煤气化工艺技术的选择

煤气化工艺技术的选择

滑体之(中原大化集团有限责任公司，河南濮阳 457000) 2005-09-16

煤炭通过气化转化成煤气是煤炭化工、整体煤气化联合循环发电、煤气化多联产等技术的关键和龙头技术。自发展以煤为原料的石油替代能源战略在我国确立之后，各地纷纷上马或正在积极酝酿着各种规模的煤化工项目，掀起了又一轮煤化工热。本文对我国煤气化技术的现状作简单介绍，并对如何科学选择煤气化工艺提出建议。

1 煤气化技术简介

煤气化工艺以煤炭(块煤、焦炭或粉煤)为原料，采用空气、氧气、二氧化碳和水蒸气为气化剂，在气化炉内高温环境下进行热化学反应。其主要气化反应是煤与气体介质之间的反应，即气、固两相之间的非均相反应，同时也有气体反应物之间的均相反应。这些反应进行的程度决定于气化炉的操作条件，即温度、压力、气化剂与煤炭的接触时间及煤炭的化学反应活性、表面情况等。其产品可作为燃料气、原料气或合成气，与气化炉炉型有关。气化炉的分类按煤与气化剂的相对流动方式可分为逆流、并逆流和并流，与其相对应的则是固定床、流化床和气流床气化炉。

1.1 固定床气化炉

常见的固定床(慢移动床)气化炉有间歇式气化炉(UGl)和连续式气化炉(鲁奇Lurgi)两种，目前都是已淘汰或落后的气化技术。固定床间歇式气化炉国外已于20世纪60年代初废弃。我国于2 0世纪40年代引进UGI炉，50年代改烧无烟煤，主要用于制氨和甲醇；至今尚有600余家在使用。随着能源政策和环境的要求越来越高，不久的将来，会逐步为新的煤气化技术所取代。

连续式气化炉应用碎煤加压气化技术，20世纪30年代由德国鲁奇(Lurgi)公司开发成功，是逆向气化，煤在炉内停留时间长达1 h，反应炉的操作温度和炉出口煤气温度低，碳转化率高，气化效率高，可以使用劣质煤气化，在世界各国得到广泛应用。但气化炉结构复杂，炉内设有破粘和煤分布器、炉篦等转动设备，制造和维修费用大；入炉煤必须是不粘块煤，原料采购成本较高；出炉煤气中含焦油、酚等，污水处理和煤气净化工艺复杂、流程长、设备多，增加了投资和成本。

鲁奇炉的产品气适合做城市煤气。我国云南解化集团和山西天脊集团采用该技术生产合成氨。鲁奇气化炉生产合成气时，气体成分中甲烷含量高(8％～10％)，且生产流程长，投资大；因此，鲁奇气化炉不适宜生产合成气。

1.2 流化床气化炉

流化床气化炉的气化剂由炉下部吹入，使细粒煤(小于6 mm)在炉内呈并逆流反应，煤粒(粉煤)和气化剂在炉底锥形部分呈并流运动，在炉上筒体部分呈并流和逆流运动，使炉内的煤粒在流化状态下气化，在燃烧产生的高温条件下，气固两相充分混合接触，发生煤的还原反应，最终实现煤的气化。

常见的流化床气化炉有温克勒(Winkler)、灰团聚(U-Gas)、循环流化床(CFB)、加压流化床(PFB是PFBC的气化部分)以及中国科学院山西煤炭化学研究所研发的灰熔聚气化炉等。目前较成功的流化床气化炉有鲁奇公司开发的循环流化床(CFB)和中国科学院山西煤炭化学研究所研发的灰熔聚气化炉。

1.2.1 循环流化床气化炉(CFB)

鲁奇公司开发的循环流化床气化炉(CFB)可气化各种煤，也可以用碎木、树皮、城市可燃垃圾作为气化原料，水蒸气和氧气作气化剂，气化比较完全，气化强度大，是固定床的2倍，碳转化率高(97％)，炉底排灰中含碳2％～3％，气化原料循环过程中返回气化炉内的循环物料是新加入原料的40倍，炉内气流速度为5～7 m／s，有很高的传热、传质速度，气

化压力0.15 MPa，气化温度视原料情况进行控制，一般控制循环旋风除尘器的温度在800～1 050℃之间。鲁奇公司的CFB气化技术在全世

界已有60多个工厂采用，正在设计和建设的还有30多个工厂。

CFB气化炉基本是常压操作，1 kg煤消耗气化剂水蒸气1.2kg，氧气0.4kg，可生产煤气1.9～2.0m3。煤气成分(CO+H2)＞75％，甲烷含量2.5％左右，二氧化碳含量在15％，低于德士古炉和鲁奇MK型炉煤气中二氧化碳含量，有利于合成氨的生产。但国际上尚无生产合成气先例，在未取得应用于合成氨厂的工业化成功经验之前应慎重。

1.2.2 灰熔聚流化床气化炉

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。灰熔聚炉属单段流化床，结构简单，煤种适应性宽，对煤的灰熔点没有特殊要求。以0～8 mm粒径的干粉煤为原料，气化压力0.03 MPa，用富氧(氧浓度为92％，压力不小于0.13 MPa)、水蒸气作气化剂。粉煤和气化剂从气化炉底部连续加入，从中心管(射流区)送入部分氧气，在炉内1 050～1 100℃的高温下进行快速气化反应，被粗煤气夹带的未完全反应的残碳和飞灰，经两级旋风分离器回收，再返回炉内进行气化，碳转化率达90％以上。局部高温，有利于灰渣分离，排灰系统简单，粗煤气中几乎不含焦油、酚等有害物质，煤气容易净化。缺点是碳转化率较德士古和鲁奇炉低。

该技术的工业化示范装置建在陕西城固化肥厂，2002年3月通过陕西省科技厅组织的验收。它以陕西彬县烟煤为原料，日处理原煤100～120 t，所产合格气有效成分（CO+H2）≥68％，甲烷含量不高于2.0％，送入合成氨生产系统。该技术可用于生产燃料气、合成气和联合循环发电，特别适用于中小氮肥厂替代间歇式固定床气化炉，以烟煤替代无烟煤生产合成氨原料气，可以使合成氨成本降低15％～20％。

目前汉中成化有限公司亦有一套工业化装置运行。

1.3 气流床气化炉

气流床气化炉从原料形态分为水煤浆、干煤粉两类。气流床对煤种(烟煤、褐煤)、粒度、含硫、含灰都具有较大的兼容性，其清洁、高效代表着当今煤气化技术发展潮流。

1.3.1 德士古(Texaco)气化炉

Texaco水煤气化炉雷同于1952年开发成功的渣油气化炉，经过1975年、1978年低压与高压中试装置(激冷流程)以及1978年西德Oberhausen的RCH／RAG示范装置(废炉流程，日处理煤150t，4.0 MPa)考核与经验积累，于1982年建成TVA装置(日处理煤180 t，二台炉，一开一备，6.5 MPa)，1984年建成日本UBE装置(日处理煤1 500 t，三开一备，3.6 MPa)以及Cool WaterIGCC电站(日处理煤910t，二台炉，4.0MPa)，这些装置投运后都取得成功。目前Texaco最大商业装置是Tampa电站，属于DOE的CCT-3，该装置为单炉，日处理煤2 000t，气化压力为2.8 MPa，氧纯度为95％，煤浆浓度68％，冷煤气效率76％，净功率250 MW，辐射锅炉直径5.18 m，高30.5 m，重900t。

20世纪80年代末至今，我国共引进4套Texaco水煤浆气化装置，即鲁南(二台炉，一开一倍，单炉日处理煤450t，2.8 MPa)、吴泾(4台炉，三开一备，单炉日处理煤500t，4.0MPa)、渭河(三台炉，二开一备，单炉日处理煤为820 t，6.5 MPa)、淮南(三台炉，无备用，单炉日处理煤500 t，4.0 MPa)，这4套装置均用于生产合成气，7台用于制氨，5台用于制甲醇。

引进的水煤浆气化装置具有以下优点：①水煤浆制备、输送、计量控制简单、安全、可靠；②设备国产化率高，投资省。主要缺点：①褐煤的制浆浓度约59％～61％；烟煤的制浆浓度为65％；因气化煤浆中的水量要耗去入炉煤的8％，比干煤粉为原料氧耗高12％～20％，所以效率较低。②因为水分(约40％)入炉，气化炉不能用水冷壁，只能以砖抗渣(耐火材料)。因此对入炉煤的灰熔融性温度限制很严，而我国煤种灰熔融性温度普遍较高，加入CaCO3助熔剂后又会引起耐火砖腐蚀和灰水结垢等问题。鲁南化肥厂和渭河化肥厂投产后被迫改换煤种。③筑炉(含烘炉)周期长，必须设置备用炉。

1.3.2 Shell气化炉

Shell气化炉壳体直径约4.5 m，4个喷嘴位于炉子下部同一水平面上，沿圆周均匀布置，借助撞击流以强化热质传递过程，炉内横截面气速相对趋于均匀。炉衬为水冷壁，总重。500 t。炉壳与水冷管排之间有约0.5 m间隙，有环形平台，作安装、检修用。

煤气携带煤灰总量的20％～30％沿气化炉轴线向上运动，在接近炉顶处通入循环煤气激冷，激冷煤气量约：与生成煤气量的60％～70％，煤气降温至900℃，熔渣凝固，出气化炉，沿斜管道向上进入管式余热锅炉。煤灰总量的70％～80％以熔态流入气化炉底部渣池，