煤气化技术类型与发展趋势

煤气化技术类型与发展趋势（杭州310027）摘要：评述了煤气化技术的技术类型，分析了煤气化技术的发展趋势。关键词：煤气化技术；技术类型；发展趋势引言能源问题是关系国民生计和人类命运的重大课题。当前我国的能源情势主要有以下几个特点：（1）能源储备结构特点为：富煤、少气、贫油；（2）总体储量大，但品质较低；（3）煤炭资源占能源生产与消耗总量的75%以上；（4）主要用于发电，火电占全国总装机容量的75%；（5）煤炭利用技术单一、落后；（6）污染大，面临严峻的减排压力。面临这种形势，迫切需要开发新型、高效和清洁的煤炭利用技术，煤气化技术即为最有效的途径。本文简要评述煤气化技术的主要技术类型，并分析煤气化技术的未来发展趋势。煤气化技术概论2.1煤气化的定义煤气化是指煤在特定的设备内，在一定的温度和压力下使煤中的有机物质与气化剂（如蒸汽、空气或氧气等）发生一系列的化学反应，将煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和（3。2、N2等非可燃气体的过程。2.2煤气化技术分类煤气化技术的核心是气化炉，按煤在炉内的流体力学行为进行分类，目前技术相对成熟而且已被广泛采用的煤气化工艺主要有固定床、流化床和气流床3种。（1）固定（移动）床气化。固定（移动）床气化，是指原料煤从炉顶加入，高温气体不断向上流动，煤与气化剂逆流接触，整个物料自上而下移动，相对固定。煤在高温气化剂作用下发生气化反应，生成高温煤气，最后从上部煤气出口出炉。常见的有间歇式气化（UGI）和连续式气化（鲁奇Lurgi）等。（2）流化床气化。流化床气化，就是增大炉内向上的气流速度，使煤粉处于沸腾悬浮状态，但又不被带出气化炉的操作。以粒度为0-10mm的小颗粒煤为气化原料，煤与气化剂并、逆流接触，煤粒在气化炉内悬浮分散在上升的气流中，在沸腾状态进行气化反应，煤料层内温度均一、易于控制。与固定床气化相比，流化床气化的优点是气一固和固一固接触充分，传热、传质速率大，设备大型化。常见的有温克勒（Winlder）、灰熔聚（U—Gas、AFB）、彳循环流化床（CFB）等。（3）气流床气化。在高温高压条件下，粉煤或水煤浆与气化剂同时由喷嘴喷入气化炉燃烧室内，煤料与气化剂并流接触，迅速气化，产生粗煤气和熔渣。因炉内气、固两相的流速基本相同，故称为气流床气化。典型工艺有Texaco水煤浆气化、shell干粉煤气化和GSP加压气流床气化。2.3气化炉的性能指标衡量气化炉性能的技术指标除煤种适应性、负荷适应性、单台炉的容量（日处理量或年处理量）、煤气含尘量、煤气中有害物质的可去除性、气化炉关键部件寿命等外，还包括以下主要能量指标，它们是衡量气化炉性能的重要指标。（1） 碳转化率。碳转化率表示煤中所含碳元素在气化炉中转化为煤气成分的百分数，碳转化率=转化成煤气成分的碳量『煤中的碳量。目前性能良好的气化炉的碳转化率可达99%以上。（2） 冷煤气效率。冷煤气效率=所生成煤气的化学能『气化用煤的化学能。若按低位发热量为依据进行计算，目前性能良好的气化炉的冷煤气效率已达到80%以上。对于C-hO-O2、C-CO2-O2、C-H2O-空气三个体系来说，其冷煤气效率依次降低，因此，纯氧/蒸汽气化是煤气化未来的发展方向。冷煤气效率还随蒸汽过剩系数与煤气出口温度的提高而降低。

热煤气效率。热煤气效率=(所生成煤气的化学能+在气化炉产生蒸汽时所利用的热能片气化用煤的化学能。目前性能良好的气化炉的热煤气效率可达91%-95%。能量转化效率。能量转化效率=[(所生成煤气的化学能+煤气燃烧前的物理焓+在气化炉产生蒸汽时所利用的热能)一(气化用煤的物理焓+供气化炉的气化剂的物理焓+供煤气净化系统用的蒸汽和水的焓)H气化用煤的化学能。几种典型的煤气化技术3.1鲁奇气化炉鲁奇炉为固定床加压气化、干化排渣，气化压力1.8-3.0MPa，用氧气+蒸汽作气化剂。鲁奇炉要求原料煤有较高的活性、较弱的粘结性和一定的粒度，能使用含水分和灰分很高的煤。其缺点是：煤气中甲烷含量高，用于化工合成时需专门加以处理；煤气中夹带焦油和酚等杂质，给煤气净化和污水处理带来复杂性。鲁奇(Lurgi)固定床气化工艺成熟可靠，气化温度900-1050^，包括焦油在内的气化效率、碳转化率、气化热效率都较高，氧耗是各类气化工艺中最低的，原料制备、排渣处理成熟。煤气热值是各类气化工艺中最高的，它最适合生产城市煤气。若选择制合成气存在以下问题：①煤气成分复杂，合成气中含有甲烷7%~10%,如果将这些甲烷转化为h2和CO，势必增大投资，成本高；②有大量污水需要处理。污水中含大量焦油、酚、氨、脂肪酸、氧化物等，因此要建焦油、酚、氨回收装置和生化处理装置，会增加投资和原材料消耗；③该气化技术需15-50mm的块煤。块煤价格高，将增加成本。3.2德气化炉3.2德气化炉恩德粉煤气化技术是朝鲜恩德七七联合企业对原温克勒炉作了多项改进形成的实用新型粉煤气化技术，已有30多年的使用历史。该技术成熟可靠。产品已系列化，单炉生产能力可达40000m3/h,设备已完全实现了国产化。与温克勒炉相比，主要改进有以下几点。采用喷嘴布风。将温克勒炉的底部改为锥体结构，一次风喷嘴代替原有的布风炉算，解决了底部结渣、偏流的问题.使煤粉均匀沸腾，从而提高了气化炉运行的稳定性，气化炉运转率可达90%以上。煤气带出物循环回炉。在炉体中上部增设二次风喷嘴，使从床层下部夹带的细粒粉煤进一步气化，并使原料在炉底下部产生的挥发分进一步裂解成甲烷等煤气组分；在煤气出口增加了旋风分离器和返料装置，将煤气中的粗颗粒飞灰返回炉内参加反应，减少了煤气中的粉尘带出，降低了灰渣残炭(降低到20%以下)，提高了煤的利用率和气化过程的整体碳转化率。将废热锅炉位置移至旋风除尘器后。改进后减轻了炉内带出物对废热锅炉炉管的磨损。改进后的恩德粉煤气化技术具有以下特点：流化床的气、固相接触好，加强了热传导和热交换，强化了传热过程，单炉气化强度大于固定层煤气发生炉。(2)恩德炉适用煤种丰富，主要有长焰煤、褐煤、不粘或弱粘煤，原料煤来源丰富、价格低廉，与固定层煤气发生炉使用的焦炭或块煤相比，煤气制造成本显著降低。恩德炉气化过程中床层温度900-1050OC，温度分布均匀，因此气化过程中因煤炭热解而产生的焦油及其他重质碳氢化合物的裂解比较完全，使得出炉粗煤气中焦油、酚类等含量相当低，从而简化了煤气净化系统，减轻了对环境的污染。气化炉生产负荷可在设计负荷的40%-110%范围内调节，操作弹性大，运行可靠，开、停车操作方便。气化炉由内衬耐火材料的炉体和可拆卸的喷嘴组成，不需太多的维修保养即可获得较高的连续运转率；废热锅炉在旋风分离器之后，减少了煤气中夹带的粉尘对炉管的磨损，减少了维修工作了，延长了废热锅炉的寿命和检修周期。由于粗煤气温度很高，因此利用废热锅炉回收煤气中的余热自产蒸汽量大，提高了气化过程的整体热效率。气化炉的气化效率可达65%，介于固定床煤气化工艺和德士古水煤浆气化工艺之间，与加压鲁奇炉相当；有效气(CO+H2)含量高，达65%-70%，甲烷含量＜2%。可采用不同的气化剂(如空气、富氧或氧气+蒸汽为气化剂)生产出不同组成和热值的煤气，煤气用途较广，用于民用燃料气、工艺合成气、水煤气以满足不同用户的需求。3.3德士古气化炉20世纪50年代初期，美国德士古公司在重油部分氧化气化基础上，成功开发了德士古水煤浆加压气化技术。该技术中，将原料煤、水及添加剂等送人磨机磨成水煤浆，由高压煤浆泵送人气化炉喷嘴，与来自空分的氧气经烧嘴一起送人炉内，在高温高压下发生部分氧化反应。离开气化炉的粗合成气和熔渣进入激冷室，粗合成气经第一次洗涤并被水淬冷后，温度降低被水蒸气饱和后出气化炉，气体经文丘里洗涤器、碳洗塔洗涤除尘冷却后送至变换工段。德士古水煤浆气化炉的温度为1350~1400°C,操作压力已达8.7MPa。80年代末至今，中国共引进4套Texaco水煤浆气化装置，均用于生产合成气，中国在水煤浆气化领域积累了丰富的设计、安装、开车以及新技术研究开发经验与知识。Texaco气化技术的主要优点：对煤种适应性比较宽；单炉生产能力大；煤气质量好;甲烷含量低。主要缺点：烧嘴运行周期短，由于水煤浆在较高线速下对金属材质的冲刷腐蚀，水煤浆气化喷嘴常面临喷口磨损问题；炉衬采用耐火砖存在成本高、寿命短的问题；相对于干粉气化，因气化煤浆中的水量要耗去人炉煤的8%,原料氧耗高12%~20%,所以效率偏低。3.4壳牌气化炉Shell气化炉与Texaco气化炉技术经历相似，由壳牌公司在渣油气化的基础上于1972年开始研究，88年Shell气化技术用于荷兰BuggenumIGCC示范电站，目前已出狱商业运行阶段，单炉13处理煤2000t,功率253MW，发电效率(LHV)为43.2%。气化工艺采用干粉进料、氧吹、液态排渣工艺流程。煤粉由高压氮气送入气化炉喷嘴，来自空分的氧气经氧气预热器加热到一定温度后，与中压过热蒸汽混合并导人喷嘴，送入炉内的煤粉、氧气及蒸汽在高温加压条件下发生部分氧化反应，气化炉顶部约1500C的高温煤气与经冷却后的煤气激冷至900C左右进入废热锅炉，经回收热量后的煤气温度降至350C进入除尘和湿式洗涤系统。气化工艺采用的造气压力为2.0-4.0MPa，操作温度1400-1600C,设计中渣的含碳量小于1%,碳转化率达99%。Shell煤气化技术有如下优点：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%；调节负荷方便，系统可通过调节一组或多组烧嘴来调节合成气输出量；炉衬为水冷壁，据称其寿命为20年，喷嘴寿命为1年；由于炉衬为水冷壁为提高气化温度提供条件，因此煤种适应性强，适合包括褐煤、烟煤、无烟煤到石油焦炭等气化原料。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过于复杂，加工难度加大干；粉稳定输送的控制难度大。煤气化技术的发展趋势4.1煤气化技术的发展原则鉴于目前制氧成本仍然是制约煤气化技术发展的最大因素，认为一方面应加速高效廉价的大规模制氧技术的开发，另一方面要注重氧耗低的气化技术的开发，重视过程集成概念和技术经济的优化。煤气化技术发展的原则应为：加压气化；纯氧/蒸汽为气化剂;低的出口煤气温度;低的蒸汽过剩系数；根据反应性变化特征分级气化。4.2煤气化技术的发展趋势综合现有煤气化技术，当前煤气化技术的发展趋势是以粉煤代替粒煤，气流床和流化床代替固定床。具有气化压力向高压化(8.5MPa)发展、气化温度向高温化(1500~1600~C)发展、气化剂向多样化发展和排渣方式向液态化发展的特点。依据煤种特性和合成气后续工段的要求而开发设计出不同的气化炉。目前，技术最为成熟的是鲁奇(Lurgi)和德士古(Texaco)，处理能力达到400-1650吨/天。国外的壳牌(Shel1)s德士古(Texaco)、德国GSP等气流床气化技术，国内的两段式干煤粉、多喷嘴干煤粉、航天炉发展很快。而我国煤气化工艺目前以传统的常压移动床为主，先进的大型加压煤气化工艺总体处于研究、示范阶段。结合我国国情及现有技术情况，我国煤化气技术发展趋势：拓宽原料的适应性，集成优化不同技术。目前，国内大规模工业气化技术主要是高温气流床技术，即德士古、壳牌、多元料浆及四喷嘴，要求原料煤的灰熔点＜1350~C,灰含量＜10%。而我国煤炭储量大、低灰、低灰熔点煤集中在西部地区。动力煤平均灰含量超过20%，灰熔点超过1400OC的超过50%。将煤炭分级转化是措施之一，将不同技术集成优化是一个重要趋势。装置规模大型化。以煤气化为基础的现代工业发展的一个显著标志就是装置规模的大型化。由于受制造、运输、安装等客观因素的限制，在尺寸有限的设务上实现高效、大规模，必须实现加压气化，提高其处理能力和效率。开发煤气化净化技术，实现煤气化技术的近零排放。不同的煤田，煤中碑、汞、氯、氟、磷及其他微量元素的含量及组成差异颇大，深入研究煤气化过程中这些有害元素的迁移规律，对拓展气化