美国煤气化工艺现状及对中国气化技术的启示

收稿日期:20007-05-20
美国煤气化工艺现状及对中国气化技术的启示
苗真勇1
,韩甲业2
,应　莹
1
(11中国矿业大学化工学院,江苏徐州　221008;21国家安监总局信息研究院,北京　100029)
摘　要:文章针对我国煤化工的未来重点发展方向,分别对美国和中国煤气化工艺进行分
析,通过对中美两国煤气化技术进行深入对比,分析得出美国煤气化技术的优势以及未来煤气化工艺的发展趋势,为中国自主创新开发煤气化工艺提供借鉴。

关键词:煤气化工艺;气流床技术;德士古气化工艺 中图分类号:T Q546 文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2007)1020097203
Presen t st a tus of Am er i can coa l ga si f i ca ti on process and
reference to Ch i n a
M I A O Zhen -yong 1
,HAN J ia -ye 2
,YI N G Ying
1
(11School of Che m ical Engineering and Technol ogy,CUMT,Xuzhou J iangsu,221008;21Energy and Safety D ivisi on,Nati onal I nstitute of Occupati onal Safety,Beijing 100029)
Abstract:Based on coal chem ical industry devel opment trend in china,this paper separately revie ws p resent status of American and Chinese coal gasificati on p r ocess .Thr ough contrast and analysis,devel opment trends of coal gasificati on and advantages of American coal gasificati on industry are f ound .And Chinese coal gasificati on technol ogy will benefits fr om contrast and analusis .
Keywords:Coal gasificati on p r ocess;Entrained -fl ow gasificati on;Texaco water -coal slurry gasificati on
0　引　言
根据国家发改委《煤化工产业中长期发展规划征求意见稿》,未来13年,中国规划投资逾1万亿元大力发展煤化工产业。

从征求意见稿来看,煤制甲醇、二甲醚、煤烯烃和煤制油在今后将获得大发展,而煤炭气化技术作为煤制甲醇、二甲醚、煤烯烃和煤制油等高新洁净煤利用技术的先导性技术和核心技术,也遇到千载难逢的发展机遇。

美国和中国的能源结构非常相似,两国分别为世界能源消费第一和第二大国,都依赖能源进口,两国国内煤炭资源都非常丰富。

作为煤炭资源大国,美国对煤炭气化工艺的开发非常重视,美国能源部新一轮洁净煤项目提案,属第二轮“总统洁净煤发电激励计划”(CCP I )的一部分,总投资60亿美元,其中的重头是煤气化项目,占总投资的
97%
[1]。

美国GE 公司开发出的Texaco 气流床工艺是水煤
浆加压气化工艺的典型代表,属于第二代煤气化工艺,具有在原料利用上普遍适应性广的特点,是目前商业运行最丰富的气流床气化工艺。

我国从“六五”至“九五”投入大量人力、物力,引进、研制、开发先进的煤气化技术。

我国从国外引进的煤气化技术多种多样,从最早的一般固定床气化炉到后来的两段炉,以及鲁奇炉、U -Gas 和Texaco 气化炉等几乎所有的技术。

通过对煤气化引进技术的消化吸收,尤其是通过国家重点科技攻关,对引进装置进行技术改造并使之国产化,使我国煤气化技术的研究开发取得了重要进展。

但目前我国煤气化技术总体水平落后,与世界先进技术相还存在着一定差距。

1　美国煤气化技术现状111　固定床气化
常压固定床气化炉由于必须使用块煤,气化强度低,限制了应用范围,随着大容量新型气化炉的出现,该炉在美国已逐渐被淘汰[2]。

在美国,加压固定床气化工艺的用户包括美国大平原气化、I GCC 示范厂等用户,美国大平原项目安装了14台
M ark -Ⅳ型鲁奇炉,1983年6月投产,气化煤426万t/a 。

另外,液态排渣鲁奇气化炉(BG/L )还被美国选为洁净煤示范计划的Clean Energy 项目[3]。

112　流化床气化
随着灰熔聚技术的研究成功,美国煤气技术研究所
(I GT )和美国凯洛格公司分别开发出了U -Gas 和KR W 两种流化床气化工艺,这两种工艺弥补了传统工艺排灰含碳
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煤　炭　工　程 研究探讨　
过高的不足[4]。

1)U -Gas 气化工艺。

U -Gas 气化炉是一个单段灰熔
聚流化床,在床内完成4个主要过程:煤的破粘结、脱挥发分、煤的气化和灰的熔聚、分离[5]。

该气化工艺是由美国煤气化工艺研究院(I GT )开发,生产低、中热值煤气,煤气组成为C O 2为8%、H 2为38%、CH 4为1%。

对灰渣团聚物进行选择性排灰,可降低灰渣含碳量,提高碳转化率。

2)KR W 气化法工艺。

KR W 是新一代流化床加压气化
技术。

该工艺借鉴了移动床液态排渣气化炉的优点,采用灰团聚技术将流化床中的灰渣富集起来排出气化炉,从而实现了流化床选择性的排灰。

该工艺最早由美国西屋电气公司燃料部开发,1974年建成15t/d 试验装置(P DU ),开始时为空气-蒸汽鼓风两段炉,1978年改为一段氧气-蒸汽鼓风加压气化炉,处理能力增至30t/d 。

113　气流床气化
美国开发出的Texaco 和Destec 气流床工艺是水煤浆加压气化工艺的典型代表,属于第二代煤气化工艺[6],具有在原料利用上普遍适应性广的特点,对原料煤的要求除含水分高的褐煤以外大部分烟煤、石油焦等均可作为气化原料,尤以年轻烟煤为佳,气化用煤的灰熔点温度低于
1350℃时有利于气化。

1)美国GE 德士古气化水煤浆气化技术。

德士古气化
工艺是20世纪70年代推出的世界上第二代煤气化工艺,装置采用湿法进料系统,煤与水研磨成浆后用泵送入气化炉[7-9],水煤浆的浓度一般在60%～65%之间,煤中灰分含量以不超过20%为宜。

与干法进料系统相比,湿法进料工艺简单,安全可靠,进料灵活性高。

其技术特点是对煤种的适应性较宽,对煤的活性没有严格的限制,但对煤的灰熔点有一定的要求(一般要低于1400℃);单炉生产能力大;碳转化率高,达96%～98%,生产废水中不含焦油、酚等污染物;煤气质量好,有效气(C O +H 2)高达80%左右,甲烷含量低,适宜做合成气。

如图1激冷式Texaco (德士古)气化工艺流程所示,原料煤与水、添加剂、石灰石、氨水,经磨机研磨成具有适当粒度分布的水煤浆由煤浆泵送入煤浆槽中。

水煤浆经加压后与高压氧气经德士古烧嘴混合后呈雾状喷入气化炉燃烧室,在里面进行了复杂的气化反应,生成的煤气又称为合成气和熔渣经激冷环及下降管进入气化炉激冷室底部冷却、固化,定期排出。

在碳洗塔中,合成气进一步冷却、除尘并控制水气比,然后进入后工序。

图1　激冷式Texaco (德士古)气化工艺流程
2)Destec 水煤浆气化工艺。

Destec [10]水煤浆气化工艺是在德士古气化工艺基础上开发出的两段气化工艺,Destec 气化炉分成两段,下部一段为卧式炉,水煤浆预热后与O 2由两端喷入炉内,部分燃烧反应后,约1400℃的高温气体,进入第二段上部立式炉,在二段炉入口处喷入水煤浆,利用煤气显热,产生额外的合成气,煤气的温度降到1000℃以下。

煤气经高温除尘后去洗涤系统,含未反应碳的粉尘返回气化,以提高碳转化率。

2　中国煤气化技术现状
固定床气化工艺分为常压固定床气化和加压固定床气化两种形式,目前在国内较为成熟的仍然只是常压固定床
气化技术。

我国在流化床技术研究方面基础良好,国内常压气化炉使用了恩德炉、U -Gas 、灰熔聚气化、水煤浆流化床气化炉等。

自20世纪80年代开始,中国科学院山西煤炭化学研究所独立研究开发了具有国际先进水平的灰熔聚流化床粉煤气化技术,但目前该技术仍处于中试阶段[11]。

“九五”期间华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程公司承担了国家重点科技攻关课题“新型(多喷嘴对置)水煤浆气化炉开发”,进行了多喷嘴对置式水煤浆气化炉的中试研究。

兖矿国泰化工有限公司采用两台日处理1150t 煤多喷嘴对置式水煤浆气化炉(410MPa )配套生产
24万t 甲醇/a 、联产7118MW 发电,进行了多喷嘴对置式
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9　研究探讨
煤　炭　工　程 2007年第10期　
水煤浆气化技术的工业示范,标志着该气化工艺产业化的实现,实现了我国大型煤气化技术零的突破,为推动我国煤化工产业的发展和能源结构调整提供了技术支撑,经济效益、社会效益显著。

3　美国煤气化工艺对中国的启示
由表1中美两国煤气化技术对比可以看出,美国的气流床Texaco和Destec、硫化床U-Gas和KR W技术均已经实现商业运行,尤其Texaco气化技术是商业运行最丰富的气流床气化工艺,压力高、煤的处理量也大,目前国内引进已有20几台在运行或建设中。

另外,由表1也可以看出,气化压力向中高压(815MPa)、气化温度向高温、气化原料向多样化以及大型化、低污染、易净化是当前美国煤气化技术煤气化的发展方向。

表1　中美两国各自开发煤气化技术对比
中国
流化床气化床
美国
流化床气化床
气化炉类型灰熔聚流化床
粉煤气化技术
多喷嘴对置式
水煤浆气化
U-Gas KR W Texaco Destec
技术程度中试商业化运行商业化运行商业化运行商业运行商业运行进料方式煤粉粒度<8mm水煤浆煤粉粒度<6mm煤粉粒度<6mm水煤浆水煤浆碳转化率90%>98%～97%96%～98%96%～98%操作温度1050～1100℃～1300℃955～1055℃1300～1500℃1300～1500℃喷嘴数多单多冷煤气效率78178%70～7673～78
单炉煤耗/t・d-1200～300115080025002500
气化压力/MPa015～110310～615012～310211410～815410～615
相比之下,中国的灰熔聚流化床粉煤气化技术还处于中试阶段,多喷嘴对置式水煤浆气化装置已经商业化运行,但还处在初步推广阶段,技术还不完善,还需要在生产实践中不断的改进,另外该技术处理量比较少。

当前,我国煤气化整体技术还处于较低水平,采用的炉型多为混合煤气发生炉、水煤气发生炉等。

这些炉型效率低下,已经越来越难以满足生产的要求。

我国从20世纪80年代末开始引进美国GE公司的Texaco煤气化技术,如山东鲁南化肥厂、上海焦化厂、陕西渭河化肥厂、淮化集团有限公司等均采用该工艺。

Texaco气化技术基本实现国产化,但如气化炉、激冷环等一些关键技术还没掌握,Texaco专利技术进行工程设计时,该公司提供P DP软件包,用以完成指定规模工程设计,但不提供气化炉结构参数和计算依据。

一旦气化炉容量以及工艺条件改变,仍需向该公司申请专利许可证,并支付专利费,我国每年仅引进煤气化技术专利实施许可费一项就需花费巨额外汇。

为此,我们应抓住煤化工发展的机遇,提高企业的自主创新能力,掌握煤气化炉制造的核心技术。

在气化工艺方面,借鉴美国的煤气化经验,把研究重点放在提高气化压力、提高气化炉容量、煤种适应性广、环境友好、实现零排放、能提高碳转化率和提高气化效率以及改善液态排渣的气化工艺上。

另外,在基础研究方面,把研究重点放在气化基础和气化过程的数学模拟以及开发自动控制软件包、研究液态排渣理论上。

参考文献:
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(责任编辑　李振涛)
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