煤氣化技術基本知識

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編輯: 馬亮亮

發布時間: 2011-10-31

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一、煤氣化原理

　　氣化過程是煤炭的一個熱化學加工過程。它是以煤或煤焦為原料，以氧氣（空氣、富氧或工業純氧）、水蒸氣作為氣化劑，在高溫高壓下通過化學反應將煤或煤焦中的可燃部分轉化為可燃性氣體的工藝過程。氣化時所得的可燃氣體成為煤氣，對于做化工原料用的煤氣一般稱為合成氣（合成氣除了以煤炭為原料外，還可以采用天然氣、重質石油組分等為原料），進行氣化的設備稱為煤氣發生爐或氣化爐。

　　煤炭氣化包含一系列物理、化學變化。一般包括熱解和氣化和燃燒四個階段。干燥屬于物理變化，隨著溫度的升高，煤中的水分受熱蒸發。其他屬于化學變化，燃燒也可以認為是氣化的一部分。煤在氣化爐中干燥以后，隨著溫度的進一步升高，煤分子發生熱分解反應，生成大量揮發性物質（包括干餾煤氣、焦油和熱解水等），同時煤粘結成半焦。煤熱解后形成的半焦在更高的溫度下與通入氣化爐的氣化劑發生化學反應，生成以一氧化碳、氫氣、甲烷及二氧化碳、氮氣、硫化氫、水等為主要成分的氣態產物，即粗煤氣。氣化反應包括很多的化學反應，主要是碳、水、氧、氫、一氧化碳、二氧化碳相互間的反應，其中碳與氧的反應又稱燃燒反應，提供氣化過程的熱量。

　　主要反應有：

　　1、水蒸氣轉化反應：C+H₂O=CO+H₂-131KJ/mol

　　2、水煤氣變換反應：CO+ H₂O =CO₂+H₂+42KJ/mol

　　3、部分氧化反應： C+0.5 O₂=CO+111KJ/mol

　　4、完全氧化（燃燒）反應：C+O₂=CO₂+394KJ/mol

　　5、甲烷化反應：CO+2H₂=CH₄+74KJ/mol

　　6、Boudouard反應：C+CO₂=2CO-172KJ/mol

二、煤氣化工藝

　　煤炭氣化技術雖有很多種不同的分類方法，但一般常用按生產裝置化學工程特征分類方法進行分類，或稱為按照反應器形式分類。氣化工藝在很大程度上影響煤化工產品的成本和效率，采用高效、低耗、無污染的煤氣化工藝(技術)是發展煤化工的重要前提，其中反應器便是工藝的核心，可以說氣化工藝的發展是隨著反應器的發展而發展的，為了提高煤氣化的氣化率和氣化爐氣化強度，改善環境，新一代煤氣化技術的開發總的方向，氣化壓力由常壓向中高壓（8.5 MPa）發展；氣化溫度向高溫（1500～1600℃）發展；氣化原料向多樣化發展；固態排渣向液態排渣發展。

　　1、固定床氣化

　　固定床氣化也稱移動床氣化。固定床一般以塊煤或焦煤為原料。煤由氣化爐頂加入，氣化劑由爐底加入。流動氣體的上升力不致使固體顆粒的相對位置發生變化，即固體顆粒處于相對固定狀態，床層高度亦基本保持不變，因而稱為固定床氣化。另外，從宏觀角度看，由于煤從爐頂加入，含有殘炭的爐渣自爐底排出，氣化過程中，煤粒在氣化爐內逐漸并緩慢往下移動，因而又稱為移動床氣化。

　　固定床氣化的特性是簡單、可靠。同時由于氣化劑于煤逆流接觸，氣化過程進行得比較完全，且使熱量得到合理利用，因而具有較高的熱效率。

　　固定床氣化爐常見有間歇式氣化（UGI）和連續式氣化（魯奇Lurgi）2種。前者用于生產合成氣時一定要采用白煤（無煙煤）或焦碳為原料，以降低合成氣中CH₄含量，國內有數千臺這類氣化爐，弊端頗多；后者國內有20多臺爐子，多用于生產城市煤氣；該技術所含煤氣初步凈化系統極為復雜，不是公認的首選技術。

　　（1）、固定床間歇式氣化爐（UGI）

　　以塊狀無煙煤或焦炭為原料，以空氣和水蒸氣為氣化劑，在常壓下生產合成原料氣或燃料氣。該技術是30年代開發成功的，投資少，容易操作，目前已屬落后的技術，其氣化率低、原料單一、能耗高，間歇制氣過程中，大量吹風氣排空，每噸合成氨吹風氣放空多達5 000 m³，放空氣體中含CO、CO₂、H₂、H₂S、SO₂、NO_x及粉灰；煤氣冷卻洗滌塔排出的污水含有焦油、酚類及氰化物，造成環境污染。我國中小化肥廠有900余家，多數廠仍采用該技術生產合成原料氣。隨著能源政策和環境的要來越來越高，不久的將來，會逐步為新的煤氣化技術所取代。

　?。?）、魯奇氣化爐

　　30年代德國魯奇（Lurgi）公司開發成功固定床連續塊煤氣化技術，由于其原料適應性較好，單爐生產能力較大，在國內外得到廣泛應用。氣化爐壓力（2.5～4.0）MPa，氣化反應溫度（800～900）℃，固態排渣，氣化爐已定型（MK～1～MK－5），其中MK－5型爐，內徑4.8m，投煤量（75～84）噸/h，粉煤氣產量（10～14）萬m³/h。煤氣中除含CO和H₂外，含CH₄高達10%～12%，可作為城市煤氣、人工天然氣、合成氣使用。缺點是氣化爐結構復雜、爐內設有破粘和煤分布器、爐篦等轉動設備，制造和維修費用大；入爐煤必須是塊煤；原料來源受一定限制；出爐煤氣中含焦油、酚等，污水處理和煤氣凈化工藝復雜、流程長、設備多、爐渣含碳5%左右。針對上述問題，1984年魯奇公司和英國煤氣公司聯合開發了液體排渣氣化爐（BGL），特點是氣化溫度高，灰渣成熔融態排出，炭轉化率高，合成氣質量較好，煤氣化產生廢水量小并且處理難度小，單爐生產能力同比提高3～5倍，是一種有發展前途的氣化爐。

　　2、流化床氣化

　　流化床氣化又稱為沸騰床氣化。其以小顆粒煤為氣化原料，這些細顆粒在自下而上的氣化劑的作用下，保持著連續不斷和無秩序的沸騰和懸浮狀態運動，迅速地進行著混合和熱交換，其結果導致整個床層溫度和組成的均一。流化床氣化能得以迅速發展的主要原因在于：（1）生產強度較固定床大。（2）直接使用小顆粒碎煤為原料，適應采煤技術發展，避開了塊煤供求矛盾。（3）對煤種煤質的適應性強，可利用如褐煤等高灰劣質煤作原料。

　　流化床氣化爐常見有溫克勒（Winkler）、灰熔聚（U-Gas）、循環流化床（CFB）、加壓流化床（PFB是PFBC的氣化部分）等。

　?。?）、循環流化床氣化爐CFB

　　魯奇公司開發的循環流化床氣化爐（CFB）可氣化各種煤，也可以用碎木、樹皮、城市可燃垃圾作為氣化原料，水蒸氣和氧氣作氣化劑，氣化比較完全，氣化強度大，是移動床的2倍，碳轉化率高（97%），爐底排灰中含碳2%～3%，氣化原料循環過程中返回氣化爐內的循環物料是新加入原料的40倍，爐內氣流速度在（5～7）m/s之間，有很高的傳熱傳質速度。氣化壓力0.15MPa。氣化溫度視原料情況進行控制，一般控制循環旋風除塵器的溫度在（800～1050）℃之間。魯奇公司的CFB氣化技術，在全世界已有60多個工廠采用，正在設計和建設的還有30多個工廠，在世界市場處于領先地位。

　　CFB氣化爐基本是常壓操作，若以煤為原料生產合成氣，每公斤煤消耗氣化劑水蒸氣1.2kg，氧氣0.4kg，可生產煤氣（l.9～2.0）m³。煤氣成份CO＋H₂＞75%，CH₄含量2.5%左右， CO₂15%，低于德士古爐和魯奇MK型爐煤氣中CO₂含量，有利于合成氨的生產。

　?。?）、灰熔聚流化床粉煤氣化技術

　　灰熔聚煤氣化技術以小于6mm粒徑的干粉煤為原料，用空氣或富氧、水蒸氣作氣化劑，粉煤和氣化劑從氣化爐底部連續加入，在爐內（1050～1100）℃的高溫下進行快速氣化反應，被粗煤氣夾帶的未完全反應的殘碳和飛灰，經兩極旋風分離器回收，再返回爐內進行氣化，從而提高了碳轉化率，使灰中含磷量降低到10%以下，排灰系統簡單。粗煤氣中幾乎不含焦油、酚等有害物質，煤氣容易凈化，這種先進的煤氣化技術中國已自行開發成功。該技術可用于生產燃料氣、合成氣和聯合循環發電，特別用于中小氮肥廠替代間歇式固定床氣化爐，以煙煤替代無煙煤生產合成氨原料氣，可以使合成氨成本降低15%～20%，具有廣闊的發展前景。

　　U－Gas在上海焦化廠（120噸煤/天）1994年11月開車，長期運轉不正常，于2002年初停運；中科院山西煤化所開發的ICC灰熔聚氣化爐，于2001年在陜西城化股份公司進行了100噸/天制合成氣工業示范裝置試驗。CFB、PFB可以生產燃料氣，但國際上尚無生產合成氣先例；Winkler已有用于合成氣生產案例，但對粒度、煤種要求較為嚴格，甲烷含量較高（0.7%～2.5%），而且設備生產強度較低，已不代表發展方向。

　　3、氣流床氣化

　　氣流床氣化是一種并流式氣化。從原料形態分有水煤漿、干煤粉2類；從專利上分，Texaco、Shell最具代表性。前者是先將煤粉制成煤漿，用泵送入氣化爐，氣化溫度1350～1500℃；后者是氣化劑將煤粉夾帶入氣化爐，在1500～1900℃高溫下氣化，殘渣以熔渣形式排出。在氣化爐內，煤炭細粉粒經特殊噴嘴進入反應室，會在瞬間著火，直接發生火焰反應，同時處于不充分的氧化條件下，因此，其熱解、燃燒以吸熱的氣化反應，幾乎是同時發生的。隨氣流的運動，未反應的氣化劑、熱解揮發物及燃燒產物裹夾著煤焦粒子高速運動，運動過程中進行著煤焦顆粒的氣化反應。這種運動狀態，相當于流化技術領域里對固體顆粒的“氣流輸送”，習慣上稱為氣流床氣化。

　　氣流床對煤種（煙煤、褐煤）、粒度、含硫、含灰都具有較大的兼容性，國際上已有多家單系列、大容量、加壓廠在運作，其清潔、高效代表著當今技術發展潮流。

　　干粉進料的主要有K-T（Koppres-Totzek）爐、Shell- Koppres爐、Prenflo爐、Shell爐、GSP爐、ABB-CE爐，濕法煤漿進料的主要有德士古（Texaco）氣化爐、Destec爐。

　?。?）、德士古（Texaco）氣化爐

　　美國Texaco(2002年初成為Chevron公司一部分，2004年5月被GE公司收購)開發的水煤漿氣化工藝是將煤加水磨成濃度為60～65%的水煤漿，用純氧作氣化劑，在高溫高壓下進行氣化反應，氣化壓力在3.0～8.5MPa之間，氣化溫度1400℃，液態排渣，煤氣成份CO＋H2為80%左右，不含焦油、酚等有機物質，對環境無污染，碳轉化率96～99%，氣化強度大，爐子結構簡單，能耗低，運轉率高，而且煤適應范圍較寬。目前Texaco最大商業裝置是Tampa電站，屬于DOE的CCT-3，1989年立項，1996年7月投運，12月宣布進入驗證運行。該裝置為單爐，日處理煤2000～2400噸，氣化壓力為2.8MPa，氧純度為95%，煤漿濃度68%，冷煤氣效率～76%，凈功率250MW。

　　Texaco氣化爐由噴嘴、氣化室、激冷室(或廢熱鍋爐)組成。其中噴嘴為三通道，工藝氧走一、三通道，水煤漿走二通道，介于兩股氧射流之間。水煤漿氣化噴嘴經常面臨噴口磨損問題，主要是由于水煤漿在較高線速下(約30m/s)對金屬材質的沖刷腐蝕。噴嘴、氣化爐、激冷環等為Texaco水煤漿氣化的技術關鍵。

　　80年代末至今，中國共引進多套Texaco水煤漿氣化裝置，用于生產合成氣，我國在水煤漿氣化領域中積累了豐富的設計、安裝、開車以及新技術研究開發經驗與知識。

　　從已投產的水煤漿加壓氣化裝置的運行情況看，主要優點：水煤漿制備輸送、計量控制簡單、安全、可靠；設備國產化率高，投資省。由于工程設計和操作經驗的不完善，還沒有達到長周期、高負荷、穩定運行的最佳狀態，存在的問題還較多，主要缺點：噴嘴壽命短、激冷環壽命僅一年、褐煤的制漿濃度約59%～61%；煙煤的制漿濃度為65%；因汽化煤漿中的水要耗去煤的8%，比干煤粉為原料氧耗高12%～20%，所以效率比較低。

　　（2）、Destec（Global E-Gas）氣化爐

　　Destec氣化爐已建設2套商業裝置，都在美國：LGT1（氣化爐容量2200噸/天，2.8MPa，1987年投運）與Wabsh Rive（二臺爐，一開一備，單爐容量2500噸/天，2.8MPa，1995年投運）爐型類似于K-T，分第一段（水平段）與第二段（垂直段），在第一段中，2個噴嘴成180度對置，借助撞擊流以強化混合，克服了Texaco爐型的速度成鐘型（正態）分布的缺陷，最高反應溫度約1400℃。為提高冷煤氣效率，在第二階段中，采用總煤漿量的10%～20%進行冷激（該點與Shell、Prenflo的循環沒氣冷激不同），此處的反應溫度約1040℃，出口煤氣進火管鍋爐回收熱量。熔渣自氣化爐第一段中部流下，經水冷激固化，形成渣水漿排出。E-Gas氣化爐采用壓力螺旋式連續排渣系統。

　　Global E-Gas氣化技術缺點為：二次水煤漿停留時間短，碳轉化率較低；設有一個龐大的分離器，以分離一次煤氣中攜帶灰渣與二次煤漿的灰渣與殘炭。這種爐型適合于生產燃料氣而不適合于生產合成氣。

　?。?）、Shell氣化爐

　　最早實現工業化的干粉加料氣化爐是K-T爐，其它都是在其基礎之上發展起來的，50年代初Shell開發渣油氣化成功，在此基礎上，經歷了3個階段：1976年試驗煤炭30余種；1978年與德國Krupp-Koppers（krupp-Uhde公司的前身）合作，在Harburg建設日處理150t煤裝置；兩家分手后，1978年在美國Houston的Deer Park建設日處理250t高硫煙煤或日處理400t高灰分、高水分褐煤。共費時16年，至1988年Shell煤技術運用于荷蘭Buggenum IGCC電站。該裝置的設計工作為1.6年，1990年10月開工建造，1993年開車，1994年1月進入為時3年的驗證期，目前已處于商業運行階段。單爐日處理煤2000t。

　　Shell氣化爐殼體直徑約4.5m，4個噴嘴位于爐子下部同一水平面上，沿圓周均勻布置，借助撞擊流以強化熱質傳遞過程，使爐內橫截面氣速相對趨于均勻。爐襯為水冷壁（Membrame Wall），總重500t。爐殼于水冷管排之間有約0.5m間隙，做安裝、檢修用。

　　煤氣攜帶煤灰總量的20%～30%沿氣化爐軸線向上運動，在接近爐頂處通入循環煤氣激冷，激冷煤氣量約占生成煤氣量的60%～70%，降溫至900℃，熔渣凝固，出氣化爐，沿斜管道向上進入管式余熱鍋爐。煤灰總量的70%～80%以熔態流入氣化爐底部，激冷凝固，自爐底排出。

　　粉煤由N2攜帶，密相輸送進入噴嘴。工藝氧（純度為95%）與蒸汽也由噴嘴進入，其壓力為3.3～3.5MPa。氣化溫度為1500～1700℃，氣化壓力為3.0MPa。冷煤氣效率為79%～81%；原料煤熱值的13%通過鍋爐轉化為蒸汽；6%由設備和出冷卻器的煤氣顯熱損失于大氣和冷卻水。

　　Shell煤氣化技術有如下優點：采用干煤粉進料，氧耗比水煤漿低15%；碳轉化率高，可達99%，煤耗比水煤漿低8%；調解負荷方便，關閉一對噴嘴，負荷則降低50%；爐襯為水冷壁，據稱其壽命為20年，噴嘴壽命為1年。主要缺點：設備投資大于水煤漿氣化技術；氣化爐及廢鍋爐結構過于復雜，加工難度加大。

　　我公司直接液化項目采用此技術生產氫氣。

　　（4）、GSP氣化爐

　　GSP（GAS Schwarze Pumpe）稱為“黑水泵氣化技術”，由前東德的德意志燃料研究所（簡稱DBI）于1956年開發成功。目前該技術屬于成立于2002年未來能源公司(FUTURE ENERGY GmbH)（Sustec Holding AG子公司）。GSP氣化爐是一種下噴式加壓氣流床液態排渣氣化爐，其煤炭加入方式類似于shell，爐子結構類似于德士古氣化爐。1983年12月在黑水泵聯合企業建成第一套工業裝置，單臺氣化爐投煤量為720噸/天，1985年投入運行。GSP氣化爐目前應用很少，僅有5個廠應用，我國還未有一臺正式使用，寧煤集團（我公司控股）將要引進此技術用于煤化工項目。

　　總之，從加壓、大容量、煤種兼容性大等方面看，氣流床煤氣化技術代表著氣化技術的發展方向，水煤漿和干煤粉進料狀態各有利弊，界限并不十分明確，國內技術界也眾說紛紜。

三、我國煤氣化技術進展

　　煤氣化技術在中國已有近百年的歷史，但仍然較落后和發展緩慢，就總體而言，中國煤氣化以傳統技術為主，工藝落后，環保設施不健全，煤炭利用效率低，污染嚴重。目前在國內較為成熟的仍然只是常壓固定床氣化技術。它廣泛用于冶金、化工、建材、機械等工業行業和民用燃氣，以UGI、水煤氣兩段爐、發生爐兩段爐等固定床氣化技術為主。常壓固定床氣化技術的優點是操作簡單，投資小；但技術落后，能力和效率低，污染重，急需技術改造。如不改變現狀，將影響經濟、能源和環境的協調發展。

　　近40年來，在國家的支持下，中國在研究與開發、消化引進技術方面進行了大量工作。我國先后從國外引進的煤氣化技術多種多樣。通過對煤氣化引進技術的消化吸收，尤其是通過國家重點科技攻關，對引進裝置進行技術改造并使之國產化，使我國煤氣化技術的研究開發取得了重要進展。50年代末到80年代進行了仿K-T氣化技術研究與開發；80年代中科院山西煤化所開發了灰熔聚流化床煤氣化工藝并取得了專利；“九五”期間華東理工大學、兗礦魯南化肥廠、中國天辰化學工程公司承擔了國家重點科技攻關項目“新型(多噴嘴對置)水煤漿氣化爐開發”(22噸煤/天裝置)，中試裝置的結果表明：有效氣成分～83%，比相同條件下的Texaco生產裝置高1.5～2個百分點；碳轉化率>98%，比Texaco高2～3個百分點；比煤耗、比氧耗均比Texaco降低7%。“十五”期間多噴嘴對置式水煤漿氣化技術已進入商業示范階段。“新型水煤漿氣化技術”獲“十五”國家高技術研究發展計劃(863計劃)立項，由兗礦集團有限公司、華東理工大學承擔，在兗礦魯南化肥廠建設多噴嘴對置式水煤漿氣化爐及配套工程，利用兩臺日處理1150噸煤多噴嘴對置式水煤漿氣化爐(4.0MPa)配套生產24萬噸甲醇、聯產71.8MW發電，總投資為～16億元。該裝置于2005年7月21日一次投料成功，并完成80小時連續、穩定運行。裝置初步運行結果表明：有效氣CO＋H2超過82％，碳轉化率高于98％。它標志著我國擁有了具備自主知識產權的、與國家能源結構相適應的煤氣化技術具有重大的突破，其水平填補了國內空白，并達到國際先進水平。

（來源：中國化工網）

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