气流床煤气化技术的现状及发展

第28卷第4期媒炭转化Vol. 28 No. 42005年10月COAL CONVERSIONOct.2005气流床煤气化技术的现状及发展‘夏鲲鹏’陈汉平2) 王贤华3) 张世红”) 高斌)刘德昌2)摘要气流床煤气化是我国煤高效洁净利用的关键技术.简要总结了气流床煤气化技术的基本特点和主要影响因素，着重介绍了具有代表性的气流床煤气化技术即水煤浆气化技术中的Texaco法和干煤粉气化技术中的Shell法,讨论了这两种技术各自的优势及存在的问题.基于国内煤气化技术研究开发的现状和工业运行情况，阐述了我国煤气化技术未来的发展趋势.关键词煤气化,气流床,水煤浆气化, 干煤粉气化中图分类号TQ545于煤的灰熔点，以利于熔渣的形成.此外,气流床气0.引言化的反应受动力学控制,选用活性好的煤有利于碳发展洁净煤技术,提高我国煤炭利用效率,减少转化率的提高，更适应于地质年龄较轻的煤种及粒煤炭燃烧带来的环境污染的主要途径之一,是研制度较细的煤种.从经济角度来看,应选择褐煤等挥发和推广应用煤炭气化技术.I在煤气化的诸多技术分高而固定碳少的煤,可大大改善气化条件;人炉的中,根据工艺特征操作性能和技术经济性等因素来原料煤越细越好,煤粒越小,比表面积越大,气化速区分,移动床气化可应用于非常小的容量(4MW~度越快,反应时间越短,碳转化率也越高.15 MW热量)规模,气流床气化较适用于大规模生2)反应物在炉内停留时间短,反应时间约为1产(>200 MW热量),流化床气化则介于这两者之s~3s. [5.0]随煤气夹带出炉的飞灰中含有未反应完间.[2而且气流床煤气化技术具有较大的煤种与粒的碳,采取循环回炉的方法可以提高碳转化率;而且.度适应性以及较高的碳转换效率等技术优越性，因由于煤粉在气化炉内停留时间极短,为了完成反应,而成为以煤为原料来生产大容量、高效洁净、运行可必须维持很高的反应温度.所以常常采用纯氧作为靠的燃气与合成气的首选技术.气化剂,气化温度可高达1500 C ,灰渣以熔融状态排出,熔渣中含碳量低.液体熔渣的排渣结构简单，1气流床气化的基本特点排渣顺利.但是炉壁村里受高温熔渣流动侵蚀,易于气流床气化是气化剂(蒸汽和氧气)夹带着粉煤损坏,影响寿命.(或者煤浆),通过特殊喷嘴高速喷人炉膛内,瞬间着3)为了达到1 500 C左右的气化温度,氧气耗火,直接发生火焰反应,温度高达2 000 C ,煤粉立量较大,影响经济性.随着高温下蒸汽分解率的提即气化,转化为煤气和熔渣. [0]高,蒸汽耗量有所减少.1.1气流床气化技术特点4)出炉煤气温度很高，显热损失大,可用废热气流床气化具有下述主要特点C3.4]:锅炉回收热量,提高热效率.为了防止黏性灰渣进入1)煤种适应性强.人炉煤以粉状(或湿式水煤废热锅炉,可先用循环冷煤气将出炉煤气激冷到浆状)喷人炉内,各个微粒被高速气流分隔,并单独900C~1100C,并分离出灰渣,再进入废热锅炉.完成热解、气化及形成熔渣,无相互作用,不会在膨5)出炉煤气的组分以CO,H,CO2和H2O为胀软化时造成黏结,即不受煤的黏结性影响.原则上主,CH,含量很低.热值并不高.产品中不含焦油.煤各种煤都可用于气流床气化,但炉内气化温度应高.气产品中中国煤化工水,烟气净化装.YHCNMHG#国家“973 计划”项目<2004CB217704).1)硕士生;2)教授、博士生导师;3)博士生;4)副教授;华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,430074武汉;5) 工程师,武汉阳逻电厂，431415武汉收稿日期:2005-06-08;修回日期:2005-08-1070煤炭转化2005年置简单.蓝图- 以煤气化为基础的多联产系统,把电、热、1.2影响气流床气化的主要因素化学品、液体燃料、氢燃料联产和联供有机组合为整影响气流床气化的主要因素有(41:体,实现最高效清洁地利用煤炭资源.其中大规模1)高气化温度.气化温度可达1 500 C以上.(日处理煤量高达3 000 t以上)气流床加压煤气化.炉内高温是由煤粉在纯氧下燃烧或部分燃烧释放的则是联产、联供系统中的公共技术、关键技术和龙头热量而保持的，与此同时,碳粒与水蒸气或CO2发技术.[7]生吸热的还原反应.所以,在加煤量- -定的条件下，高温高压下气流床煤气化过程中传递过程起着气化炉内的温度是由氧气和水蒸气气化剂的加入量重要作用,不同的强化传递过程的技术手段产生了所决定的.提高炉内温度有利于加快反应速度,提高不同形式的气流床气化炉,气流床气化的共同特点气化强度和生产能力.同时，由于炉内反应速度的提是加压、高温.细粒度,但在进料形态与方式、实现混.高,炉中的煤粉即使在很短的时间内也能完全气化，合和炉壳内衬等方面对策迥异,从而形成不同风格获得很高的碳转化率;另外,碳与水蒸气间进行的是的技术流派.它们主要有以水煤浆为原料的Texaco强吸热的水煤气反应,温度的提高有利于化学平衡和Dow (Destec)技术,以干粉煤为原料的Shell, .向正方向移动,产生更多的CO和H2.Prenflo和Novell技术等.在我国普遍引进利用和2)高气化压力.提高气化压力既增加了反应物研究Texaco和Shell气化技术,这里主要对这两种浓度,又提高了反应速度.提高压力还有利于H2与.具有代表性的气化技术进行简要介绍..CO之间进行的甲烷化反应,使煤气中CH,含量显2.1 Texaco(德士古)法著增加,因而提高了煤气热值.此外,气化压力的选美国Texaco公司开发的水煤浆气化工艺是将定还取决于产品煤气的用途,用作化工原料气时,气煤加水磨成水煤浆,用纯氧作气化剂，在高温高压下化压力应考虑与合成压力相适应,可节省动力消耗.进行气化反应，液态排渣,煤气成分(CO +H2)为3)氧煤比.氧煤比对气化过程存在着两方面的80%(体积百分数)左右,不含焦油、酚等有机物质，影响.一方面,氧煤比的增加使燃烧反应放热量增碳转化率96%~99%,气化强度大,炉子结构简单,.加,从而提高反应温度,促进CO2还原和H2O分解煤适应范围较宽. [8]反应的进行,增加煤气中CO和H2的含量,从而提德士古气化炉是一个直立圆筒形的压力容器. .高煤气热值和碳转化率;另一方面,燃烧反应由于Texaco气化炉气化结构示意图见图1. [D]O2量的增加,将生成CO2和H2O,增加了煤气中的无效成分所以,为了获得理想的气化效果,必须选择合适的氧煤比.4)蒸汽/煤比.在气化过程中,加人的水蒸气在高温条件下与碳发生强吸热的水煤气反应,增加煤气中H2,CO的含量,控制炉温不致过高,能降低氧耗量.但当蒸汽/煤比过高时，将使炉温降低,阻碍口8CO2的还原和水蒸气的分解反应,影响气化过程.-95)气化炉结构.气化炉结构对气流床气化有较大影响,特别是加料方式以及燃烧器烧嘴造成气流的扰动,对气化过程的影响尤为明显.Tlo2国外技术现状和发展趋势图1德士古气化炉中气化部分的结构示意图Fig.1 Structure scheme of gasifying parts20世纪80年代,国际上加压气流床煤气化技in Texaco gasifier术崛起,表现出优良的技术性能和环境指标:高效中国煤化工O2 inlt-- Burners(碳转化率98%以上)和超洁净(无NO,CO2和.:ning flame;6-SO:排放),因而成为世界上公认的煤炭高效、清洁MYHC NMH Ge;7 Firebrickning;8一- Gas outlet ;9-- Slag basin;利用技术之一.美国能源部的《21世纪展望》、荷兰10-- - Water slurry slag outletSHELL的《合成气园》均描绘了先进的煤资源利用第4期夏鲲鵬等气流床煤 气化技术的现状及发展71Texaco水煤浆气化工艺原理[*:水煤浆与气化以液态排出粗煤气夹带着熔渣向下通过气化炉,这剂一纯氧在气化炉内特殊喷嘴中混合 ,高速进入时的粗煤气温度很高,必须在废热锅炉中回收热量，气化炉反应室,遇灼热的耐火砖瞬间燃烧,直接发生使粗煤气被冷却到200C左右,然后在洗涤冷却器火焰反应.微小的煤粒与气化剂在火焰中作并流流中洗去灰尘和降温.动，煤粒在火焰中来不及相互熔结而急剧发生部分Texaco水煤浆气化工艺的主要特点4:1)气氧化反应,反应在数秒内完成.在上述反应时间内，化炉结构简单,该技术关键设备气化炉,属于加压气放热反应和吸热反应几乎是同时进行的,因此,产生.流床湿法加料液态排渣设备,结构简单,无机械传动的煤气在离开气化炉之前,碳几乎全部参与了反应.装置;2)开停车方便,加减负荷较快;3)煤种适应在高温下,所有干馏产物都迅速分解转变为水煤气较广,可以利用粉煤、烟煤、次烟煤.石油焦和煤加氢的组分,因而生成的煤气中只含有极少量的CH.液化残渣等; 4)合成气质量好，(CO +H2)≥80%整个工艺流程示意图见图2.[3原料煤磨细到(体积百分数),可以对CO进行全部或部分变换以调整其比例用来生产合成氨、甲醇等,而后续气体的SteamCoalPulverizing. Raw gas净化处理方便;5)合成气价格低,在相同条件下,天然气,在煤渣、煤制合成气中,合成气的综合价格以Water.SimeGasifer煤制气最低;6)碳转化率高,该工艺的碳转化率在97%~98%之间;7)单炉产气能力大,由于德士古Pump占水煤浆气化炉操作压力较高(一般为4. 0 MPa~6.7G)CinderJ HyolroseparatorMPa),又无机械传动装置,在运输条件许可下设备TAshWater大型化较为容易,目前气化煤量为2 000 t/(d●台)图2德士古气化法 的典型流程图的气化炉已在运行;8)三废排放有害物质少.Fig.2 Typical flow diagram of Texoco gasification主要技术指标[10]:操作压力,3.0 MPa~6. 50.1mm,制成悬浮状态可供泵送和雾化的水煤浆，MPa;操作温度,1 300 C~1 500 C;煤浆浓度(含煤浓度达70%.德士古气化炉上部为气化区,有耐固百分比), 60%~70%;气化剂，氧气(96.0%~火衬里,下部为煤气冷却区.水煤浆和氧气由顶部烧99. 6%).由于煤浆具有液体的特性,加压进料容易，嘴喷人,瞬间着火,产生火焰反应,反应温度为1 500所以可以实现更高压力(8MPa~10MPa)操作.[1C,反应压力为4. 0 MPa,生成的灰渣呈焰融状态，表1提供了某德士古气化装置的典型运行数据.[123表1德士古气化装置典型运行数据Table 1 Typical operating data of Texaco gasification equipmentInlet water -coalInlet O2Synthesis gas volume percent/%slurry mass/(m3. h-1)mass percent/ %mass/(kg.h-1) mass/(m.h-1) Co H2 CO2 CH。 H2S Nz O2+Ar31. 3262. 523 09814 900 .45.50 35.20 18.20 0.02 0.09 0.90 0.08GasifierSynthesis gasMass percent ofProduct gas yieldpressure/MPatemperature/ Cflow mass/(m.h-1)coal residue in slag/% of coal/(m3.h-1)3. 951 32044 849212231.942Carbon conversionCold gaO2 consumption of unitCoal consumption of unitof carbon/(m3●h-1)percent/%eficievolume CO+H2/(m3●m-)volume CO+H2/(kg●m- 32.69795.371.6412638在中国,已有多套德士古煤气化设备投入工业德士古煤气化装置的经济运行将起着关键的作用化运行.各装置运行中遇到的问题主要分为两大类:2.2 Shell(谢尔)法-是德士古煤气化技术工艺本身的缺陷;二是工程加压下操作的干法进料的气流床气化法,主要技术方面的问题，包括工程设计、工程材料和工程设有两种:.Shell(谢尔)法和Prenflo(普伦弗洛)法.备等.其涉及到的主要工程技术问题[8.1]包括:1)Shell法中国煤化工合了谢尔国际石.气化炉耐火砖的寿命问题;2)激冷环问题;3)激冷油公司f YHC N M H G斯公司在煤气化室结构问题;4)工艺喷嘴问题;5)黑水系统问题;方面的经验.该工艺的特性为:气化压力为2.456)闪蒸系统耐磨件问题等.这些问题的有效解决对MPa~3.43 MPa,干粉进料;炉内反应区火焰中心7:煤炭转化2005年温度为2 000 C,出炉煤气温度为1 350 C~1 600带人的N2影响后续化工过程;4)气化炉的压力低C;煤气产品中H2占30% ,Co占60% ,其余为CO2于4.5MPa,不能与后续的产物加工处理过程相衔和少量N2,碳转化率达99% ,燃料气的环境特性很接(如等压合成甲醇);5)高压干法供粉系统的调节好. [alShell煤气化方法的典型流程见图3. [4原煤经控制系统复杂;6)干法进料系统的粉尘排放远大于Coolig easGas水煤浆进料系统;7)--次性设备投资费用高,远高257Boiler .QalWasteCompressor于水煤浆气化技术;8)气化炉结构过于复杂,加工heat boilerfeed-wate难度极大;9)运行经验不够丰富,目前世界上只有steamY营Buggenum在运转,而且是用于IGCC发电,没有应CyclonkIseparato用于化工领域的经验.国内技术基础较差,引进的0./stem t Jo.stamDShell干煤粉气化装置已有数套开工建设,正在逐步stag积累合作设计、建设和生产的经验.总之，从加压、大Fly ash reyclig容量和煤种兼容性大等方面看，气流床煤气化技术图3谢尔气化法 的典型流程图代表着气化技术的发展方向,国外煤气化技术已转Fig.3 Typical flow diagramg of Shell gasification向以粉煤和水煤浆为原料的高温高压操作的流化床粉碎、干燥至含水量<2%,粒度90%,通过170目与气流床煤气化工艺的开发及发展.当前煤气化技的筛孔,人常压煤仓和加压煤仓,粉煤用氮气浓相术发展趋势[10]是:1)扩大煤种和粒度适应范围;2)(400 kg/m')输人气化炉.气化炉也设置相对称的烧煤能源的综合利用.把煤气化技术与发电(如嘴，蒸汽、氧气和煤粉在炉内反应温度超过1 370IGCC).联产化工产品联系起来，以提高总热效率，C.高温下煤灰熔融,沿水冷的耐火村里壁流人水浴降低产品成本;3)扩大单炉生产能力,这样能减少而固化,通过锁斗排出.粗煤气含有少量的未燃碳和投资,节省占地面积,而且可降低操作费用,从而降.相当量的熔融灰，用循环冷煤气激冷到900 C ~低产品成本;4)适当提高气化压力,这对提高单炉1100C,以避免黏性灰渣进人废热锅炉.废热锅炉生产能力,提高效率,降低成本都非常有意义.并且包括辐射室和对流室,使煤气冷却到300C,然后煤压缩气化剂比压缩煤气要经济得多,这正是近年来争气再经除尘和水洗系统..相开发加压气化的重要原因;5)满足环保的要求.Shell煤气化的主要特点如下4:1)可以使用3国内气流床煤气化技术的发展褐煤、烟煤和沥青砂等多种煤,碳转化率达98%以上.煤中含的硫、氧、灰分及结焦性的差异对过程均煤气化技术在中国已有近百年的历史,但技术无显著影响;2)产品气中(CO+H2)含量达90%以水平仍然比较落后,而且发展缓慢.就总体而言,中上,适宜作合成气,特别是煤气中COz相当少,可以国煤气化以传统技术为主,工艺落后,环保设施不健大大减少酸性气体的处理费用,气化产物中无焦油全,煤炭利用效率低,污染严重，如不改变现状,将会等有害成分;3)由于采用干粉煤进料,既降低了氧影响到我国的经济、能源和环境的协调发展.近四十耗又增加了冷煤气效率(干法进料比湿法进料约高.年来,在国家的支持下,中国在研究与开发、消化引2%).但干法进料提高气化压力是有限度的,不如煤进煤气化技术方面进行了大量工作(:14];在气流床浆进料可根据需要提高操作压力;4)单炉生产能力应用方面,近二十年来我国共引进二十多台Texaco大,装置处理能力可达2000 t/d ;5) 符合环保要气化炉，国内配套完成了部分设计、安装与操作,积求,粗煤气中硫和氨很容易被清除,煤中大部分灰分累了丰富的经验;引进的Shell 干煤粉气化装置已.变成玻璃状的固体,可作建筑材料.有数套开工建设.从工业应用情况看,存在的问题主Shell煤气化的主要技术指标[:操作压力，要是:煤种适应性有局限，例如Texaco水煤浆气化3.0 MPa~4.0 MPa;操作温度,1 400 C~1 700-般要求 煤的灰熔点要低于1 350 C;装置年运转C;用氮气输送煤粉浓度,400kg/m2.出浆气化喷嘴寿命在90其存在的问题“.8]主要是:1)煤粉的干燥、制中国煤化工:在95%左右;投资巨备、存储和输送、计量系统复杂，比较容易发生故障;THC N M H Gell粉煤气化技术,仅2)需要专门设置高纯度N2的制造和增压系统,耗气化炉 和废锅的投资就高达2亿元人民币.电增多,并使空分系统复杂化;3)密相输送煤粉所“九五”期间立项开发的新型(多喷嘴对置,水煤第4期夏鲲鹏等气流床煤 气化技术的现状及发展7浆进料)气流床气化炉,已经通过中试装置(耗煤22起步,顺应了国际上煤炭气化技术的发展趋势.由于t/d~24 t/d)考核运行,中试数据表明,其比氧耗、国外技术垄断等诸多主客观因素的限制,我国在大比煤耗、碳转化率和有效气化成分等指标均优于规模高效气流床煤气化技术的基础研究方面严重滞Texaco技术,已经获得了专利;科技部立项的“十后,必须从深层次上开展气流床煤气化领域的基础五”国家重点科技攻关计划课题“干煤粉加压气化制研究工作,建立解决关键科学问题的理论体系,解决备合成气新技术”研究取得了重大突破,并于2005气流床煤气化技术目前存在的问题,用可靠的基础年1月通过了专家组的验收,该项成果填补了国内研究成果支撑我国的煤气化技术尽快实现大规模、空白,中试(耗媒20 t/d)工艺指标达到国际先进水高效化的跨越,形成具有自主知识产权的大规模高平,标志着我国拥有了具备自主知识产权的、与国家效 气流床煤气化技术,以满足国民经济发展对煤炭能源结构相适应的干煤粉气化技术.“九五”期间还清洁利用的迫切需求.就“整体煤气化联合循环(IGCC)关键技术(含高温净加强基础研究,解决若千关键科学问题是气流化)”立项,有十余个单位参加攻关.1999年科技部立床煤气化技术向大规模高效化跨越的根本途径,需项的“煤的热解、气化及高温净化过程的基础研究"正要解决因增加压力、提高温度和强化混合带来的诸在进行中.2004年10月份，国家“973”计划正式立项多科学问题,例如高温、高压和多相条件下,复杂流“大规模高效气流床煤气化技术的基础研究" ,将在基动、热质传递和化学反应的基础理论;不同煤种在高础研究上探讨高温高压条件下水煤浆和干煤粉两种温、高压气化条件下的化学行为(煤焦石墨化、热解进料方式的大规模高效气流床煤气化技术.与气化机理、气化动力学、有害元素的迁移转化、有机质与无机矿物质之间的相互作用);超浓相气-固4结束语两相流动规律;高温、高压复杂系统中气-液-固三相我国对大规模高效气流床煤气化技术的研究已流体的流动、传递规律等等.参考文献1] 吴立新,史明志,杜铭华。洁净煤技术与环境.煤化工,1998(2):1-4 .:2] 岑可法,姚 强,曹欣玉等.煤浆燃烧、流动、传热和气化的理论与应用技术杭州:浙江大学出版社,19973] 郑楚光,洁净煤技术.武汉:华中理工大学出版杜,19964] 徐京磐.鲍札堂.流化床和气流床气化技术综述(下).小氨肥设计技术,002.23(2)25-165] 步学朋,彭万旺.徐振刚.煤炭气化气流床气化炉的数学模拟.煤炭转化，2001,24(4):7-126] 吴学成,王勤辉，骆仲泱等.气化参数影响气流床煤气化的模型研究( 1 ):模型预测及分析.浙江大学学报(工学版)2004+38(11);1483-1489 .7] 韩梅,吴国光.气流床干煤粉气化技术的发展.洁净煤技术,004,10(1):46-498] 于广锁,牛苗任.王亦飞等.气流床煤气化的技术现状和发展趋势.现代化工.2004,24(5):23-26[9] 焦树建.整体煤气化燃气燕汽联合循环.北京:中国电力出版社,1996.113-12810] 李仲来.煤气化技术综述.小氮肥设计技术.2002.23(3);7-1711] 黄戒介,房倚天,王 洋.现代煤气化技术的开发与进展.燃料化学学报，2002 ,30(5);385-391[12]王旭宾. 德士古煤气化工程技术问题的探讨.煤气与热力.2004,24(4):197-199[13] 张华新，肖光升,朱 疆. 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