煤气化工艺的比较

1、煤气化工艺的比较陈广智，朱 疆(山东德州恒升化工集团，山东 德州 ) 2001-01-16 我国以油为原料的氮肥企业不能满负荷生产，很多厂在做“以煤代油”的方案研究。目前世界上技术成熟的煤气化工艺主要有以下5种：德士古水煤浆气化(Texaco)、谢尔干煤粉气化 (Shell)、鲁奇公司循环流化床技术(CFB)、鲁奇公司块煤加压气化技术(Lurgi)、固定层常压气化 (UGI)。各种气化工艺各有特色，对不同煤种各有优缺点，所以选择不同的气化工艺适应煤的不同性质，是工艺方案选择的原则，以达到投资最低、操作费用最少、生产成本最低的目的。 1 各气化工艺特点 1.1 德士古水煤浆气化技术 德士古水煤浆

2、气化技术属于气流床气化技术，是将粗煤磨碎，加入水、添加剂、助溶剂制成水煤浆，煤浆浓度一般为6570，经煤浆加压泵喷入气化炉，与纯氧进行燃烧和部分氧化反应，气化温度13001400，气化炉无转动部件，为热壁炉，有多层耐火砖组成的耐火衬里，寿命1年左右。热煤气和液态排渣用水冷激，煤气冷却并被水蒸气饱和，经洗涤除尘后送出，渣可间歇排出。该技术由于是水煤浆进料，大量水分要汽化，因而煤耗和氧耗均较高，碳的转化率为 9697。 1.2 谢尔煤气化技术 粗煤经磨成粉、干燥后用氮气输送至粉煤储存器，粉煤通过上煤锁斗系统加压，并与氧气和水蒸气混合后通过成对喷枪送入气化炉。粉煤、氧气和水蒸气在气化炉内反应，使气化

3、炉温度保持在14001600，煤灰熔化并以液态形式排出。高温粗煤气与冷循环煤气混合后温度降至 900，进入废热锅炉，产生10.0MPa、420的高压过热蒸汽，粗煤气进陶瓷过滤器将煤气中的飞灰与气体分离，飞灰可出售，也可返回气化炉循环以灰渣形式排出。经陶瓷过滤器除尘后的煤气基本不带飞灰，煤中的硫和氮化合物已被转化成气态硫化物、氮气、微量的氨和氰化氢，通过湿法洗涤可以除去。外送煤气为163，含尘1mgm3。 1.3 鲁奇循环流化床技术 粗煤经破碎至5mm以下，进煤计量槽，经水冷螺旋进料器送至气化炉下部，与蒸汽、氧气反应而被气化。气化压力为0.15 MPa，温度1050，气体停留时间46s，流速4m

4、s，气体中夹带的固体在循环旋风分离器内脱除，固体经有气封的下灰管循环返回气化炉底部。循环物和新加入的原料之比高达40，是碳转化率较高的一个原因；灰渣经水冷螺旋出料器，由螺旋阀排入灰仓送出界区。气体离开旋风分离器时含尘量2550mgm3，进入废热锅炉冷却至220240，产生低压饱和蒸汽，产生的蒸汽约13用于气化，剩余蒸汽外送。离开废热锅炉的粗煤气在多级旋风分离器和袋式过滤器中进一步除尘，多级旋风分离器分离下的灰送回气化炉，袋式过滤器排出的灰送锅炉作燃料。煤气再通过洗涤饱和塔脱除NH3、Cl和其它水溶性化合物、灰尘，使气体含尘量小于5 mgm3，同时冷却到40。 1.4 固定层常压气化技术 该技术

5、为我国中、小氮肥企业所普遍采用，国外已基本被淘汰。煤从气化炉炉顶加入，并向下移动，从炉底进入的气化剂氧气(空气)、水蒸气与煤逆流相遇。煤下移的速度由炉底排渣速度控制，煤沿气化炉下移而被从炉底燃料层上来的气体加热，这样就使原料沿整个床层高度有一个温度分布，由上而下形成：干燥区、干馏区、还原区、氧化区和灰渣区。氧化区和还原区的温度一般为8501000，煤气出口温度为300450。该工艺分5个阶段：吹风阶段、一次上吹阶段、下吹阶段、二次上吹阶段和吹净阶段。 1.5 鲁奇块煤加压气化工艺 鲁奇块煤加压气化工艺是一个自热式、逆流移动床生产工艺，用氧气、水蒸气为气化剂，在 3.0MPa、9001000条件

6、下进行气化。煤由煤斗间断地加入煤锁中，然后进入气化炉，在炉中气化生成的煤气从气化炉上部煤裙外围环形空间出来，温度为617，再进入洗涤冷却器。在洗涤冷却器中与来自洗水循环泵(温度为204)的水一起经文氏管进行洗涤和冷却，温度降为204，且为水汽所饱和，出洗涤冷却器的气体进入废热锅炉，温度降为181后，经一水分离罐送变换工段。生成的灰渣经炉箅的刮刀排向灰锁，间断地由灰锁排至灰箱，再由螺旋输送器将灰渣排往灰系统。 2各种气化工艺的比较 2.1 各种气化工艺对煤种的要求 煤的种类很多，有泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤以及天然石墨等。对一种气化工艺来说，适用的煤种很多，但最适宜、最经济的可能只有一两种。表1为

7、各种气化工艺对煤种的要求。 2.2 操作特性比较(表2) 2.3 技术指标比较(表3)2.4 工业装置的对比(表4) 德士古水煤浆气化技术，理论上适合各种烟煤，适于新建大型合成氨厂，煤气中有效气(CO+H2)可达80左右，不排出污染物，三废处理简单，激冷流程较适合于合成氨工艺。但该装置在我国渭化运行中发现，在煤的成浆性、添加剂和助熔剂的加入量、氧耗等方面存在极大的局限性。综合考虑运输、供应、质量、煤价等因素，运行了半年之后由原设计的陕西黄陵煤改为甘肃华亭煤。 谢尔干粉煤气化工艺，理论上讲适合于各种烟煤、褐煤，但是原料煤的含水量、灰熔点等直接决定了氧耗、助熔剂的加入量和有效气体的消耗，该工艺目前

8、还没有用于合成氨的装置。 CFB为循环流化床煤气化工艺。据鲁奇公司介绍，该工艺煤种适用性较强，世界上还没有用于合成氨的先例，因属常压气化而适于中小氮肥企业的改造。 鲁奇炉移动床加压气化工艺，粗煤气中有效气体成分(CO+H2)只有65左右，而CH4含量高达8，适宜生产城市煤气。但煤气中含焦油、轻油、酚、氨、硫化物和煤粉等杂质，易堵塞管道，且废水处理复杂。 UGI属移动床常压气化，不需要空分装置，是我国中小氮肥企业普遍采用的工艺。该装置投资少，见效快，特别是经过多年的改造，技术成熟，适于无烟煤容易得到的地区建设。 3 结论 Texaco和Lurgi两工艺需要配套大型空分装置，有生产合成氨的经验，但

9、投资高，产品工厂成本高。Shell和CFB工艺还未用于合成氨生产，装置投产后能否与设计值一致，还有待于实践。UGI技术成熟，投资少，但碳的转化率低，对原料煤有局限性。我国煤种丰富，分布较广，已往我们都是先选择了工艺技术，再去寻找适合该工艺的煤种。能否走出这个误区，首先决定使用的煤种，再向各公司咨询，对比后从经济的角度决定工艺方案，这样新建或改造装置投产后才能获得最大的利润。煤气化工艺技术的选择滑体之(中原大化集团有限责任公司，河南濮阳 ) 2005-09-16 煤炭通过气化转化成煤气是煤炭化工、整体煤气化联合循环发电、煤气化多联产等技术的关键和龙头技术。自发展以煤为原料的石油替代能源战略在我国

10、确立之后，各地纷纷上马或正在积极酝酿着各种规模的煤化工项目，掀起了又一轮煤化工热。本文对我国煤气化技术的现状作简单介绍，并对如何科学选择煤气化工艺提出建议。1 煤气化技术简介 煤气化工艺以煤炭(块煤、焦炭或粉煤)为原料，采用空气、氧气、二氧化碳和水蒸气为气化剂，在气化炉内高温环境下进行热化学反应。其主要气化反应是煤与气体介质之间的反应，即气、固两相之间的非均相反应，同时也有气体反应物之间的均相反应。这些反应进行的程度决定于气化炉的操作条件，即温度、压力、气化剂与煤炭的接触时间及煤炭的化学反应活性、表面情况等。其产品可作为燃料气、原料气或合成气，与气化炉炉型有关。气化炉的分类按煤与气化剂的相对流

11、动方式可分为逆流、并逆流和并流，与其相对应的则是固定床、流化床和气流床气化炉。1.1 固定床气化炉 常见的固定床(慢移动床)气化炉有间歇式气化炉(UGl)和连续式气化炉(鲁奇Lurgi)两种，目前都是已淘汰或落后的气化技术。固定床间歇式气化炉国外已于20世纪60年代初废弃。我国于2 0世纪40年代引进UGI炉，50年代改烧无烟煤，主要用于制氨和甲醇；至今尚有600余家在使用。随着能源政策和环境的要求越来越高，不久的将来，会逐步为新的煤气化技术所取代。 连续式气化炉应用碎煤加压气化技术，20世纪30年代由德国鲁奇(Lurgi)公司开发成功，是逆向气化，煤在炉内停留时间长达1 h，反应炉的操作温度

12、和炉出口煤气温度低，碳转化率高，气化效率高，可以使用劣质煤气化，在世界各国得到广泛应用。但气化炉结构复杂，炉内设有破粘和煤分布器、炉篦等转动设备，制造和维修费用大；入炉煤必须是不粘块煤，原料采购成本较高；出炉煤气中含焦油、酚等，污水处理和煤气净化工艺复杂、流程长、设备多，增加了投资和成本。 鲁奇炉的产品气适合做城市煤气。我国云南解化集团和山西天脊集团采用该技术生产合成氨。鲁奇气化炉生产合成气时，气体成分中甲烷含量高(810)，且生产流程长，投资大；因此，鲁奇气化炉不适宜生产合成气。1.2 流化床气化炉 流化床气化炉的气化剂由炉下部吹入，使细粒煤(小于6 mm)在炉内呈并逆流反应，煤粒(粉煤)和

13、气化剂在炉底锥形部分呈并流运动，在炉上筒体部分呈并流和逆流运动，使炉内的煤粒在流化状态下气化，在燃烧产生的高温条件下，气固两相充分混合接触，发生煤的还原反应，最终实现煤的气化。 常见的流化床气化炉有温克勒(Winkler)、灰团聚(U-Gas)、循环流化床(CFB)、加压流化床(PFB是PFBC的气化部分)以及中国科学院山西煤炭化学研究所研发的灰熔聚气化炉等。目前较成功的流化床气化炉有鲁奇公司开发的循环流化床(CFB)和中国科学院山西煤炭化学研究所研发的灰熔聚气化炉。1.2.1 循环流化床气化炉(CFB) 鲁奇公司开发的循环流化床气化炉(CFB)可气化各种煤，也可以用碎木、树皮、城市可燃垃圾作

14、为气化原料，水蒸气和氧气作气化剂，气化比较完全，气化强度大，是固定床的2倍，碳转化率高(97)，炉底排灰中含碳23，气化原料循环过程中返回气化炉内的循环物料是新加入原料的40倍，炉内气流速度为57 ms，有很高的传热、传质速度，气化压力0.15 MPa，气化温度视原料情况进行控制，一般控制循环旋风除尘器的温度在8001 050之间。鲁奇公司的CFB气化技术在全世界已有60多个工厂采用，正在设计和建设的还有30多个工厂。 CFB气化炉基本是常压操作，1 kg煤消耗气化剂水蒸气1.2kg，氧气0.4kg，可生产煤气1.92.0m3。煤气成分(CO+H2)75，甲烷含量2.5左右，二氧化碳含量在15

15、，低于德士古炉和鲁奇MK型炉煤气中二氧化碳含量，有利于合成氨的生产。但国际上尚无生产合成气先例，在未取得应用于合成氨厂的工业化成功经验之前应慎重。1.2.2 灰熔聚流化床气化炉 自20世纪80年代开始，中国科学院山西煤炭化学研究所独立研究开发了具有国际先进水平的灰熔聚流化床粉煤气化技术。灰熔聚炉属单段流化床，结构简单，煤种适应性宽，对煤的灰熔点没有特殊要求。以08 mm粒径的干粉煤为原料，气化压力0.03 MPa，用富氧(氧浓度为92，压力不小于0.13 MPa)、水蒸气作气化剂。粉煤和气化剂从气化炉底部连续加入，从中心管(射流区)送入部分氧气，在炉内1 0501 100的高温下进行快速气化反

16、应，被粗煤气夹带的未完全反应的残碳和飞灰，经两级旋风分离器回收，再返回炉内进行气化，碳转化率达90以上。局部高温，有利于灰渣分离，排灰系统简单，粗煤气中几乎不含焦油、酚等有害物质，煤气容易净化。缺点是碳转化率较德士古和鲁奇炉低。 该技术的工业化示范装置建在陕西城固化肥厂，2002年3月通过陕西省科技厅组织的验收。它以陕西彬县烟煤为原料，日处理原煤100120 t，所产合格气有效成分（CO+H2）68，甲烷含量不高于2.0，送入合成氨生产系统。该技术可用于生产燃料气、合成气和联合循环发电，特别适用于中小氮肥厂替代间歇式固定床气化炉，以烟煤替代无烟煤生产合成氨原料气，可以使合成氨成本降低1520。

17、 目前汉中成化有限公司亦有一套工业化装置运行。1.3 气流床气化炉 气流床气化炉从原料形态分为水煤浆、干煤粉两类。气流床对煤种(烟煤、褐煤)、粒度、含硫、含灰都具有较大的兼容性，其清洁、高效代表着当今煤气化技术发展潮流。1.3.1 德士古(Texaco)气化炉 Texaco水煤气化炉雷同于1952年开发成功的渣油气化炉，经过1975年、1978年低压与高压中试装置(激冷流程)以及1978年西德Oberhausen的RCHRAG示范装置(废炉流程，日处理煤150t，4.0 MPa)考核与经验积累，于1982年建成TVA装置(日处理煤180 t，二台炉，一开一备，6.5 MPa)，1984年建成日

18、本UBE装置(日处理煤1 500 t，三开一备，3.6 MPa)以及Cool WaterIGCC电站(日处理煤910t，二台炉，4.0MPa)，这些装置投运后都取得成功。目前Texaco最大商业装置是Tampa电站，属于DOE的CCT-3，该装置为单炉，日处理煤2 000t，气化压力为2.8 MPa，氧纯度为95，煤浆浓度68，冷煤气效率76，净功率250 MW，辐射锅炉直径5.18 m，高30.5 m，重900t。 20世纪80年代末至今，我国共引进4套Texaco水煤浆气化装置，即鲁南(二台炉，一开一倍，单炉日处理煤450t，2.8 MPa)、吴泾(4台炉，三开一备，单炉日处理煤500t，

19、4.0MPa)、渭河(三台炉，二开一备，单炉日处理煤为820 t，6.5 MPa)、淮南(三台炉，无备用，单炉日处理煤500 t，4.0 MPa)，这4套装置均用于生产合成气，7台用于制氨，5台用于制甲醇。 引进的水煤浆气化装置具有以下优点：水煤浆制备、输送、计量控制简单、安全、可靠；设备国产化率高，投资省。主要缺点：褐煤的制浆浓度约5961；烟煤的制浆浓度为65；因气化煤浆中的水量要耗去入炉煤的8，比干煤粉为原料氧耗高1220，所以效率较低。因为水分(约40)入炉，气化炉不能用水冷壁，只能以砖抗渣(耐火材料)。因此对入炉煤的灰熔融性温度限制很严，而我国煤种灰熔融性温度普遍较高，加入CaCO3

20、助熔剂后又会引起耐火砖腐蚀和灰水结垢等问题。鲁南化肥厂和渭河化肥厂投产后被迫改换煤种。筑炉(含烘炉)周期长，必须设置备用炉。1.3.2 Shell气化炉 Shell气化炉壳体直径约4.5 m，4个喷嘴位于炉子下部同一水平面上，沿圆周均匀布置，借助撞击流以强化热质传递过程，炉内横截面气速相对趋于均匀。炉衬为水冷壁，总重。500 t。炉壳与水冷管排之间有约0.5 m间隙，有环形平台，作安装、检修用。 煤气携带煤灰总量的2030沿气化炉轴线向上运动，在接近炉顶处通入循环煤气激冷，激冷煤气量约：与生成煤气量的6070，煤气降温至900，熔渣凝固，出气化炉，沿斜管道向上进入管式余热锅炉。煤灰总量的708

21、0以熔态流入气化炉底部渣池，遇水激冷凝固，自炉底排出。粉煤由氮气或二氧化碳携带进入喷嘴。输送气的选择取决于煤气的用途，合成氨用氮气，合成甲醇用二氧化碳。工艺氧(纯度为95)与蒸汽也由喷嘴进入，气化温度为1 5001 700 ，气化压力为3.0 MPa以上，冷煤气效率为7981。 Shell煤气化技术优点：采用干煤粉进料，氧耗比水煤浆低15；碳转化率高，可达99；煤耗比水煤浆低8；凋节负荷方便，关闭一对喷嘴，负荷则降低50；煤种适应性广；膜式水冷壁结构，熔渣附于水冷壁表面，使用寿命长，水冷壁局部损坏后修补方便(其寿命为20年，喷嘴寿命为1年)；能量利用率高，其中8083以合成气形式回收，1416

22、以蒸汽形式回收。主要缺点：设备投资大于水煤浆气化技术；气化炉及废热锅炉结构复杂，加工难度大，目前壳牌仅授权西班牙BBE和印度L&T公司制造。2 我国煤气化技术的最新进展 为了提高煤气化的气化率和气化炉气化强度，发达国家加快了新一代煤气化技术的开发和工业化进程。总的方向是：气化压力由常压向中高压(8.5MPa)发展，气化温度向高温(1 5001 600)发展，气化原料向多样化发展，固态排渣向液态排渣发展。 针对我国煤种多、烟煤多、粉煤多、煤质变化大的特点，我国加大力度研制开发先进的煤气化技术，在流化床(含循环)、煤及煤浆燃烧、两相流动与混合、传热、传质、煤化学、气化反应、煤岩形态、磨煤与干燥、高温脱硫与除尘等科学领域与工程应用等方面取得了大量研究成果，并在较短的时间内开发出了具有自主知识产权的水煤浆气化炉和干煤粉气化炉的中试装置。 今年6月初，由华东理工大学等单位合作开发建设的四喷嘴对置式水煤浆气化工业装置运行成功。该装置日处理煤750 t，气化压力6.5 MPa。运行结果表明，该炉工艺指标优于德士古气化炉：比煤耗降低约9，有效气(CO+H2)成分高约1，碳转化率大于98。在操作方面