東莞理工學院學報第13眷第4期Vol.13 No.42006年8月。JOURNAL OF DONGGUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYAug. 2006煤氣化技術的發(fā)展一煤氣化 過程的分析和選擇王洋房倚天黃戒介馬小云吳晉滬(中國科學院山西煤炭化學研究所，山西太原314002 )摘要:煤氣化在現(xiàn)在和未來能源化工的可持續(xù)發(fā)展中都占有相當重要的位置.根據(jù)現(xiàn)代煤基 能源化工需求、煤氣化過程特點及我國煤炭資源特點的分析，對如何認識、選擇和優(yōu)化已有技術，自主研發(fā)的方向是什么等問題進行了探討，指出:氣流床氣化中干法進料工藝炭轉化率更高，但從效率特別是液態(tài)排渣的運轉可靠性看，低灰含量、低灰熔點煤更有利，灰熔聚流化床氣化對煤的灰含量、灰熔點不敏感，可以適用更多種煤，過程效率也較高，符合我國資源特點，應加快研發(fā).關鍵詞:煤氣化;流化床;氣流床;過程效率;灰熔聚;高灰分;高灰熔點中國分類號: TQS4文獻標識碼: A文章編號: 1009-0312 (2006) 04- 0093-080簡介煤氣化技術發(fā)展至今已有一百多年的歷史，從路燈照明、工業(yè)煤氣、化工合成原料氣到今天的大型化工能源合成和先進發(fā)電系統(tǒng)，規(guī)模上、技術上均發(fā)生了根本的變化。目前國際上考慮最緊迫的煤炭能源問題是清潔發(fā)電和制取液體燃料或更高級的氫能，通過煤氣化經(jīng)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)、燃料電池循環(huán)發(fā)電、煤氣化制合成氣制高清潔汽、柴油、醇醚燃料可大幅度提高過程效率和環(huán)境品質。煤氣化制氫當前主要用于氨的合成，還可用于煉油廠油品加氫提質。我國經(jīng)濟在快速的發(fā)展中，更面臨著能源資源和環(huán)境限制的瓶頸，鑒于我國富煤缺油少氣的特點，煤氣化就更成為煤炭能源清潔高效轉化的重要基礎，近20年來特別是近幾年我國工業(yè)界已大量引進美歐等先進氣化技術，我國研究人員也開發(fā)了自己的氣化技術，但面對我國的大規(guī)模國家需求和市場需求、面對我國煤炭資源自身特點(如高灰含量，高灰熔點煤較多)，如何認識、選擇和優(yōu)化已有技術，自主研發(fā)的方向是什么仍是必須回答的問題。本文根據(jù)現(xiàn)代煤能源化工需求，煤氣化過程特點和我國煤炭性質對以上問題進行了討論。1現(xiàn)代電力和能 源化工對煤氣化的需求本文中現(xiàn)代電力、能源化工指經(jīng)煤氣化聯(lián)合循環(huán)或煤氣化制氫燃料電池聯(lián)合循環(huán)發(fā)電和以大噸位液體燃料(油、醇、醚、氫)合成為目的的能源生產(chǎn)(如圖1所示) ,通過先進技術的集成應用，大幅度提高一次能源效率，減輕或消除環(huán)境污染，保證社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。電力、能源化工大規(guī)模、環(huán)境友好、高效經(jīng)濟的特征要求煤氣化過程具有以下特點:1)大規(guī)模、高生產(chǎn)能力一如氣化爐 單臺日處理能力500~2000噸煤以上;2)過程高效一操作壓力、 溫度合理，能耗低，設備投資低;3)過程可靠-操作穩(wěn)定、設備簡單，開工率高，4)粗煤氣、水、灰渣凈化處理容易，無環(huán)境二次污中國煤化工5)氣化原料煤種寬，特別是可適應高灰含量高灰熔點mCNMHG收稿日期: 2006-07-05作者簡介:王祥(1940-). 男,山西交城人,研究員,主要從事流化床煤氣化過程工程的研究。94東莞理工學院學報2006年→力國國一圖o,+H (煉油，汽車燃料)→電力氨、肥料(CO+H)合威}一 +油、醇、醚0O2 (埋存)圖1以氣化為基礎的煤炭利用2現(xiàn)代煤氣化技術2. 1煤氣化的基本化學反應煤氣化是借氣化劑使煤轉化為燃料氣或合成氣的過程，為達到一定的化學組成和足夠快的反應速度，通常在高溫(>900C)和一定壓力下進行，所涉及的反應包括:煤熱解→CH+CO+CO+Hz+油/焦油+C(半焦)快反應C+Oz= =CO2+409KJ/mol(2)C+1/202=C0+123KJ/mo1(3)C+H:O=CO+H2-119KJ/mol慢反應(4)C+COz= 2CO-162 KJ/molCO+H20=CO:+Hz+42KJ/molCO+3H:=CH+H2O+206KJ/mol(7)由于煤富炭少氫(≤5%)，高溫下首先熱解(反應())轉化為大量炭(半焦),因此氣化過程主要考察氣化反應(4) (1) (5)和供熱反應(2) (1) (3),反應(6)為快速氣相反應。2.2典型煤氣化技術現(xiàn)已工業(yè)應用的氣化爐型有三類，即固定床氣化爐、流化床氣化爐和氣流床氣化爐(如圖2 ),固定床UGI (1913年) WG (1880年) M型、D型常壓1流化床Winkler(1926年) AFB(2001年)氣化爐氣流床K- -T (1952年)固定床-Lurgi (1939年)加壓流化床- -HTW ( 1985年) KRW (1975年) AFB(1996年)*氣流床-Texaco(1978年) Shel(1983年)B-gas (1983年) GSP(1983年)其爐內溫度分布如圖22.2.1固定床氣化爐固定床氣化爐以魯奇爐(Lurgi) 為代表，煤與氣化劑(氧、蒸汽)逆流流動，塊狀煤(5-50mm)從爐頂加入在逐步下移過程中與熱的煤氣氣化劑換熱，發(fā)生干燥、干餾、氣化、燃燒和灰渣冷卻，氣化劑(氧、蒸汽)則在上升過程中換熱，反應轉化為煤氣中圖2所示溫商分布可見，由于逆流過程“冷進”“冷出”，固定床氣化爐應該氣化過程效率TYH中國煤化工k爐的蒸汽用量較大，常達煤量的2~3倍以防灰渣熔結，使?jié)衩簹怙@熱消耗CN M H G之煤氣中干餾產(chǎn)物(焦油、酚等)未能氣化(達煤熱值的8%)，不但降低了煤氣化過程效率，而且增加了粗煤氣凈化設備投資和能耗，因此固定床氣化爐更適用于褐煤、年青煙煤氣化制城市煤氣和焦油能集中加工的場合，而不太適用于現(xiàn)代發(fā)電和能源化工合成。但固定床加壓氣化爐(1939年發(fā)明)較早用于工業(yè)應第4期.王洋房倚天黃戒介等:煤氣化過程的分析和選擇95 _用，并不斷得到改進，至今仍為全球(南非97臺，美國14臺，中國11臺等)氣化煤量最多的氣化爐。表1"所列Lurgi爐典型數(shù)據(jù)可進一步說明以上情況.謀_煤爐頂煤氣移動床氣化爐(干灰)蒸汽、氧或空氣爐底灰0 250 500 750 1000 1250 1500氧或空氣溫度/°C一煤氣煤I煤媒氣流化床氣化爐氧或空爐底0 250 500750 1000 1250 1500溫度/C2廠或空氣氣花來煤氣山亭查溫度/*C圈2不同氣化爐及床內溫度分布表1 Lurgi氧氣鼓風氣化爐用各種煤的典型操作結果"泥煤褐煤次煙煤煙煤無煙煤:來源愛爾蘭德國北達科他里奧團爾比奧薩索爾韋斯特菲爾德多爾斯頓越南粒度(mm) 15.2-40.6 1.0-10.1 1.4-30.55.1-30.5工業(yè)分析(質量%)揮發(fā)份36.829.130.519.728.9固定碳25.232.630.438.738.343.087.315.526.534.316.55.415.75.12.0灰分4.16.214.336.312.418.25.0高熱值(kJ/kg無水無灰基) 228652616827935311683000983333235193灰(C)1204124914271421139913821499操作壓力(MPa)2.032.523.032.862.452.24粗煤氣組成(vol%)Co17.019.115.920.221.424.224.8H34.137.239.238.9CH.13.611.810.811.7中國煤化工9.34.CnHm0.6.41.20.4MYHC NMH G.50.HS0.10.20.3CO.33.830.732.228.128.24.425.27.50.801.00.50.71.3高熱值(kJ/m')116141144611409117481109611811114389836萬萬數(shù)據(jù)東莞理工學院學報2006年2.2.2流化床氣化爐為加快煤氣化反應速度，提高氣化爐生產(chǎn)能力并適應大量碎煤利用的要求，德國科學家溫克勒發(fā)明了流化床氣化爐(1926年)，并曾大量用于工業(yè)生產(chǎn)。流化床氣化爐用煤粒度小(<6mm) ，氣化強度高，達到固定床的2~3倍，更加床內溫度均一,出口溫度高(900C) ,粗煤氣中幾乎不含焦油、酚類等難凈化物質，凈化流程簡化。常壓流化床氣化爐氣化能力達40000m/h,加壓流化床(HTW) (1985) 示范爐(直徑2.7m)，氣化能力達720噸褐煤/日。常規(guī)流化床的缺點是: 1) 為防止爐內結渣，保持正常的流態(tài)化，操作溫度較低(850C~950C)，因而僅適合褐煤和高活性煙煤; 2) 床內的強烈混合和細粉的氣流夾帶，使灰渣和飛灰未轉化炭量較高(達煤量的~10%)，降低了煤氣和過程利用效率，必須另設鍋爐燃燒。但由于流化床用煤僅需破碎能耗低，操作溫度低、氧耗低、總過程效率對褐煤等仍然較高。2.2.2.1灰熔聚流化床氣化爐由于流化床氣化爐操作溫度適中，氧耗低，結構簡單，投資低，操作費用低，特別適應高灰含量高灰熔點煤的氣化，因此仍得到了不斷的發(fā)展?；胰劬哿骰矚饣癄t即是常規(guī)流化床的-種改進，其技術核心是在流化床底部設置了特殊結構的射流-分離結構，從而形成了局部高溫區(qū)(1100~1300C)，使灰中低熔點共熔物(常為Fe, Si, Al化物)在灰粒表面的生成液膜，使灰?；ハ嗾辰Y、團聚、長大，使灰粒從流化床中選擇性排出，增加了流化床中炭濃度，阻止了灰熔聚區(qū)外灰的無序燒結，保證了正常的床層在較高溫度(1050~1100C)的流態(tài)化。正是這一全床溫度的適度提高(從900C提高到1050C)，使灰熔聚流化床可適用多種煤的氣化(見表2煤種數(shù)據(jù)和表3典型實驗結果)，而同時保持的適中的操作溫度(1050C)，使其氣化氧耗低，操作費用低，結構簡單材料要求低、投資低。代表性的灰熔聚氣化爐型有KRW、U-gas和中 國科學院山西煤化所灰熔聚氣化爐(AFB) 三種，KRW爐已在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)示范，AFB的常壓工業(yè)示范完成后已開始在我國應用，AFB的加壓中試和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)也正在積極進行中。表2 AFB中試驗煤種 分析數(shù)據(jù)煤種埃塞俄比亞褐煤彬縣煤西山焦煤東山瘦煤陽泉無煙煤晉城無煙煤石油焦工業(yè)分析Mu13.582.25 1.491.302.060.72(收到基A.29.4510.14 16.91 .18.2327.8224.070.81wt%)Vu30.1824.43 19.5113.618.936.3511.57焦渣指數(shù)632元素分析Cu36.8470.9361.4966.8188.50(收到基) Hu2.683.854.152.832.663.69wt%)u15.0112.734.892.590.95 .3.58Ju1.00.361.161.370.801.445tu1.420.460.822.050.892.151.26 ,DT13001160 >1500148015001432灰熔點C ST13701210 > 1500>15001451T1390MJ/kgMJikgQnet.v.ad15.2429.09 28.39 28.0622.8425.136.15灰組分SiOz62.748.7846.4443.0944.10Al:O,17.4014.92 33.3832.8932.4729.8328.54FerO,6.873.786.6410.6010.0415.999.73CaO1.806.986.742.433.105.287.32MgO3.650.61中國煤化工6.13TiO:1.360.971.54MYHCNMH G.5351.25sOs1.231.68K;00.470.951.100.780.871.550.300.000.08P:O,0.210.200.500.090.45第4期王洋房倚天黃戒介等:煤氣化過程的分析和選擇97表3 AFB典型的氣化結果煤埃塞俄比亞彬縣西山東山陽泉 晉城種類褐煤煙煤焦煤瘦煤無煙煤 無煙煤煤kgh1056633.3780932522溫度*C100010841097105:1187壓力(gage) kPa40.022.52315830121空氣Nm'h123.9222132氧氣Nm'/h349.3334.0 320475310330蒸汽kg/h510625.85281256745氧氣/煤Nm'kg0.330.530.510.63蒸汽/煤kgkg0.40.99 .0.681.351.021.05氧氣濃度%82797576氣體組分(Vol.%)21.9229.46 28.3626.6736.9833.94COn28.0921.59 18.3820.988.0722.42CH。4.231.1.71.9429.060.64H38.6539.73 31.8842.120.6734.96N7.117.4219.688.2025.228.03氣體熱值kJNm'94688318949787229000氣體產(chǎn)率Nm'kg1.192.122.242.352 43碳轉化率%90.4385.789.788.14362.2.3氣流床氣化爐氣流床氣化爐是流化床氣化爐的進一一步改造， 使用更細的粒度(<100mm粒子) 和更高的溫度(1350~1500C)，從而成倍地加快了反應速度，達到了極高的炭轉化率(98%~ 9%)和氣化爐單臺處理能力(500~2500噸煤/日) ，為當前世界煤氣化市場的主導選擇。氣流床氣化爐依進料方式有兩種不同的類型:水煤漿進料和干粉煤進料，結構上也分為耐火磚熱壁爐和水冷壁爐兩種.2.2.3.1水煤漿加壓爐氣化爐(Texaco、多噴嘴對置、E-gas )水煤漿加壓氣化爐是已工業(yè)大規(guī)模應用最多的氣流床氣化爐，以Texaco爐 商業(yè)化業(yè)績最多，優(yōu)點是壓力高，運行可靠，氣化溫度高，煤氣有效成分高，常用的急冷型操作直接用水冷卻氣化產(chǎn)物和固化熔渣，所蒸發(fā)水汽直接用于C0變換，特別適于制氫或富氫合成氣(見表4)。缺點是: 1) 煤漿水蒸發(fā)和升溫熱損失大(達煤熱值的10%~12%)，煤耗、氧耗高; 2)氣化爐的耐火磚結構和灰渣腐蝕使其操作溫度不能太高(通常1350'C),限制了高灰熔點煤的使用(加助熔劑可以降低灰熔點但以增加實際灰分為代價)。表4 Texaco氣化爐的運行結果(冷水工程) "日期設計1984年6月18日 1984年9月27日 1984年11月29日氣化部分碳轉化率(%)95999890/C原子比0.991.040.97水煤漿濃度(%)605859耗氧量([M°0./10'm'41382390(CO+H)])冷煤氣效率( %)71.272.173.73.72.2.3.2干粉進料氣化爐(Shell. GSP)中國煤化工干粉煤進料加壓氣化爐以Shell爐為代表，干粉進料克.MHCN MH G的熱損失，僅此一項氣化效率提高近10%，同時水冷壁技術的采用不僅延長了爐壁壽命，也便反應溫度進一一步提高(1500~1600C)，炭轉化率和煤種適應性進一步提高。當然高溫也增加了氣體的物理顯熱(達14%~16%) ，增加了高壓廢熱回收的困難和投資。為防98東莞理工學院學報2006年止夾帶熔融灰渣對廢鍋爐管的粘污，還需大量循環(huán)煤氣冷卻出口煤氣( 900"C),干粉磨制和高壓輸送也是其功耗增加的原因。殼牌氣化爐的典型氣化數(shù)據(jù)為見表5。表5殼牌氣化爐的典型數(shù)據(jù)"項目設計變化范圍.示范運行用煤量(Ud)229115-235壓力( MPa(絕對))2.512.44-2.512.44煤氣組成(%)H29.922.7-34.627.7-29.8co62.954.8-69.066.5-69.0CO25.82.2-10.82.2-2.4CH.0.040.001-0.004HS+COS1.01.1-1.81.1-1.2炭轉化事98.597-983氣化爐選擇和煤種適應性通常工業(yè)氣化爐用氧/蒸汽或空氣/蒸汽為氣化介質，氣化爐的選擇取決于下列因素:●煤組成和煤階●煤粒度●氣化介質(空氣，氧氣,蒸汽)●氣化工況:溫度、壓力、加熱速率和爐內停留時間●氣化爐型式:進料方式(干粉煤、水煤漿)、氣固接觸方式(流動形式)、排灰方式(千渣、液渣)以及最終的氣體凈化方式評價氣化過程，人們常用冷煤氣效率:冷煤氣效率=煤氣熱量煤的熱量該評價指標反映了以煤為原料時所得氣體的能量，而未反映系統(tǒng)的能量總輸入，因此，用冷煤氣效率評價氣化過程并不完全，對大規(guī)模氣化過程必須考慮所有化學能和功的輸入(消耗)，即除煤的熱量外，還應包括制氧、破碎及其他功耗。因此定義煤氣化過程效率能更準確地表達氣化過程:煤氣化過程效率煤的熱量+制氧功耗+破碎功耗+其它功耗下面以文獻[1]數(shù)據(jù)為基礎，分別計算不同氣化過程的冷煤氣效率和氣化過程效率(忽略分母中其他功耗項)并進行比較，結果見表6.表6不同氣化工藝冷煤氣效宰和氣化過程效率比較爐型魯奇HTWKRWAFBShellTexaco冷煤氣效率%79.982.480.773.9 (78)◆76.8 (70)氣化過程效率%76.773.868 (72)●71.067.2 (68)燃料氣凈化注:系統(tǒng)復雜，褐煤無煙煤漿濃度66.5%塊煤(62%)注: *10%殘?zhí)炕厥詹⑦M一步折算為5%的功。由表6可見，冷煤氣效率與氣化過程效率相比差異較中國煤化工，水煤漿進料氣化效率最低，干粉進料的氣流床也較流化床為低，前者由T.HCNMHG油于氧耗和破碎能耗。水煤漿進料的Texaco過程，無論過程效率還是冷煤雙干知很心,論足四s漿中水的帶入造成的，文獻數(shù)據(jù)[1]指出當漿的濃度在60%左右時，冷煤氣效率進一步下降到70%。氣流床制粉能耗約60kWh/噸煤，而流化床破碎能耗僅約2kWh/噸煤，按當前發(fā)電熱率為9490kJ/ kW則能耗分別為煤量的2.27%和0.08% (熱值按25.1 MJ/kg煤計)。第4期王洋房倚天黃戒介等:煤氣化過程的分析和選擇氣流床制粉能耗較高，因此對過程效率影響較大(見表7)，因此，當使用氣流床氣化爐時應特別注意煤的灰含量，以減少額外電耗。表7干法進料氣流床與流化床氣化備煤能耗*隨煤灰分變化%012030Shell2.272.542.883.353.97%AFB .0.080.09.10.120. 14注: *折算基準:煤(灰分0%)，熱值為25.1 MJ/kg.水煤漿進料氣化爐效率對煤的灰分更為敏感，本文作者以假設的煤中灰分變化計算了對熱耗、煤耗以及灰渣量的影響以及對高灰熔點煤，同時還需考慮助熔劑的加入(如灰分的20%)，則氣流床實際灰分進一步增加，將會引起熱耗、煤耗以及灰渣量的變化，結果見表8。從表8可看出，對低灰熔點的煤種，隨著灰分量的增加，熱耗、煤耗以及灰渣量隨之增加。對高灰熔點的煤種需另加灰分重量的20%的助熔劑時，熱耗、煤耗以及灰渣量與不加助熔劑相比，都有所增加。以灰分含量為20%為例，熱耗、煤耗增加幅度分別為8.6%、6.4%， 灰渣量的增加幅度最大為30.77%。文獻[2]也指出灰分增加1%、煤耗增加1.3%~1.5%，氧耗增加0.7%~0.8%表8水煤漿進料氣流床氣化(煤漿水蒸發(fā)和升溫熱耗、實物煤耗及灰渣量隨原料煤灰分的變化)原料A灰分%0’34B"熱耗%12.0 14.0816.3520.0324.53原煤C"“煤耗%10013131155191D""灰渣量%I12647 .76原煤加.B1"熱耗%12.014.4317.7522.5329.3320%C1""煤耗%116.32139.37175.13 229.66的助熔劑DI*** 灰渣量% 0146106注: *水煤漿濃度60%，基準熱值為25.1 MJ/kg●“物料升溫耗熱占進煤總熱量的比例***實物煤耗***實際灰量表9列出了干法進料氣流床氣化升溫熱耗、實物煤及灰渣量隨原料煤灰分的變化?？煽闯?，同水煤漿進料相似，熱耗、實物煤及灰渣量隨灰分的增加而增加，加20%的助熔劑后，熱耗、實物煤及灰渣量與不加助熔劑相比增加更多。雖然，干粉煤進料時，灰分對效率影響比水煤漿進料時大幅度降低，但是進煤量和渣量的增加，增加了壁面及排渣系統(tǒng)的故障的可能。表9干法進料氣流床氣化(升溫熱耗、實物煤耗及灰渣量隨甌料煤灰分的變化)3(100.831.883.25.0C""煤耗%112148175254570原煤加1.032.364.226.8420%的助CI""煤耗%11中國煤化工熔劑D"."灰渣量%MYHCNM HG_注:基準熱值為25.1 MJ/kg, **, *, **含義同表8.表10列出流化床氣化升溫熱耗、實物煤及灰渣量隨原料煤灰分的變化?；曳衷黾訉α骰瘹饣挠绊懪c于法進料氣流床相似，但因氣化爐出口溫度降低，影響略有降低。100東莞理工學院學報2006年表10流化床氣化(升溫熱耗、實物煤耗及灰渣量隨原料煤灰分的變化)原料A灰分%o1020040B"熱耗%0.581.2.253.5原煤C*“煤耗%11212146170D."灰渣量% 0114365注: °基準熱值為25.1 MIkg，, *，***含義同表8.4結論基于以上分析可得如下結論:(1)煤基先進發(fā)電和能源化工需要大型、經(jīng)濟、清潔的氣化技術，當前氣流床技術已達到大型化要求，氣流床氣化中干法進料效率更高，但從過程效率特別是液態(tài)排渣的運轉可靠性看，氣流床氣化采用低灰含量、低灰熔點煤更有利。(2)灰熔聚流化床氣化對煤種的灰含量和灰熔點不敏感，因而適用煤種較寬，既符合過程特點，又符合我國資源特點，應加快研發(fā)。參考文獻[1] 沙興中， 楊南星,等.煤的氣化和應用[M].華東理工大學出版社, 1995.2] 張繼璨,種學峰.煤質對Texaco氣化裝置運行的影響及其選擇(上) [J].化肥工業(yè)，2002,29(3):3-7.Development of Coal Gasification Technology一the Process Analysis and SelectionWANG Yang FANG Yi-tian HUANG Jie-jie MA Xiao-yun WU Jin-hu(Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Scicnces, Shanxi Provincial Coal , Taiyuan 314002 , China)Abstract Coal gasification is playing and will play a very important role as well in present and futuresustainable development of power and chemical industry .Based on the analysis of the requirement of coal chemical andclean power production,the characteristics of coal gasification process and the properties of Chinesc coal resources,thequestions of how to understand, select and optimize the gasification process are studied.The results show that,entrained flow gasifiers have higher coal conversion. However,the gasification process efficiency and gasifiersoperation reliability would increase with the coal of lower ash content and fusion temperature.The ash agglomcrationfluidiged bed gasification process is more suitable for coal of high ash content and higher ash fusion temperature,which is especially important for our country.Keywords coal gasification; fluidiged bed; entrained flow gasifier; process eficiency; ash agglomeration;ash content; fusion temperature中國煤化工MYHCNMHG