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陈仲波煤气化的工艺技术对比与选择 107 煤气化的工艺技术对比与选择 陈仲波 北京中寰工程项目管理有限公司,北京 100013 摘 要本文阐述了移动床气化工艺和气流床气化工艺的主要特点,并详细分析了UGI煤气化炉、鲁奇煤 气化炉、温克勒气化炉、高温温克勒气化炉等炉型的运行机理和特点。并提出根据煤种、投资成本、技术 成熟性和环保等方面来判断选用哪种工艺技术来进行煤气化,为企业选择何种煤气化工艺技术提供依据。 关键字煤气化;移动床;气流床;煤种 引言 我国拥有丰富的煤炭资源,目前煤炭在我国能源结构中仍占有主导地位,怎样合理使用煤炭资源成为我国煤炭资源处理的首要问题。在煤炭利用技术中,煤气化技术作为煤炭能源转化的基础技术,在煤炭能源使用方面占有重要的地位。按照燃料在炉内的运动状体,主要分为移动床、气流床和融熔床等。 1 各种煤气化工艺技术比较 1.1 移动床气化工艺 移动床气化工艺在气化过程中,煤由气化炉顶部加入,气化剂由气化炉底部加入,煤料与气化剂逆流接触,相对于气体的上升速度而言,煤料下降速度很慢,甚至可视为固定不动,因此称之为固定床气化;而实际上,煤料在气化过程中是以很慢的速度向下移动的,比较准确的称其为移动床气化。具有操作安全可靠、能耗低的优点。同时,适用于多种煤种,对活性较差的煤种,也具有较高的气化效率,生产能力大,结构占地面积小。在生产时,煤料和气化剂逆流而行,创造了好的热交换条件和反应条件,运行时,煤能够充分燃烧。目前主要的移动床气化炉型有UGI煤气化炉、鲁奇煤气化炉等。 1.1.1 UGI煤气化炉 UGI煤气化炉是一种常压固定床煤气化设备,以美国联合气体改进公司命名。在原料上主要选用无烟煤和焦炭,可以制取空气煤气、半水煤气或水煤气,其特点是是可以采用不同的操作方式连续或间歇和气化剂来制气。 如图2所示,炉子的结构为直立圆筒形,上部有耐火材料、下部设有水夹套以回收热量、炉底设有排灰的动炉篦。UGI炉设备结构简单,易于操作,一般不需用氧气作气化剂,热效率比较高。但是对煤种要求比较严格,生产强度低。 图1 UGI煤气化炉结构图 图2鲁奇煤气化炉结构 1.1.2 鲁奇煤气化炉 1926年,德国鲁奇煤和石油技术公司开发了一种加压移动床煤气化设备,即鲁奇煤气化炉。煤和气化剂在炉中逆流接触,煤在炉中约停留13小时,压力保持在2.0 2011年 第4期 2011年4月 化学工程与装备 Chemical Engineering 其二,是 利用两段旋风分离器分离带出物,在细灰进入排灰区域后,经过气化和团聚成灰渣的颗粒排出来。该工艺技术灰渣含碳量低于百分之十,碳转化率在百分之九十七以上。 1.2.4 灰熔聚气化工艺 灰熔聚煤气化技术以小于6mm 粒径的干粉煤为原料,用空气或富氧、水蒸气作气化剂,粉煤和气化剂从气化炉底部连续加入,在炉内10501100℃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,经两极旋风分离器回收,再返回炉内进行气化,从而提高了碳转化率,使灰中含磷量降低到10以下,排灰系统简单。该技术可用于生产燃料气、合成气和联合循环发电,特别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1520,具有广阔的发展前景。 1.3 气流床气化工艺 1.3.1 K-T 炉气化 如图5所示是K-T 气化炉的结构图,两炉头气化炉的外形是水平椭球体,每个炉头装有两个喷嘴,喷出的煤粉在自己的火焰区尚未燃尽时,可进入对方的火焰中气化,增加碳化率。火焰温度需控制在2000℃,绝大部分的灰分在火焰区被熔化,熔渣由灰机送出,其余被气体带走。后来又有四炉头八喷嘴气化炉的新的设计。目前, K-T 气化工艺技术发展已经比较成熟,并且结构简单,生产能力高,其蒸汽用量较其他炉型相比也比较低,有效气体成分可以达到85到90,其缺点是能耗损失大,同时灰飞问题处理比较难度大。 陈仲波煤气化的工艺技术对比与选择 109 图5 K-T气化炉结构示意图 1.3.2 谢尔煤气化工艺 K-T炉氧耗高,而且在常压下操作,要达到高转化率是有困难的。为弥补这一缺陷,谢尔石油公司和柯柏斯公司合作开发了加压的谢尔-柯柏斯法,煤由常压煤仓进加压煤仓,再利用氮气混合粉煤送入气化炉。煤灰沿炉壁流入锁斗后排出,粗煤气则利用循环冷煤气降温到1000℃左右,避免粘性灰渣进入废热锅炉。 1.3.3 德士古气化工艺 德士古气化炉是一种以水煤浆进料的加压气流床气化装置,该炉有两种不同的炉型,根据粗煤气采用的冷却方式不同,可分为激冷型和废热锅炉性。德士古加压水煤浆气化过程是并流反应过程。合格的水煤浆原料同氧气从气化炉顶部进入。煤浆由喷嘴导入,在高速氧气的作用下雾化。氧气和雾化后的水煤浆在炉内受到高温衬里的辐射作用,迅速进行着一系列的物理、化学变化。气化后的煤气主要是一氧化碳、氢气、二氧化碳和水蒸气。气体夹带灰分并流而下,粗合成气在冷却后,从炉子的底部排出。该气化工艺采用煤浆进料,安全可靠,碳转化率高达9899。 2 煤气化工艺技术的选择 在选择煤气化工艺技术时,主要考虑煤种、工艺特点、运转周期和投资费用等方面的问题,在综合上述因素的基础上,分析应该选择哪一种煤气化工艺技术。 第一,在煤种的适应性方面,我国煤炭种类丰富,从褐煤到无烟煤都很齐全,地区煤炭种类和数量差别也很大,即使同一煤种,其性质也存在差别,要针对煤种来选择,考虑水分含量、灰熔点、灰组成、发热量和成浆性等指标来判断应该选择哪个种类的煤气化技术。 第二,在技术成熟性方面,应该选择长期稳定运行的煤气化技术,降低煤气化运行的经济风险和安全风险。 第三,在成本方面,消耗低的煤气化技术对提高单炉生产能力和气化效率、降低成本都有意义。 第四,在废物排放方面,由于煤含有无机矿物质,在加过过程中,容易产生废渣、废气和废水,从环保的角度考虑,应该选择在高温高压下加纯氧气化的工艺技术,其碳转化率比较高。 3 结论 煤气化工艺技术是煤化工的关键技术,企业在选择煤气化工艺技术时,应针对各种炉型的主要特点,并结合煤种、技术成熟度、投资成本和环保等方面的因素来选择适合的煤气化工艺。 参考文献 [1] 贾 飞. Shell煤气化净化工艺选择的探讨[J]. 化肥 设计, 2000,3822-24. [2] 何正兆, 宫经德, 郑振安, 等. 煤气化技术方案比较 及选择[J]. 化工设计, 2006,163-6. [3] 王 锦, 贺根良, 朱春鹏, 等. 煤气化技术选择依据 [J].广州化工, 2009,37526-31. [4] 张金阳. 煤气化选择之我见[J]. 河南化工, 2008, 258-9. [5] 张华新, 肖光升, 朱 疆. SHELL煤气化炉的工艺计算 及结果分析[J]. 煤化工, 2001243-45. [6] 薄德谦, 赵苏杭. 浅谈煤气化工艺对煤质的要求[J]. 中州煤炭, 2004423-34. [7] 张东亮. 中国煤气化工艺技术的现状与发展[J]. 煤化工, 200421-5.