气流床气化技术研究现状.docx

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气流床气化技术研究现状

气流床气化技术研究现状

刘庆旺

煤炭是我国的基础能源和重要原料，在国民经济和社会发展中具有重要的战略地位，将长期是我国的主要能源。

煤气化技术是煤炭清洁转化的核心技术之一，是发展煤基化学品（氨、甲醇、二甲醚等）、煤基液体燃料、先进的lGCC发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的基础，是这些行业的共性技术、关键技术和龙头技术。

估计，我国“十一五”末期年气化用煤约1亿t。

以煤间接液化为例，规模为500万t/a的生产装置，气化用煤在2200-2500万t/a。

国内在建的甲醇装置、合成氨装置、煤制油装置和处于筹建中的煤制烯烃装置、煤制油装置、甲醇装置等，已展现了对煤气化技术的强劲需求。

在流派众多的煤气化技术中，气流床气化技术因煤种适应范围比较广、气化温度、压力高、易于大型化，成为煤气化技术发展的主流方向。

国际上有代表性的气流床气化技术主要有GE（Texaco）气化技术、GlobalE-Gas气化技术，以干粉煤为原料的Shell气化技术,Prenflo气化技术及GSP气化技术。

气流床气化法是20世纪50年代初发展起来的新一代煤气化技术，最初代表炉型为K-T炉。

其后随着Texaco,Shell等一批新型工艺的开发，气流床气化技术因其出色的生产能力和气化效率，在世界范围内得到了迅速推广和广泛的应用，尤其是在燃气联合循环中。

目前绝大多数1GCC电站所选择的均为气流床气化炉，主要炉型有Texaco,Shell,E-Gas（原Destec）以及Prenflo等。

气流床气化法使用极细的粉煤为原料，在气化炉内细颗粒粉煤分散悬浮于高速气流中，并随之并行流动，这种状态即称气流床。

气流床气化法属于高温气化技术，原料煤具有很大的比表面积，又处于加压条件下，因此气化反应速度极快，气化强度和单炉气化能力比前两类气化技术都高。

目前己经商业化的气化炉，每天可气化约2000-2600t煤。

在气流床的高温下，粉煤的干馏产物全部分解，粗煤气中不含焦油、酚及烃类液体等，有利于简化后续净化系统，对环境污染少。

根据给料方式的不同分为两类:

一类为干法供料，将煤粉直接气力输送至喷嘴，代表炉型为Shell;另一类称为湿法水煤浆供料，是先将煤粉和水混合成为水煤浆，泵送至喷嘴，代表炉型为Texaco。

水煤浆形式容易加压泵送，但会影响气化炉的总体热效率和气化强度，干粉供料具有较好的气化表现。

气流床气化均采用高温液态排渣方式，根据炉内温度，对煤灰熔点有一定要求[姚强等编著.洁净煤技术[M]北京:

化学工业出版社.2005]。

气化温度高于煤灰熔融温度38℃-100℃。

气流床气化炉的共同特点是加压（3-6.5MPa）、高温、细粒度，但在煤处理、进料形态与方式、实现混合、炉壳内衬、排渣、余热回收等技术单元上对策迥异，从而形成了不同风格的技术流派。

下面分别对Texaco,Shell,Prenflo等气化炉的技术特色加以说明。

1水煤浆气化技术研究现状

1.1国外水煤浆气化技术研究概况[黎军.Texaco德士古水煤浆气化工艺概况.安徽化工，2001

（1）.]

水煤浆气化是在重油气化基础上发展起来的第二代煤气化技术，属于加压气流床（又称喷流床）气化工艺，火焰型部分氧化反应，液态排渣。

水煤浆气化是一个很复杂的物理一化学反应过程，水煤浆和氧气喷入气化炉后经历煤浆预热、水蒸发、煤热解、挥发物燃烧和气化、残C气化和水煤气平衡等化学反应，最终生成以CO和H2为主要组分的合成气，基本不含烃类和凝聚物。

水煤浆加压气化工艺是当前世界上发展较快的第二代煤气化方法，其特点[岑可法，姚强，曹欣玉等.煤浆燃烧、流动、传热与气化的理论与应用技术.杭州:

浙江大学出版社，1997.]为：

1）煤种的适应范围较宽；

2）颗粒粉煤制成水煤浆造气；

3）用湿式磨煤机制备水煤浆，工艺安全可靠、噪声低;在加压下气化，单台气化炉的产量大，同时还可以节省气体压缩动力；

4）气化操作温度高，碳转化率可以高达96%-98%以上，气化效率高；

5）煤气中甲烷含量低。

有效气成份（CO+H2）高达80%左右，可以作为生产合成氨、甲醇、UXO产品的原料气，也可以与联合循环发电系统联合生产电力和供热；

6）煤气中不含焦油、蔡、酚等杂质，所以不产生含酚污水，排出的废水处理简单，气化炉排出的煤灰渣可以作水泥或建筑材料的原料；

7）对环境不产生污染；

8）用于生产合成氨，可采用激冷式气化炉系统，装置产出的煤气中含有饱和水蒸汽，可以直接送CO变换工序，无需补加蒸汽。

水煤浆气化的主要缺点有:

氧耗较高、冷煤气效率较低、对设备材料（如耐火砖）要求较严等。

1.1.1Texaco煤气化技术[于海龙.“新型水煤浆气化喷嘴和气化炉的开发以及气化过程数值模拟”.浙江大学博士学位论文，20041-10]

国外将水煤浆气化工艺称作德士古煤气化工艺（TCGP），至今己有59年历史。

1946年美国德士古石油公司受重油气化的启发，首先创建了水煤浆气化工艺，采用将入炉前的水煤浆预热（375-5400C）→气化→75%蒸汽分离的方法，先后进行了扩大试验和中间试验（70t/d），并在加州洛杉矶近郊的蒙蒂贝洛（Montebello）建设第一套中试装置（15t/d），这在煤气化发展史上是一个重大的开端。

早期的德士古气化工艺存在以下明显的缺点：

（1）由于当时技术水平较低，在配制煤浆时还不会应用水煤浆添加剂和不掌握粒级配比技术，煤浆浓度低，一般只有50%左右；

（2）水煤浆制备采用干磨湿配，操作复杂，环境较差；

（3）煤在蒸发过程中易结垢堵塞和磨损；

（4）分离出去的部分蒸汽（-50%）夹带少量煤粉，无法利用，且在排入空气中时造成污染。

德士古公司在Montebello中试基础上，于1956年在西弗吉尼亚州的Morgantown建造了规模100t/d的原型气化炉，断断续续开车两年后于1958年停运。

停炉的主要原因是当时油价低，煤无法与之竞争，另外技术上也有问题。

水煤浆气化技术由于受到当时油价的冲击和一些其他的客观原因，停顿了十多年，直到70年代后才出现了新的转机。

由于70年代初期发生了第一次世界性能源危机（石油危机），一些工业发达国家（如美国、前西德、英国等）重新开发所谓第二代煤气化技术，如Texaco（德士古）、HTW（高温温克勒）、Saarberg/oTTo,Shell-Koppers和BGL等相继问世，并在某些气化工艺开发方面（如德士古炉）取得突破性进展。

70年代初期，德士古公司重新恢复Montebell。

试验装置，于1975年建设一台低压气化炉（LP），规模15t/d，气化压力2AMpa，反应器内径4英尺;1978年再建两台高压气化炉（HP-1,HP-2），规模30t/d，气化压力8.OMpa，反应器内径也为4英尺，三台气化炉都是急冷流程。

在水煤浆进料方面，由水煤浆蒸发改成直接入炉方案，简化了工艺，确保操作稳定性。

中试主要任务是进行煤种评价试验及其他研究开发，共试验了20多个煤种，其中有中国的七五煤（鲁南化肥厂）和大台无烟煤（首都钢铁公司）。

1978年，德士古公司和前西德鲁尔化学公司（RCH）以及鲁尔煤公司（RAG）合作，在前西德奥伯豪森（Oberhausen）的鲁尔化学厂内建设一台德士古示范炉（RCH/RAG），规模150t/d，气化压力4.0MPa,废锅流程。

示范装置是将美国中试成果推向工业化的关键一步，共气化了二十余种固体燃料（包括12种煤、石油焦和煤的液化残渣等），取得了大量的实验数据。

这些数据己用于在特定条件下选择最为经济的原料，指导数学模型的开发。

试验期间，安装了改进后的气化炉，评价了煤浆粗固粒相对含量以及煤浆浓度（60%-70%）、气化压力4.0Mpa时碳转化率已达97%。

1979年，又一个用空气作氧化剂的煤气化工厂在路易斯安娜州的道化学公司投产，该厂的目标是论证向燃气轮机供给煤气发电的可行性。

设计参数为总煤耗360t/d，发电能力1.5万千瓦，气化压力3.2Mpa。

随后，美国、日本、瑞典、意大利等先后投入雄厚力量，致力于水煤浆气化技术的开发，并取得了优异的成绩。

RCH/RAG示范装置研究开发了以下工业化技术：

（1）煤的研磨技术，开发了球磨、棒磨、齿圈磨等多种研磨设备；

（2）水煤浆喷嘴的结构研究，进行了三流式和可调式喷嘴的开发研究；

（3）水冷壁法间接测温技术的研究；

（4）耐火材料的实验研究，含实验室耐火材料腐蚀机理的研究；

（5）余热回收研究；

（6）渣水和灰水处理研究；

（7）数学模型和其它工程研究。

表1.1世界各地的主要示范厂

1982年美国TVA投运一套德士古气化装置，急冷流程，规模180t/d，气化压力3.6MPa，用于部分改造一座以天然气为燃料的氨厂。

RCH/RAG的实验成果给工程公司提供了全套的工程放大技术，美国的Bechtel工程公司首次设计并承包了所有工程，于1988年建设并投运一套田纳西一依斯特曼（TEC）煤气化工厂，规模820t/d,操作压力6.5MPa，急冷流程，用于等压合成甲醇。

气化工艺选用废锅流程，回收的高参数蒸汽和洗涤冷却后的合成气用于联合发电，输出功率lOOMW，总发电效率34%，另备用一台急冷式气化炉。

1984年日本宇部氨厂投运一套气化装置，急冷流程，规模1500t/d（NH31000t/d），操作压力3.6MPa,气化炉三开一备。

同年美国CoolWater电站投运一套大型气化装置，规模910t/d,压力4.0MPa，用于IGCC.1986年前西德投运一套气化装置（SAR）,废锅流程，规模800t/d,操作压力4.0MPa，用于OXO合成。

国外已建大型水煤浆气化装置见表1.1;在美国佛罗里达建成的这套德士古气化装置为废锅流程，规模2400t/d，气化压力2.8MPa，用于IGCC，输出功率250MW。

据称由于提高了燃气轮机入口温度，总的发电效率高于40%，与早期的CoolWater（IGCC）项目相比有较大的改进，其中90%是冷法净化，10%是热净化（除尘和脱硫），如果全部改为热净化，发电效率将提高到42-43%，但是热净化是国际公认的难题，尚在开发之中，要实现工业化尚需时日。

Texaco气化炉示意图如图1.1：

图1.1Texaco气化炉示意图

1.1.1.1Texaco水煤浆气化工艺流程

（1）激冷流程

该流程主要用于制取H2，将生成的粗煤气中所含有的CO经变换后转化为H2,H2可以用来制造合成氨或用于炼油厂加氢精制。

通过激冷产生的蒸汽可以用来满足CO变换H2的需要。

该工艺流程最主要的特点是:

工艺流程简单、设备投资少、热能利用合理、可实现等压合成，特别是用于合成氨生产。

目前世界上在运行的Texaco水煤浆气化炉除用于IGCC的之外，基本都采用此工艺流程。

其流程如下图所示。

图1.2激冷流程

（2）废锅流程

这个流程主要用于制造含氧化合物，如碳基化合物或燃料气用于循环发电。

由于这种流程增加了辐射式锅炉和对流式废热锅炉，设备极其复杂，初期投资很大。

前述己建的几个IGCC联合循环发电装置都采用的这个流程。

其流程示意图如图1.2所示。

图1.3废锅流程

（3）废锅-激冷流程

这个流程主要用于制造CO+H2的混合气体，此时需要调整煤气中所含的CO/H2比，以一部分气体加水蒸气送变换系统将CO转化为H2。

该流程适合于生产甲醇。

它只设置了辐射式锅炉，因此投资介于上述两种流程之间。

1.1.1.2Texaco水煤浆气化工艺特点

Texaco水煤浆气化技术属气流床气化技术，是将粗煤磨碎，加入水、添加剂、助熔剂制成水煤浆，煤浆浓度一般为60-70%，经煤浆加压泵喷入气化炉，与纯氧进行燃烧和部分氧化反应，气化温度1350-14500C，气化压力为2.6--8.0MPa,液态排渣。

该工艺流程具有以下特点：

（1）原料适应性强。

对烟煤、劣质煤、粘结性煤和高硫煤等均能气化，