灰熔聚流化床粉煤气化技术介绍

灰熔聚流化床粉煤气化技术

摘要：煤气化是将固态煤转化为气态燃料或化工合成原料（CO+H2）的过程，由于煤炭的储量丰富，特别是中国等一些国家富煤少油贫气，煤气化技术就变的更加重要。研究开发煤气化工艺，就是要为产业界提供能适应更宽的原料范围、更高效、经济和清洁的气化过程。本文介绍由中国科学院山西煤炭化学研究所开发的灰熔聚流化床粉煤气化过程，指出它的优点、缺点、适用范围、技术现状和发展方向，供同行了解。

一、灰熔聚流化床粉煤气化技术的开发历程

针对我国能源以煤为主、煤种多、烟煤多、粉煤多、煤灰份高、灰熔点高(大部分商品煤灰含量>20%,灰熔点>1450 C)的特点,国家从“六五”计划开始投入大量人力、物力，研制开发先进煤气化技术（包括固定床、流化床、气流床）。经过二十余年的研究开发，中国科学院山西煤炭化学研究所开发成功了具有自主知识产权的灰熔聚流化床粉煤气化技术。该工艺具有气化温度适中(1000~1100℃)，干粉煤进料，氧耗量较低，煤种适应性宽，产品气不含焦油，气化炉耐火材料要求低等优点。目前已成功应用于合成氨造气工业(常压，100吨煤/日)，随着加压技术的进一步研究开发，该技术将在国内全面推广应用。

八十年代，在中国科学院（重点科技攻关项目专项）、国家科委(75-10-05)攻关计划支持下，在原有煤气化和流化床技术的基础上，先后建立了φ300mm（1吨煤/天）气化试验装置、φ1000mm冷态试验装置、φ1000mm（0.1～0.5 MPa 、24吨煤/天）中间试验装置、φ145mm实验室煤种评价试验装置。在理论研究、冷态模试、实验室小试和中试试验基础上，系统地研究了灰熔聚流化床粉煤气化过程中的理论和工程放大特性；通过对气化过程中煤化学、灰化学与气固流体力学的研究，研制了特殊结构的射流分布器，创造性地解决了强烈混合状态下煤灰团聚物与半焦选择性分离等重大技术难题；设计了独特的“飞灰”可控地址:中国山西省太原市桃园南路27号电话: (0351) 2021137 传真: (0351) 4048313，2021137，4041153 邮编：030001

循环新工艺，实现了多种煤的高效流化床气化。通过对工艺过程的系统集成和优化，在大量的实验验证基础上，取得了完整的工业放大数据和丰富的运行经验，成功开发了灰熔聚流化床粉煤气化技术。

九十年代，在中国科学院（重点科研项目）、国家计委(85-207)攻关计划支持下，建立了φ200mm（1.0～1.5MPa）加压试验装置和φ1000mm氧/蒸汽鼓风制化工合成气的中试研究，为工业示范装置提供了准确的工程设计方法和依据；2001年单炉（φ2400mm）配套2万吨合成氨/年规模工业示范装置成功运行，实现了该技术的工业化应用，为中国中小化肥厂改变原料路线提供了具有自主知识产权的先进煤气化技术；现已能设计单台处理量100~300吨煤/日的气化炉(0.03～0.5MPa，φ2.4米，配套2～6万吨合成氨/年)。加压试验研究获得了煤在灰熔聚流化床中的加压气化特性，为大型化工程开发奠定了坚实的基础，预计加压（1.0～2.5MPa）后单台气化炉（φ2400mm）处理量可达500~1000吨煤/日，将达到国际先进水平，可用于大型化工合成和先进煤基发电系统。

近年来，与企业结合进行了大量的煤种试验研究，试验煤样从褐煤、烟煤、无烟煤到石油焦和生物质，灰含量1%～37.88%，灰熔点1160℃～1500℃以上，挥发份6.15%～32.15%，热值15.24～36.15MJ/kg，焦渣特性2～6，取得了不同煤种的气化特性和操作特性以及煤质对气化技术经济指标的影响规律，大大拓宽了煤种适用范围。尤其是无烟煤、石油焦气化试验取得了突破性的进展，表明灰熔聚流化床粉煤气化技术以低活性煤种为原料时，也能够达到合理的气化指标。

二、灰熔聚流化床粉煤气化技术的基本原理及工艺特点

灰熔聚流化床粉煤气化以碎煤为原料(＜6～8mm），以空气、富氧或氧气为氧化剂，水蒸气或二氧化碳为气化剂,在适当的气速下，使床层中粉煤沸腾，床中物料强烈返混，气固两相充分混合，温度均一，在部分燃烧产生的高温（950～1100℃）下进行煤的气化。煤在床内一次实现破粘、脱挥发份、气化、灰团聚及分离、焦油及酚类的裂解等过程。

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灰熔聚流化床粉煤气化技术的基本原理（图1）

★气固流态化

适当气速使煤沸腾流化

传热传质性能好

气化强度高

可用碎煤为原料

★中心射流形成局部高温区

提高气化强度

促使灰渣团聚

★灰渣团聚重力分离

选择性排出低碳含量灰渣

炉料碳含量高结渣风险小

炉温提高煤种适应性宽

★飞灰可控循环

提高碳转化率

图1.灰熔聚流化床粉煤气化技术基本原理示意图

流化床反应器的混合特性有利于传热、传质及粉状原料的使用，但当应用于煤的气化过程时，受煤的气化反应速率和宽筛分物料气固流态化特性等因素影响，炉内的强烈混合状态导致了炉顶带出飞灰（上吐）和炉底排渣（下泻）中的碳损失较高的缺点。常规流化床为降低排渣的碳含量，必须保持床层物料的低碳灰比；而在这种高灰床料工况下，为维持稳定的不结渣操作，不得不采用较低的操作温度（＜950℃），这又决定了传统流化床气化炉只适用于高活性的褐煤或次烟煤。灰熔聚流化床粉煤气化工艺根据射流原理，设计了独特的气地址:中国山西省太原市桃园南路27号电话: (0351) 2021137 传真: (0351) 4048313，2021137，4041153 邮编：030001

体分布器和灰团聚分离装置，中心射流形成床内局部高温区（1200～1300℃），促使灰渣团聚成球，借助重量的差异达到灰团与半焦的分离，在非结渣的情况下，连续有选择地排出低碳含量的灰渣，提高了床内的碳含量和操作温度（达1100℃）,从而使其适用煤种拓宽到低活性的烟煤乃至无烟煤。

灰熔聚流化床粉煤气化工艺的特点：

1) 煤种适应性广，可实现气化原料本地化。

2) 操作温度适中，无特殊材质要求，操作稳定，连续运转可靠性高。

3) 工艺流程简单，气化炉及配套设备结构简单，造价低，维护费用低。

4) 灰团聚成球，借助重量的差异与半焦有效的分离，排灰碳含量低(<10%)。

5) 炉内形成局部高温区（1200～1300℃），气化强度高。

6) 飞灰经过旋风除尘器捕集后返回气化炉，循环转化，碳利用率高。

7) 产品气中不含焦油和挥发酚，洗涤水净化容易。

8) 设备投资低，气化条件温和，消耗指标低，煤气成本低。

9) 中国自主专利,同等规模下，与引进气化技术相比，投资低50%。

三、灰熔聚流化床粉煤气化工艺流程（图2）

1) 备煤系统

粒径为0～30mm的原料煤(焦)，先筛分、破碎到0～8mm粒度，回转干燥器烘干(烟煤水分＜5%，褐煤<12% ) 待用。

2) 进料系统

备好的入炉煤经过斗式提升机进入煤锁斗系统，由螺旋给料器计量，气力输送进入气化炉下部。

3) 供气系统

气化剂(空气/蒸汽、氧气/蒸汽)分三路计量调节，由分布板、环形管、中心射流管进入气化炉。

4) 气化系统

煤在气化炉中部分燃烧产生的高温（950～1100℃）下与气化剂（氧气、蒸汽）进行反应，一次性实现破粘、脱挥发份、气化、灰团聚及分离、焦油及地址:中国山西省太原市桃园南路27号电话: (0351) 2021137 传真: (0351) 4048313，2021137，4041153 邮编：030001