第25卷第2期上海電力學院學Vol.25, No.22009年4月Joumal of ShanghaiUniversity of Electric PowerApr. 2009文章編號: 1006 - 4729(2009)02 -0117 -05煤氣化及其多聯產系統技術的發(fā)展現狀冷雪峰,潘衛(wèi)國,王文歡,沈敏強,顧先青,章玲,胡深亞(上海電力學院能源與環(huán)境工程學院,上海200090)摘要: 煤氣化多聯產技術是-項高效清潔綜合利用煤炭資源的技術,是應對我國能源供應緊張以及能源使用過程中污染排放嚴重兩大問題的積極有效措施.簡述了煤氣化技術以及合成氣的凈化系統,重點講述了以煤氣化技術為龍頭的多聯產系統的應用發(fā)展趨勢.關鍵詞:煤氣化;多聯產;節(jié)能中圖分類號: TM611.23; TE08文獻標識碼: AStatus Quo of the Development of IntegratedGasification Combined CycleLENG Xue-feng, PAN Wei-guo, WANG Wen-huan,SHEN Min-qiang, GU Xian-qing, ZHANG Ling, HU Shen-ya( School of Thermal Power & Entironmental Engineering , Shanghai Universityof Eletric Power, Shanghai 200090, China)Abstract:Integrated gasification combined cycle ( IGCC) technology is a clean and highlyefficient way to utilize coal comprehensively. It is also believed as an active and efective measure tosolve energy supply and serious pollution problems which are caused by energy use. This paperintroduces coal gasification technology and syngas purification system, focusing on coal gasificationtechnology as the leading co-production system of application development trend.Key words: coal gasification; multi-generation system; energy saving煤炭是化石能源中儲量最大的能源,其預計而排放為零的電站. FutureGen電站的裝機容量為的可開采年限遠高于石油和天然氣.近年來隨著2.75x 10° kW,電站在生產電能和H2產品的同國際石油供應緊缺和價格攀升,高效清潔的煤炭時,能捕獲和收集CO2,并將其埋藏于地下深層,利用技術逐漸成為國際能源技術研發(fā)的新熱點.實現碳封存. 這一計劃的實施將每年減少1.0x美國將煤炭氣化為基礎的多聯產系統作為其未來10° t的CO2排放,實現能源和環(huán)境的雙重效益.能源技術的重要方向之一-.目前,最大型的研究項多聯產系統技術利用從單一-的設備(氣化目是FutureGen".美國政府將投入10 億美元,建爐)中產生的“合成氣”(主要成分為CO和造世界上第- -座以煤為燃料、既能發(fā)電又能制氫、H2)"進行跨行業(yè)、跨部門的生產,以得到多種具收稿日期: 2008-11-13中國煤化工作者簡介:冷雪峰( 1985 -) ,男,在讀研究生,江蘇淮安人主要.MYHCNMHG流塔優(yōu)化、電廠污染物控制. E mail:lengxuefeng9@ 163. com.基金項目:國家863計劃(2006AA05A108-03);上海市地方高校能力建設項目(08160512400). .118上海電力學院學報2009年有高附加值的化工產品、液體燃料(甲醇、F-T合接激冷式流程、余熱鍋爐式流程、余熱鍋爐激冷組成燃料、二甲醚、城市煤氣、氫氣).此外,還可用合式流程等3種.具體應用時可根據合成氣的用于工藝過程的供熱以及發(fā)電等.所用的燃料可以途、下游工序對 蒸汽的需要量和催化劑的性能選是煤(尤其是高硫煤)、石油焦或生物質2.煤氣擇合適的工藝流程. .化多聯產是以煤為燃料的多聯產系統,本文主要Shell 粉煤氣化工藝'5]是基于粉煤(焦)漿的就煤氣化多聯產相關內容展開技術分析.加壓氣流床氣化工藝,也屬非催化部分氧化工藝.在該工藝中,氣化爐采用類似鍋爐的水冷壁技術，1煤氣化技術其燒嘴和水冷壁壽命均較長,防護性優(yōu)于傳統的“耐火磚”,氣化爐易大型化,而且由于超高溫1.1主要的煤 氣化工藝介紹(1 400~1 700 C )煤氣化,使得煤種的適用范圍煤氣化技術是實現煤炭綜合利用和潔凈煤技寬,對煤的特性(煤的粒度、粘結性、水含量、硫含術的重要手段，是發(fā)展現代煤化工、煤造油、燃料量氧含量及灰分含量)不敏感,但對于灰熔點較煤氣和發(fā)電等重要工業(yè)化生產的龍頭.以煤炭為高的煤,需加人助熔劑(石灰石),以改變熔渣性原料,采用空氣、氧氣和水蒸氣為氣化劑,在氣化能.此外，由于采用干法進料,氧耗比水煤漿進料爐內進行煤的氣化反應,以生產出不同組分及不法要低,合成氣中CO2的含量也遠小于水煤漿進同熱值的煤氣.為了提高煤氣化的氣化率和氣化料的合成氣.爐氣化強度,改善環(huán)境,20世紀70年代以來發(fā)達1.2煤氣化工藝的比較國家加快了新- -代煤氣化技術的開發(fā)和工業(yè)化進程.其總的發(fā)展方向是:氣化壓力由常壓向中高壓(1)水煤漿氣化工藝Texaco 煤氣化爐是水(8.5 MPa)發(fā)展;氣化溫度向高溫(1500~1 600 C)煤漿氣化工藝的主要代表.水煤漿氣化工藝與干發(fā)展;氣化原料向多樣化發(fā)展;固態(tài)排渣向液態(tài)排法進料相比,熱效率較低.由于產生的煤氣中含有渣發(fā)展).17% ~ 20%的CO2 ,不僅降低了煤氣的熱值,而且煤和氣化劑在氣化爐內的反應如下:給后續(xù)的濕法脫硫工藝帶來了困難. Texaco氣化煤+氣化劑(空氣或氧氣+水蒸氣)→合成爐最突出的優(yōu)勢在于運行經驗豐富.噴嘴運行簡氣(H2 +CO+CH,等)化了設備系統和控制系統,爐內溫度只需控制煤潔凈煤氣化(4]主要是將原煤經加工轉化為漿量和氧氣量即可.水煤漿便于高壓泵送,可以制粗合成氣,然后再通過氣體凈化獲得煤液化所需備壓力很高的粗煤氣.此外,氣化爐運行費用較要的氫原料.從煤氣化技術發(fā)展進程看,早期的煤低,不像干法供煤方案那樣,需要花費能量千燥濕氣化大都使用塊煤和小粒煤為原料生產合成氣，煤.但Texaco煤氣化爐噴嘴和耐火磚的壽命較短.而近年來煤氣化工藝已有了很大發(fā)展.進入20世(2)干粉氣化工藝Shell 粉煤氣化工藝的優(yōu)紀80年代后,潔凈煤氣化技術的開發(fā)研究已取得勢在于干法進料,氧氣氣化系統,熱效率高.煤氣了重大成果,并進行了商業(yè)化運作.潔凈煤氣化技中的H20 +CO2含量較少,煤氣熱值高,氧耗和蒸術采用先進的氣流床反應器,以水煤漿和干粉煤汽耗量都較低.此工藝還可使用褐煤、煙煤和瀝青為原料，運用大規(guī)模、單系列的加壓氣化技術實現砂等多種煤,碳轉化率達98%以上.單爐生產能了工業(yè)化,其氣化指標好,有利于環(huán)境保護，成為力大,裝置處理能力可達3000 Vd.此外,運轉周煤氣化技術的主流.目前典型的煤氣化技術有德期長，Shell煤氣化工藝煤燒嘴可以連續(xù)運行.士古(Texaco)和殼牌( Shell)兩種.8000h以上.Shell煤氣化工藝排出的爐渣含碳小.Texaco水煤漿氣化工藝'5]是基于水煤漿進.于1%,飛灰含碳小于5%,可以進行再利用.同料的加壓氣流床氣化工藝，屬于非催化部分氧化時,Shell 粉煤氣化工藝排出的廢水較少.工藝適用Texaco氣化工藝的原料較多,而針對1.3中國煤化工煤、高硫石油焦、脫油瀝青等原料的氣化,在YHCNMHGTexaco氣化中都已有成功的運行經驗. Texaco 氣煤在氣化爐中氣化為粗煤氣時,原煤中所含化技術已實現了工業(yè)化的主要工藝流程,包括直的相當一部分灰分 、硫分、氮分,以及堿金屬鹽和冷雪峰,等:煤氣化及其多聯產系統技術的發(fā)展現狀119鹵化物等都會轉移到粗煤氣中,并以不同尺寸的床氣化爐內與煤反應，使其產生C +H20=CO +塵粒,H2S+CoS,NH,+HCN,鈉鹽和鉀鹽的蒸H2和C+CO2=2C0的反應,從而降低一-段爐出汽,以及HCL + HF等形式存在于粗煤氣中.這些口的溫度，以達到有效回收氣體顯熱的目的.有害物質若不除盡,不僅會導致后續(xù)設備的腐蝕(3)提高煤種適應性由 于煤炭是- -種結構和結垢,影響其使用壽命和工作可靠性,還會影響復雜、雜質(灰分、有害元素等)含量較高的原料，周圍環(huán)境,甚至造成污染.目前,在使用的粗煤氣煤氣化爐對人爐的煤炭有一定的要求,為滿足煤凈化系統中有“常溫濕法的凈化系統”[6]和“高溫氣化爐的入爐條件,可通過以下辦法實現,即將氣干法的凈化系統”門之分，前者具有相當成熟的化爐內部結構分為耐火磚結構和水冷壁結構.耐技術,后者則在研究開發(fā)之中.火磚結構要求煤的灰熔點要低(一般不大于1在常溫的濕法凈化系統中可以達到清除粗煤400 C) ,而水冷壁結構可適應灰熔點高達1600氣中有害污染物的目的,特別是在文氏洗滌器中~1 700 C的煤種.可以清除細灰、堿金屬化合物、鹵化物和氮化物..2煤氣化多聯產系統及需要解決的在濕法常溫的除灰脫硫的過程中，粗煤氣經文氏問題管除塵器的噴水除塵后,還必須進一步冷 卻到30~40C,才能進人常溫的脫硫設備中脫除H2S.2.1煤氣化多聯產 系統顯然,此過程中必然會有-部分水蒸氣從煤氣中凝結出來,以致損失--定數量的汽化潛熱此外,以氣化為基礎的煤炭利用是指經煤氣化聯合在飛灰的水洗過程中還會產生大量的黑水，需要循環(huán)或煤氣化制氫燃料電池聯合循環(huán)發(fā)電或以大建立比較復雜的廢水處理系統進行處理.因此,人噸位液體燃料(油、醇、醚、氫)合成為目的的能源們希望改用高溫千法的凈化系統和設備,力求充生產(如圖l所示)過程'$] ,它通過先進技術的集分利用粗煤氣的顯熱,使粗煤氣的凈化系統得以成應用,大幅度提高- -次能源效率,臧輕或消除環(huán)簡化,并能達到與常溫濕法相當的凈化效果.境污染,保證社會和經濟的可持續(xù)發(fā)展.煤氣化多聯產系統如圖1所示.1.4煤氣化技術面臨的問題及 其解決方案煤氣化技術面臨的問題及解決方案如下[0)].備煤}>氣化}一凈化→發(fā)電一電力二+見揀神、(1)大型化、單系列的發(fā)展方向現代工業(yè)空分變換燃料電池電力(化工、發(fā)電、多聯產、制氫等)發(fā)展的主要方向之一就是大型化、單系列,這對煤氣化技術也提出了H氨合成t氨、肥料較高的要求,即向大規(guī)模、高效率的方向發(fā)展.為實現這一目標,一方面需要提高單爐的溫度、增加合成盧油、醇、醚爐內壓力、強化混合;另一方面,則要滿足實現大CO,(埋存)規(guī)模高效煤氣化過程所需的苛刻條件,如1 300 ~圖1以氣化為基礎的煤炭利用1 700 C的高溫、3.0 ~8.5 MPa的高壓,以及多相流動的條件.以煤的氣化為中心,將煤氣化后產生的合成(2)實現能量的高效轉化和合理回收由于氣( 主要成分是Co和H2)凈化后再利用.煤氣化在高溫下進行,合理回收煤氣高溫顯熱是該系統具有如下特點.提高煤氣化整體效率的重要環(huán)節(jié).回收煤氣顯熱(1)多產品聯合生產抗市場風險能力較強.的技術有兩種,即激冷工藝和廢熱鍋爐工藝.但激以合成氣為原料可以生產包括化工產品、電力產冷工藝熱效率不高,而廢熱鍋工藝設備復雜且投品、動力概料氣體楸料和人T天然氣在內的多種資巨大,所以有學者提出了化學法回收高溫顯熱產品中國煤化工多領域較廣,因的技術.其主要原理是利用一段大型氣流床水煤此該YHCNMHG能力.漿氣化產生的高溫煤氣中含有的各約20%的(2)多聯產系統中的技術工藝路線可以進行H20和CO2這一特點,將高溫煤氣通人二段固定鏈接和耦合.從氣化爐出來的粗煤氣經過除塵和.120上海電力學院學報2009年.脫硫后,可以分成幾個部分，供應給發(fā)電、化工合可以生成甲醇,大量未反應的氣體需要經分離后,成、城市煤氣等不同的生產過程.由于各部分的比反復、多次進行循環(huán)反應,以提高甲醇生產效率.例可以根據需要靈活地進行調整,因而可以達成這樣,生產甲醇的工藝流程及設備就較復雜,并要各方面的協調生產.額外消耗分離、循環(huán)用的能量.而在多聯產系統(3)以煤氣化為中心的超清潔技術.原料煤中,CO只進行單程(或稱之為一步,英文為once經過純氧氣化后,得到的合成氣可以達到很高的through)反應,未反應的合成氣不再送回反應器,除塵和脫硫率,其污染物的排放指數將大大降低.而是送入燃氣/蒸汽聯合循環(huán)電廠進行動力利用，(4)多聯產系統是-一個具有自身更新能力的這樣 就避免了設備投資和運行的多次循環(huán),具體開放系統.由于多聯產系統在組成上十分靈活,是反應過程如圖2所示.一個優(yōu)化集成過程.. 沒有反應的氣體、. 甲原產品(蒸汽)(5)多聯產系統的總能利用效率較高,使得. 典型的甲醇合成氣狀態(tài)項目具有較強的市場競爭力.壓力: 5~ 10 MPa燕汽溫度: 250 C2.2 煤氣化多聯產系統的具體應用催化劑在油中2.2.1合成氣的具體應用冷卻氣泡ζ液體氣泡2H煤氣化多聯產系統產生的合成氣具有廣泛的合成氣進入用途,具體包括以下3個方面.co ?催化劑甲游(1)提高化工生產效率合 成氣是重要的化圖2一步法生產甲醇工原料,可利用其生產化工產品油、醇、醚等,由于此反應所需CO和H2比例不一,往往不能- -步反2.2.3與發(fā)電結合的 F-T過程的工藝流程應完全,有了多聯產系統后,可以將反應后的剩余和甲醇生產一樣,煤間接液化的F-T過程也氣體直接送人燃氣/蒸汽聯合循環(huán)電廠進行動力可運用一步法,在多聯產系統中,不需要進行多次利用,可避免化工生產的多次循環(huán)反應.循環(huán)，直接把未反應的合成氣引人燃氣輪機燃燒(2)提供清潔能源合成氣中 Co +H20經室進行發(fā)電.如今,最先進的液相反應器單程轉化重整反應后生成H2 +CO2,將H2 +CO2分離后可率可達80% .不僅可避免多次循環(huán)轉換,以大大獲得高純度的H2和CO2 ,其中高純度的H2可用降低設備投資和系統的復雜程度,還可減少運行來制備燃料電池以驅動新型汽車,為汽車提供動費用,其經濟性是顯而易見的[91 ,力,且不會產生任何污染.而CO2可用來埋存于3煤氣化多聯產系統中需要解決的煤層或油田,置換其中的天然氣,以提供相對潔凈的燃料供人類使用.問題(3)作為燃料氣使用可 驅動燃氣輪機發(fā)煤氣化多聯產系統中需要解決的問題主要表電,并使產生的尾氣通過余熱鍋爐生成蒸汽,以驅現在以下幾個方面()].動汽輪機發(fā)電,實現燃氣與蒸汽聯合發(fā)電.此外,(1)氣體分離的膜技術在多聯產 系統生產電廠產生的電力又可供油、醇、醚、氨等化工廠和的各個階段需要實現多種氣體大流量、低能耗、廉燃料電池廠使用,剩余電力還可以送上電網.價的分離.例如,在用于ICCC煤的氣化中,空氣2.2.2與 發(fā)電結合的甲醇生產工藝流程中氧和氦的分離,用目前的空分裝置耗能很大,空甲醇生產的常規(guī)方法是通過液相反應實現分耗能占整個發(fā)電量的15%以上.的.從反應過程看,合成氣進人反應器后,有很大(2)高溫除塵脫硫為了充分利用從氣化爐-部分CO需要通過變換反應: CO+ H20- H2出來的合成氣的顯熱.不宜采用水激冷的方法,因+ CO2來轉化為氫氣,以達到甲醇合成過程所要此在中國煤化工個關鍵.求的進料化學計量比[9 ,具體反應如下:|YHCNMHG機21世紀化CO + 2H2一CH,0H(放熱反應)石能源和資源利用均以燃氣輪機為核心,我國已通常,參加反應的CO只有小于10%的部分在著手研究部署先進燃氣輪機在我國發(fā)展的戰(zhàn)冷雪峰等:煤氣化及其多聯產系統技術的發(fā)展現狀121略,近期仍以引進或合作生產為主.這是我國在能合化工生產氨、醇等產品的需要,從而減少設備的源領域面臨的重大挑戰(zhàn).投資.多聯產系統就是將這些獨立的子系統聯系(4)先進的高溫(如固體氧化物SOFC)和低起來,統一調度,以達到效益最大化.如何更好地溫(質子交換膜PEM-FC)的燃料電池技術前配置多聯產系統則需要用經濟學原理進行分析.者可用于分布式熱、電、冷聯供,后者用于車輛隨著技術的進步,煤氣化多聯產系統中需要(5)氫氣的存儲和基礎設施管道材料氫氣進一步研究的問題有:氣體分離的膜技術;高溫除作為新的零排放的載能體,前景十分吸引人,但其塵脫硫技術;先進的高溫、高效燃氣輪機技術;先儲運、分配是應用上的瓶頸，必須加速研究靈活、進的高溫(如固體氧化物SOFC)和低溫(如質子方便低價格的氫氣儲運新技術.交換膜PEM-FC)的燃料電池技術;氫氣的存儲和(6)煤氣化技術的國產化面對 我國煤一基礎設施管道材料;煤氣化技術的國產化煤氣化高灰含量、高灰熔點一-的特 點,如何選擇已有的多聯產的系統設計與優(yōu)化等.解決這些問題將有煤氣化技術,以及如何對這些技術進行優(yōu)化配置，助于提升我國煤氣化與多聯產系統的技術水平.這是一個亟待解決的問題.(7)煤氣化多聯產系統的設計與優(yōu)化煤氣參考文獻:化多聯產系統是-一個開放的高效環(huán)保系統,它是1] 呂東穎.美國“未來發(fā)電(FureCen)”研究項目[J].熱力潔凈煤技術的一部分,要想進-步提高煤氣化多發(fā)電2005 ,(12):109.聯產系統的經濟性,應根據市場需求,結合其他潔[2]鄧劍. 煤氣化多聯產[J].上海節(jié)能,006,(6) :4648.凈煤技術(煤的直接液化技術、潔凈煤燃燒技術[3]葉亞莉,李天文. 國內煤氣化技術現狀及發(fā)展趨勢[].瀘天化科技,2005 ,(3) :248-255.等) ,以擴展多聯產系統. .[4] HOTCHKISS R. Coml gaification tchnoloige[J]. Proceed-ingo of the Institution of Mechanical Engineers Part A Power4結束語& Energy, 2003,(1) :27-33.從社會的角度來說,多聯產系統是以煤為原[5]蔣德軍. 以部分氧化工藝為核心的ICCC技術進展[J].煉袖技術與工程,200 ,35(8);16.料,利用先進的煤氣化技術生產煤氣,再經過煤氣[6]王輔臣 ,于廣鎖,龔欣,等大型煤氣化技術的研究與發(fā)展凈化系統,對煤氣除塵(包括固體顆粒,重金屬痕[C]/第78楊工程科技論壇暨第五屆長三角科技論壇論量元素,還有氨等)和脫硫,生成合成氣(主要成文集2008:7782.27分CO和H2).可利用合成氣燃燒進行蒸汽循環(huán)[7]許世森 ,張東亮,任水強.大規(guī)模煤氣化技術[ M].北京:化學工業(yè)出版社,2006 :687.發(fā)電,也可利用合成氣燃燒進行燃氣循環(huán)發(fā)電,還[8]王洋 ,房倚天,黃戒介,等煤氣化技術的發(fā)展[J].東莞理可利用合成氣生產以氫、氨、醇、油(含各種烴工學院學報, 2006 ,13(4) :93-100.類)、燃氣5大產品為基礎的重化工產業(yè).利用多[9]倪維斗 ,李政.以煤氣化為核心的多聯產能源系統[J].煤聯產系統,可以直接調節(jié)輸出煤氣的壓力,使其符化工, 2003,(1):3-10.中國煤化工MYHCNMHG