煤气化方法的比较及分析

第3期(总第148期煤化工No.3(Total No 148)2010年6月Coal Chemical IndustJun.2010煤气化方法的比较及分析苏万银(北京和利时系统工程有限公司,北京100096)摘要分析比较了固定床、流化床、气流床3种气化方式中各典型工艺的工艺流程、优缺点及工业化应用关键词煤气化固定床流化床气流床文章编号:1005-9598(2010)-03001005中图分类号:TQ546文献标识码:A我国是一个缺油少气、煤炭资源相对比较丰富的国BGL高温熔渣煤气化技术。国家,特别是近年来由于世界性的油气价格上扬,使1.1常压固定层间歇式无烟煤(或焦炭)气化技术得煤制甲醇、煤制油、煤制天然气、煤制烯烃、煤制二固定层间歇气化技术要求原料为25mm-75mm的甲醚等以生产洁净能源产品和替代石油产品为主的块状无烟煤或焦炭,采用空气和蒸汽作为气化剂,常新型煤化工产业,在中国能源的可持续利用中扮演了压间歇气化。其特点是投资低,技术成熟,目前我国小重要角色。发展煤化工离不开合成气的制备煤气化氮肥、小甲醇厂大约仍有4000台设备在役。但该技就是制备合成气的必要手段。如何选择一个合适的煤术气化效率低,操作繁杂,单炉产气量少,吹风过程中气化技术已是当前煤化工产业面对的一个重要课题,放空气对环境污染严重,属于将逐步淘汰的工艺。各种气化工艺技术都有其特点和优缺点,有其适应范1.2常压固定层无烟煤(或焦炭)富氧连续气化技术围。从早期的技术引进,到现在国内煤气化技术的不该技术采用富氧为气化剂、连续气化、原料采用断研发,事实证明,只有通过生产实践长期稳定运行8m-10mm粒度的无烟煤或焦炭,提高了进厂原料利考验过的,经济上合理、环境上符合国家环保要求的,用率,对大气无污染、设备维修工作量小、维修费用才是最可靠的气化技术。低、适合于有无烟煤的地方,是对已有常压固定层间1固定床气化歇式气化技术的改进。但该技术只能采用焦炭或无烟煤作原料,价格高;且生成气中氮气含量高,不适合作在气化过程中,块煤或碎煤由气化炉顶部加人,合成甲醇的原料气。气化剂由底部通入,煤料与气化剂逆流接触,相对于13鲁奇固定层煤加压气化技术气体的上升速度而言,煤料下降速度很慢,甚至可视鲁奇固定层煤加压气化技术采用固态排渣,主要为固定不动,因此称之为固定床气化;而实际上,煤料用于气化褐煤、不黏结性或弱黏结性的煤,要求原料在气化过程中是以很慢的速度向下移动的,比较准确煤热稳定性高、化学活性好、灰熔融性温度高、机械强的称其为移动床气化。该技术成熟,但单炉气化能力度高。其主要优点包括:可以使用劣质煤气化;加压气小,副产物多煤种适应性差,环境友好性差。化生产能力高;氧耗量低;鲁奇炉是逆向气化,煤在炉固定床气化的代表工艺有常压固定层间歇式无内停留时间长达1h;反应炉的操作温度低、碳效率烟煤(或焦炭)气化技术、常压固定层无烟煤(或焦炭)高、气化效率高。鲁奇固定层煤加压气化技术在合成富氧连续气化技术、鲁奇固定层煤加压气化技术、英氨、甲醇、城市煤气和合成油中都有应用,山西天脊集团采田该气化持术生产合成領运行状况较好。目前收稿日期:2010-01-21国内中国煤化工年代初从国外引作者简介:苏万银(1971-),男,199年毕业于合肥工业进的CNMHG,已经比较成熟大学化工学院,工程师,多年从事煤气化、合成氨生产管理虽然鲁奇气化工艺优点很多,但由于固定床气化工作,现从事化工领域DCS控制系统方面的工作只能以不黏块煤为原料,不仅原料昂贵,气化强度低,2010年6月苏万银:煤气化方法的比较及分析11而且气-固逆流换热粗煤气中含有焦油、高碳氢化炉装置已处于停产或半停产状态。合物(体积分数约1%)、甲烷(体积分数约10%),同22U-Gas气化技术时,焦油分离、含酚污水处理都比较复杂。该气化产生gas气化工艺由美国煤气工艺研究所(GT)于的煤气热值高,较适合作为城市煤气和燃料气,不推20世纪70年代开发,属于单段流化床粉煤气化工荐用以生产合成气。艺,采用灰团聚方式操作,煤种适用性极广。气化装置14英国BGL高温熔渣煤气化技术包括破碎、干燥、筛分、煤仓、进料锁斗系统、耐火材料英国BCL高温熔渣煤气化技术是20世纪90年衬里的气化炉、炉底部灰团聚排渣装置、旋风除尘、煤代初从鲁奇固定床加压气化技术发展而来,通过固定气冷却、洗涤和排灰锁斗系统等。2008年,UGas在国床液态排渣,技术较为成熟。该技术在原鲁奇固定床内与河南义马煤业集团正式签订1000万m/d煤制加压气化炉基础上,结合了熔渣气化技术气化率高、气合资经营合同,义马长焰煤在U-Gas气化装置上成气化强度高的优势和鲁奇气化技术氧耗低及炉体廉功试烧;连同早期的埃新斯(枣庄)新气体有限公司价的特点,克服了熔渣气化技术高能耗和鲁奇固定床10万t/a甲醇项目和综能协鑫(内蒙古)煤化工有限加压气化技术低效率及废水处理成本高的弱点,具有公司22.5万t/a甲醇、15万t/a二甲醚项目,通过建设投资少、建设周期短、产气率高、气体热值高、能投资合作形式,UGas技术已经在中国推广应用于3耗低、资源利用率高、运行和维护成本低的综合优势。个煤化工项目上。2流化床气化23灰熔聚流化床粉煤气化技术灰熔聚流化床粉煤气化以碎煤为原料(<6m流化床技术是以粒度为0m-10m的小颗粒煤为8m),以空气或氧气或富氧为氧化剂,水蒸气或二氧化气化原料,以空气、氧气或富氧和蒸汽为气化剂,气体碳为气化剂,在部分燃烧产生的高温(950℃-1100℃)从炉下部进入,在适当的煤粒度和气速下,与碎煤形下进行煤的气化。气化炉是一个单段流化床,可在流成流化状态,在气化炉内使碎煤悬浮分散在垂直上升化床内一次实现煤的破黏、脱挥发分、气化、灰团聚及的气流中,煤粒在部分燃烧产生的高温沸腾状态下进分离焦油及酚类的裂解。带出细粉经除尘系统捕集行气化反应,从而使得煤料层内温度均一,故被称为后返回气化炉,再次参加反应,有利于碳利用率的进流化床造气(又称沸腾床)。流化床气化炉的代表有德一步提高。灰熔聚流化床粉煤气化技术的主要优点国的温克勒气化炉、恩德炉,美国的UGas气化炉,国有:(1)操作温度适中,无特殊材质要求,耐火材料使内主要有中科院山西煤炭化学研究所开发的灰熔聚用寿命可达10a以上,连续运转可靠性高。(2)灰团流化床粉煤气化炉。聚成球,与半焦有效分离排灰碳含量低(<10%)。(3)炉21恩德炉粉煤气化技术内形成一局部高温区(1200℃-1300℃),气化强度高。恩德炉属于改进后的温克勒沸腾层煤气化炉,要(4)飞灰经旋风除尘器捕集后,返回气化炉,循环转求原料煤不黏结或弱黏结性灰分25%-30%,灰熔融性化,碳转化率可达90%。(5)煤气中几乎不含焦油和挥温度高(ST>1250℃)低温化学活性好(在950℃时,发酚洗涤水易净化循环利用煤中硫90%以HS形式应>85%,1000℃时,应>95%)气化剂采用蒸汽和富转化到煤气中,容易脱除回收;无废气排放,有利于环氧,富氧分两段加入气化炉,在常压下进行气化反应,境保护。主要的缺点是合成气中(C0+H2)为68%-72%使粉煤沸腾流化,反应温度为1000℃-1100℃,固态有效气体成分较低、产品气中CH4体积分数较高排渣,无废气排放。气化炉无炉箅,空筒气化,操作可(1.5%~2.0%),虽然采取了飞灰循环入炉气化措施,靠,气化炉运转率可达92%。合成气适于作合成氨原料但第二旋风分离器排出细灰量还是比较大,环境污染气。主要缺点是气化压力为常压,单炉气化能力还比较及飞灰堆存和综合利用问题有待进一步解决;其次是低,有效气体含量较低且含氮高,产品气中CH4体积分气化压力低、单炉产气量小。此技术适合于中小型氮数高达1.5%~2.0%,飞灰量大、环境污染及飞灰堆存和肥厂利用就地或就近的煤炭资源改变原料路线。灰熔综合利用问题有待解决。不适合作甲醇合成气。聚流气化日前尢正油碱厂项目中运行恩德炉在国内共有13套22台气化炉,已投产的状况轧中国煤化工有16台,在建的如呼伦贝尔东能化工气化装置。目前CNMHG最大的气化炉采用富氧气化,产气量为40000m/h半水煤气。但因飞灰含碳高污染环境部分厂家的恩德气流床气化中用气化剂将粒度为100um以下的12煤化工2010年第3期煤粉带人气化炉内,也可将煤粉先制成水煤浆,然后剂技术;(3)新型结构的气化炉;(4)灰水处理系统及用泵打入气化炉内,煤料在高于其灰熔融性温度下与排渣技术;(5)系统放大技术;(6)多元料浆气化软件气化剂发生燃烧反应和气化反应,灰渣以液态形式排评价体系。出气化炉。成熟的粉煤气流床工艺主要以GE德士古西北化工研究院目前已与国内多家化工设计院( Texaco)水煤浆加压气化技术、壳牌(Shel1)干煤粉合作,在国内推广多元料浆气化技术,已投产及在建加压气化技术、GSP干煤粉加压气化技术为代表,但项目共计有12个进口技术及设备给国内企业带来了很大的资金压力。3.3多喷嘴(四喷嘴)水煤浆加压气化技术可喜的是,目前国内粉煤气化技术已完全可以和国外多喷嘴(四喷嘴)水煤浆加压气化技术是“九五”技术在同等水平上竞争。在湿粉气化技术即水煤浆气期间由华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化化技术方面,国外有GE水煤浆气化技术,国内有西北学工程公司合作开发的。该装置改德士古炉单喷嘴为化工研究院的多元料浆加压气化技术、华东理工大学对置式多喷嘴,强化了热质传递,碳转化率达到98%与兖矿集团有限公司共同完成的多喷嘴对置式水煤以上,与单喷嘴气化炉相比,多喷嘴气化炉比煤耗可浆气化技术,以及清华大学、北京达立科科技有限公降低约2.2%,比氧耗可降低6.6%,同时调节负荷比单司和山西丰喜肥业集团共同完成的非熔渣-熔渣分喷嘴气化炉灵活。适宜于气化低灰熔融性温度的煤,级气化技术;在于粉气化技术方面,国外有 Shell的气化效果优于德士古炉。多喷嘴气化与单喷嘴气化技干粉气化技术和GSP技术,国内有华东理工大学与兖术指标对比见表1。矿集团有限公司的四喷嘴干粉气化技术、西安热工研表1多喷嘴气化与单喷嘴气化结果对比究院的两段式干粉气化技术及北京航天十一所的航有效气成分碳转化有效气比煤有效气比氧天炉技术等。(COH2)/%率/%耗/kgkm3耗/m·km31GE德士古( Texaco)水煤浆加压气化技术多喷嘴气化84.998.8535Texaco水煤浆加压气化工艺是由美国德士古开单喷嘴气化82.0-83.090:.0-54发公司研发的。该气化炉国内大约有30台,主要用于生产合成氨、甲醇和制氢,大部分是采用水激冷工艺但这种技术比德士古技术多了3套喷嘴和其相流程,但在IGC发电项目中,也采用废锅流程。其优应的高压煤浆泵、煤浆阀、氧气阀、止回阀、切断阀及点是对原料煤适应性较广,气煤、烟煤、次烟煤、无烟连锁控制仪表,1套投煤量1000t/d的气化炉投资比煤、高硫煤及低灰熔融性温度的劣质煤、石油焦等均单喷嘴气化炉系统的投资多2000万元-3000万元,能作为气化原料;气化压力从2.5MPa、4.OMPa、设备投资和维修工作量加大。6.5Pa到8.5Ma皆有工业性生产装置在稳定、长周3.4非熔渣-熔渣分级气化技术期运行;气化炉结构简单,为耐火砖衬里;装备国产化由北京达立科公司与清华大学、丰喜肥业共同开率高(已达90%以上),投资较低。缺点是气化用原料发的清华炉(非熔渣-熔渣分级气化技术)现已取得煤受气化炉耐火砖衬里的限制,适宜于气化低灰分、实质性进展。原料(水煤浆、干煤粉或其他含碳物质)低灰熔融性温度的煤;碳转化率较低;比氧耗和比煤通过给料机和燃料喷嘴进入气化炉的第一段,采用纯耗较高;气化炉耐火砖使用寿命较短,一般为1a左氧作气化剂,采用其他如02或与02以任意比例相混右;气化炉烧嘴使用寿命较短,一般使用辋0d左右,需合的CO2N2水蒸气等作为预混气体,调节控制第停车进行检查维修或更换喷嘴头部。段氧气的加入比例,使第一段的温度保持在灰熔融性32多元料浆加压气化技术温度以下;在第二段再补充部分氧气,使第二段的温多元料浆加压气化技术是由西北化工研究院开度达到煤的灰熔融性温度以上并完成全部的气化过发的,具有自主知识产权。其基本生产装置与水煤浆程,从而实现煤的非熔渣-熔渣分级气化。加压气化技术相仿,属气流床单烧嘴下行制气。典型由于清华炉自身的特点,降低了主喷嘴氧化强的多元料浆组成为含煤60%-65%,油料10%-15%,水度,延长了其老命,亚田分绍气流床气化技术,运20%-30%,已成功应用于油气化装置的改造。该技术行周中国煤化工把业集团气化装置部分设备已获得国家专利,技术主要创新点有:(1)多(20CNMHG自200年1月23元料浆组成的优化设计,提高料浆的有效组成降低日首次投料至今,年运转率达到94%,年负荷率达到消耗的系统技术;(2)多元料浆制备工艺技术和添加120%,创造了国内水煤浆气化装置运行的好成绩。目2010年6月苏万银:煤气化方法的比较及分析前又有5套装置进入建设阶段:山西洪洞山西焦化、气化炉采用水冷壁炉膛、液态排渣。运行时,向下内蒙古鄂尔多斯金诚泰、内蒙古呼伦贝尔大唐电力、炉膛内喷入粉煤、水蒸气和氧气,向上炉膛喷人少量内蒙古鄂尔多斯上海惠生、山西临猗丰喜肥业三期工粉煤和水蒸气。利用下炉膛的煤气显热进行上炉膛煤程等,气化炉单炉投煤量从600t/d到1800t/d。的热解和气化反应,以提高总的冷煤气效率;同时显35She干煤粉加压气化技术著降低热煤气温度,使得炉膛出口的煤气降温至灰熔煤粉、氧气及蒸汽在加压条件下并流进入气化炉融性温度以下,从而省去冷煤气激冷流程。下炉膛内,在极短的时间内,完成升温、挥发分脱除、裂解、为第一反应区,输入煤粉(粉量占总量的80%-85%)燃烧及转化等一系列物理和化学过程。 Shell粉煤与同时喷入的水蒸气和氧气发生气化与不完全氧化气化炉的主要优点有:(1)干粉煤进料,煤种适应性反应,使炉膛内温度维持在1300℃-1600℃,生成高广;(2)气化温度高(1400℃~1500℃),碳转化率可达温煤气。高温煤气进入上炉膛,熔融渣沿水冷壁面流98%左右,产品气中甲烷含量低,有效气体积分数高达至气化炉底部水浴凝结成固状颗粒。上炉膛为第二反90%;(3)与 Texaco水煤浆气化炉相比,氧耗可降低应区,高度较长,喷入二次煤粉(粉量占总量的15%15%25%;(4)单炉生产能力大,达2000t煤/d;(5)20%),同时也喷入过热蒸汽,利用一段炉膛生成的高采用水冷壁,无耐火衬里,维护工作量小;(6)气化热温煤气的显热进行热裂解和部分气化(未气化的煤粉效率髙,冷煤气效率可达80%;(⑦)气化废水处理较简经过除尘收集后返回到磨煤机)。由于没有注入氧气,单,可以做到零排放。其主要缺点有:(1)国产化率本段发生的是吸热反应,降低了炉内的高温煤气温低,装置投资高,动力消耗大,废热锅炉维修工作量度。在水冷壁的作用下,气化炉出口的高温煤气温度大;(2)气化炉单炉运行,没有备用炉,不利于生产的进一步降低到约900℃(灰熔融性温度以下),这样就连续稳定;(3)排出气化炉的高温煤气如用于制合成避免了高温煤气中携带的灰渣在废热锅炉中凝结堵氨和氢气,副产的蒸汽量还不够用,需要另设中压过塞管道。生成的煤气由顶部排出,生成的熔融态的炉热蒸汽系统。因此, Shell带废热锅炉的干煤粉加压渣向下流入炉底部的水域,被激冷后定期排出。气化技术在用于煤化工产品的生产中,尚有待改进。两段式干煤粉加压气化技术特色主要有:(1)气3.6GSP干煤粉加压气化技术化温度范围1300℃-1700℃,气化反应压力0.5MPa-GSP气化技术由德国未来能源公司开发。经过干4.0MPa,碳转化率达99%以上,有效气体成分(CO+H2)燥、磨细后的干煤粉由气化炉顶部进入,属单烧嘴下达90%以上。不产生焦油、酚等凝聚物,不污染环境,行制气,气化炉内有水冷壁内件(。目前国外最大的合成气质量好;(2)煤种适应性好,可气化褐煤、烟GsSP气化炉投煤量720t褐煤闶d,操作压力2.8MPa,操煤、贫煤、无烟煤以及高灰分、高灰熔融性温度的煤作温度1400℃~1500℃,为调节炉温,需向气化炉内运行稳定可靠;(3)气化炉采用水冷壁结构,以渣抗输入过热蒸汽,已有6年采用褐煤为原料进行气化的渣,无耐火砖衬里,维护量少,无需备炉。水冷壁寿命经验。气化髙灰熔融性温度的煤时,可以在原料煤中长达20a,烧嘴寿命长达10a;(4)与国外先进干法气添加石灰石作助熔剂。该公司在 Freiberg建有中试化技术相比,冷煤气效率提髙2%-3%,比氧耗低10%气化装置,至今设备完好;目前已对中国淮南煤作了15%;与水煤浆气化技术相比,冷煤气效率提高7%气化试验,情况较好。GSP煤气化技术特点有:(1)原10%,比氧耗降低20%-~30%;(5)可省略冷煤气循环激料适应范围宽,GSP气化对煤质要求不苛刻,粒度冷流程,使得系统自耗功大幅度降低,同时煤气冷却250ym-500μm,灰分1%20%,灰熔融性温度1100℃-器及净化系统的设备尺寸减小1/2;(6)气化系统全1500℃;(2)水冷壁结构,即所谓的“以渣抗渣”的结部国产化,比国外先进的干法气化炉造价低40%左构,避免了因高温、溶渣腐蚀及开停车产生应力对耐右。其缺点是合成气中cH4含量较高,对制合成氨、甲火材料的破坏,可单炉运行;(3)供料系统采用400kg/m3醇、氢气不利惰性气体密相气流输送,点火升温迅速,负荷弹性可两段式干煤粉加压气化有废热锅炉和激冷两种在500-110%运行。神华宁夏煤业集团有限责任公司流程。其中座执铞怕刑气化装活用于联合循环发釆用GSP干煤粉加压气化技术建设830kt/a二甲醚,电,其中国煤化工化炉(废锅流程)一期600kt/a甲醇项目,单炉投煤量约2000t/d,是已应CNMHG另一套示范装置第一套商业性示范装置。投煤量1000t/d气化炉(激冷流程),已应用于内蒙37两段式干煤粉加压气化技术古世林化工有限公司300kt甲醇/a项目。14-煤化2010年第3期3.8四喷嘴对置式干粉煤加压气化技术的合成气送去变换。渣经破渣机、高压变低压锁斗,排四喷嘴对置式干粉煤加压气化技术是在华东理到捞渣机,进行渣水分离,水回收处理利用;灰水经高工大学、兖矿鲁南化肥厂(水煤浆气化及煤化工国家压闪蒸、真空闪蒸后到沉降池,清水作为激冷水回收工程研究中心)、中国天辰化学工程公司3家通力合利用,浆水经真空抽滤后制成滤饼。作下开发的具有自主知识产权的煤气化技术,中试装HT-L气化炉的烧嘴是航天十一所自行研制,采置投煤能力为15t/d-45t/d,建于兖矿鲁南化肥厂。用点火烧嘴、开工烧嘴、煤烧嘴一体,点火烧嘴在中气化炉为热壁炉,内衬耐火砖。干粉煤由气化炉上部心,使用0.2MPa的天然气,开工烧嘴采用天然气压缩经4个烧嘴加入,产生的合成气下行经水激冷后出气机出口的1.7Ma的天然气,炉膛升压到1.OMPa后,3化炉。中试装置作了以氮气为输送载气和二氧化碳为条煤粉管线同时投煤(由于氧管线只有1条,氧煤比输送载气的试验。气化温度为1300℃-1400℃,气化按总量控制),投煤后,开工点火烧嘴退出。气化炉采压力为2.0MPa-3.OMPa,取得了较好的工艺数据:有用顶烧式,只要保证烧嘴压差,一般不会烧坏烧嘴。水效气成分(C0+H2)89%-93%,碳转化率>98%,冷煤气效冷壁采用盘管式,循环水分配环管相对均匀引出率83%~84%,有效气比煤耗530kg/km3-540kg/km3,有DN40mm的4根水管,4根水管平行环绕而成水冷壁,效气比氧耗300m/km-320m}/km3,有效气比蒸汽耗管与管之间有挂钉和翅片,挂砌耐火材料。目前,航天110kg/km3~130kg/km3。目前正以兖矿集团贵州开阳化炉已在安徽临泉、河南龙宇等项目投入工业应用,运工有限公司50万t/a合成氨项目为依托进行工程示行良好,国内还有4家企业拟采用此技术范,示范装置单炉投煤量1200t/d,操作压力参考文献4.OMPa,温度1400℃-1500℃39HT-L煤气化技术[1]王洋.灰熔聚流化床粉煤气化技术原理及工程化研航天炉技术(HT-L煤气化工艺)是航天十一所借发[A].2004中国氮肥高层论坛会论文集[M].北京:鉴荷兰 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The paper also proposed that for the development ofchnology, the comprehensive utilization of coal中国煤化工 operation should beensured, and the coal varieties for gasification should be expandedC N MH Gelopment of the coalgasification technology.Key words coal gasification technology, fixed-bed gasification, fluidized-bed gasification, entrained flow gasification