初探煤气化工艺方案的选择.docx
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初探煤气化工艺方案的选择
初探煤气化工艺方案的选择
1几种煤气化工艺及特点介绍
煤气化是煤化工的龙头技术，是煤洁净利用技术的重要环节，C1化学的基础。
煤气化技术是发展煤基化学品、煤基液体燃料、联合循环发电、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，对我国经济和保障国家安全具有重要的战略意义。
煤气化过程采用的气化炉炉型，目前主要有以下3种：
固定床﹙UGI、鲁奇﹚；
流化床﹙灰熔聚、UGAS、鲁奇CFB、温克勒、KBR、恩德等﹚；
气流床﹙Texaco、Shell、GSP、PRENFLOW、国产新型水煤浆、二段干煤粉、航天炉等﹚。
1.1固定床制气工艺
1.1.1常压固定床间歇制气工艺
工艺特点是：
常压气化，固体加料10-50mm，固体排渣，间歇气化，空气和蒸汽作气化剂，吹风和制气阶段交替进行，适用原料白煤和焦碳，气化温度800～1000℃。
代表炉型有美国的U.G.I型和前苏联的U.G.Ⅱ型。
工艺过程都比较熟悉，这里从略。
技术优点：
历史悠久，技术成熟，设备简单，投资省，生产经验丰富。
技术缺点：
技术落后，原料动力消耗高，炭转化率低70～75%，产品成本高，生产强度低，程控阀门多，维修工作量大，废气、废水排放多，污染严重，面临淘汰。
1.1.2常压固定床连续制气
常压固定床连续制气工艺的技术特点：
常压气化，固体加料，床体排渣，连续制气，富氧空气﹙氧占50%﹚或氧气加蒸汽做气化剂，无废气排放，适用煤种白煤和焦碳。
技术优点是：
连续制气，炉床温度稳定，约为900～1150℃，操作简单，程控阀门少，维修费用低，生产强度大，碳转化率高，约80～84%。
技术缺点：
需要空分装置，投资比较大。
固定床连续制气工艺的技术突破在于以氧气或富氧空气加蒸汽做气化剂，由于气化剂中氧含量的增加，气化反应过程中，燃烧产生的热量与煤的气化和蒸汽分解所需要的热量能够实现平衡，可以得到稳定的反应温度和固定的反应床层，可以实现连续制气，不用专门吹风，无废气排放，生产强度和能源利用率都有了很大的提高。
1.1.3固定床加压气化工艺：
前西德鲁奇公司（Lurgi）开发。
工艺特点：
加压气化，固体加料，固体排渣，连续气化，氧气和蒸汽作气化剂，设有加压的煤锁斗和灰储斗，适用煤种：
褐煤、次烟煤、活性好的弱粘结煤。
技术优点：
加压气化3.1MPa，生产强度大，碳转化率高约90%。
技术缺点：
反应温度略低700～1100℃，甲烷含量较高，煤气当中含有焦油和酚类物质，气体净化和废水处理复杂，流程较长，投资比较大。
1.2流化床工化工艺
流化床气化工艺的总体特点是：
以粉煤或小颗粒的碎煤为原料气化，气化剂以一定的速度通过物料层，物料颗粒在气化剂的带动下悬浮起来，形成流化床，由于物料层处于流化状态，煤粉和气化剂之间混合更允分，接触面积更大，煤粉和气化剂迅速地进行气化反应，反应产生的煤气出气化炉后去废热回收和除尘洗涤系统，反应产生的灰渣由炉底排出。
气流床反应物料之间的传热和传质速率更快，过程更容易控制，生产能力也有了较大的提高。
下面就流化床气化工艺发展过程中的几种工艺的技术特点分别作一下介绍。
1.2.1温克勒﹙Winkier﹚常压流化床气化工艺：
是前西德莱菌褐煤公司和伍德公司20世纪20年代开发的，是世界上最早的流化床气化工艺。
工艺特点：
常压气化，粉煤进料粒度小于9.5mm，干法排渣,氧气或空气加蒸汽作气化剂，炉体上部有分离空间，使煤气当中夹带的半焦和灰颗粒分离，并且用一次空气加蒸汽进一步气化，气化温度815～1100℃，碳转化率70～73%，适用煤种：
褐煤、次烟煤、弱粘结性煤。
主要技术问题：
炉底的炉箅经常出现局部高温，结渣,偏炉现象。
炉出口气体带出物较多，排灰的含碳量较高。
2.2.2恩德常压流化床气化工艺：
是朝鲜恩德郡七.七化工厂20世纪60年代在常压温克勒气化工艺的基础上开发的。
工艺特点:
常压气化，粉煤进料粒度小于10mm，干法渣,氧气或空气加蒸汽作气化剂，取消了炉箅，改造为布风喷嘴向炉内送气，解决了炉底结渣的问题，气化温度950～1050℃，在炉气出口增设了旋风分离气，返料从炉底入炉循环使用。
技术优点：
煤种适从性宽，可气化褐煤、次烟煤、弱粘结性煤，返料循环使用，碳转化率可达76％，极少产生焦油。
技术缺点：
气化压力低，难以实现大规模生产，排灰含碳量高。
1.2.3循环流化床粉煤气化工艺CFB：
20世纪70年代鲁奇公司开发。
工艺特点:
该技术的工艺过程和恩德粉煤气化工艺比常相似，所有不同的是CFB技术的旋风分离器分离的粉尘直接从气化炉上部进入气化炉炉膛，多重循环，使循环物料和新鲜物料之比高达40倍以上，导致碳粒的反复气化，因而碳的转化率很高，可达90%。
由于夹带固体物料的速度大大低于气流速度，气体和固体间的滑动速度较大，因而物料和气化剂间的混介更充分，接触时间更长，气化效率较高。
可以用蒸气加空气、富氧空气、氧气作气化剂，但产气品质不一样。
技术优点：
循环流化床气化，碳的转化率更高了，单炉生产能力大，煤种适应广。
技术缺点：
排灰的含碳量仍然比较高。
1.2.4灰熔聚粉煤循环流化床汽化工艺：
美国煤气研究所在美国能源部﹙DOE﹚的资助下于20世纪70年代开发。
该技术是在常压循环流化床气化工艺的基础上发展起来的，它的技术突破在于采用了灰聚熔技术，所谓灰聚熔指的是：
在炉底中心有一个氧气或空气入口，该处由于氧气或空气的进入，形成一个局部的高温区，在这里灰渣中未反应的碳进一步反应，煤灰则在高温下开始软化并且相互粘结在一起，当熔渣的密度和重量达到一定的程度时灰球就会克服气流的阻力落入炉底。
灰熔聚技术极大地降低了排灰的碳含量，大幅度提高了碳的转化率，是循环流化床气化技术发展史上的重要里程碑，灰熔聚技术使循环流化床气化炉的碳转化率提高到96-98%，气化温度954～1038℃。
技术特点：
灰熔聚循环流化床气化工艺具有循环流化床工艺的一切优点，而且大大提高了碳的转化率，气化剂分两路进入，从炉底排灰管进入一路气化剂的氧含量较高，以实现灰熔聚，U-Gas炉操作压力为0.69～2.41MPa，有带压的煤斗和灰斗，煤气中无焦油，无废气排放。
目前的问题是出口气带灰较多，不能长周期运行。
1.2.5高压灰熔聚粉煤循环流化床汽化工艺：
美国煤气研究所IGT20世纪80年代开发。
该技术是在常压灰熔聚粉煤循环流化床气化工艺的基础上发展起来的，也有进料的煤斗和排灰的灰斗，所不同的是它的操作压力可达2.7～3.4MPa。
该技术对设备阀门的要求比较高，尚未广泛推广开来。
1.3气流床气化工艺
气流床气化工艺的共同特点是：
煤进料的粒度比粉煤流化床气化的进料粒度更小，反应物料被气化剂夹带，以气流床的形式进行反应，因而反应进行得更快。
一般要求反应的温度和操作的压力都比较高。
1.3.1柯伯斯-托切可粉煤气流床气化工艺：
前西德﹙Kopper-Tobek﹚公司20世纪40年代开发。
流程简述：
粉碎研磨合格的煤粉用氮气输送到煤储斗当中，再由螺旋给料机送至混合器，在混合器当中，粉煤在氧气和蒸气的携带下经烧嘴进入气化炉，氧气，蒸气和粉煤一起并流进入气化炉，在气化炉内发生强烈的氧化反应，产生高达2000℃的高温，反应后产生的水煤气先进入废热锅炉回收热量，然后进入洗涤除尘系统。
反应产生的灰份被炉内的高温融化沿气化炉的炉壁流入激冷槽内，冷却固化后由捞渣机排出。
该工艺的主要技术特点是：
粉煤进料小于0.1mm，熔融排渣,常压气化，操作简单，产气当中无焦油和酚及烃类物资，甲烷含量低等特点。
要求煤的活性好，灰熔点适宜。
该技术的缺点是：
氧耗高，对气化炉耐火砖的要求高，显热回收设备多，投资比较大。
1.3.2谢尔粉煤气流床气化工艺：
谢尔﹙Shell﹚国际石油公司在柯伯斯-托切可粉煤气流床气化工艺的基础上开发的。
工艺过程：
与柯伯斯-托切可粉煤气流床气化技术的工艺过程基本相同，所不同的是该工艺的废热锅炉和气化炉不是联体的，而是分开的，而且高温煤气在进入废热锅炉前先和洗涤冷却后的冷煤气混合激冷到1000℃以下再进入废热锅炉，有效地防了熔融灰渣粘结到废热锅炉壁上。
技术特点：
粉煤进料粒度90%通过170目筛网，气流床反应，加压气化3.0～4.OMPa，气化温度1340℃熔融排渣，夹套水冷，煤种适应宽，几乎可以气化所有煤种，气化效率高，一般98%以上，产品气当中有效气成分在90%以上，无焦油类物资，适应于制气和商业化联合发电装置IGCC。
技术缺点是:
技术费用高、投资大，采用的夹套水冷壁使用寿命只有25年，而且该技术难以实现国产化。
1.3.3德士古水煤浆加压气化工艺：
美国德士古﹙Texaco﹚公司20世纪70年代开发。
工艺过程：
磨制合格的水煤浆由泵加压后和氧气经特制的烧嘴喷入气化炉，水煤浆被高效雾化并蒸干水分后和氧发生复杂的氧化还原反应生成水煤气，生成的水煤气和熔渣一起进入气化炉下面的激冷室，熔渣被冷却固化后经锁灰斗收集排出，水煤气激冷后出气化炉激冷室去洗涤除尘系统。
技术特点:
水煤浆进料，加压气化，纯氧作气化剂，熔融排渣,原料适应范非比常广，碳转化率高94-98%，有效气成分高达84%，废物排放少，生产能力大，前景广阔。
水煤浆浓度65％，粒度99%通过14目筛网。
技术缺点：
氧耗比较高，投资大、技术费用高。
2其它制气技术
2.1“热-电-煤气”三联产煤制气技术
“热-电-煤气”三联产煤制气技术是在热电联产的基础上以较少的投资获得高品质、低成本煤气的一种制气方法。
该技术利用热电厂循环流化床锅炉的循环热灰对煤（次烟煤、褐煤等）进行干馏产出煤气经净化后供给用户。
“热-电-煤气”三联产煤制气的实质是：
原料煤在送入锅炉之前先将煤中的挥发分提出，产出煤气。
提出挥发分的煤变成半焦。
半焦作为主要燃料直接送入锅炉炉膛燃烧。
锅炉产生蒸汽用于发电、供热，从而实现热、电、煤气三联产。
1-CFB锅炉燃烧室；2-旋风分离器；3-热灰输送阀；4-热分解反应器；
5-煤斗；6-气液分离器；7-半焦输送阀；8-罗茨鼓风机
图1热-电煤气三联产工艺流程示意图
优点：
⑴原料煤为劣质煤（褐煤、次烟煤等），煤种在我国分布广，价格低。
⑵工艺过程反应条件温和（常压、中温）。
⑶工艺过程无氧化反应，基本上不增加CO2气体排放。
⑷节能效果显著，工艺部分与热电联产相结合，综合热效率可达90%。
局限：
⑴制煤气工艺的实现必须依附于循环流化床锅炉的正常运行。
⑵对原料煤的煤种有一定的限制。
3煤气化技术发展趋势
世界现代煤炭气技术的特点及发展趋势是：
⑴气化压力向高压发展气化压力由常压、低压﹙﹤1.0MPa﹚向高压﹙2.0～8.5MPa﹚气化发展，从而提高气化效率、碳转化率和气化炉能力，实现气化装置大型化和能量高效回收利用，降低合成气的压缩能耗或实现等压合成﹙如甲醇低压合成﹚，降低生产成本。
如Texaco气化压力可达6.5～8.5MPa，Shell气化压力为2～4MPa。
⑵气化炉能力向大型化发展Texaco和Shell单台气化炉气化煤量已达到2000吨/天以上。
Prenflo气化炉气化煤量已达2600吨/天。
大型化便于实现自动控制和优化操作，降低能耗和操作费用。
⑶气化温度向高温发展Texaco气化温度1400～1500℃，Shell气化温度高达1400～1700℃，流化床气化温度为1000～1200℃，气化温度高，煤中有机物质分解气化，消除或减少环境污染，对煤种适应性广。
⑷不断开发新的气化技术和新型气化炉，提高碳转化率和煤气质量，降低建设投资目前碳转化率高达98%～99%，煤气中CO+H2达到80%～90%。
⑸现代煤气技术与其它先进技术联合应用如与燃气轮机发电组合的IGCC发电技术；高压气化﹙6.5MPa﹚与低压合成甲醇、二甲醚技术联合实现等压合成，省去合成气压缩机，使生产过程简化，总能耗降低。
⑹煤气化技术与先进脱硫、除尘技术相结合，实现环境友好，减少污染如在气化炉内加入脱硫剂﹙石灰石﹚，脱硫效率可达80%～90%；采用高效除尘器使煤气中含尘降到1～2mg/m3。
总之，先进流化床、气流床煤气化技术已实现工业化和大型化，并不断改进和完善，应用范围不断扩大，是今后的发展方向。
4煤气化工艺比较
4.1固定床制气工艺
富氧连续制气比间歇制气的进步是用富氧空气作气化剂，实现了连续气化，鲁奇加压气化比常压富氧连续气化，提高了操作压力，生产强度提高了。
4.2流化床气化工艺
恩德粉煤气化技术旋风除尘分离的灰尘返回气化炉回收利用，比温克勒技术的碳的转化率提高了。
CFB的除尘分离物料直接从气化炉上部入炉，多重循环流化，气化效率更高了。
灰熔聚粉煤气化技术采用了灰熔聚技术，降低了排灰的碳含量进一步提高了碳的转化率。
加压的灰熔聚技术提高了气化压力，进一步提高了装置的生产强度。
4.3气流床气化工艺中
Shell气化技术比Kopper-Tobek气化技术的压力提高了，生产强度提高了。
Texaco气化技术比上两种气流床气化技术的进步在于使用了水煤浆进料，操作更容易控制，压力及生产强度可以提得更高。
4.4其他技术
除了上述介绍的气化技术外还有其他一些气化技术，比如：
江苏理工大学开发的常压间歇流化床粉煤气化技术，华东理工大学和鲁化开发的多喷嘴水煤浆气化技术，中科院山西煤炭化学研究所开发的灰熔聚粉煤气化技术。
国外的新技术有：
鲁奇公司开发的熔渣炉奇炉﹙63BCG/lurgi﹚气化技术、德国的高温温克勒﹙HTW﹚气化技术、美国的西屋﹙Westinghouse﹚流化床气化技术、粘聚灰流化床气﹙Batte1e-UnionCarbide﹚气化技术、粉煤气化技术。
另外还有其他的一些新技术，比如DOW炉、PRENFOL炉、德意志燃料技术研究所开发的GSP炉等技术。
几种常用煤气化炉的主要气化工艺性能和指标比较见表1、表2、表3：
表1固定床气化炉技术指标
项目
气化炉炉型
U．G．I炉
M型炉
W．G型炉
鲁奇炉
气化炉规格
炉膛内径/m
气化炉总高/m
φ2.4～3.6
8.5～12.6
φ2.0～3.0
8.9～9.2
φ2.0～3.0
13.88
φ2.4～5.0
12～13.2
原料煤种
入炉煤粒度/mm
无烟煤、焦炭
13～75
无烟煤、烟煤
18～60
无烟煤、焦炭
6～25
褐煤、烟煤
5～50
气化条件
气化压力/kPa
气化温度/℃
炉顶温度/℃
气化强度/﹙kg.m-2.h-1﹚
18～20
900～1000
350～400
350～560
4.0～6.0
870～1000
450～500
200～250
8～10
900～1050
450～500
280～340
2500～2942
950～1100
350～450
700～1050
消耗定额
氧气消耗率/「m3标.kg-1煤」
空气消耗率/「m3标.kg-1煤」
蒸汽消耗率/「kg-1.kg-1煤」
粗煤气产率/「m3标.t-1煤」
2.8～3.1
1.4～1.6
1600～1870
2.80～2.90
0.3～0.5
3000～3600
2.0～2.5
0.35～0.6
3000～4000
0.15～0.20
1.1～1.4
1400～1600
干煤气组成/％﹙v﹚
H2
CO
CO2
CH4
O2
N2
半水煤气
39～41
28～30
7.5～8.5
1.0～1.2
0.3～0.4
19～21
空气煤气
11～12
27～29
4.0～5.0
0.4～0.5
0.20.3
52～54
空气煤气
12～13
28～30
3.5～4.5
0.5～0.8
0.2～0.3
52～53
38～39
15～18
31～32
10～12
0.150.20
1.2～1.5
煤气低热值﹙标﹚/MJ.m-3
8.3～8.5
5.2～5.4
5.4～5.6
10.2～10.5
表2流化床气化炉技术指标
项目
气化炉炉型
HTW
CFB
U-gas
灰熔聚
气化炉参数
炉膛内径/m
气化炉体高度/m
φ2.2～3.7
16～23
φ2.8～3.5
11～18
φ1.2～2.6
15.3～18.5
φ2.4～3.0
15～18
原料煤种
入炉煤粒度/mm
入炉煤含水量/%﹙m﹚
气化炉进煤量/t.d-1
褐煤、次烟煤
0～10
﹤12
168～2840
焦炭、次烟煤
树皮、木屑
0～6
﹤11
500～2000
褐煤、变质煤
甘蔗渣、木屑
0～6
﹤3
120～260
褐煤、烟煤
焦粉
0～8
﹤5
120～216
气化条件
气化压力/kPa
气化温度/℃
入炉蒸汽温度/℃
炉顶温度/℃
1.0～3.0
950～1050
250～300
900～950
0.05～0.2
850～1100
150～200
900～1000
0.22～2.7
950～1050
250～285
900～980
0.03～0.05
950～1100
280～310
950～100
消耗定额
氧气消耗率/「m3标.kg-1煤」
蒸汽消耗率/「kg-1.kg-1煤」
粗煤气产率/「m3标.t-1煤」
0.486
0.52
1600～1850
0.504
0.59
1700～1850
0.6～0.7
0.45～0.72
4680～4970
0.47～0.54
0.6～0.8
2200～2400
干煤气组成/％﹙v﹚
H2
CO
CO2
CH4
O2
N2
32～34
36～38
9.0～10.0
2.0～2.2
0.2～0.3
0.6～1.3
36～38
43.5～45.2
13.5～15.6
2.0～2.5
0.2～0.3
0.6～1.3
15～16
20～21
8～9
08～1.5
0.2～0.3
56～57
38～39
31～32
21～22
1.8～2.1
0.2～0.4
4.0～6.0
煤气低热值﹙标﹚/MJ.m-3
8.8～9.2
10.3～10.6
4.6～4.8①
8.85～9.1
①U-gas气化剂为空气和水蒸汽，因此煤气中含N2很高，煤气热值低。
表3气流床气化炉技术指标
项目
气化炉炉型
Texaco
Shell
K-T
Prenflo
气化炉参数
炉膛内径/m
气化炉体高度/m
φ1.7～3.0
14.27～19.85
φ4.5
φ2.0～3.5
φ1.5～5.0
30～45
原料煤种
入炉煤粒度/mm
入炉煤含水量/%﹙m﹚
气化炉进煤量/t.d-1
低灰熔点烟煤
﹤0.076占70%
35～40
500～2000
烟煤
﹤0.15占90%
﹤2.0
400～2000
烟煤
﹤0.076占80%
﹤2.0
430～860
烟煤、石油焦
﹤0.1占75%
约2.0
150～2600
气化条件
气化压力/kPa
气化温度/℃
入炉蒸汽温度/℃
加煤方式
3.5～6.5
1400～1500
不加蒸汽
水煤浆
2.0～4.0
1400～1700
250
干煤粉
0.03～0.05
1500～1600
250～260
干煤粉
2.6
1500～1600
250～300
干煤粉
消耗定额
氧气消耗率/「m3标.kg-1煤」
蒸汽消耗率/「kg-1.kg-1煤」
粗煤气产率/「m3标.t-1煤」
0.62～0.65
0
1.9～2.1
0.56～0.57
0.13～0.15
1.7～1.86
0.60～0.65
0.4～0.5
1.75～1.80
0.55～0.58
0.16～0.18
1.86～1.92
干煤气组成/％﹙v﹚
H2
CO
CO2
CH4
N2+Ar
O2
CO+H2
35～36
45～46
17～18
0.02～0.03
0.7～0.8
0.1～0.2
80～82
26～28
61～63
1.8～3.8
0.01～0.02
4.3～5.4
0.1
89～92
26.5～27.5
63～65
1.5～2.0
约0.1
89.5～93.0
22.08
60.51
3.87
0.01
13.53
82～83
煤气低热值﹙标﹚/MJ.m-3
9.6～9.72
10.5～11.0
11～12
9.7～9.8
5煤气化工艺方案的选择
5.1专家意见
评价煤气化工艺技术必须建立在是否属于洁净煤气化技术的基础上。
到现在为止，可以说还没有万能的煤气化炉型和气化技术，各种煤气化炉型和气化技术都有其特点、优点和不足之处，且都有其对煤种的适应性和对煤气化后的最终产品的适用性。
在工艺技术方案选择上必须选择经过大量试验、工业性示范和工业生产实践的工艺。
要择优选用节能、投资省、成本低、效率高、对环境无污染或轻度污染且易于处理的洁净煤气化技术。
在评价煤气化工艺时要从全厂总流程的观点上作技术经济分析评价，切不可只从某一种煤气化工艺技术的角度作局部和不客观的评价，也不可只听专利商的片而介绍而作出局部的不全而的技术经济评价。
根据现有各种煤气化工艺技术，可将其分为以下几种类型。
⑴逐步被淘汰型如有常压固定床间歇式无烟煤（或焦炭）气化技术。
⑵适用于中小型氮肥厂改变原料路线和进行技术改造如常压固定床无烟煤（或焦炭）富氧连续气化技术、灰熔聚煤气化技术和恩德粉煤富氧气化技术。
⑶适用于联合循环发电或制取燃料气如鲁奇固定床煤加压气化技术、德士古﹙Texaco﹚废热锅炉型水煤浆加压气化技术、壳牌（Shell）废热锅炉型干煤粉加压气化技术。
⑷己完成中间试验，有待经受商业化运行考验如两段式干煤粉加压气化和四喷嘴对置式干粉煤加压气化技术。
⑸国外己有商业化运行经验，适用于大型化装置如德士古﹙Texaco﹚水煤浆加压气化（达4.0，6.5，8.5MPa）技术、多原料浆加压气化技术、多喷嘴水煤浆加压（达4.0和6.5MPa）气化技术。
⑹国外己有商业化运行经验，国内正在建立示范装置如GSP干煤粉加压气化技术。
⑺适用于制造城市煤气和燃料气如鲁奇固定床煤加压气化技术。
5.2方案的选定建议
从上述的各种煤气化工艺特点看，选择一套适合本地域用煤气化工艺，除考虑工艺的先进性、投资规模等因素外，还需考虑能否与本企业资产﹙源﹚相结合。
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