǎn)中。一定大小的煤塊通過閘斗進(jìn)入爐的頂部，沿反應(yīng)床向下移動，經(jīng)旋轉(zhuǎn)分配器分散后，依次經(jīng)干燥區(qū)、干餾區(qū)、氣化區(qū)和燃燒區(qū)。爐內(nèi)的煤被旋轉(zhuǎn)爐篦支撐，由其下向爐內(nèi)吹入氣化劑（氧、水蒸氣）。通過氣化區(qū)的粉焦在燃燒區(qū)燃燒產(chǎn)生的爐灰，經(jīng)旋轉(zhuǎn)爐篦落入灰閘排出。爐內(nèi)燃燒區(qū)的溫度最高，超過1000，為了避免爐灰熔融，溫度不能太高。生成氣的溫度500600，合成氣組成為：H2 40%、CO 20%、CO2 30%、CH4 10%。魯奇商業(yè)爐大多較小

2、，除用于生產(chǎn)城市燃?xì)馔?，還用于生產(chǎn)合成氨、汽油和其他化學(xué)品的合成原料氣。南非Sasol 公司的煤間接液化裝置采用數(shù)套魯奇氣化爐。魯奇氣化爐的缺點是不能用粉煤，副產(chǎn)品焦油和苯酚等液狀物較多，必須進(jìn)行后處理。圖2 魯奇氣化爐結(jié)構(gòu)為了提高溫度，對圖2 中的魯奇氣化爐進(jìn)行改造，除去圖2的爐篦，形成像圖3 所示的BGC-魯奇氣化爐結(jié)構(gòu)，安裝了氣化劑噴嘴，由這里噴入氧和水蒸氣，形成高溫區(qū)，熔融狀爐渣經(jīng)排料孔下降，使粉焦高溫氣化。該爐型為BGC-魯奇氣化爐（BGC：英國氣體公司），爐內(nèi)最高溫度1500以上，合成氣組成為：H230%、CO 60%左右，與氣流床氣化爐的合成氣組成大體相同。熔融狀爐渣也與氣流床氣

3、化爐的情況一樣，落入爐底水槽，被造粒排出。德國SVZ SchwarzePumpe 公司已將這種爐型應(yīng)用于各種廢棄物氣化的商業(yè)化裝置。圖3 BGC-魯奇氣化爐結(jié)構(gòu)流化床氣化爐特點：粉煤供料，循環(huán)流化；單機(jī)規(guī)模60t/d；空氣氣化溫度950；合成氣組成：H2 12%、CO 24%。KBR 的Transport 氣化爐如圖4 所示。其運(yùn)轉(zhuǎn)溫度為8151000，最大壓力為17 大氣壓（1 大氣壓98.07kPa，下同），煤投入量為1.132.25t/h，提升管顆粒速度615m/s。Transport 氣化爐由混合區(qū)、提升管、分離器、旋風(fēng)分離器、立管、“U” 型液封、“J” 型支管組成。爐的底部注入O2

4、、水蒸氣，在混合區(qū)投入煤、石灰石（吸附劑）并追加O2、水蒸氣，與來自立管的煤、石灰石和固體顆?；旌?。混合區(qū)直徑稍大于提升管。合成氣及固體顆粒經(jīng)提升管上升進(jìn)入分離器，除去大顆粒。固體顆粒大部分被捕獲流入立管。剩余顆粒進(jìn)入旋風(fēng)分離器，在此回收的顆粒經(jīng)“U”型液封、立管、“J”型支管回到混合區(qū)，再氣化。圖4 Transport 氣化爐模式圖實際應(yīng)用的氣流床氣化爐主要有以下幾種。3.3.1 殼牌氣化爐上世紀(jì)70 年代殼牌公司開發(fā)的干式供料氣化爐，荷蘭比赫訥姆單機(jī)規(guī)模2000t/d 的IGCC 用氣化爐已商業(yè)化運(yùn)行。殼牌氣化爐是目前世界煤氣化采用的最多的爐型之一。這種爐型不僅可用不同種類的煤，包括劣質(zhì)的

5、次煙煤和褐煤，還可用于生物燃料和廢棄物等的氣化。殼牌氣化爐特點：采用粉煤供料，下流式；單機(jī)規(guī)模10004000t/d；O2氣化溫度1600；冷氣效率80%83%；生成氣組成：H2 27%、CO 63%。殼牌氣化爐的模式圖如圖5 所示。煤粉碎干燥至水分含量為2%后，在閘斗中加壓，再與氣化劑（O2、水蒸氣）一起從噴嘴吹入爐內(nèi)。氣化壓力約為2030 個大氣壓，溫度14001700，煤在數(shù)秒內(nèi)氣化。因溫度高，所以要采用耐火材料保護(hù)的水冷爐壁。灰分熔融后下流到爐底，再在水槽內(nèi)水冷固化、碎裂，排出爐外。用循環(huán)氣將生成氣冷卻至900，伴隨的熔融灰固化后，經(jīng)廢熱熱水器熱交換至320。然后用旋風(fēng)分離器除塵，再經(jīng)

6、洗滌器洗凈得到粗合成氣。加壓可提高氣化爐效率，廢熱鍋爐的熱效率也提高，合成氣精制段的負(fù)擔(dān)減輕。合成氣中含有原煤中約80%的能量，另外15%的有效能量以水蒸氣的形式獲得。整個氣化過程中只有5%的能量流失。殼牌公司已在我國湖南省岳陽建立了一個合資廠，其中殼牌與中石化各持有50的股份。該合資廠日處理煤2000t/d，為中國石化巴陵化肥廠提供合成氣原料。目前工廠建設(shè)正在順利進(jìn)行。殼牌已以授權(quán)方式向中國6 家大型化肥廠提供煤氣化技術(shù)，用于生產(chǎn)合成氣。圖5 殼牌氣化爐模式圖3.3.2 GE 氣化爐（德士古爐）GE 氣化爐是為重油氣化生產(chǎn)合成氣工藝而開發(fā)的。如圖6 所示，在GE 氣化爐的圓筒狀耐壓容器上部，

7、將水煤漿（煤占60%70%）與氣化劑（O2）一起經(jīng)噴嘴噴入爐內(nèi)并氣化。爐內(nèi)溫度1500，壓力約3040 個大氣壓。因在高溫下氣化，生成氣的組成主要以H2和CO 為主，甲烷較少。氣化爐內(nèi)壁襯采用耐火材料。生成氣在下部用輻射冷卻器冷卻至使混在其中的熔融渣固化，再經(jīng)對流冷卻器冷卻。合成氣中的粗粉塵在輻射冷卻器底部的水槽中被捕獲，再經(jīng)閘斗取出。因供料水煤漿中，作為氣化條件的水蒸氣過剩，所以生成氣中的CO2濃度比其他氣化工藝高。圖6 GE 氣化爐模式圖GE 氣化爐的特點為：采用水煤漿供料，下流式；單機(jī)規(guī)模為5002000t/d；O2氣化溫度1400，冷氣效率70%75%，生成氣組成中（H2+CO）大于8

8、0%。目前，世界普遍采用GE 氣化爐，正在運(yùn)轉(zhuǎn)或在建的GE 氣化爐已超過65 套，其中56 套以上用于化工產(chǎn)品生產(chǎn)。采用煤處理量為2200t/d 的濕式給煤吹氧GE 氣化爐的250WM IGCC 裝置，已在美國佛羅里達(dá)州的Tampa Electric Palk 電廠建成，現(xiàn)已商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)。3.3.3 康菲氣化爐1978 年道化學(xué)公司為替代天然氣開發(fā)了煤漿料上流式氣化爐，道化學(xué)建立的Destec 公司繼承了其技術(shù)，2003 年康菲（ConocoPhillips）公司收購了該技術(shù)的專利權(quán)?？捣茪饣癄t如圖7 所示，采用兩段吹氧，由下段橫型圓筒部的噴嘴，將水煤漿（煤占60%）和O2吹入爐內(nèi)。煤部分燃燒，

9、溫度達(dá)1400，爐內(nèi)壓力為40 個大氣壓。煤與水蒸氣反應(yīng)，生成粗合成氣?；曳秩廴诤髲臓t底排出。圓筒縱型上段再補(bǔ)注水煤漿，與下段來的粗合成氣及水蒸氣反應(yīng)，進(jìn)行脫揮發(fā)分、熱分解和氣化反應(yīng)，下段來的粗合成氣被冷卻。因水蒸發(fā)與吸熱反應(yīng)，合成氣溫度降至約1000。該氣化方式的最大特點是不用大型熱交換器。氣化爐頂部排出的生成氣經(jīng)冷卻器冷卻后再除塵。被捕集的粉焦送回氣化爐的下段。圖7 康菲氣化爐模式圖康菲氣化爐的特點為：采用水煤漿供料，上流式；單機(jī)規(guī)模為2000t/d；O2氣化溫度1370；生成氣組成為H2 34%，CO 45%。目前，美國印第安納州Wabash River 發(fā)電廠262MW 的IGCC 裝

10、置有一套煤處理量為2500t/d 的濕式給煤康菲氣化爐已商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)。3.3.4 GSP 氣化爐GSP 氣化爐是由原東德的德國燃料研究所開發(fā)的，1975 年Deutscges Brennstoffinstitut Freiberg公司以褐煤或其他固體燃料為原料實現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)。1991 年P(guān)reussag-Noell 公司取得技術(shù)專利權(quán)，其后為瑞士未來能源公司繼承，現(xiàn)為德國西門子（Siemens）所有。GSP 氣化爐的特點為：采用粉煤供料，下流式；單機(jī)規(guī)模700t/d；O2氣化溫度13501750；冷氣效率80%；生成氣組成為：H2 24%，CO69%。GSP 氣化爐如圖8 所示，按原料性狀分為反

11、應(yīng)器（a）和反應(yīng)器（b）。灰分多的原料用（a）型爐，采用熔融灰分在水冷爐壁自動涂復(fù)的方式；灰分沒有或較少的原料用（b）型爐，水冷壁內(nèi)壁襯耐火材料。GSP氣化爐與GE 氣化爐一樣，將煤或其他原料與氣化劑一起，用噴嘴從爐頂噴入爐內(nèi)。在爐內(nèi)溫度13001600、壓力2530 個大氣壓下進(jìn)行氣化反應(yīng)，灰分變成熔渣沿爐壁下流。生成氣組成H2/CO約等于2（物質(zhì)的量比），幾乎不產(chǎn)生甲烷。生成氣與熔渣通過氣化爐下部注水的冷卻部被冷卻，熔渣固化并水碎后從爐底排出。生成氣精制后可用作化工合成原料、IGCC 燃料氣或鋼鐵用還原氣。據(jù)最近報道，西門子煤氣化爐長18m，內(nèi)徑3m，質(zhì)量為220t，煤處理能力2000t/

12、d。原料除用硬煤、褐煤外，還可用生物質(zhì)能源、石油焦和煉廠渣油等。2008 年5 月底，德國西門子能源公司正式向中國神華寧夏煤炭工業(yè)集團(tuán)公司交付5 臺煤氣化爐中的前2 臺。這些煤氣化爐每臺的熱力能力為500MW，設(shè)計應(yīng)用于寧夏煤制聚丙烯裝置。寧夏煤制聚丙烯裝置將于2010 年初建成，5 臺氣化爐將生產(chǎn)約54×104m3/h 合成氣，合成氣將用在下游轉(zhuǎn)化生產(chǎn)聚丙烯。（a）帶有冷卻柵板的反應(yīng)器（b）帶有冷卻壁的反應(yīng)器圖8 GSP 氣化爐3.3.5 IGC 氣化爐空氣加壓兩段氣流床氣化爐（IGC）是日本電力中央研究所與三菱重工共同開發(fā)的，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）用其作為IG

13、CC 的氣化爐，并進(jìn)一步進(jìn)行大型化開發(fā)，建設(shè)了200t/d 煤氣化發(fā)電中型試驗裝置，19911996 年進(jìn)行運(yùn)行研究。計劃20012009 年實施煤處理量1700t/d、采用空氣氣化氣流床的250MW IGCC 考核試驗。圖9 為干式給煤的IGC 氣化爐剖視圖。下段轉(zhuǎn)化部和上段減壓部分別用噴嘴將煤和空氣吹入爐內(nèi)。煤和從旋風(fēng)分離器來的粉焦在轉(zhuǎn)化部中燃燒，爐內(nèi)溫度為1800，滿足了氣化必需的熱量。爐內(nèi)壓力為27 個大氣壓?；曳肿兂扇墼貭t壁下流排出。另一方面，在減壓部，由于空氣較少，呈還原條件，煤進(jìn)行熱分解，粉焦氣化，生成氣被冷卻。減壓部底部溫度超過1500，氣化爐出口溫度被降至700。在氣化爐

14、上部排出生成氣和粉焦，粉焦經(jīng)旋風(fēng)分離器回收后送回轉(zhuǎn)化部。按上下兩段分別單獨(dú)給煤和空氣，通過調(diào)整，氣化爐可在低空氣比下運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化部保持較高溫度，同時生成氣可有效冷卻。圖9 IGC 氣化爐剖面圖3.3.6 我國開發(fā)的氣化爐我國華東理工大學(xué)開發(fā)的多燃燒器氣化技術(shù)（MBGT）氣化爐采用水煤漿供料、下流式氣化爐，是在GE 氣化爐基礎(chǔ)上，經(jīng)改造而成的新型爐（見圖10）。爐的上部有多個噴嘴相向水平方向配置。GE氣化爐從爐的頂部經(jīng)噴嘴向下注入漿料，MBGT 氣化爐則是從頂部經(jīng)噴嘴相向注入漿料。MBGT 氣化爐的特點為：采用水煤漿供料，下流式；單機(jī)規(guī)模為1150t/d；O2氣化溫度1350；冷氣效率72%76%；生成氣組成為：H2 36%、CO 48%。華東理工大學(xué)開發(fā)完成了22t/d 多噴嘴水煤漿氣化爐的中試實驗，并進(jìn)行了考核驗證。結(jié)果表明：有效氣體成分達(dá)83%，碳轉(zhuǎn)化率大于98%，分別比相同條件下GE 氣化爐高1.5%2%和2%3%；比煤耗、比氧耗均低于GE 氣化爐7%。山東省煤