煤化工工艺手册-1版

1、 大唐国际煤化工项目筹备处 煤化工工艺手册 目录1、煤化工产业发展状况综述 .22、气化炉介绍 .8 Destec 气化炉(气流床 .12 高温温克勒气化炉(HTW (流化床 .13 鲁奇干法排灰炉(移动床 .14 MBEL 气化炉(流化床 .16 Prenflo 气化炉(气流床 .17 Shell 气化工艺 (气流床 .17 德士古气化工艺(气流床 .193、气化工艺的选择 .224、国内外煤气化工艺概况 .255、现代煤气化工艺介绍 .27 国际煤气化工艺技术 .27一、荷兰壳牌(SHELL粉煤加压气化工艺 .27二、美国德士古(TEXACO水煤浆加压气化工艺 .45三、美国DYNEGY公

2、司的DESTEC加压气化工艺 .55四、德国KRUPP UHDE公司的普伦弗洛(PRENFLO粉煤气化技术(加压K-T法 .66五、德国鲁奇(LURGI粉碎煤加压气化工艺 .73六、德国未来能源公司的GSP粉煤加压气化工艺 .98 国内煤气化工艺技术 .122一、恩德粉煤气化技术 .122二、西安热工研究院-两段式干煤粉加压气化技术 .133三、中国航天科技集团公司第十一研究所HT-L煤气化技术 .138四、华东理工大学-多喷嘴对置水煤浆气化技术 .151五、西北化工研究院-多元料浆气化工艺 .1536、国内外现代煤气化工艺的简要评述 .1577、我厂煤气化工艺选择的建议 .161附录:.16

3、5 煤化工产业科技发展现状 .165 国企挺进新煤化工时代 .184 壳牌煤气化技术在中国的应用 .188 1、 煤化工产业发展状况综述我国是一个煤炭资源丰富, 油、 气资源相对不足的大国, 目前已发现煤炭资 源量超过1万亿吨,占我国化石能源资源的90%以上。它不仅是重要的工业燃料, 同时还是重要的化工原料。 但除煤的焦化和气化之外, 其他深度化学转化一直未 实现大规模商业运营。 进入21世纪, 环保受到前所未有的重视, 洁净能源安全稳 定的供应也成为经济持续发展的重要条件,这都为煤化工提供了难得的发展机 遇。煤化工技术是指以产出新的能源和产品为主的煤化学加工转化技术, 以洁净 煤技术为基础,

4、主要包括煤的焦化、气化和液化。随着社会经济的不断发展,以 获得洁净能源为主要目的的煤炭液化、煤基代用液体燃料、煤气化-发电等煤化 工或煤化工能源技术也越来越引起关注, 并将成为新型煤化工产业化发展的主要 方向。一、煤化工产业发展概况1.煤炭焦化。 焦化工业是发展最成熟, 最具代表性的煤化工产业, 也是冶金 工业高炉炼铁、 机械工业铸造最主要的辅助产业。 我国煤气净化技术已达世界先 进水平,干熄焦、地面烟尘处理站、污水处理等已进入实用化阶段,焦炭质量显 著提高,其主要化工产品的精制技术已达到或接近世界先进水平。2.煤气化及其合成技术。 煤气化是煤化工产业化发展最重要的单元技术, 广 泛应用于化工

5、、冶金、机械、建材等工业行业和生产城市煤气的企业。合成技术 主要包括以煤为原料采用煤气化合成氨技术、煤炭间接液化技术等。3.煤炭直接液化。 通过对煤加热、 加压氢化直接获得液体产品的工艺被称为 煤的直接液化。 我国目前已经开发了高活性的煤液化催化剂, 完成了将煤的液化 粗油加工成合格的汽油、柴油和航空煤油的试验。4.煤气化联合循环发电 (IGCC 。 这是以煤气化为龙头的联合循环发电系统, 该技术系统将先进煤气化与发电技术嫁接, 以实现煤电技术的高效、 低污染和大 型化。 其发电净效率可达43%45%, 污染物排放量和耗水量仅为常规燃煤电站的 1/10和1/21/3。5.多联产技术系统。多联产

6、是将能源转化与化工产品合成相结合的技术体 系, 目的是实现污染物低排放或无排放, 实现资源综合利用和能源有效利用。 原 来单独生产的系统在重新组合中可能被简化, 通过不同工艺的互补而提高总体效 率,最终使产品成本降低。煤化工产业链图从煤化工产业链图中我们可以看到,根据工艺流程的不同,煤化工行业主要 分为煤焦化、煤气化和煤液化三条分支。其中煤焦化及下游电石、PVC,煤气化后续的合成氨、尿素等为传统煤化工 技术。煤气化制醇醚、烯烃,煤液化则属于新型煤化工范畴。三条产业链中煤液 化技术壁垒最高,而煤气化应用最广泛,几乎是所有煤化工产业的基础。 从国家当前政策分析,对煤焦化、 煤气化和煤液化三条分支,

7、不同分支国家政 策导向完全不同:1 煤焦化 加快行业结构调整。煤焦化这条产业链为我国传统煤化工品 种, 焦炭、 电石作为其中的主要产品, 近年来由于发展较快, 国内产能严重过剩, 并且伴随环境污染的代价,是国家节能减排的重点治理品种之一。2004年底以 来,国家先后制订了焦化行业准入条件,产业结构调整目录,国家发 改委关于加快焦化行业结构调整的指导意见的通知 , 关于加快电石行业结构 调整有关意见的通知 , 严格控制新增焦炭和电石产能, 淘汰 1万吨以下或排放 不达标的电石炉及开放式电石炉、土法炼焦和改良焦炉等。国家希望通过政策导向, 淘汰小规模装置, 提升大规模装置来加快焦炭和电 石行业结构

8、调整, 提高行业集中度, 所以未来行业通过技术提升达到煤焦化产业 链一体化。2 煤液化 先行示范。煤液化也就是煤制油技术,可分为煤炭直接液化 和间接液化制油两大技术, 煤直接液化是高温高压下将高比例的煤溶解, 加入氢 气和催化剂进行加氢裂化反应, 蒸馏分离出汽柴油、 石脑油等产品。 而间接液化 是将煤气化合成气,再通过费托反应,最终产生油品和化学品。煤液化技术是整个煤化工产业链技术壁垒最高, 并且投资成本最高的一条分 支。目前在全球只有南非 Sasol 公司拥有唯一 800万吨油品的间接煤制油工厂, 据其测算,产能为 300万吨煤制油的工厂,需要的投资成本约在 50-70亿美元, 在原油价格不

9、低于 25美元的前提下,内部收益率在 8%-12%。由于煤制油的高壁 垒、 高投入和高风险的特点, 国家对该产业链的政策是适当发展。 在 2006年 国 家发展改革委员会关于加强煤化工项目建设管理促进产业健康发展的通知中, 明确煤炭液化尚处于示范阶段, 应在取得成功后再推广。 目前我国直接液化项目 只有神华集团在内蒙的 500万吨油品工程, 而间接液化有神华、 宁煤、 兖矿的多 个项目,总投资预计超过 1,000亿元,最早投产的也在 2008下半年。我们注意 到, 进行煤制油项目的都是国内大型煤炭企业, 他们具有雄厚的资金和丰富的煤 炭资源来进行建设, 所以煤制油工程前期只有在这些大型煤炭企业

10、内进行。 如果 未来 2-3年油价仍维持在 35美元以上的高位, 并且先行项目达到较高转化率和 预期收益率,在 2010年后可能建设更大规模的煤制油项目。我国在建煤液化项目 3 煤气化 稳步发展。煤气化分支的产品最多,应用最广泛,是煤化工产业的核心部分。由煤气化合成气后,生产甲醇、合成氨等中间产品,合成氨可生产尿素,而在煤基醇醚产业链上,甲醇是最重要的产出物及有机化工原料,可以生产甲醛、DMF、甲胺、合成橡胶、醋酸、二甲醚等一系列有机化工品,并且甲醇、二甲醚是目前较为适宜的替代能源品种,我们预计煤基醇醚产业链近几年将进入较快的发展阶段,而国家对该产业链也给予了稳步发展的指导性意见。在2006年

11、国家发展改革委员会关于加强煤化工项目建设管理促进产业健康发展的通知中,明确以民用燃料和油品市场为导向,支持有条件的地区,采用先进煤气化技术和二步法二甲醚合成技术,建设大型甲醇和二甲醚生产基地,认真做好新型民用燃料和车用燃料使用试验和示范工作。随着相关工作的展开,煤基醇醚行业的标准也渐行渐进。在2007中国合成燃料大会上,全国醇醚燃料协会透露,M85 (高比例车用甲醇汽油的产品标准将在今年底完成报批稿,交国家标准委,2008年初有望出台。而M15等车用甲醇汽油的产品标准也预计在2008下半年产生。随着甲醇汽油标准的出台,将有效规范甲醇作为替代燃料的相关细则,为在市场广泛应用奠定基础。预计,200

12、8年将有可能成为我国甲醇替代能源时代的元年,我国部分地区将先行进入该时代。另外,从国家能源办的发展规划也可以看出我国煤化工产业政策,焦炭和电石产量将维持在一定水平,到2020年甚至有所下滑,而甲醇、二甲醚、烯烃和成品油的产量和需求量在未来十年将有大幅提升。我国煤化工相关产品发展目标 二、煤化工产业未来发展的需求及特点目前,世界已进入能源和化工原料多元化的时代,以煤炭为原料生产化学品和通过转化生成高效洁净能源(电力、燃料油等的技术将与石油和天然气化工形成并列竞争的趋势,煤化工在各成熟单项技术的支撑下,面临新的发展机遇。我国煤化工产业的发展将以发挥资源优势为基础,以优化能源结构为方向,通过洁净、高

13、效的途径,为国民经济发展和社会进步提供优质能源保障,其未来发展具有以下主要特点:1.除发展传统的产品型煤化工(炼焦、合成氨以外,将以市场为导向,发展以能源转化型为主的煤化工产业,建设能源转化型和产品联产型的综合煤化工厂,如煤炭液化、煤气化-合成燃料与化工产品或电力、热力联产等。2.规模大型化,采用先进技术。以全球经济一体化为背景,培育世界级煤化工大型企业,建立具有国际竞争能力的大型工厂,如百万吨级产品的大型煤化工厂。采用国内外先进技术和现代装备,清洁生产和提供清洁产品,如现代液化工程、先进的合成反应工程等。3.在新的煤化工产业发展中,企业将成为新技术发展的主体。企业投资开发先进技术用于技术更新

14、和技术进步,同时注重新技术在国内外市场上的商品化。4.有利于煤炭工业的产业结构调整,促进相关行业的技术联合,从而可拉动内需,为就业提供条件,具备先进技术的煤化工产业将获优先发展。三、发展煤化工产业的机遇及其发展趋势随着市场经济的发展和全球经济的一体化,我国煤炭行业、特别是大型煤炭 企业正不断调整产业结构和产品结构,发展煤化工产业是其中最为重要的途径。1.煤炭液化将成为新型煤化工产业的重要方向。石油资源匮乏和国内石油供应不足已成为我国能源发展的一个严峻现实,依据煤质和其他综合条件,发展煤直接液化和间接液化,已成为国内煤炭企业和产煤地区关注的热点。煤炭液化作为煤炭化学转化的高技术,其产业化将经历一

15、个较长时期的发展,需要推动解决的问题有:结合资源、经济等条件,研究煤炭液化的技术发展规划和未来产业格局;结合引进先进技术,配套、完善、提高工业化整体成套技术和装备,在近期完成工程示范,同时开发具有自主知识产权的工艺和关键装备;完善商业化工厂建设的投融资机制,拓宽国内外投融资渠道;研究、制定发展煤炭液化的政策体制;由国家、企业、科研等共同出资,建立国家级煤炭液化科研和工程技术开发基地,培育专业队伍。2.煤炭气化在煤化工产业中占有重要地位。开发先进煤气化技术对煤炭行业发展煤化工有重要意义。目前,国家有关部门正在开发具有自主知识产权的煤气化技术,如多喷嘴水煤浆气化、干煤粉气流床气化等,国内引进技术的

16、项目也在进行。煤炭企业发展煤气化技术需要在总结国内外先进技术的基础上,结合煤种、煤质特点,通过技术、经济研究,开发或采用适宜的工艺和炉型,如加压固定床气化和液态排渣气化等。以往煤炭气化技术的发展以化工行业为主,煤炭行业在研究开发、工程实施、人员等方面都较薄弱,需要加快综合力量的提高。3.煤炭焦化。发达国家炼焦工业的收缩以及中国国内取消土焦、淘汰小型落后炼焦工艺都为发展先进、大型焦化工业提供了新的机会,预计到2005年我国机焦产量缺口为2000万t/a,低灰、低硫优质焦炭在国内外市场均有很大的发展空间。煤炭行业具有原料、运输等优势,特别是拥有优质炼焦煤资源的企业或产煤地区,如山西、黑龙江七台河等

17、地区,具有发展较大规模、生产优质或特色冶金焦、铸造焦的条件,可以抓住当前机遇,高起点、高水平地推动焦化工业的发展。4.有计划发展其他煤化工技术。目前,国内发展煤气化合成化工产品或替代液体燃料的势头很旺,如合成甲醇或进一步加工下游产品(醋酸、醋酐等,合成二甲醚(一步法合成二甲醚技术正在开发中。煤炭企业发展煤气化合成具有原料煤价格较低、有实施大规模工业化的实力等优势,但同时也需要充分注重国内外市场需求容量、产品应用的社会投入、单元技术的工业化成熟度以及与石油、 天然气化工的竞争能力等因素,应把产品目标尽量立足于国内市场短缺、替代进口上。煤炭行业发展多联产系统,原料方面可考虑将煤、煤层气、伴生矿物加

18、工相结合,工艺方面将煤化工、发电、建材、冶金等相结合,产品方面应形成化学品、液体燃料、电力、热力、煤气、建筑材料和金属材料等关联生产,达到资源、能源的充分利用和循环生产以及环境最优化、经济效益最大化的目的。综上所述, 我们不可避免地正面临着高油价时代,原油价格的高企不仅全面提高了我国下游各行业的生产成本,而且随着我国经济发展对原油需求的不断上升,我国的石油资源瓶颈将危及国家能源安全。相反,由于煤炭占到中国化石能源92.7%,煤炭资源已探明储量达到10,421亿吨,可采储量为2,040亿吨,占全球比例分别为19%和38%,远高于我国石油已探明储量和可采储量占全球1.3%和 4.6%的比例。所以,

19、我国富煤、少油的局面决定了以煤炭为主要生产原料的现代煤化工产业的崛起。虽然,煤化工还面临着水资源制约、二氧化碳排放等一些问题,但考虑原油成本和能源安全等重大因素,未来几年煤化工的崛起是大势所趋。2、气化炉介绍气化工艺的种类有多种不同的气化工艺。这些工艺在某些方面差别很大,例如,技术设计、规模、参考经验和燃料处理。最实用的分类方法是按流动方式分,即按燃料和氧化剂经气化炉的流动方式分类。正像传统固体燃料锅炉可以划分成三种基本类型(称为粉煤燃烧、流化床和层燃,气化炉分为三组:气流床、流化床和移动床(有时被称为固动床。流化床气化炉完全类似于流化床燃烧器;气流床气化炉的原理与粉煤燃烧类似,而移动床气化炉

20、与层燃类似。每种类型的特性比较见表2。表2 各种气化炉比较气流床 流化床 移动床 燃料类型 固体和液体 固体 固体 燃料规格(固体 <500m 0.5-5mm 5-50mm燃料滞留时间 1-10s 5-50s 15-30min气体出口温度 900-1400* 700-900 400-500* 如果在气化炉容器内有淬冷段,则温度将较低。(1固定床汽化法原料:采用块煤(焦、半焦或成型煤气化方式:常压气化;加压气化代表技术:德国鲁奇固定床加压气化法(我国于70年代引进(2沸腾炉(流化床气化法原料:采用一定力度范围的细粒煤(0.53mm为原料,只适用于褐煤以及反应性好的年轻烟煤气化,不适合粘结性

21、煤。代表技术:德国温克勒气化炉(我国于20世纪50年代引进(3气流床气化法原料:采用粉煤为原料代表技术:德国K-T煤气化炉Shell粉煤气化工艺加压水煤浆气化德士古气化技术(我国于80年代引进华东理工大学、水煤浆气化及煤化工国家工程中心和中国天辰化学工程公司合作,在“九五”期间开发的具有自主知识产权的新型多喷嘴气化炉中科院山西煤化所煤气化工程研究中心灰熔聚流化床粉煤气化技术,与晋城煤业集团合作开发流化床无烟煤连续气化技术气流床气化炉在一台气流床气化炉内,粉煤或雾化油流与氧化剂(典型的氧化剂是氧一起汇流。气流床气化炉的主要特性是其温度非常高,且均匀(一般高于1000,气化炉内的燃料滞留时间非常短

22、。由于这一原因,给进气化炉的固体必须被细分并均化,就是说气流床气化炉不适于用生物质或废物等类原料,这类原料不易粉 化。 气流床气化炉内的高温使煤中的灰溶解, 并作为熔渣排出。 气流床气化炉也 适于气化液体,如今这种气化炉主要在炼油厂应用,气化石油原料。现在, 运营中的或在建的几乎所有煤气化发电厂和所有油气化发电厂都已选 择气流床气化炉。 气流床气化炉包括德士古气化炉、 两种类型的谢尔气化炉 (一 种是以煤为原料,另一种以石油为原料、Prenflo 气化炉和 Destec 气化炉。 其中,德士古气化炉和谢尔油气化炉在全世界已有 100部以上在运转。流化床气化炉在一个流化床内,固体(如煤、灰悬浮在

23、一般向上流动的气流中。在流化 床气化炉内,气体流包含氧化介质(一般是空气而非O2。流化床气化炉的重要 特点(像流化床燃烧器一样是不能让燃料灰过热,以至熔化粘接在一起。假如 燃料颗粒粘在一起, 则流化床的流态化作用将停滞。 空气作为氧化剂的作用是保 持温度低于1000。这表示流化床气化炉最适合用比较易反应的燃料,如生物 质燃料。流化床气化炉的优点包括能接受宽范围的固体供料, 包括家庭垃圾 (经预先 适当处理的和生物质,如木柴,灰份非常高的煤也是受欢迎的供料,尤其是那 些灰熔点高的煤, 因为其他类型的气化炉 (气流床和移动床 在熔化灰形成熔渣 中损失大量能。流化床气化炉包括高温温克勒(HTW,该气

24、化炉由英国煤炭公司开发,目 前由Mitsui Babcock能源有限公司(MBEL销售,作为吹空气气化联合循环发电 (ABGC 的一部分。 在运转的大型流化床气化炉相对较少。 流化床气化炉不适用 液体供料。移动床气化炉在移动动床气化炉里,氧化剂(蒸汽和O2被吹入气化炉的底部。产生的粗 燃料气通过固体燃料床向上移动,随着床底部的供料消耗,固体原料逐渐下移。 因此移动床的限定特性是逆向流动。 在粗燃料气流经床层时, 被进来的给料冷却, 而给料被干燥和脱去挥发分。因此在气化炉内上下温度显著不同,底部温度为 1000或更高,顶部温度大约 500。燃料在气化过程中脱除挥发分意味着输出 的燃料气含有大量煤

25、焦油成分和甲烷。故粗燃料气在出口处用水洗来除去焦油。 其结果是, 燃料气不需要在合成气冷却器中来高温冷却, 假如燃料气来自气流反 应器, 它就需冷却。 移动床气化炉为气化煤而设计, 但它也能接受其他固体燃料, 比如废物。有两项主要的移动床气化炉技术。 20世纪 30年代开发出早期的鲁尔干法排 灰气化炉, 已广泛应用于城市煤气的生产, 在南非用于煤化学品生产。 在该气化 炉内,床层底部温度保持在低于灰熔点,这样煤灰就可作为固体排出。20世纪 70年代,鲁尔公司,然后是英国煤气公司(现在的BG plc开发了底部温度足 以使灰熔化的液态排渣炉。这种气化炉称为BGL (BG-Lurgi气化炉。目前,有

26、 几台BGL气化炉在电厂安装,用来气化固体废物和共同气化煤和废物。典型气化炉以下按字母顺序介绍一些最重要的和众所周知的气化工艺。BGL气化炉(移动床BGL气化炉最初开发于 20世纪 70年代, 用来提供一种高甲烷含量的合成气, 为用煤生产代用天然气 (SNG 提供一种有效方法。 这种气化炉 15年以前由英国 煤气公司在法夫的Westfield开发中心开发的,开始是为试验用该工艺生产SNG 的适用性,后来用于IGCC。块煤和像石灰石这样的助熔剂送入一闸斗仓, 定期往气化炉的顶部送料 (见 图 1。一个缓慢旋转的分配器盘将煤均匀地分布在床的顶层。对于粘结性煤给 料,分配器被联接到一搅拌器,也维持床

27、层均匀,和防止煤团聚。当床层下降, 煤料经过一些反应。 这些反应能在燃料床的不同高度分成三个层:上层煤被干燥和脱挥发分;中层被气化;低层被燃烧,产生的CO 2 作为中段的气化剂。O2和蒸汽经床底部喷咀(喷口加入。产生的熔渣在气化炉底部形成熔渣池,定期排出。 气化炉容器有耐火材料衬里, 以防止床层过多热量损失。 由于耐火材料被煤 床本身与床层的最热部分(喷口的顶端隔开,因此不经受高温。气体在 450-500的温度离开气化炉, 气体中含有因煤脱挥发分而产生的焦 油和油以及从床层淘析出的煤粉。 这由安装在气体出口的淬冷容器脱除。 气体同 时由一水淬冷装置冷却和清洁。 然后气体通过一系列交换器, 使气

28、体在脱硫前冷 却到室温。 气体中脱除的焦油和水转入一个分离器, 焦油和煤尘从那里再循环到 气化炉的喷咀(一部分可加在气化炉上部,用来抑制煤尘的扬析。BGL气化炉具有很高的冷气体效率, 即, 与其他气化炉比较, 煤原有热值 (CV 的大部分在气体中作为化学能出现,而非热能。这样,BGL气化炉不像其他气化 炉中的谢尔和德士古系统那样要求有高温热交换器。 因此, 气化区和CCGT装置很 少紧密结合,因为气体冷却系统不直接与蒸气轮机循环结合。BGL系统同气流床 系统相比,燃气轮机产生的电力较多,蒸气轮机产生的电力较少。BGL气化炉能处理给入气化炉顶部的块状供料里含的大量粉煤(即<6mm, 取决于

29、煤的粘结性,如匹兹堡 No.8这样的高膨胀、高粘结性煤,其高达 35%可 作为粉煤给料。但是,原煤一般按重量计含有 40-50%的粉煤。因此,气流床气 化炉所有用煤要先经研磨,在BGL装置,煤要先经筛分。BG实验了气化炉利用粉 煤的多种方式,将粉煤送入风咀,或干法输送,或以煤浆形式,或用沥青作为粘 结剂将它们压制成型煤。目前,由法夫电厂再度交付使用的Westfield的现有的、备用的气化炉作为 电厂的一部分将用煤和污泥发电 120MWe。法夫电厂已申请建立第二座较大 (400MWe电厂,使用煤和城市固体废物(MSW来发电。 Destec 气化炉(气流床Destec 工艺是煤浆入料、 加压、 两

30、段式工艺。该工艺最初由 Dow 化学公司于 20世纪 70年代开发。 随着中试规模和样机试验, 1984年决定在 Dow 的普莱克明(路易斯安那化学联合企业建立商业化装置,1987年该装置投入运营。1989年,Dow 将气化和其余电力从公司脱离出,另成立一公司,80%由 Dow 所有,称为 Deslec 公司。同时,该技术已被选来用于印第安纳州的沃巴什河的 IGCC 电厂增容项目。气化炉(图 3由衬有未冷却的耐火材料的 压力壳构成。 图 3 Destec气化炉在气化炉的下(第一段有两个气化燃烧器,在上段有煤的进一步喷入点。 煤制成约 60%固体(按重量计的浆状。大约 80%的煤浆同O 2一起注

31、入到下段的两个燃烧器中,在约 1350-1400和大约 30巴压力下不完全燃烧。煤中的灰熔 化, 下落至容器并经排放口进入水冷却装置。 在第一段形成的燃料气向上流动到 气化炉的第二段,剩余的 20%煤浆在第二段注入和反应,经热解和气化,并将气 体冷却到大约 1050。这两段工艺有增加合成气热值的作用。然后粗合成气在 一燃烧管合成气冷却器内冷却。然后冷却的合成气用过滤器净化, 去除大量灰分和半焦颗粒。 这些半焦可以 再循环至气化炉。唯一在运转的Destec气化炉在沃巴什河IGCC电厂, 该电厂以烟煤作原料。 多 年来,用次烟煤和石油焦作原料的进行了大量的试验。高温温克勒气化炉(HTW (流化床

32、HTW工艺是在原有温克勒流化床气化工艺的进一步发展。原温克勒工艺最初于20世纪 20年代开发和利用,是一项常压工艺。HTW工艺由莱茵褐煤公司发明, 莱茵褐煤公司拥有并经营德国鲁尔地区的几座褐煤煤矿。 HTW工艺最初是为生产铁矿石用的还原气而开发; 后来兴趣转向生产合成气,再后来转向发电。所有的应用是在褐煤气化基础上进行。目前重点放在废塑料气化领域。莱茵褐煤公司仍负责HTW工艺的开发,克鲁勃伍德公司从事销售和供应。 图4 HTW气化炉 莱茵褐煤公司在弗雷兴建设一座中试厂, 该厂从 1978年至 1995年运转。 额 定工作压力 10巴, 每小时处理 1.8t。 1985年在科隆附近Berrenr

33、ath建成一座示 范装置。该装置工作压力 10巴,所产的合成气用管道输送至在Wesseling 附近 的甲醇合成厂。Berrenrath厂使用蒸气和O2作为气化介质。1989年出于开发工艺用于发电目的,在Wesseling开始建工作压力 25巴的 中试厂。那时,褐煤的气化,同在气化前预干褐煤的流化床工艺结合起来,被视 为用莱茵褐煤以高效、洁净方式发电的最佳办法。该项工作最终是设计吹气HTW 气化炉为基础的IGCC电厂,名为KoBRA(Kombikraftwerk mit Lnlegrietier BRAunkohlvergasung褐煤气化联合循环。最初的KoBRA装置准备建在科隆附近 的戈尔

34、登堡电站,但是,出于经济问题的考虑,该项目现已中止。现在,下一代 褐煤电厂愿意采用高效传统Pf锅炉。随着KoBRa IGCC项目的消亡,研究重点转向废物气化。在Berrenrath厂已就 废塑料和污物的气化进行试验研究。 克鲁勃现已开发一种工艺, 称之PreCon, 在 此工艺中,HTW气化炉与废料的预处理和灰的后处理结合生产化学品或发电用的 合成气。燃料在闸斗仓内加压,然后储存日仓或加料仓里,之后再螺旋给入气化炉。 气化炉的底部是流化床,流化介质是空气或O2和蒸汽。气体加淘析的固体向上流至反应器,在这里再加入空气/O2和蒸汽来完成气化反应。之后将粗合成气在除 尘器里除尘并冷却。 在除尘器中脱

35、除的固体回至气化炉底部。 用螺旋除灰器将灰 从气化炉底部排出。气化炉基底的温度保持在 800-900,控制温度以保证其不超过灰溶点;在 床上部悬浮段的温度可能相当高。操作压力可在 10巴(为制造合成气和 25-30巴(为IGCC间变化。鲁奇干法排灰炉(移动床鲁奇干法排灰气化工艺于 20世纪 30年代由鲁奇公司发明, 作为生产城市煤 气的一种方法。 第一座商业化厂建于 1936年。 直到 1950年, 该工艺主要局限在 利用褐煤,但在 50年代,鲁奇和鲁尔煤气公司合作试验开发了一种工艺,也适 用烟煤。 自那时起, 鲁奇气化工艺在世界上广泛应用, 生产城市煤气和为各种用 、甲醇、液化燃料产品生产合

36、成气。除鲁奇公司供应这种气化装置外,途(如NH3东欧和前苏联也建造鲁奇型气化炉。世界第一座GPP在德国的吕嫩,使用鲁奇系统(不常见的是,这些气化炉为吹入空气式。其他应用鲁奇装置的重要设施是在美国北达科他州的大平原(Great PlainSNG厂,和南非萨索尔合成燃料厂。该工艺示意图见图5。该工艺的主要特征是这种移动床 作为氧化剂,工艺采用蒸汽和(通常O2像BGL气化炉一样,它使用块煤而非粉煤,且像BGL装置一样,产生焦油。鲁奇干法排灰气化炉和BGL液态排渣气化炉间的主要区别是前者使用的氧化剂的比率更大(前者大概为中,蒸汽与O24-5:1,后者约0.5:1。其结果是干法排灰装置的温度所有各点保持

37、足够低,灰不熔解,而是作为干灰脱除。干法排灰式装置的较低温度意味着其更适合用易反应的煤,像褐煤,而非烟煤。块煤给进气化炉顶部的闸斗仓,在进入气化炉之前增压。一个旋转的煤分配器确保煤在反应器各处均布。 图5 鲁奇干法排灰气化炉 煤缓慢下移到气化炉。当煤下移时,由经床层向上流动的燃料气加温;煤就被不断干燥和挥去挥发分(脱除的挥发分形成焦油和酚,然后气化。床层的底部,紧靠炉蓖的上面之处是气化炉最热的地方(1000,在此处燃烧任何剩与床层中的碳起反应形成CO。灰由旋转炉蓖排出并在闸斗余的煤。所产生的CO2仓中减压。蒸汽和O被向上吹,通过炉蓖为气化过程提供氧化剂。所产生的气体2在300-500的温度离开

38、气化炉,利用一水淬冷进行冷却和洗涤。该气化炉由水夹套围绕,水夹套产生的蒸汽可用于工艺过程中。 MBEL气化炉(流化床该气化炉原由英国煤炭公司在其煤炭研究机构作为ABGC工艺(图6的一部分开发,现归MBEL所有。该气化炉为吹气、加压系统设计,以获约80%的碳转化 率,剩余的碳在流化床燃烧。在格洛斯特郡的Stoke Orchard建设并运转了0.5tph 中试规模的气化炉。现在,由MBEL、阿尔斯通和苏格兰电厂组成的一个财团,以ABGC作为整体,对该工艺进一步开发,计划在法夫 Kincardine建一个100MWe 示范装置。图6 装有MBEL气化炉的ABGCABGC是以在MBEL气化炉内煤的部分

39、气化为基础,压力20-25巴,温度1000。大约70-80%的煤转化成低热值燃料气,燃料气冷却至400,然后用陶制过滤器清洁。石灰石用来脱除煤中大部分硫,成为硫化钙。气化炉内产生的燃料气在燃气轮机中燃烧,燃气轮机的废气用来在热回收蒸汽发生器(HRSG内产生蒸汽,气化炉产生的固体残渣(灰、半焦和硫化吸附剂经减压、冷却并通到在常压操作的循环流化床燃烧器(CFBC。在CFBC内,残余的炭被燃烧,硫 化钙经氧化成为硫酸钙,硫酸钙是一种环保型物质。在CFBC内产生的热加到HRSG 的蒸汽系统,所产生的蒸汽用来驱动蒸汽轮机。在Stoke Orchard的试验证实气化炉处理各类煤和吸附剂的能力,在气化炉里脱

40、硫达90%。ABGC系统的一项评估表明,应用目前的技术,该系统将会获得44.7%的效率(更高热值基础。Prenflo气化炉(气流床 Prenflo(加压气流床气化工艺已由克鲁勃.伍德开发。这是一种加压、干式给料、气流床工艺。克鲁勃在德国萨尔州的Fürstenhansen建一座每天处理48t的装置。随着这项工作的进行,西班牙的普埃托兰 IGCC电厂选择应用Prenflo工艺。该工艺如图7所示。煤被磨碎至100m并靠氮由风力输送到气化炉。气化炉结构独特,气化炉本和蒸汽一身与合成气冷却器结合。煤同O2起经装在气化炉下部的燃烧器给入。合成气在1600的温度下 图7 Prenflo R 气化炉

41、 产生。但,它在气化炉出口借助再循环的洁净合成气淬冷,将其温度减至大约800。然后合成气向上流至一中心分配器管,并经蒸发器段向下流动,在大约380离开气化炉。在气化过程形成的熔渣在水槽内淬冷,并通过闸斗仓装置排出。Shell气化工艺 (气流床Shell气化工艺(SGP作为一种将多种碳氢化合物原料转成洁净合成气的方法于20世纪50年代开发。SGP不是用于煤炭气化的,壳牌公司另有一单独的工艺(Shell煤炭气化工艺,SCGP。的典型 该气化炉有耐火熔材料衬里,在大约25-30巴(在IGCC范畴,生产H2压力约巴和1300下运行。燃料、O和蒸汽从气化炉顶部经复合环形燃烧器射2 入。气化发生,伴随小量

42、烟炱和灰(在给料中0.5-1%的碳转化成烟炱。粗合成气和杂质在气化炉底部排出,在合成气冷却器内冷却,冷却器由平行的螺旋形旁管组成,浸入在竖立的蒸汽发生器中。这种配制在100巴压力下产生饱合蒸气。气体从合成气冷却器入口时的1300冷却,到出口时的<400。然后气体可在烟炱和灰洁净之前进一步冷却。这在淬冷管内进行,粗气体用水喷淋,以去除现存的大部分固态颗粒。夹带的颗粒作为分离器内废渣排出。然后气体转至洗涤器,洗涤器中的两个充填床用来减低颗粒浓度至<1mg/m3。之后粗合成的气适宜用来脱硫和使用。从气体中脱硫的灰和烟炱在由谢尔和鲁奇开发的烟炱灰脱除装置中处理。熔渣经过滤,碳质滤饼被焚化,

43、产生高钒灰残渣。SGP与SCGP的主要区别为:·非(未冷却的气化炉;·燃烧管合成气冷却器;·淬冷用非再循环冷却合成气;·气化炉内温度较低。使用SGP的唯一气化发电厂是在鹿特丹的壳牌炼油厂的Per+综合企业。三个,其余用来发电。SGP系列用残渣生产合成气;67%的合成气用于制H2Shell煤炭气化工艺(气流床 壳牌公司的气化历史可回溯到20世纪50年代,那时第一个SGP装置交付使用。1972年,壳牌公司开始煤的气化工艺的研究工作。在阿姆斯特丹建设了一座6t/d中试厂后,壳牌公司于1978年在德国汉堡附近哈尔堡建一座150t/d示范厂。壳牌公司采用所获得的经

44、验在美国休斯顿的迪尔帕克现有的石油化工联合企业建一座厂。该厂规模为气化220t/d(每天250美国短吨烟煤成365t/d(每天400美国短吨的高湿、高灰 分褐煤。1987年迪尔帕克气化炉投入运营,并证实了SCGP气化多种类型煤的能力。1989年,在荷兰的Buggenum的一座IGCC电厂宣布选择使用SCGP, 图8 Shell煤炭气化炉(经壳牌公司许可刊登它成为采用SCGP的唯一商业化电厂。Shell气化炉如图8所示。该气化炉容器由碳素钢压力外壳构成,里面有一气化室,气化室由耐火衬里的膜壁封闭。通过膜壁的循环水用来控制气化室壁温度及产生饱合蒸汽。O2和蒸汽经气化炉底部的对置燃烧器送入,气化炉操

45、作压力25-30巴。气化在1500和此温度以上发生,确保煤灰熔化并形成熔渣。熔渣在气化炉壁内表面下行,在气化炉底部一水槽内淬冷,一部分熔渣粘在气化炉壁上并冷却,形成防护层。煤的气化形成一种粗燃料气,主要成分是H2和CO,及少量CO2和一些夹带的渣粒。在气化炉出口,粗气以再循环的冷却的燃料气淬冷,使温度降至900以下。冷却使渣粒冻结,使它们粘性减小,不易在表面挂渣。其后,燃料气在合成气冷却器中冷却到300,产生高压和中压蒸汽。与壳牌公司的石油气化工艺的合成气冷却器完全不同,SCGP合成气冷却器在壳侧有气体。因此,合成气冷却器有一套复杂的管道,包括各种节省器、中压及高压汽化器和一些过热器。冷却的合

46、成气利用陶瓷过滤器过滤。之后大约50%的冷却合成气再循环至气化炉顶部作气体的淬冷介质使用,其余的合成气被洗涤,去掉卤化物和NH3,然后送至脱硫装置。 图9 德士古淬冷型气化炉 德士古气化工艺(气流床德士古工艺的主要特性是利用同样的基本技术成功地气化多种原料。这些原料包括气体、石油、OrimulsionTM,石油焦和一系列煤。德士古另外还进行预处理工艺,这将使废塑料和废旧轮胎得以气化。德士古气化工艺是最早开发于20世纪40年代后期。开始工作重点集中在开发 一种天然气重整工艺,以便为转换成液态碳烃化合物制造合成气。不久后,重点产品生产合成气。转向为NH320世纪50年代期间,研究扩大该工艺以气化石

47、油及少量的煤。1973年发生石油危机之际,煤炭气化研究工作重新开始,1983年在美国的田纳西州的金斯波特的艾斯特曼化工厂,首座商业化煤气化工厂开始运营。1984年,冷水IGCC 厂投入运营。目前,采用德士古工艺作业的气化发电厂有EL Dorado(石油焦和Polk(煤;德士古工艺还被选择用于多数在建或计划中的石油废料IGCC厂。 该工艺有两种不同的基本类型,其用来冷却粗制合成气的方法不同,在淬冷型中,来自气化炉底部的粗合成气用水骤冷。在完全热回收型中,粗合成气利用合成气冷却器冷却,德士古淬冷型气化炉示意图见图9,全热回收型见图10。忽略所采用的合成气冷却方法的不同, 和(通常实际气化工艺是相同

48、的。原料同O2蒸汽从气化炉顶部进入。蒸汽作为温度调节剂。像煤或石油焦这样的固体原料在给入气化炉之前被制成浆和粉碎;在这种情况下,浆料中的水替代蒸汽作为调节剂。气化炉本身是有耐火衬里的压力容器。气化在12501450的温度发生。操作压力依合成气作何种用途而定:为IGCC之用压力为30巴(虽然可以更高;为制造化学品之用的操作压力为6080巴。粗合成气,还有任何灰(像熔渣和烟炱(在石油气化时产生,在底部从气化炉排出。 图10 德士古全热回收型气化炉在淬冷型中,粗合成气经淬冷管离开气化炉底部,淬冷管的底部未端浸入一水池中。粗气体经过水冷却到水的饱和温度,并清洁了渣和烟炱颗粒。之后,冷却过、饱和合成气经

49、侧壁上的一个管子离开气化炉/淬冷容器。然后,按照用途和所用原料,粗合成气在使用前进一步冷却和/或净化。在全热回收型中,粗合成气离开气化炉段,并在放热合成气冷却器内冷却是 从1400到700,回收的热量用来产生高压蒸汽。熔渣向下流至冷却器,在底部的一池中淬冷,再经闸斗仓排出。部分冷却的合成气离开气化炉的底部,之后在清洁和使用前在对流冷却器内进一步冷却。到现在为止,大多数德士古气化炉已采用淬冷型。其高于全热回收设计的主要优势是它更为廉价,可靠性更高;主要劣势(用于IGCC是热效率较低。实际大部分在用的气化炉用于生产化学品,热效率不成为问题,故淬冷方式更受欢迎。淬冷方式的另一有效特性是,在石油气化时,淬冷式有助于合成气中的洗去石油烟炱颗粒。可以看出,采用德士古气化炉的燃石油的IGCC项目大多使用淬冷式气化炉,而燃煤的德士古 IGCC项目使用合成气冷却器。总结移动床气化炉是最老的气化炉,它很长时间在煤气化工艺中占主要地位。移动床气化炉中的氧化剂与煤的流动方向相反,煤先变为焦油,再到灰等。当空气作为氧化剂时,温度通常不会超过灰熔点,而纯氧气流床气化炉既可以是干灰也可以是熔渣。由于合成气出口温度(400500相对较低,粗合成气中通常会有液态碳氢化合物。流化床气化炉采用粉碎了的煤作为原料,用氧化剂(氧气或空气来进行床体流化,其温度保持在1000以下,以预防灰熔化后与炉床里