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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1.9～2.0m。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，

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遇水激冷凝固，自炉底排出。粉煤由氮气或二氧化碳携带进入喷嘴。输送气的选择取决于煤气的用途，合成氨用氮气，合成甲醇用二氧化碳。工艺氧(纯度为95％)与蒸汽也由喷嘴进入，气化温度为1 500～1 700 ℃，气化压力为3.0 MPa以上，冷煤气效率为79％～81％。 Shell煤气化技术优点：采用干煤粉进料，氧耗比水煤浆低15％；碳转化率高，可达99％；煤耗比水煤浆低8％；凋节负荷方便，关闭一对喷嘴，负荷则降低50％；煤种适应性广；膜式水冷壁结构，熔渣附于水冷壁表面，使用寿命长，水冷壁局部损坏后修补方便(其寿命为20年，喷嘴寿命为1年)；能量利用率高，其中80％～83％以合成气形式回收，14％～16％以蒸汽形式回收。主要缺点：设备投资大于水煤浆气化技术；气化炉及废热锅炉结构复杂，加工难度大，目前壳牌仅授权西班牙BBE和印度L&T公司制造。 2 我国煤气化技术的最新进展

为了提高煤气化的气化率和气化炉气化强度，发达国家加快了新一代煤气化技术的开发和工业化进程。总的方向是：气化压力由常压向中高压(8.5MPa)发展，气化温度向高温(1 500～1 600℃)发展，气化原料向多样化发展，固态排渣向液态排渣发展。

针对我国煤种多、烟煤多、粉煤多、煤质变化大的特点，我国加大力度研制开发先进的煤气化技术，在流化床(含循环)、煤及煤浆燃烧、两相流动与混合、传热、传质、煤化学、气化反应、煤岩形态、磨煤与干燥、高温脱硫与除尘等科学领域与工程应用等方面取得了大量研究成果，并在较短的时间内开发出了具有自主知识产权的水煤浆气化炉和干煤粉气化炉的中试装置。

今年6月初，由华东理工大学等单位合作开发建设的四喷嘴对置式水煤浆气化工业装置运行成功。该装置日处理煤750 t，气化压力6.5 MPa。运行结果表明，该炉工艺指标优于德士古气化炉：比煤耗降低约9％，有效气(CO+H2)成分高约1％，碳转化率大于98％。在操作方面也有较多优势，如激冷室液位稳定、易于控制，带水量降低，交叉流式洗涤冷却水分布器的水均布、洗涤、冷却性能好等，至2005年7月累计运行已超过600h。

依托多喷嘴对置式中试气化炉、上述单位又共同承担了国家“十五”科技攻关计划“粉煤加压气化制合成气新技术研究与开发”课题。设计装置日处理煤15～45t，操作压力2.0～2.5MPa，操作温度l 300～l 400℃，于2004年7月正式投运。结果表明，该干粉气化炉气化运行指标高于水煤浆气化炉，接近Shell干粉气化炉。该技术具有自主知识产权，对清洁、高效利用我国丰富的煤炭资源，满足国民经济与社会可持续发展需求具有重要意义，前景十分广阔。 3 煤气化工艺的选择

在具体选用煤气化工艺时，必须以科学的态度，既要根据技术发展水平考虑工艺的先进性，又要根据实际情况考虑工艺的合理性。以自身或附近的原料煤源为基础，以产品煤气的用途为目标，同时考虑煤气工程的生产规模与气化设备的生产能力相配套。鉴于国际煤气化工艺的现状，结合我国的国情，有如下建议：

①小氮肥改造可采用灰熔聚流化床气化炉，整套装置与国外引进技术相比，减少投资60％左右，改造投资小；吨氨制气成本可大幅降低，经济效益明显。②中氮肥改造可采用华东理工大学等开发的四喷嘴对置式水煤浆气化炉，该技术已通过工业化试验，对煤种(特别是高硫煤)、粒度有较大兼容性，具有单系列、大容量、加压、高效、洁净的技术优势，与我国的能源资源国情相适应，具有与国际先进技术竞争的能力。③建设大型煤化工或IGCC发电项目，首选Shell气化炉。我国的干粉气化工艺虽已通过中试，但工业化之前必须引进大型干粉气化炉，这是国内大型煤化工必须面对的现实。国内科研设计单位也应抓住时机，加紧消化吸收引进技术，为我所用，增强自主创新能力，形成有自主知识产权的新技术。

煤气化及多元料浆气化技术简介

(西北化工研究院) 2007-03-07