第二代典型煤气化技术.pdf

2 0 0 9年 3 7卷第 6期 广州化工 5 5 第二代典型煤气化技术 郑先勇， 董翔飞 ， 冯松 ， 段中献 平煤集团朝川焦化公司，河南 汝州4 6 7 5 2 3 摘 要 介绍了L u r q i 加压气化、 T e x a c o 气化、 S h e l l 气化、 P r e n f l o 气化和G S P 气化五种典型的煤气化工艺及其优缺点。为我国 企业选择合适的煤气化工艺提出了几点建议 ， 展望了我国煤气化技术的发展方向。 关键词 煤气化； 气流床； L u r q i ； T e x a c o ； S h e l l ； P r e n f l o ； G S P Th e 2 n d Ty p i c a l Co a l Ga s i fic a t i o n Te c h n o l o g y ZHENG Xi a n-y o n g，DONG Xi a n g一 ，FENG S o n g，DU AN Zh o n g x i an C h a o C h u a n C o k i n g C o ． ， L t d ． ， P i n g d i n g s h a n C o a l G r o u p ， He n a n R u z h o u 4 6 7 5 2 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Lu r q i p r e s s u r i z e d g a s i fic a t i o n，t e x a c o g a s i fic a t i o n，s h e l l g a s i fic a t i o n，pr e n f l o g a s i fi c a t i o n ，GS P g as i fic a 。 t i o n o f t h e fi v e t y p i c a l c o a l g a s i fi c a t i o n p r o c e s s a n d i t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s w e r e i n t r o d u c e d ． A f e w s u g g e s t i o n s we n ma d e f o r Ch i n e s e e n t e r p r i s e s c h o o s e f o r Ch i n e s e e n t e r pris e s c ho o s e t h e rig ht c o a l g asi f i c a t i o n p r o c e s s ． Th e p r o s p e c t o f C h i n a g c o a l g a s ific a t i o n t e c h n o l o g y W as f o r e c ast e d ． Ke y wo r ds c o a l g asi fi c a t i o n；e n t r a i n e db e d；Lu r q i ；Te x a c o；S h e l l ；P r e n fl o；GS P 我国煤炭资源丰富， 是世界上最大的煤炭生产国和消费国， 也是世界上少数几个以煤为主要一次性能源的国家之一。煤炭 在我国能源消费总量中占到7 0 ％， 并且这一状况在未来的 3 0～ 5 0年内不会有大的改变。而我国煤炭利用技术普遍落后导致环 境污染严重。目前， 我国已成为世界上环境污染最严重的国家 之一， 这不仅严重地威胁到生态环境和人类健康， 而且由于环境 污染而造成的直接和间接经济损失也是非常巨大的。因此， 如 何提高煤炭的洁净高效利用是关系到我国国民经济和社会发展 的重要问题。而采用先进成熟的煤炭气化技术是解决这一问题 的正确选择。 煤炭气化是采用空气、 富氧空气、 氧气和水蒸汽等作为气化 剂， 煤基燃料在一定的温度与压力下与气化剂发生不完全燃烧反 应 气化反应 ， 生成以氢气和一氧化炭为主要成分的粗煤气。煤 气化技术的发展已经有一百多年的历史， 它大致经历三个发展阶 段 第一代是早期的多以块煤和小粒煤为原料的煤气化技术 ， 包 括各种常压固定床 移动床 、 流化床 沸腾床 和气流床气化技 术。第二代是目前已经实现工业应用或正处于小试、 中试 、 示范阶 段的各种加压气化技术。如 S h e l l 气化、 T e x a c o气化等。第三代是 仍处于实验室研究阶段的更先进的气化技术， 如煤的催化气化技 术、 煤的等离子体气化技术、 煤的太阳能气化技术等⋯。 1 发展以气流床为代表的第二代煤气化技术 是现代煤化工的需要 第二代煤气化技术是 2 0世纪 8 O年代以来才陆续实现工业 应用的最新煤气化技术， 尤其是气流床气化技术， 它具有煤种适 应性广、 气化压力高、 生产能力大、 气化效率高、 污染小等众多优 点， 因此它是发展现代煤化工的首先气化技术。而现代煤化工 就是用高新技术取代传统落后技术， 用大型技术取代小型技术， 用技术集成取代单一技术， 用大型基地建设取代遍地开发， 以煤 化工生态园区的模式实现循环经济的理念。现代煤化工的要求 和中国能源结构的特点与现状决定了发展循环经济型洁净煤利 用技术是必然选择。第二代煤气化技术中比较成熟并实现工业 应用 的有数十种之 多。其中 比较典型 的有 L u r q i 工艺 、 T e x a c o工 艺 、 S h e l l 工艺 、 P r e r d l o 工 艺、 G S P工艺。除前一种外 ， 均采用气流 床气化工艺。气流床气化技术适应了发展现代煤化工的需要 ， 显示了良好的经济效益和社会效益， 代表着未来煤气化技术的 发展趋势 。 2 典型煤气化技术及其优缺点 2 ． 1 L u r q i 气化 L u r q i 气化工艺是由德国鲁奇公司开发设计的以块煤为气化 原料的移动床加压气化技术。经过几十年的研究开发， 现已发 展为加压固态排渣和液态排渣两种最新炉型。从 2 0世纪 7 O年 代中期以来， 我国已引进 L u 第一代、 第二代和第三代炉型。 如原山西化肥厂、 哈尔滨煤气厂、 兰州煤气厂、 义马煤气化厂等 均采用是 L u r q i 气化炉。现在加压固定床鲁奇气化炉的国产配 套能力较强， 气化炉投资成本已大大降低。 典型鲁奇气化工艺流程见图 1 。块煤由气化炉顶部加入， 气 作者简介 郑先勇 1 9 7 2 一 ， 男， 1 9 9 5年毕业于平顶山城建学院环境工程专业， 2 0 0 8 年毕业于中国矿业大学煤化工专业， 助理工程师， 现在平煤集团朝 川焦化公 司总工办工作 。Em a i l p d s z x y 8 8 1 6 3 ． c o rn 5 6 广州化工 2 0 0 9年 3 7卷第 6期 化剂由气化炉底部通入， 煤料与气化剂在气化炉内逆流接触。 煤在气化炉 内从上 向下经过 干燥 层 、 干馏层 、 甲烷层 、 气 化层 还 原层 、 氧化层和灰渣层， 而气化剂从下至上进入煤料床层 内， 依 次被预热并与煤焦发生燃烧及气化反应， 产生高温煤气的显热使 原料煤干馏和干燥 ， 同时降低 了出 口煤气 的温度， 有利 于后序煤 气的净化。灰渣的显热预热了入炉的气化剂后， 落入灰锁， 间断性 的卸到渣箱内， 定期排出。液态排渣 L u r q i 炉， 是通过降低 氧 比， 控制炉温在灰渣熔点以上， 使灰渣以熔融状态落在炉底急冷 箱 内淬冷成渣粒 ， 渣粒从 急冷箱经渣锁排 出。液 态排渣 L u r q i 炉 特别适 合于气化高挥发分 、 低 反应性 的次烟煤 ， 而 固态排 渣 L u r q i 炉又非常适合处理高灰、 高灰熔融性及高反应性的煤， 两者可相 互补充。但鲁奇固态排渣气化炉在使用焦结性煤时， 容易造成床 体阻塞， 使气流不畅， 煤气质量不稳定。另外， 由于煤在炉内需停 留0 ． 5～1 h ， 因而单炉气化容量无法设计很大。产生的煤气因甲 烷含量较高， 不适合生产合成气， 适于生产城市煤气。 气 化 变 换 图 1 L u r q i 气化工艺 流程 图 2 ． 2 T e x a c o气 化 德士古气化工艺是 2 0世纪8 0年代煤气化的最新工艺之一， 它是由美国德士古公司开发的以水煤浆为原料、 液态排渣气流 床加压气化技术。1 9 4 8年在 Mo n t e b e ll o建成第一套 1 5 t ／ d的中 试装置， 1 9 5 8年建立了 1 0 0 t ／ d的原形炉， 操作压力为2 ． 8 M P a ， 气 化剂为空气， 生产合成气供合成氨用。T e x a c a气化炉是 目前商 业运行 经验 最 丰富 的气 流床 气化 工 艺， 操作 压 力 已达 到 6 ． 5 M P a ， 单炉耗煤量已达到 2 0 0 0 t ／ d ， 世界上有近 2 0台T e x a c o 运 行， 其中中国就有 1 2台， 用于合成氨、 甲醇或发电等。1 9 9 3年山 东鲁南化肥厂 1 1 引用 T e x a c o气化炉投产， 随后渭河化肥厂 21 、 上海焦化厂 31 及 淮南化工厂 21 又引进 T e x a c o 气化技术。除上海用于生产甲醇外， 其他均用于生产合成氨。 T e x a c o 气化工艺按出气化室高温煤气冷却方式的不同， 可 分为激冷流程、 废锅流程和混合型流程。其典型激冷流程如图 2 。原料煤与水、 添加剂 、 石灰石等经磨机研磨制成浓度为6 0 ％ ～ 7 0 ％的水煤浆， 由煤浆泵加压后与高压氧气一起经烧嘴混合 后， 呈雾状喷入气化炉燃烧室发生气化反应。通过调节氧／ 煤浆 的比例， 使炉内气化温度高于煤灰流动温度 f T r 。在激冷流程 中， 从气化室排出的高温煤气和熔渣经激冷环和下降管进入气 化炉激冷室底部， 熔渣迅速固化， 粗煤气被水饱和。出气化炉的 粗煤气再经文丘 里喷射 器 、 洗涤塔 除尘后 进入 后工 序 。在废 锅 流程中， 高温煤气所含显热先经辐射锅炉降温除去溶渣后， 再送 往对流锅炉进行余热回收。而在混合型流程中， 出气化室的高 温煤气先经辐射锅炉冷却， 再用激冷水直接冷却。混合型流程 热效率高且产品煤气中含充足水蒸汽， 有利于后序的 C O变换。 这种 流程 非常适用 于甲醇等化学 品的生产 。 水 进 图 2 T e x a c o 工艺流程示意图 T e x a c o 气化工艺可用气化的原料范围比较宽， 工艺技术成 熟、 流程简单 、 过程控制安全可靠， 操作弹性大， 碳转化率高， 粗 煤气质量好、 可供选择的气化压力范围宽、 单炉容量大、 环境友 好等优点。但是也存在一些缺点 气化炉内衬耐火砖 、 喷嘴使用 寿命短 ， 需要备炉， 不适宜长时间在低负荷下运行 ， 水煤浆含水 量太高 ， 使冷煤气效率和有效气体成分 C OH 偏低 ， 氧耗 、 煤 耗均比干法气流床高。 2 ． 3 S h e l l 气 化 S h e l l 煤气化工艺简称 S C G P， 是由荷兰 S h e l l 国际石油公司 在 2 0世纪7 0年代开始开发的新一代加压气流床粉煤气化技术 ， 该气化技术直到上世纪末才进入商业化应用， 是 2 1世纪煤气化 的主要发展途径之一 。 S h e ll公司于 1 9 7 6年在荷兰阿姆斯特丹建成了投煤量为 6 t ／ d的小试装置， 先后试烧了近 3 0个煤种。1 9 7 8年又在原联邦德 国的汉堡一哈尔堡壳牌炼油厂内建设了一套 日处理 1 5 0 t 煤的中 试装置， 该装置成功地完成了一系列试验后， 至 1 9 8 3年停止运 行， 累计运行了6 1 0 0 h 包括 1 0 0 0 h的连续运转 ， 顺利完成了工 艺开发和过程优化的任务。1 9 8 7年， S h e l l 公司在美国休斯敦建 成投煤量为 2 2 5～ 4 0 0 t ／ d的 S C G P一1 示 范装 置 ， 该装置气化压力 2～ 4 MP a ， 干煤粉加料， 一般碳转化率在 9 9 ％， 冷煤气效率 8 0 ％ 一 8 5 ％， 热煤气效率超过 9 5 ％， 1 9 9 3年采用 S h e l l 煤气化工艺的 第一套大型工业化装置在荷兰布根伦 B u g g e n u m 市的 D e m k o l e c 建成。用于I G C C ， 发电量为 2 5 3 M W， 气化能力为 2 0 0 0 t ／ d ， 气化 压力为2 ． 8 MP a 。经过 3年的示范运行后， 于 1 9 9 8年 1 月 1日正 式进入商业化运行 j 。自2 0 0 1年壳牌公司与中石化在湖南岳 阳建第一个煤气化合资工厂以来 ， 国内先后又有十多家企业引 进了 S h e l l 气化炉工艺。S h e l l 煤气化工艺从示范装置到大型工 业化装置均采用废锅流程。该工艺典型流程如图 3 。原料煤经 破碎、 干燥后进入磨煤机中被磨成粒度 9 0 ％能通过 1 7 0目筛孔 的煤粉， 用氮气把煤粉从常压煤粉仓送到加压煤粉仓 ， 再以较高 2 0 0 9年 3 7卷第 6期 广州化工 5 7 的固气 比将煤粉送至气化 炉 四个 喷嘴 ， 煤 粉在喷 嘴里与来 自空 分并预热的氧气 9 5 ％纯度 混合后与蒸汽一起进入气化炉。由 对称布置的四个燃烧器喷入的煤粉、 氧气和蒸汽的混合物在炉 内迅速发生气化反应， 反应温度在 1 4 0 0 ℃ 一1 7 0 0 C。在高温下 煤灰熔化， 沿水冷耐火衬里内壁流到炉底或熔化后直接滴到炉 底。熔灰在炉底部水浴中固化成一种玻璃态的渣， 再经锁斗排 出。产生的高温粗煤气用低温循环煤气在出口处激冷到9 0 0 ℃ 后， 进入煤气冷却器、 废锅冷却到2 5 0 C左右， 然后进入除尘和水 洗系统。粗煤气中熔融灰渣因聚冷而凝固， 沿倾斜的过度段落 入气化炉底部。 图 3 S h e l l 煤气化工艺 S C GP 流程示意图 S h e l l 气化优势 - 6 ] 1 原料煤适应性广， 褐煤、 烟煤、 次烟 煤、 无烟煤和石油焦均可气化。对煤的灰熔融性适应范围宽 ， 对 煤的活性、 结焦性、 水、 硫、 氧、 及灰并不敏感。 2 能源利用率 高。由于采用高温加压气化， 总热效率达9 8 ％左右， 碳转化率高 达 9 9 ％。 3 气化炉单位容量产气能力高， 易于大型化。 4 水 冷壁冷却， 运转周期长， 无需备炉。烧嘴寿命长 至少 1年 。 5 环境效益好。因煤在高温下完全气化， 液态排渣， 对环境的 影响降到最低限度。但 s h e l l 煤气化也有不足之处， 如 制粉系 统、 调节控制系统复杂， 易发生故障， 安全性及卫生条件不如湿 法进料， 一次性投资相对较高， 气化炉结构复杂， 加工难度大等。 2 ． 4 P r e n fl o气 化 P r e n f l o 气化技术是由德 国 K r u p pU h e d公司在继 承了 K T炉优点的基础上开发出的加压气流床粉煤气化技术。2 0世纪 7 O 年代 K r u p pU h d e 公司与 S h e l l 公司联合开发了加压K T工 艺， 先后建成了6 t ／ d的实验装置和 1 5 0 t ／ d的 S h e l l K o p p e r s的 工业示范装 置。1 9 8 6年 ， U h d e公 司在 德 国的 F u e r s t e n h a u s e n建 成一套 4 8 t ／ d的示范装置， 并正式命名为 P r e n f o l 气化法。该示 范装置顺利气化了很多种煤而没有遇到问题， 其碳的转化率高 达 9 9 ％以上， 冷煤气效率和热效率也很高。在中试的基础上。 1 9 9 2年西班牙 E L C O G A S采用 P r e n fl o气化技术在西班牙的 P u ． e r t o l l a n o 建成 I G C C示范电站 ， 该装置耗煤量为 2 6 0 0 t ／ d ， 发电量 为 3 0 0 M W。从 1 9 9 7年开始试运行到 2 0 0 1年， 2 0 0 2年开始进入 商业运行， 该装置也是 P r e n t l o 唯一的商业化装置， 目前运行状况 良好。 P r e n f l o 气化工艺流程见图 4 。气化煤先经破碎、 研磨 、 干燥 后 ， 烟煤水分控制在 2 ％ ， 褐煤水分控制在 6 ％ ～ 8 ％ ， 7 5 ％煤粉粒 度小于 l O 0 1x m， 合格煤粉用纯氮气输送。首先进入常压煤粉旋 风分离器， 使煤粉与氮气分离。煤粉进入闸式煤粉料斗， 而氮气 通过过滤器后放空。此后， 向煤粉料斗充压氮气， 将煤粉压人煤 粉进料斗中， 再由氮气将煤粉送到燃烧器中， 与氧气、 水蒸汽一 起喷入气化炉进行反应。气化炉内衬为水冷壁式， 灰渣在内衬 表面形成遮蔽层， 起到保护作用。从炉中产生的液态渣在集渣 器中冷却成固体， 收集在灰锁斗中， 定期排出。粗煤气先用激冷 气激冷后进入余热锅炉回收粗煤气的显热。出余热锅炉的混合 煤气经过滤、 除尘、 分离后大部分进入洗涤塔， 经洗涤除尘后的 煤气含尘量小于 1 m g ／ m ， 送往后工序。过滤器收集的飞灰返回 闸式料斗再次进入气化炉气化。 P r e n f l o气化与 S h e l l 气化工艺基本相同， 主要差别是用纯度 为8 5 ％的氧气取代 S h e l l 气化中纯度为9 5 ％的氧为气化剂， 以此 减小制氧系统厂用电的消耗。但是由此也带来了冷煤气效率降 低 、 氧消耗率增加和蒸 汽消耗略有增加的后果 。 图4 P r e n fl o 粉煤气化工艺流程示意图 2 ． 5 GS P气化⋯ G S P气化技术由原东德的德意志燃料研究所开发的加压气 流床气化技术。2 0世纪 7 0年代 ， 前民主德国燃料研究所在弗莱 堡先后建成热负荷为3 MW、 5 M W 的中试装置， 对几十种煤进行 了试验。1 9 8 4年在黑水泵气化厂建成投煤量为 7 2 0 t ／ d的示范 装置。该套装置以煤为原料一直运行到 1 9 9 1 年， 后来将原料改 为焦油 、 油渣等。 图 5 G S P气化工艺流程示意图 化 G S P气化技术可采用干煤粉和水煤浆两种方式进料， 气化 温度达 1 4 0 0 C一1 7 0 0 C。压力最高达 8 M P a ， 碳转化率达 9 9 ％， 5 8 广州化工 2 0 0 9 年 3 7卷第6期 开工方便， 无须备炉， 设备投资和运行费用相对较低。工业技术 成熟， 目前有 5套装置运行， 国内尚无示范装置。G S P气化工艺 流程如图5 ， 原料煤经粉碎、 干燥后， 在球磨机中磨成8 0 ％以上的 煤粉粒度小 于 0 ． 2 mm， 并同除尘器 中返 回的飞灰一起 ， 经粉仓 系 统与氧气， 水蒸汽一起通过炉顶的单烧嘴喷入气化炉发生气化 反应， 生成粗煤气和熔渣并流向下进入激冷室。粗煤气经脱氧 水喷淋降温到2 2 0 C， 送入洗涤塔洗涤除尘， 接着进行粗煤气的 变换 、 冷却 、 冷凝 和脱硫 ， 最后送往后工序 。 3 煤气化工艺路线的选择 以上五种典型气化工艺都已被商业化或已被用于示范工 程。每种气化工艺既有其明显的技术优势 ， 同时又有各 自的局 限性。所以在选择煤气化工艺路线时， 不仅要考虑原料煤资源 就近的原则， 同时也要考虑煤气的实际应用 ， 要从技术 、 经济等 各种因素综合考虑。L u r q i 气化工艺因原料适应性不如气流床气 化广， 更主要的是单炉容量小 目前最大容量为 5 2 0 t ／ d ， 生产的 煤气含杂质多， 一般不宜选用。现代煤化工项 目在选择煤气化 工艺路线时， 宜从以下几方面考虑。 1 技术的先进性与技术的成熟性相结合。四种典型的气 流床气化技术均已成熟， 只是运行经验有所不同。T e x a c o气化 虽然具有成熟的技术和丰富生产经验， 但是在实际运行中遇到 的诸如气化炉耐火砖的寿命问题、 工艺喷嘴问题、 激冷环问题 、 激冷室结构问题等还都没有得到很好地解决， 而干法气流床却 很好地解决了以上问题， 且气流床氧耗、 煤耗低。对生产合成气 来说 ， 激冷流程又优于废锅 流程 。总 的来 说 ， 化 工生产选 用干法 气流床激冷 流程效果更好 。 2 投资规模的高低与运行成本费用相结合。同样规模的 气化炉， S h e l l 气化投资最高， P r e n fl o 气化次之 ， G S P与 T e x a c o相 对低些， 但是 T e x a c o运行费用高。 3 原料的适应性要与资源优势相结合。选择适合本地资源 的工艺路线为以后降低生产成本、 参与市场竞争作好充分准备。 不要片面地追求某一方面的技术而忽略了本地资源的特点。 4 能源的利用效率与环保相结合。现代型的煤化工都是 建立在多联产系统基础之上， 要运用循环经济的理念来优化系 统内部的组合， 这样才能体现出能源利用的高效率、 低能耗、 低 成本 和低 污染 的要求 。 4我国煤气化技术发展方向的展望 煤气化技术是发展现代煤化工的先导和关键技术， 自上世 纪末以来， 在国家的大力支持下已经取得了不少成果， 但与国外 相比， 还存在一定的差距。今后我国煤气化技术在以下几方面 还需要加 强 1 加大研 发力度 ， 开发新 工艺 。 、 大 力开 发对煤 种适 应性 强、 单炉生产能力高 、 气体成分可调、 煤气成本低的各种先进的 气化 技术 。 2 在引进国外先进的煤气化技术的同时， 要加强消化、 吸 收和改进 ， 早 日实现关键设备的国产化。 3 在条件适宜的矿区大力推广煤的地下气化技术， 以实 现煤碳的就地转化 ， 减少煤 的开采 和运输成本 。 4 加大第三代煤气化技术的研就与开发， 为早 日投入商业 化应用打下基础 。 参考文献 [ 1 ] 张 占涛 ， 等 ．第三代煤气 化技术研究 开发进展 [ J ] ．煤化 工， 2 0 0 5， 1 1 8 3 2 l一2 4 ． [ 2 ] 许祥静 ．煤炭气化工艺[ M] ．北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 贺永德 ．现代煤化工技术手册 [ M] ．北京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4] 李 志远 ．壳牌粉煤加压气化技术 [ J ] ．化工进展 ， 2 0 0 3 ， 2 2 9 1 9 9 8 一 l 9 9 9 ． [ 5 ] 夏鲲鹏 ， 等 ．气流床气化技术 的现状及发展 [ J ] ．煤炭转 化 ， 2 0 0 5 ， 2 8 4 6 97 3 ． [ 6 ] 韩 梅 ， 吴 国光 ．气流床干煤粉气化 技术 的发 展 [ J ] ．洁净煤技 术 ， 2 0 0 4 ， 1 0 1 4 6 4 9 ． [ 7 ] 唐宏青 ． G S P工艺技术概述[ J ] ．中氮肥 ， 2 0 0 5 ， 2 1 41 8 ．