煤气化技术的发展 ——煤气化过程的分析和选择

东莞理工学院学报第13眷第4期Vol.13 No.42006年8月。JOURNAL OF DONGGUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYAug. 2006煤气化技术的发展一煤气化 过程的分析和选择王洋房倚天黄戒介马小云吴晋沪(中国科学院山西煤炭化学研究所，山西太原314002 )摘要:煤气化在现在和未来能源化工的可持续发展中都占有相当重要的位置.根据现代煤基 能源化工需求、煤气化过程特点及我国煤炭资源特点的分析，对如何认识、选择和优化已有技术，自主研发的方向是什么等问题进行了探讨，指出:气流床气化中干法进料工艺炭转化率更高，但从效率特别是液态排渣的运转可靠性看，低灰含量、低灰熔点煤更有利，灰熔聚流化床气化对煤的灰含量、灰熔点不敏感，可以适用更多种煤，过程效率也较高，符合我国资源特点，应加快研发.关键词:煤气化;流化床;气流床;过程效率;灰熔聚;高灰分;高灰熔点中国分类号: TQS4文献标识码: A文章编号: 1009-0312 (2006) 04- 0093-080简介煤气化技术发展至今已有一百多年的历史，从路灯照明、工业煤气、化工合成原料气到今天的大型化工能源合成和先进发电系统，规模上、技术上均发生了根本的变化。目前国际上考虑最紧迫的煤炭能源问题是清洁发电和制取液体燃料或更高级的氢能，通过煤气化经燃气-蒸汽联合循环、燃料电池循环发电、煤气化制合成气制高清洁汽、柴油、醇醚燃料可大幅度提高过程效率和环境品质。煤气化制氢当前主要用于氨的合成，还可用于炼油厂油品加氢提质。我国经济在快速的发展中，更面临着能源资源和环境限制的瓶颈，鉴于我国富煤缺油少气的特点，煤气化就更成为煤炭能源清洁高效转化的重要基础，近20年来特别是近几年我国工业界已大量引进美欧等先进气化技术，我国研究人员也开发了自己的气化技术，但面对我国的大规模国家需求和市场需求、面对我国煤炭资源自身特点(如高灰含量，高灰熔点煤较多)，如何认识、选择和优化已有技术，自主研发的方向是什么仍是必须回答的问题。本文根据现代煤能源化工需求，煤气化过程特点和我国煤炭性质对以上问题进行了讨论。1现代电力和能 源化工对煤气化的需求本文中现代电力、能源化工指经煤气化联合循环或煤气化制氢燃料电池联合循环发电和以大吨位液体燃料(油、醇、醚、氢)合成为目的的能源生产(如图1所示) ,通过先进技术的集成应用，大幅度提高一次能源效率，减轻或消除环境污染，保证社会和经济的可持续发展。电力、能源化工大规模、环境友好、高效经济的特征要求煤气化过程具有以下特点:1)大规模、高生产能力一如气化炉 单台日处理能力500~2000吨煤以上;2)过程高效一操作压力、 温度合理，能耗低，设备投资低;3)过程可靠-操作稳定、设备简单，开工率高，4)粗煤气、水、灰渣净化处理容易，无环境二次污中国煤化工5)气化原料煤种宽，特别是可适应高灰含量高灰熔点mCNMHG收稿日期: 2006-07-05作者简介:王祥(1940-). 男,山西交城人,研究员,主要从事流化床煤气化过程工程的研究。94东莞理工学院学报2006年→力国国一图o,+H (炼油，汽车燃料)→电力氨、肥料(CO+H)合威}一 +油、醇、醚0O2 (埋存)图1以气化为基础的煤炭利用2现代煤气化技术2. 1煤气化的基本化学反应煤气化是借气化剂使煤转化为燃料气或合成气的过程，为达到一定的化学组成和足够快的反应速度，通常在高温(>900C)和一定压力下进行，所涉及的反应包括:煤热解→CH+CO+CO+Hz+油/焦油+C(半焦)快反应C+Oz= =CO2+409KJ/mol(2)C+1/202=C0+123KJ/mo1(3)C+H:O=CO+H2-119KJ/mol慢反应(4)C+COz= 2CO-162 KJ/molCO+H20=CO:+Hz+42KJ/molCO+3H:=CH+H2O+206KJ/mol(7)由于煤富炭少氢(≤5%)，高温下首先热解(反应())转化为大量炭(半焦),因此气化过程主要考察气化反应(4) (1) (5)和供热反应(2) (1) (3),反应(6)为快速气相反应。2.2典型煤气化技术现已工业应用的气化炉型有三类，即固定床气化炉、流化床气化炉和气流床气化炉(如图2 ),固定床UGI (1913年) WG (1880年) M型、D型常压1流化床Winkler(1926年) AFB(2001年)气化炉气流床K- -T (1952年)固定床-Lurgi (1939年)加压流化床- -HTW ( 1985年) KRW (1975年) AFB(1996年)*气流床-Texaco(1978年) Shel(1983年)B-gas (1983年) GSP(1983年)其炉内温度分布如图22.2.1固定床气化炉固定床气化炉以鲁奇炉(Lurgi) 为代表，煤与气化剂(氧、蒸汽)逆流流动，块状煤(5-50mm)从炉顶加入在逐步下移过程中与热的煤气气化剂换热，发生干燥、干馏、气化、燃烧和灰渣冷却，气化剂(氧、蒸汽)则在上升过程中换热，反应转化为煤气中图2所示温商分布可见，由于逆流过程“冷进”“冷出”，固定床气化炉应该气化过程效率TYH中国煤化工k炉的蒸汽用量较大，常达煤量的2~3倍以防灰渣熔结，使湿煤气显热消耗CN M H G之煤气中干馏产物(焦油、酚等)未能气化(达煤热值的8%)，不但降低了煤气化过程效率，而且增加了粗煤气净化设备投资和能耗，因此固定床气化炉更适用于褐煤、年青烟煤气化制城市煤气和焦油能集中加工的场合，而不太适用于现代发电和能源化工合成。但固定床加压气化炉(1939年发明)较早用于工业应第4期.王洋房倚天黄戒介等:煤气化过程的分析和选择95 _用，并不断得到改进，至今仍为全球(南非97台，美国14台，中国11台等)气化煤量最多的气化炉。表1"所列Lurgi炉典型数据可进一步说明以上情况.谋_煤炉顶煤气移动床气化炉(干灰)蒸汽、氧或空气炉底灰0 250 500 750 1000 1250 1500氧或空气温度/°C一煤气煤I煤媒气流化床气化炉氧或空炉底0 250 500750 1000 1250 1500温度/C2厂或空气气花來煤气山亭查温度/*C圈2不同气化炉及床内温度分布表1 Lurgi氧气鼓风气化炉用各种煤的典型操作结果"泥煤褐煤次烟煤烟煤无烟煤:来源爱尔兰德国北达科他里奧團尔比奥萨索尔韦斯特菲尔德多尔斯顿越南粒度(mm) 15.2-40.6 1.0-10.1 1.4-30.55.1-30.5工业分析(质量%)挥发份36.829.130.519.728.9固定碳25.232.630.438.738.343.087.315.526.534.316.55.415.75.12.0灰分4.16.214.336.312.418.25.0高热值(kJ/kg无水无灰基) 228652616827935311683000983333235193灰(C)1204124914271421139913821499操作压力(MPa)2.032.523.032.862.452.24粗煤气组成(vol%)Co17.019.115.920.221.424.224.8H34.137.239.238.9CH.13.611.810.811.7中国煤化工9.34.CnHm0.6.41.20.4MYHC NMH G.50.HS0.10.20.3CO.33.830.732.228.128.24.425.27.50.801.00.50.71.3高热值(kJ/m')116141144611409117481109611811114389836万万数据东莞理工学院学报2006年2.2.2流化床气化炉为加快煤气化反应速度，提高气化炉生产能力并适应大量碎煤利用的要求，德国科学家温克勒发明了流化床气化炉(1926年)，并曾大量用于工业生产。流化床气化炉用煤粒度小(<6mm) ，气化强度高，达到固定床的2~3倍，更加床内温度均一,出口温度高(900C) ,粗煤气中几乎不含焦油、酚类等难净化物质，净化流程简化。常压流化床气化炉气化能力达40000m/h,加压流化床(HTW) (1985) 示范炉(直径2.7m)，气化能力达720吨褐煤/日。常规流化床的缺点是: 1) 为防止炉内结渣，保持正常的流态化，操作温度较低(850C~950C)，因而仅适合褐煤和高活性烟煤; 2) 床内的强烈混合和细粉的气流夹带，使灰渣和飞灰未转化炭量较高(达煤量的~10%)，降低了煤气和过程利用效率，必须另设锅炉燃烧。但由于流化床用煤仅需破碎能耗低，操作温度低、氧耗低、总过程效率对褐煤等仍然较高。2.2.2.1灰熔聚流化床气化炉由于流化床气化炉操作温度适中，氧耗低，结构简单，投资低，操作费用低，特别适应高灰含量高灰熔点煤的气化，因此仍得到了不断的发展。灰熔聚流化床气化炉即是常规流化床的-种改进，其技术核心是在流化床底部设置了特殊结构的射流-分离结构，从而形成了局部高温区(1100~1300C)，使灰中低熔点共熔物(常为Fe, Si, Al化物)在灰粒表面的生成液膜，使灰粒互相粘结、团聚、长大，使灰粒从流化床中选择性排出，增加了流化床中炭浓度，阻止了灰熔聚区外灰的无序烧结，保证了正常的床层在较高温度(1050~1100C)的流态化。正是这一全床温度的适度提高(从900C提高到1050C)，使灰熔聚流化床可适用多种煤的气化(见表2煤种数据和表3典型实验结果)，而同时保持的适中的操作温度(1050C)，使其气化氧耗低，操作费用低，结构简单材料要求低、投资低。代表性的灰熔聚气化炉型有KRW、U-gas和中 国科学院山西煤化所灰熔聚气化炉(AFB) 三种，KRW炉已在联合循环发电系统示范，AFB的常压工业示范完成后已开始在我国应用，AFB的加压中试和产业化开发也正在积极进行中。表2 AFB中试验煤种 分析数据煤种埃塞俄比亚褐煤彬县煤西山焦煤东山瘦煤阳泉无烟煤晋城无烟煤石油焦工业分析Mu13.582.25 1.491.302.060.72(收到基A.29.4510.14 16.91 .18.2327.8224.070.81wt%)Vu30.1824.43 19.5113.618.936.3511.57焦渣指数632元素分析Cu36.8470.9361.4966.8188.50(收到基) Hu2.683.854.152.832.663.69wt%)u15.0112.734.892.590.95 .3.58Ju1.00.361.161.370.801.445tu1.420.460.822.050.892.151.26 ,DT13001160 >1500148015001432灰熔点C ST13701210 > 1500>15001451T1390MJ/kgMJikgQnet.v.ad15.2429.09 28.39 28.0622.8425.136.15灰组分SiOz62.748.7846.4443.0944.10Al:O,17.4014.92 33.3832.8932.4729.8328.54FerO,6.873.786.6410.6010.0415.999.73CaO1.806.986.742.433.105.287.32MgO3.650.61中国煤化工6.13TiO:1.360.971.54MYHCNMH G.5351.25sOs1.231.68K;00.470.951.100.780.871.550.300.000.08P:O,0.210.200.500.090.45第4期王洋房倚天黄戒介等:煤气化过程的分析和选择97表3 AFB典型的气化结果煤埃塞俄比亚彬县西山东山阳泉 晋城种类褐煤烟煤焦煤瘦煤无烟煤 无烟煤煤kgh1056633.3780932522温度*C100010841097105:1187压力(gage) kPa40.022.52315830121空气Nm'h123.9222132氧气Nm'/h349.3334.0 320475310330蒸汽kg/h510625.85281256745氧气/煤Nm'kg0.330.530.510.63蒸汽/煤kgkg0.40.99 .0.681.351.021.05氧气浓度%82797576气体组分(Vol.%)21.9229.46 28.3626.6736.9833.94COn28.0921.59 18.3820.988.0722.42CH。4.231.1.71.9429.060.64H38.6539.73 31.8842.120.6734.96N7.117.4219.688.2025.228.03气体热值kJNm'94688318949787229000气体产率Nm'kg1.192.122.242.352 43碳转化率%90.4385.789.788.14362.2.3气流床气化炉气流床气化炉是流化床气化炉的进一一步改造， 使用更细的粒度(<100mm粒子) 和更高的温度(1350~1500C)，从而成倍地加快了反应速度，达到了极高的炭转化率(98%~ 9%)和气化炉单台处理能力(500~2500吨煤/日) ，为当前世界煤气化市场的主导选择。气流床气化炉依进料方式有两种不同的类型:水煤浆进料和干粉煤进料，结构上也分为耐火砖热壁炉和水冷壁炉两种.2.2.3.1水煤浆加压炉气化炉(Texaco、多喷嘴对置、E-gas )水煤浆加压气化炉是已工业大规模应用最多的气流床气化炉，以Texaco炉 商业化业绩最多，优点是压力高，运行可靠，气化温度高，煤气有效成分高，常用的急冷型操作直接用水冷却气化产物和固化熔渣，所蒸发水汽直接用于C0变换，特别适于制氢或富氢合成气(见表4)。缺点是: 1) 煤浆水蒸发和升温热损失大(达煤热值的10%~12%)，煤耗、氧耗高; 2)气化炉的耐火砖结构和灰渣腐蚀使其操作温度不能太高(通常1350'C),限制了高灰熔点煤的使用(加助熔剂可以降低灰熔点但以增加实际灰分为代价)。表4 Texaco气化炉的运行结果(冷水工程) "日期设计1984年6月18日 1984年9月27日 1984年11月29日气化部分碳转化率(%)95999890/C原子比0.991.040.97水煤浆浓度(%)605859耗氧量([M°0./10'm'41382390(CO+H)])冷煤气效率( %)71.272.173.73.72.2.3.2干粉进料气化炉(Shell. GSP)中国煤化工干粉煤进料加压气化炉以Shell炉为代表，干粉进料克.MHCN MH G的热损失，仅此一项气化效率提高近10%，同时水冷壁技术的采用不仅延长了炉壁寿命，也便反应温度进一一步提高(1500~1600C)，炭转化率和煤种适应性进一步提高。当然高温也增加了气体的物理显热(达14%~16%) ，增加了高压废热回收的困难和投资。为防98东莞理工学院学报2006年止夹带熔融灰渣对废锅炉管的粘污，还需大量循环煤气冷却出口煤气( 900"C),干粉磨制和高压输送也是其功耗增加的原因。壳牌气化炉的典型气化数据为见表5。表5壳牌气化炉的典型数据"项目设计变化范围.示范运行用煤量(Ud)229115-235压力( MPa(绝对))2.512.44-2.512.44煤气组成(%)H29.922.7-34.627.7-29.8co62.954.8-69.066.5-69.0CO25.82.2-10.82.2-2.4CH.0.040.001-0.004HS+COS1.01.1-1.81.1-1.2炭转化事98.597-983气化炉选择和煤种适应性通常工业气化炉用氧/蒸汽或空气/蒸汽为气化介质，气化炉的选择取决于下列因素:●煤组成和煤阶●煤粒度●气化介质(空气，氧气,蒸汽)●气化工况:温度、压力、加热速率和炉内停留时间●气化炉型式:进料方式(干粉煤、水煤浆)、气固接触方式(流动形式)、排灰方式(千渣、液渣)以及最终的气体净化方式评价气化过程，人们常用冷煤气效率:冷煤气效率=煤气热量煤的热量该评价指标反映了以煤为原料时所得气体的能量，而未反映系统的能量总输入，因此，用冷煤气效率评价气化过程并不完全，对大规模气化过程必须考虑所有化学能和功的输入(消耗)，即除煤的热量外，还应包括制氧、破碎及其他功耗。因此定义煤气化过程效率能更准确地表达气化过程:煤气化过程效率煤的热量+制氧功耗+破碎功耗+其它功耗下面以文献[1]数据为基础，分别计算不同气化过程的冷煤气效率和气化过程效率(忽略分母中其他功耗项)并进行比较，结果见表6.表6不同气化工艺冷煤气效宰和气化过程效率比较炉型鲁奇HTWKRWAFBShellTexaco冷煤气效率%79.982.480.773.9 (78)◆76.8 (70)气化过程效率%76.773.868 (72)●71.067.2 (68)燃料气净化注:系统复杂，褐煤无烟煤浆浓度66.5%块煤(62%)注: *10%残炭回收并进一步折算为5%的功。由表6可见，冷煤气效率与气化过程效率相比差异较中国煤化工，水煤浆进料气化效率最低，干粉进料的气流床也较流化床为低，前者由T.HCNMHG油于氧耗和破碎能耗。水煤浆进料的Texaco过程，无论过程效率还是冷煤双干知很心,论足四s浆中水的带入造成的，文献数据[1]指出当浆的浓度在60%左右时，冷煤气效率进一步下降到70%。气流床制粉能耗约60kWh/吨煤，而流化床破碎能耗仅约2kWh/吨煤，按当前发电热率为9490kJ/ kW则能耗分别为煤量的2.27%和0.08% (热值按25.1 MJ/kg煤计)。第4期王洋房倚天黄戒介等:煤气化过程的分析和选择气流床制粉能耗较高，因此对过程效率影响较大(见表7)，因此，当使用气流床气化炉时应特别注意煤的灰含量，以减少额外电耗。表7干法进料气流床与流化床气化备煤能耗*随煤灰分变化%012030Shell2.272.542.883.353.97%AFB .0.080.09.10.120. 14注: *折算基准:煤(灰分0%)，热值为25.1 MJ/kg.水煤浆进料气化炉效率对煤的灰分更为敏感，本文作者以假设的煤中灰分变化计算了对热耗、煤耗以及灰渣量的影响以及对高灰熔点煤，同时还需考虑助熔剂的加入(如灰分的20%)，则气流床实际灰分进一步增加，将会引起热耗、煤耗以及灰渣量的变化，结果见表8。从表8可看出，对低灰熔点的煤种，随着灰分量的增加，热耗、煤耗以及灰渣量随之增加。对高灰熔点的煤种需另加灰分重量的20%的助熔剂时，热耗、煤耗以及灰渣量与不加助熔剂相比，都有所增加。以灰分含量为20%为例，热耗、煤耗增加幅度分别为8.6%、6.4%， 灰渣量的增加幅度最大为30.77%。文献[2]也指出灰分增加1%、煤耗增加1.3%~1.5%，氧耗增加0.7%~0.8%表8水煤浆进料气流床气化(煤浆水蒸发和升温热耗、实物煤耗及灰渣量随原料煤灰分的变化)原料A灰分%0’34B"热耗%12.0 14.0816.3520.0324.53原煤C"“煤耗%10013131155191D""灰渣量%I12647 .76原煤加.B1"热耗%12.014.4317.7522.5329.3320%C1""煤耗%116.32139.37175.13 229.66的助熔剂DI*** 灰渣量% 0146106注: *水煤浆浓度60%，基准热值为25.1 MJ/kg●“物料升温耗热占进煤总热量的比例***实物煤耗***实际灰量表9列出了干法进料气流床气化升温热耗、实物煤及灰渣量随原料煤灰分的变化。可看出，同水煤浆进料相似，热耗、实物煤及灰渣量随灰分的增加而增加，加20%的助熔剂后，热耗、实物煤及灰渣量与不加助熔剂相比增加更多。虽然，干粉煤进料时，灰分对效率影响比水煤浆进料时大幅度降低，但是进煤量和渣量的增加，增加了壁面及排渣系统的故障的可能。表9干法进料气流床气化(升温热耗、实物煤耗及灰渣量随瓯料煤灰分的变化)3(100.831.883.25.0C""煤耗%112148175254570原煤加1.032.364.226.8420%的助CI""煤耗%11中国煤化工熔剂D"."灰渣量%MYHCNM HG_注:基准热值为25.1 MJ/kg, **, *, **含义同表8.表10列出流化床气化升温热耗、实物煤及灰渣量随原料煤灰分的变化。灰分增加对流化气化的影响与于法进料气流床相似，但因气化炉出口温度降低，影响略有降低。100东莞理工学院学报2006年表10流化床气化(升温热耗、实物煤耗及灰渣量随原料煤灰分的变化)原料A灰分%o1020040B"热耗%0.581.2.253.5原煤C*“煤耗%11212146170D."灰渣量% 0114365注: °基准热值为25.1 MIkg，, *，***含义同表8.4结论基于以上分析可得如下结论:(1)煤基先进发电和能源化工需要大型、经济、清洁的气化技术，当前气流床技术已达到大型化要求，气流床气化中干法进料效率更高，但从过程效率特别是液态排渣的运转可靠性看，气流床气化采用低灰含量、低灰熔点煤更有利。(2)灰熔聚流化床气化对煤种的灰含量和灰熔点不敏感，因而适用煤种较宽，既符合过程特点，又符合我国资源特点，应加快研发。参考文献[1] 沙兴中， 杨南星,等.煤的气化和应用[M].华东理工大学出版社, 1995.2] 张继璨,种学峰.煤质对Texaco气化装置运行的影响及其选择(上) [J].化肥工业，2002,29(3):3-7.Development of Coal Gasification Technology一the Process Analysis and SelectionWANG Yang FANG Yi-tian HUANG Jie-jie MA Xiao-yun WU Jin-hu(Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Scicnces, Shanxi Provincial Coal , Taiyuan 314002 , China)Abstract Coal gasification is playing and will play a very important role as well in present and futuresustainable development of power and chemical industry .Based on the analysis of the requirement of coal chemical andclean power production,the characteristics of coal gasification process and the properties of Chinesc coal resources,thequestions of how to understand, select and optimize the gasification process are studied.The results show that,entrained flow gasifiers have higher coal conversion. However,the gasification process efficiency and gasifiersoperation reliability would increase with the coal of lower ash content and fusion temperature.The ash agglomcrationfluidiged bed gasification process is more suitable for coal of high ash content and higher ash fusion temperature,which is especially important for our country.Keywords coal gasification; fluidiged bed; entrained flow gasifier; process eficiency; ash agglomeration;ash content; fusion temperature中国煤化工MYHCNMHG