煤氣化工藝技術(shù)的分類與選擇

煤氣化工藝技術(shù)的分類與選擇一、我國能源狀況的分析

能源是人類賴以生存和推動社會可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),在世界礦物能源儲量中,煤占相當(dāng)大的比例。我國是以煤為主要能源的國家,煤炭在能源結(jié)構(gòu)中占70%左右,實現(xiàn)煤炭潔凈、高效、經(jīng)濟(jì)和合理的利用,尤其是煤化工利用具有重大的現(xiàn)實和戰(zhàn)略意義。煤化工涉及領(lǐng)域廣泛,可生產(chǎn)幾乎所有種類的石油化工產(chǎn)品,目前我國油品短缺與原油儲量及開采不足的矛盾已突現(xiàn)出來,二十一世紀(jì)前期我國煤化工的發(fā)展直接關(guān)系著國家能源戰(zhàn)略安全和基本化工產(chǎn)品的供給?？梢姡旱挠行Ю脤τ谖覀儊碚f是多么重要的一件事情。那么，怎樣進(jìn)行煤的有效利用？有哪些加工方式？從煤的加工過程區(qū)分，進(jìn)行如下分類：

氣化1直接液化2煉焦3低溫干餾4

其他加工5煤氣化技術(shù)

煤氣化工藝以煤炭(塊煤、焦炭或粉煤)為原料,采用空氣、氧氣、二氧化碳和水蒸氣為氣化劑,在氣化爐內(nèi)高溫環(huán)境下進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)。其主要氣化反應(yīng)是煤與氣體介質(zhì)之間的反應(yīng),即氣、固兩相之間的非均相反應(yīng),同時也有氣體反應(yīng)物之間的均相反應(yīng)。這些反應(yīng)進(jìn)行的程度決定于氣化爐的操作條件,即溫度、壓力、氣化劑與煤炭的接觸時間及煤炭的化學(xué)反應(yīng)活性、表面情況等。其產(chǎn)品可作為燃料氣、原料氣或合成氣,與氣化爐爐型有關(guān)。氣化爐的分類按煤與氣化劑的相對流動方式可分為逆流、并逆流和并流,與其相對應(yīng)的則是固定床、流化床和氣流床氣化爐。煤氣化工藝技術(shù)的分類與選擇1、移動床氣化（固定床氣化）2、流化床氣化3、氣流床氣化1、移動床氣化（固定床氣化）

移動床氣化又稱固定床氣化,屬于逆流操作?？煞譃槌号c加壓兩種。常壓法比較簡單,但要求用塊煤,低灰熔點的煤難以使用。加壓法是常壓法的改進(jìn)和提高,常用O2與水蒸氣為氣化劑,對煤種適應(yīng)性大大提高。移動床氣化常用方法是Lurgi加壓氣化法,生產(chǎn)的煤氣中甲烷含量高,適合處理灰分高、水分高的塊粒狀褐煤。

常見的固定床(慢移動床)氣化爐有間歇式氣化(UGI)和連續(xù)式氣化爐(魯奇Lurgi)兩種,目前都是已淘汰或落后的氣化技術(shù)。其中固定床間歇式氣化爐國外已于20世紀(jì)60年代初廢棄。

連續(xù)式氣化爐應(yīng)用碎煤加壓氣化技術(shù),20紀(jì)30年代由德國魯奇(Lurgi)公司開發(fā)成功,是逆向氣化,煤在爐內(nèi)停留時間長達(dá)1h,反應(yīng)爐的操作溫度和爐出口煤氣溫度低,碳轉(zhuǎn)化率高,氣化效率高,可以使用劣質(zhì)煤氣化,在世界各國得到廣泛應(yīng)用。但氣化爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜,爐內(nèi)設(shè)有破粘和煤分布器、爐篦等轉(zhuǎn)動設(shè)備,制造和維修費用大;入爐煤必須是不粘塊煤,原料采購成本較高;出爐煤氣中含焦油、酚等,污水處理和煤氣凈化工藝復(fù)雜、流程長、設(shè)備多,增加了投資和成本。

魯奇爐的產(chǎn)品氣適合做城市煤氣。據(jù)悉我國云南解化集團(tuán)和山西天脊集團(tuán)采用該技術(shù)生產(chǎn)合成氨。魯奇氣化爐生產(chǎn)合成氣時,氣體成分中甲烷含量高(8%~10%),且生產(chǎn)流程長,投資大;因此,魯奇氣化爐不適宜生產(chǎn)合成氣。2、流化床氣化

流化床氣化爐的氣化劑由爐下部吹入,使細(xì)粒煤(小于6mm)在爐內(nèi)呈并逆流反應(yīng),煤粒(粉煤)和氣化劑在爐底錐形部分呈并流運動,在爐上筒體部分呈并流和逆流運動,使?fàn)t內(nèi)的煤粒在流化狀態(tài)下氣化,在燃燒產(chǎn)生的高溫條件下,氣固兩相充分混合接觸,發(fā)生煤的還原反應(yīng),最終實現(xiàn)煤的氣化。

常見的流化床氣化爐有溫克勒(Winkler)、灰團(tuán)聚(U-Gas)、循環(huán)流化床(CFB)、加壓流化床(PFB是PFBC的氣化部分)以及中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研發(fā)的灰熔聚氣化爐等。目前較成功的流化床氣化爐有魯奇公司開發(fā)的循環(huán)流化床(CFB)和中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研發(fā)的灰熔聚氣化爐。

隨著灰熔聚技術(shù)的研究成功,美國煤氣技術(shù)研究所(IGT)和美國凱洛格公司分別開發(fā)出了U-GAS和KRW兩種流化床氣化工藝,這兩種工藝彌補了傳統(tǒng)工藝排灰含碳過高的不足。3、氣流床氣化

氣流床是在固體燃料氣化過程中,氣化劑將煤粉夾帶進(jìn)入氣化爐,進(jìn)行并流氣化。粉煤氣化具有較大的反應(yīng)表面積。氣流床氣化的特點在于煤粒各自被氣流隔開,燃料的粘結(jié)性對氣化過程沒有影響。燃料在氣流床氣化爐的反應(yīng)區(qū)停留時間極短,即燃料與氣化劑的反應(yīng)很快。為了維持較高的反應(yīng)溫度,采用O2和少量的水作為氣化劑。

氣流床氣化爐從原料形態(tài)分為水煤漿、干煤粉兩類。氣流床對煤種(煙煤、褐煤)、粒度、含硫、含灰都具有較大的兼容性,其清潔、高效代表著當(dāng)今煤氣化技術(shù)發(fā)展潮流。

水煤漿氣流床氣化技術(shù)

水煤漿氣流床氣化又稱濕法進(jìn)料氣流床氣Texaco（德士古）爐是一種率先實現(xiàn)工業(yè)化的氣化技術(shù),由于其進(jìn)料方式簡單,工程問題較少,又有重油氣化經(jīng)驗,近十幾年來得到長足的發(fā)展,具有大的氣化能力,Texaco氣化爐使用的典型煤漿濃度是60%~70%,由于煤漿具有液體的特性,加壓進(jìn)料容易,所以可以實現(xiàn)更高壓力(8MPa~10MPa)操作。但存在主要的問題是氧耗較高。目前水煤漿氣化技術(shù)還有一些關(guān)鍵技術(shù)需改進(jìn),如:(1)噴嘴壽命短,進(jìn)口可使用約60d(25萬$/臺),國產(chǎn)可使用約52d;(2)激冷環(huán)使用壽命僅一年;(3)耗氧量大,有效氣產(chǎn)率不夠高。為了降低過程氧耗,提高冷煤氣效率,在Texaco氣化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展了兩段進(jìn)煤煤氣化工藝,干粉進(jìn)料氣流床氣化技術(shù)

干粉進(jìn)料氣流床氣化技術(shù)相對濕法進(jìn)料具有氧耗低、煤種適應(yīng)廣、冷煤氣效率高等優(yōu)點。其代表技術(shù)有Shell（殼牌）、Prenflo、日立氣流床等。

Shell粉煤制氣工藝(SCGP)是一個潔凈的煤氣化工藝技術(shù),對原料具有廣泛的適應(yīng)性,高級煙煤至褐煤、石油焦均可作為原料。該工藝不但適于聯(lián)合發(fā)電,制取的合成氣還作為化工原料。SCGP采用干粉煤進(jìn)料,避免了濕法因水氣化升溫帶來的能量損失,提高了冷煤氣效率,加壓氣流床吹入純氧,使設(shè)備緊湊,高效氣化,降低了非有效成分。氣化爐維持在1300~1700e溫度范圍之內(nèi),采用膜式水冷壁,爐渣呈熔融狀態(tài),起到隔熱保護(hù)爐壁的作用(所謂/以渣抗渣0)。原料中的碳在爐內(nèi)的高溫下99%以上已經(jīng)轉(zhuǎn)化,這一高溫也防止了高分子有機(jī)物和焦油類物質(zhì)的生成。對稱式燒嘴保證了良好的混合性,高轉(zhuǎn)化率,并且易于放大。相比較而言,Shell技術(shù)有以下明顯優(yōu)勢:(1)煤種的廣泛適用性,原料選擇范圍更寬,因此合成氣成本更低;(2)任何煤種的完全轉(zhuǎn)化(碳的轉(zhuǎn)化率>99%);(3)O2和煤的消耗低。Shell技術(shù)與Dexaco工藝相比,每噸煤可多產(chǎn)10%的合成氣,消耗氧量可省15%~25%;(4)工藝爐內(nèi)壁采用水冷壁技術(shù),熔態(tài)排渣,利用熔渣在爐壁上冷卻硬化結(jié)成的渣層保護(hù)爐壁不受磨損,且燒嘴壽命長(保證1年),使得氣化爐堅固耐用;(5)Dexaco爐的優(yōu)點,諸如有效氣體成分高、無三廢污染等優(yōu)點,Shell爐也具備;(6)Shell氣化爐及廢熱鍋爐較龐大,需大的高框架,但材質(zhì)要求較低,一次投資與Dexaco大致相當(dāng)。相比較而言,Shell技術(shù)有以下明顯優(yōu)勢:(1)煤種的廣泛適用性,原料選擇范圍更寬,因此合成氣成本更低;(2)任何煤種的完全轉(zhuǎn)化(碳的轉(zhuǎn)化率>99%);(3)O2和煤的消耗低。Shell技術(shù)與Dexaco工藝相比,每噸煤可多產(chǎn)10%的合成氣,消耗氧量可省15%~25%;(4)工藝爐內(nèi)壁采用水冷壁技術(shù),熔態(tài)排渣,利用熔渣在爐壁上冷卻硬化結(jié)成的渣層保護(hù)爐壁不受磨損,且燒嘴壽命長(保證1年),使得氣化爐堅固耐用;(5)Dexaco爐的優(yōu)點,諸如有效氣體成分高、無三廢污染等優(yōu)點,Shell爐也具備;(6)Shell氣化爐及廢熱鍋爐較龐大,需大的高框架,但材質(zhì)要求較低,一次投資與Dexaco大致相當(dāng)。煤氣化工藝的選擇

在具體選用煤氣化工藝時,必須以科學(xué)的態(tài)度,既要根據(jù)技術(shù)發(fā)展水平考慮工藝的先進(jìn)性,又要根據(jù)實際情況考慮工藝的合理性。以自身或附近的原料煤源為基礎(chǔ),以產(chǎn)品煤氣的用途為目標(biāo),同時考慮煤氣工程的生產(chǎn)規(guī)模與氣化設(shè)備的生產(chǎn)能力相配套。鑒于國際煤氣化工藝的現(xiàn)狀,結(jié)合我國的國情,有如下建議:1、小氮肥改造可采用灰熔聚流化床氣化爐,整套裝置與國外引進(jìn)技術(shù)相比,減少投資60%左右,改造投資小;噸氨制氣成本可大幅降低,經(jīng)濟(jì)效益明顯2、中氮肥改造可采用華東理工大學(xué)等開發(fā)的四噴嘴對置式水煤漿氣化爐,該技術(shù)已通過工業(yè)化試驗,對煤種(特別是高硫煤)、粒度有較大兼容性,具有單系列、大容量、加壓、高效、潔凈的技術(shù)優(yōu)勢,與我國的能源資源國情相適應(yīng),具有與國際先進(jìn)技術(shù)競爭的能力。3、建設(shè)大型煤化工或IGCC發(fā)電項目,首選Shell氣化爐。我國的干粉氣化工藝雖已通過中試,但工業(yè)化之前必須引進(jìn)大型干粉氣化爐,這是國內(nèi)大型煤化工必須面對的現(xiàn)實。國內(nèi)科研設(shè)計單位也應(yīng)抓住時機(jī),加緊消化吸收引進(jìn)技術(shù),為我所用,增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力,形成有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)。小結(jié)：(1)煤氣化是煤化工發(fā)展的先導(dǎo)和關(guān)鍵技術(shù),需大力開發(fā)對煤種適應(yīng)性強(qiáng)、單爐生產(chǎn)能力高、煤氣成本低、氣體成分可調(diào)的各種先進(jìn)加壓氣化技術(shù)。(2)Texco氣化技術(shù)在國內(nèi)已有