国内外煤气化技术介绍重点学习课件

专家介绍山西省粉煤气化工程研究中心总工程师。在中科院山西煤化所长期从事流态化和煤化学工程研究开发，作为项目负责人成功地开发了灰熔聚流化床粉煤气化技术，为灰熔聚流化床气化技术第一发明人。作为首席科学家主持国家重点基础研究发展规划项目(973)“煤热解、气化及高温净化过程的基础性研究”，为形成新一代煤转化技术奠定了基础。作为博士生导师注重研究队伍和研究生培养，指导博士生12名，发表论文134篇。获中科院科技进步一等奖两次、国家"八五"科技攻关重大科技成果奖一次、国家发明三等奖一次及若干省、部奖，获国家发明专利和国家实用新型专利各一项。专家介绍山西省粉煤气化工程研究中心总工程师。1国内外煤气化技术介绍

张永奇王洋中国科学院山西煤炭化学研究所山西省粉煤气化工程研究中心2006.5.28国内外煤气化技术介绍2

煤炭的特性煤气化原理现代煤气化技术发展

介绍内容

煤炭的特性介绍内容3中科院山西煤化所研究所介绍1954年10月创建于大连市(中科院煤炭研究室)1961年迁至太原市 1963年扩建为中国科学院煤炭化学研究所1965年－1978年改名为燃料化学研究所1979年复名为中国科学院山西煤炭化学研究所中科院山西煤化所研究所介绍1954年10月创建于大连市(中科4

现有职工570人，其中科技人员393人，中科院院士1人，研究员40余人，副研究员及高级工程师110多人，另外还有在读博士、硕士研究生约150人。人员结构：主要研究学科方向煤化学与化工催化化学与工程新型炭材料化学反应工程承担国家重大科研项目973项目国家创新基金科技攻关国际合作项目863项目军工重点科研现有职工570人，其中科技人员393人，中科院院士1人，5山西煤气化工程研究中心简介1980年成立灰熔聚煤气化课题组；1994年扩建为气化室；2001年改名能源环境工程实验室；2002年改名为煤气化工程研究中心；2005年成立山西煤气化工程研究中心；进行加压灰熔聚煤气化工艺大型化的开发。山西煤气化工程研究中心简介1980年成立灰熔聚煤气化课题组；6一.煤炭的组成和用途煤炭：复杂的有机含碳矿物（从褐煤到无烟煤），以碳为主，主要成份为C，H，O，N，S；高度芳香化；多少不等的无机矿物，Ash：1～50%，Water:X～60%，Volatile：3～45%用途能源燃烧发电（10～35MJ/kg）能源制合成气CO+H2，H2制燃料气CH4,CO,H2制还原剂（冶金焦，铁合金焦）制吸附剂（活性炭，活性焦）一.煤炭的组成和用途煤炭：复杂的有机含碳矿物（从褐煤到无烟7煤气化：CnHmOxNySz=C+CO+CO2+H2+NH3+HCN+H2S+COS+••••CoalOxygenSteamGasifierGasComposition(Vol%)H225-30CO30-60CO25-15H2O2-30CH40-5H2S0.2-1COS0-0.1N20.5-4Ar0.2-1NH3+HCN0-0.3Ash/Slag/PMC+1/2O2COC+O2CO2C+CO22COC+H2OCO+H2C+2H2CH4CO+H2OH2+CO2CO+3H2CH4+H2O〔S〕H2S+COS〔N〕NH3+HCN煤气化：CnHmOxNySz=C+CO+CO2+H2+NH38煤燃烧：C+O2CO2H+O2H2O〔S〕＋O2SOX

〔N〕＋O2NOXHgHg,HgO水水蒸汽

CoalAirFluegas煤燃烧：CoalAirFluegas9燃烧和气化的对比燃烧和气化的对比10煤气化的用途：煤气化净化（η=80%)CO2变换H2S,NH3,粉尘，K，Na,HgH2Fuelcell（η=80%)电力64%IGCC（η=60%)电力48%合成气H2炼油厂汽油柴油直接液化油品合成氨NH3合成气合成甲醇合成油甲醇DMEMTOMTPMTG煤气化的用途：煤气化净化（η=80%)CO2变换H2S,N11煤气化过程的简单分析：煤气化通常不希望有焦油等液态产品存在，以消除净化的困难，通常要求温度在900℃以上，有足够的停留时间煤气化的主反应为C+H2OCO+H2和C+CO22CO，此二反应在高温是有利的，通常1000℃以上时已达足够平衡转化率高温高压有利于化学反应进行，但在1000-1200℃以上反应受扩散控制气化炉炭转化率取决于反应速度和停留时间，气相有效成份浓度（或热值）取决于热力学平衡和接近平衡的程度实际气化过程并非按化学计量进行，而是取决于过程的温度控制，以保证正常的气固流动备煤，进料，反应，渣排出和气体净化煤气化过程的简单分析：煤气化通常不希望有焦油等液态产品存在12现代电力和能源化工对煤气化的要求

大规模、高生产能力

单台处理量达500~2000ton/day

过程高效

操作压力、操作温度合理

能耗低

设备投资低

环境友好，净化成本低

粗煤气、水、灰渣净化处理容易，无环境二次污染

煤种适应性高

可适用于高灰、高灰熔点煤现代电力和能源化工对煤气化的要求大规模、高生产能力13国内外煤气化工艺已商业化和正商业化的工艺：●气流床气化GE-Texaco,Shell,GSP,E-Gas,K-T●流化床气化HTW，Winkler，AFB,●固定床气化Lurgi国内外煤气化工艺已商业化和正商业化的工艺：●气流床气化14LurgiHTWKRWAFBTexacoE-GasShellGSP●移动床●流化床●气流床典型的气化技术LurgiHTWTexaco●移动床●流化床●气流床典15Lurgi炉加压固态排渣Lurgi德国，1930年，合成气O2/Steam鼓风运行装置：

SASOL97台，南非大平原18台，美国中国11台Lurgi炉加压固态排渣Lurgi德国，1930年，16

固定床气化炉历史长，炉数多，使用可靠逆流热交换，出口温度低（250-650℃）热效率高气体干馏产物多，甲烷高，热值高焦油等杂质多，下游净化困难使用不粘块煤，价格高氧消耗低而蒸汽消耗高（1-2kg汽/kg煤）固定床气体分布影响大，处理能力有限（500-800吨）固定床气化炉历史长，炉数多，使用可靠17Lurgi氧气鼓风气化炉的典型操作结果

煤种来源粒径（mm）泥煤褐煤次烟煤烟煤无烟煤Ireland15.2-40.6Germany1.0-10.1NorthDakota1.4-30.5Riotolbio5.1-30.5Sasoll5.1-30.5Westerfield5.1-30.5Charle-ston5.1-30.5Vietnam5.1-30.5工业分析（wt%）挥发份57.336.829.130.519.728.929.15.7固定炭25.232.630.438.738.343.047.687.3水分15.526.534.316.55.415.75.12.0灰分2.04.16.214.336.312.418.25.0高热值kJ/kg22865261682793531168300098321223333235193灰熔点/℃--1204124914271421139913821499操作压力/MPa2.032.523.033.032.862.452.242.86煤气组成，（vol%）CO17.019.115.920.221.424.224.820.3H234.137.239.238.938.439.738.345.3CH413.611.810.811.79.69.49.34.7CnHm0.60.41.20.40.51.00.60.3H2S0.10.20.40.30.20.80.50.1CO233.830.732.228.128.924.425.827.5N20.80.50.30.41.00.50.71.3煤气热值/kJ/m3116141144611409117481109611811114389836Lurgi氧气鼓风气化炉的典型操作结果泥煤褐煤次18

气流床常压K-T,1949年，德国，50台（29台1993年）加压Texaco（2.5－6.5MPa），德国，日本，美国，中国中国最多（鲁南，上海，淮化，渭河，南化，榆林…)Shell

流化床Winkler,常压，1926年，70台，现已剩余很少HTW（1.0－3.0MPa），1986年AFB2001年常压商业运行常压低压（0.5MPa)推广中2006年，加压大型半工业试验装置建设气流床常压K-T,1949年，德国，50台（29台19919Texaco气化炉气流床熔渣气化炉水煤浆（60-65％）（dp<0.1mm)，O2鼓风；耐火衬里压力2.8-6.5MPa急冷或废热锅炉换热1350-1400℃熔渣急冷排出Texaco气化炉气流床熔渣气化炉水煤浆（60-65％）（20

Texaco气化炉的运行结果（冷水工程）日期设计Jun.18,1984Sep.27,1984Nov.29,1984炭转化率,（%）95999898O/C原子比0.991.040.970.97水煤浆浓度,（%）60586059O2消耗量（[M3O2/103m3(CO+H2)]）421418382390冷煤气效率,（%）71.272.173.973.7Texaco气化炉的运行结果（冷水工程）21Shell气化炉干煤粉（dp<0.1mm)，锁斗O2/H2O鼓风；膜式水冷壁（垂直管）压力3.0MPa废热锅炉换热1500-1600℃熔渣急冷排出循环煤气降温固化飞渣Shell气化炉干煤粉（dp<0.1mm)，锁斗22壳牌气化炉的典型数据项目设计变化范围示范运行用煤量t/d229115-235229操作严厉MPa2.512.44-2.512.44煤气组成%H229.922.7-34.627.7-29.8CO62.954.8-69.066.5-69.0CO25.82.2-10.82.2-2.4CH40.040.001-0.0040.001-0.004H2S+COS1.01.1-1.81.1-1.2炭转化率98.598.597-98壳牌气化炉的典型数据项目设计变化范围23GSP气化炉干煤粉（dp<0.1mm)，锁斗O2/H2O鼓风；膜式水冷壁（螺旋管）压力3.0MPa1500-1700℃熔渣急冷排出GSP气化炉干煤粉（dp<0.1mm)，锁斗24E-Gas气化炉二段,水煤浆进料无需循环气急冷固化飞渣1987年由DOW化学公司建成第一套工业化装置，整个工艺流程包括煤浆制备，气化炉和排渣系统，煤气的冷却净化及热量回收装置。E-Gas气化炉二段,水煤浆进料无需循环气急冷固化飞渣25气流床的备煤和进料●干粉粉煤90%<100μm，干燥w<2%，N2保护和输送锁斗加压系统，计量，能耗高●水煤浆水煤浆制备耗能较干粉少，泵送容易，控制容易；水煤浆浓度低，热值低，水蒸发和加热耗能高，对于水性煤如褐煤，年青烟煤，水煤浆浓度低；水煤浆浓度∝煤的平衡湿含量，固定炭，表面C/O官能团，自由膨胀数，Cf/V，粘土，可溶性Ca,Mg盐含量

气流床的备煤和进料●干粉粉煤90%<100μ26煤中矿物和渣的流动特性（气流床）●干粉煤都能气流床气化，但受灰渣影响●气化炉的操作温度150℃≥灰的流动温度●高温耐火材料磨蚀增大●气化炉材料质量要求提高●污水系统结垢增加建议灰渣流动温度＜1350℃（Texaco），粘度＜25pa.s，对非牛顿型流体渣，渣口温度＞tcrSlagviscosityasafunctionoftemperature煤中矿物和渣的流动特性（气流床）●干粉煤都能气流床气化，但27●加助熔剂降低灰渣流动温度和粘度CaOX=酸/碱比＝Tf=13.545X-2＋29.08X＋1232

CaO的加入：

增加了成本增加了灰分增加了后系统结垢

●加助熔剂降低灰渣流动温度和粘度CaOX=酸/碱比＝Tf=28耐火衬里：耐火衬里的寿命－－气化炉的寿命寿命－－材料（＞70%Cr2O3，ZeO)渣流速渣性质气化炉结构渣的渗透性热震裂纹扩展措施低温操作减少开停车热震加强制造质量管理耐火衬里：耐火衬里的寿命－－气化炉的寿命寿命－－材料（＞7029膜式水冷壁：渣的自平衡厚度∝

操作温度，水冷壁换热量膜式水冷壁：渣的自平衡厚度∝30废锅：昂贵－还原性气氛下金属的高温腐蚀（H2S,HCl)和低温腐蚀（灰中金额熔性的Cl等）炉管温度限制－＜450℃废锅：昂贵－还原性气氛下金属的高温腐蚀（H2S,HCl)炉31流化床气化（1）HTW

1926年德国Winkler发明流化床气化炉碎煤（0～6mm）以空气/蒸汽或氧/蒸汽鼓风气化气化温度～850-950℃，以防灰渣烧结，因而适用于生物质，泥浆，褐煤及高活性烟煤气化炉内温度均一，生成气不含焦油等高分子有机物设备简单，材料要求低，投资低氧消耗低（＜300m3O2/Km3(CO+H2))碳转化率约95％，需增加小型CFB燃炉HTW，25t褐煤/h,1.0MPa,1986年德国；泥炭，1988年芬兰Hybrid系统现备受关注；Transport-reactor，KBR美国

Hybrid，Fosterwheeler，美国流化床气化（1）HTW1926年德国Winkler发明流化32流化床气化（2）灰熔聚流化床气化

1959年法国Jequire(Nancy大学)发明美国Westinghouse(KRW)，GasTechnologyInstitute（U-gas)开发，1980年……1994年上海焦化厂，1998年美国Pinonpine

中科院山西煤化所（AFB)，1980年开始研发

2001年：2400mm，常压100吨/天，制合成气成功

2400mm，0.5MPa系统正商业推广1999年

300mm，1.5MPa研发完成2005年1000mm，100吨/天，3.0MPa系统建设中流化床气化（2）灰熔聚流化床气化1959年法国Jequir33灰熔聚流化床气化基本原理气固流态化

适当气速使煤沸腾流化传热传质性能好气化强度高中心射流形成局部高温区

提高气化强度促使灰渣团聚灰渣团聚重力分离

选择性排出低炭含量灰渣炉料炭含量高结渣风险小炉温提高煤种适应性宽飞灰可控循环

提高碳转化率灰熔聚流化床气化基本原理气固流态化34灰熔聚特殊分布器结构

特殊内部循环的流化床（温度达1050-1100℃）局部的高温区（1200-1300℃）使灰粒熔化长大

特殊分离管使灰粒和半焦选择性分离，从而保证了床内的碳浓度，防止了高温下灰的无需的烧结，提高了反应温度，拓宽了煤种－－从褐煤到无烟煤

特殊分布器结构以建立：灰熔聚特殊分布器结构特殊内部循环的流化床特殊分布器结构以建351980-1983年流化床气化基础，流态化基础，以及灰化学基础1983-1985年实验室小型模型气化试验（300mm，常压）1986-1990年中间试验放大（压力0.03－0.5MPa，1000mm）1991－1995年：完成氧气/蒸汽鼓风制合成气流化床气化放大1996－2000年：加压试验（1.0－1.5MPa，300mm）工程放大设计2001年：工业示范成功（100吨/日，常压0.03MPa，2400mm）2004年：国家发改委定为推广项目2005年：与晋煤集团成立工程中心，加强低压气化大户推广和加压气化炉放大工业设计中：100-250吨煤/日（0.03-0.5MPa,2400mm）中试建设中：500－1000吨煤/日（3.0MPa,1000mm）灰熔聚流化床气化研发历程：1980-1983年流化床气化基础，流态化基础，以及灰化学36原料东山瘦煤西山焦煤王封贫瘦煤焦煤洗中煤神木烟煤彬县烟煤埃塞褐煤工业分析Wt%MadAadVad1.3018.2313.611.4916.9119.510.9512.6813.501.5341.3618.494.425.9932.152.5210.1424.4313.5829.4530.18焦渣特性3644322元素分析Wt%CadHadOadNadStad70.933.532.591.372.0570.584.154.891.160.8276.213.403.410.722.6345.922.977.030.740.4573.984.469.701.240.2169.943.8512.730.360.4636.842.6815.011.021.42灰熔点CDTSTFT1480>1500>1500>1500>1500>150013801440>1500>1500>1500>1500120012201240116012101300130013701390热值MJ/kg

Qnet.v.ad28.0628.3920.57

29.229.0915.24部分试验煤种分析数据原料东山瘦煤西山王封焦煤神木彬县烟煤埃塞褐煤工Mad1.3037原料湖南无烟煤阳泉无烟煤晋城无烟煤晋城无烟煤石油焦山东菜园山东鲍店工业分析Wt%MadAadVad2.3629.216.152.0627.828.931.9737.886.651.8019.027.960.990.2710.551.8914.6930.75

2.3119.6830.48焦渣特性2222276元素分析Wt%CadHadOadNadStad60.992.593.570.640.6461.492.833.450.891.4653.082.032.250.332.4672.732.692.770.730.2684.623.405.771.713.2471.104.385.821.190.93

65.994.256.251.10.42灰熔点CDTSTFT1500>1500>1500>1500>1500>150013801440>1500>1500>1500>15001500>1500>15001500>1500>15001480>1500>1500热值MJ/kg

Qnet.v.ad22.7222.8419.3626.8735.328.95

26.15

部分试验煤种分析数据原料湖南阳泉晋城晋城石油焦山东菜园山东工Mad2.362.38AFB典型的气化结果产地Ethiopia彬县西山东山阳泉晋城煤种褐煤烟煤焦煤瘦煤无烟煤无烟煤煤kg/h1056633.3780932709522气化温度/C100010841078109710531187气化压力(g)/kPa40.022.512315830121空气Nm3/h102.5123.9427222132121氧气Nm3/h349.3334.0320475310330蒸汽kg/h510625.85281256745550氧煤比(Nm3/kg)0.330.530.410.510.440.63汽煤比(kg/kg)0.480.990.681.351.021.05氧浓度%827955757679煤气组成(Vol.%)COCO2CH4H2N221.9228.094.2338.657.1129.4621.591.739.737.4228.3618.381.7031.8819.6826.6720.981.9442.128.2036.988.070.6729.0625.2233.9422.420.6434.968.03煤气热值kJ/Nm3937294688318949787229000煤气产率Nm3/kg1.192.122.242.351.952.43炭转化率%90.4385.789.788.18486AFB典型的气化结果产地Ethiopia彬县西山东39试验煤种特性煤种： 褐煤——烟煤——无烟煤——石油焦灰含量： 1%——37.88%灰熔点： 1160C——1500C+挥发份： 6.15%——32.15%所有试验煤种均能连续稳定操作，气化指标、消耗指标、处理能力等依煤质优劣而不同

试验煤种特性40气化过程的评价：

最大的煤气化学能产出冷煤气效率＝

最小的消耗外功过程效率＝气化过程的评价：最大的煤气化学能产出冷煤气效率＝最小的消41气化过程的分析和选择不同气化炉工艺冷煤气效率和气化过程效率比较

气化炉项目LurgiHTWKRWAFBShellTexaco冷煤气效率,%79.982.480.773.9（78）*80.776.8（70）过程效率,%_76.773.868（72）*71.067.2（68）备注块煤，复杂的其它净化系统褐煤无烟煤煤浆浓度66.5%(62%)*10%残炭回收并进一步折算为5%的功气化过程的分析和选择不同气化炉工艺冷煤气效率和气化过程效率比42干法进料气流床与流化床气化备煤能耗随煤灰分变化

%0*10203040Shell2.272.542.883.353.97%AFB0.08