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煤气化综述 （大型煤气化技术的研究与发展） 已工业化的煤气化技术可分为3 类 以Lurgi技术为代表的固定床气化技术 以HTW 技术为代表的流化床气化技术 以Texaco、Shell、多喷嘴对置气化技术为代表的气流床气化技术。 气流床气化炉气化温度与压力高、负荷大，煤种适应范围广，是目前煤气化技术发展的主流。国外已工业化的煤气化气流床煤气化技术主要有以水煤浆为原料的GE（Texaco）气化技术、Global E-Gas 气化技术，以干粉煤为原料的Shell气化技术、Prenflo气化技术、GSP 气化技术等。 1.1 GE（Texaco）气化技术 Texaco 气流床气化技术的开发始于20 世纪40年代，1950 年首先在天然气非催化部分氧化上取得成功，1956 年又应用于渣油气化。在50 年代Texaco公司就有将其技术应用于煤气化的计划，并进行了部分研究工作。70 年代的石油危机促使Texcao 公司将目光再一次投向煤气化技术。70 年代末建设了2 套示范装置，分别为德国的RAG 和美国加州的Cool Water，1983～1985 年分别在日本的UBE 公司和美国的Eastman 公司建设了3 套商业化装置。90年代Texaco 煤气化技术共有9 套装置投入运转，其中5 套在中国，4 套在美国。目前，在建和运转的Texaco 气化炉约有80 多台。 1.2 Global E-Gas 气化技术 E-Gas 气化技术最早由Destec 公司开发，采用水煤浆原料，两段气化，后被Dow 公司收购。E-Gas气化技术的开发始于1978 年，在美国路易斯安娜州的Plaguemine 建立了日处理15 t 煤的中试装置，其后于1983 年建立了单炉550 t/d 煤的示范装置，于1987 年建设了单炉1600 d/t 煤气化装置，配套165MW IGCC 电站，这两套装置均位于Plaguemine。基于这两套装置的经验，在路易斯安娜州的 TerraHaute 建立了单炉2500 t/d 的气化装置，配套WabashRiver 的260 MW 的IGCC 电站，该电站于1996 年投入运行，发电效率40％。 图2 E-Gas 气化炉示意图 图2 为E-Gas 气化炉示意图。气化炉内衬采用耐火砖，约85％的煤浆与氧气通过喷嘴射流进入气化炉第一段，进行高温气化反应，一段出口的高温气体中含量分别接近20％；15％左右的煤浆从气化炉第二段加入，与一段的高温气体进行热质交换，煤在高温下蒸发、热解，残碳与CO2 和H2O进行吸热反应，可以使上段出口温度降低到1040℃左右。1040 ℃的合成气通过一个火管锅炉（合成气走管内）进行降温，降温后的合成气进入陶瓷过滤器，分离灰渣，过滤器分离出的灰渣循环进入气化炉一段。 1.3 Shell 和Prenflo 气化技术 Shell 和Prenflo 气化技术十分相似，都是在K-T炉基础上发展起来的，都是多喷嘴上行干煤粉气化，水冷壁炉，冷煤气回炉激冷热煤气，煤气冷却都用废热锅炉。其主要差别在废热锅炉的设置上，Shell在经过桥管后在侧边设置，而Prenflo 在顶部。这是因为当初两家公司是一起合作开发的，后来才分开。其技术优势在于采用的是膜式水冷壁气化炉而非耐火砖，使高温气化（1700 ℃）可行，所以原料选择范围较宽，而且降低了运行成本。气化后产生的煤气中CO2 含量低，有效气体（COH2）的体积分数约90，氧耗比水煤浆气化约低10。膜式壁的设计寿命据说至少为25 年，喷嘴寿命为1 年。其存在的问题主要是投资大，设备造价过高，干燥、磨煤、高压氮气及回炉激冷用合成气的加压所需功耗较大，气化炉的压力低于4.5 MPa，不能与后续过程相衔接（如等压合成甲醇）等。从国内目前已经开车的几家工厂运行情况看，Shell 粉煤气化装置要达到长周期、满负荷运行还需要解决不少的工程问题。 1.4 GSP 气化技术 GSP 气化技术是单喷嘴下喷式干煤粉加压气流床气化技术，根据煤气用途不同可直接水激冷，如化工合成气用户；也可用废热锅炉回收热量产生高压蒸汽，如IGCC 发电用户。GSP 技术采用了干煤粉进料、盘管式水冷壁，既扩大了煤种范围，又避开了耐火砖的麻烦。下喷的直接激冷使其设备造价大幅度下降，流程简单，激冷后合成气中的水蒸气也基本能满足后工段变换使用。不少我国煤化工界专家对本工艺寄予厚望。必须看到，GSP 气化技术在单炉能力和长期运行方面还存在不足，目前已运行过的装置，其单炉能力只有720t/d，用于煤气化的运行记录也只有短短两年。国内存在盲目引进的趋势。 图3 多喷嘴对置式水煤浆气化技术工艺流程 图3 为多喷嘴对置式水煤浆气化工艺流程示意图。包括4 个工序，即磨煤制浆工序、多喷嘴对置式水煤浆气化工序、合成气初步净化工序、含渣水处理工序。 （煤气化技术的选择与对比） 气化工艺发展到今天，可以作为大型化工企业选择的气化方法主要有以下几种类型 粉煤流化床气化工艺 气流床气化工艺 固定床加压气化技术 碎煤加压熔渣气化液态排渣技术。 1.1 粉煤流化床加压气化 粉煤流化床加压气化又称之为沸腾床气化，这是一种成熟的气化工艺，在国外应用较多，该工艺可直接使用0～6mm 或0～10mm 的碎煤作为原料，但亦不希望1mm 以下的细粉过多，备煤工艺简单，气化剂同时作为流化介质，炉内气化温度均匀，但气化温度较低小于1 000 ℃左右，碳反应不完全，渣和飞灰中碳含量高，煤气中有效成份较低，近年来流化床气化技术已有较大发展，开发了如德国的高温温克勒（HTW），美国的U - Gas 等加压流化床气化新工艺，在一定程度上解决了常压流化床气化存在的带出物过多等问题，但仍然存在带出物含量高、碳含量高且又难分离、碳转化率偏低、煤气中有效成分低、而且要求煤高活性、高灰熔点等多方面问题。该气化工艺操作压力偏低，煤气污水中有少量焦油、酚等。因此流化床气化比较适合中、小化工企业采用。 1.2 气流床气化 成熟的粉煤气流床气化工艺主要以SHELL 、GSP 干粉煤加压气化和德士古水煤浆加压气化为代表，这几种气化工艺都是以纯氧作为气化剂，在高温高压下进行熔渣气化，粗煤气中有效组分含量高，仅有微量的甲烷，不产生焦油、萘和酚水，煤气质量好，最适合作合成气。 1.2.1 德士古（Texaco）气化技术 德士古气化属于气流床气化，是德士古公司根据油气化技术的思路开发出来的。它是将煤磨成水煤浆，加入添加剂、助熔剂等形成粘度为800 - 1 000 厘泊，煤浆浓度为60 以上的浆状物加压后喷入炉内，与纯氧进行燃烧和部分氧化反应，在1 300～1 400 ℃以下气化，生产合成原料气。 相比之下，水煤浆气化技术经过我国有关科研、设计、生产、制造部门的多年研究，已基本掌握德士古水煤浆气化技术，并能设计大型工业化装置，国产化率可达90 以上，技术支撑率高，生产管理经验多、风险少。 德士古（ Texaco）气化技术特点 （1） 利用水煤浆便于高压泵送的特点，可以制备压力很高的粗煤气，便于化式产品的后续生产过程的衔接，因而Texaco 气化炉对于化工厂更具有吸引力。 （2） 能充分利用厂区周围的一切污水源来制作水煤浆，有利于解决污水的处理问题。 （3） 气化炉运行费用较低，不像干法供煤那样，需要花费能量去干燥湿煤。 （4） 碳的转化率不是很高， 一般只有96 ～98 ，影响气化效率的提高。 （5） 湿煤气中的水蒸汽含量较多，热煤气效率的提高要靠较复杂的显热回收设备。 （6） 气化所需的氧耗较多，大约是1kg O2/ kg 干煤。 （7） 炉堂耐火砖的寿命短、价格高、更换时间长，水煤浆泵和喷嘴易于磨损，更换频次高，影响气化炉运行周期。 1.2.2 壳牌（Shell）气化技术 壳牌煤气化工艺是由壳牌国际石油公司开发的干法粉煤加压气流床气化技术，壳牌公司从50 年代开始开发油气化技术，已积累了丰富油气化经验。近年来，我国引进十几套Shell 气化装置用于合成氨和合成甲醇，到今年上半年湖北双环气化装置投入运行，其它的装置均在建设中。 壳牌（Shell）气化技术特点 （1） Shell 干粉气化技术是将原料煤干磨粉碎后，煤粒度80 （重量） ≤0.2mm ，粉煤在气化炉中用氧和高压蒸汽在高温下以气流床形式气化，对原料煤种的适应性较广泛，但仍然对煤质有一定的要求，灰熔点易在1300～1350 ℃，煤的可磨系数应为易磨或中等难磨，煤中灰含量不能太高。 （2） 气化炉为钢制外壳，内壁为熔渣挂壁形成耐火层，不需专门的耐火砖。 （3） 气化炉操作温度高，干粉煤在数秒内全部气化，可以使用褐煤、烟煤等多种煤， 碳转化率高达99 ，煤气中甲烷含量低，在0105 （体积）左右，有效气体（CO H2）达90 以上，适宜作合成气；由于气化温度高（1 400～1 500 ℃），符合环保要求，粗煤气中不含焦油、萘、酚等杂质，煤气净化及污水处理流程简单。 （4） 采用液态熔渣排放，灰渣成玻璃状固体，没有污染，易堆放，可作为建筑材料。 （5） 操作弹性大，可以迅速改变生产负荷。 （6） 操作压力相对来说不高，为3.0～4.0MPa 。 总的来说壳牌气化技术是比较先进的气化技术，但是由于其气化炉的结构特点，使得该气化技术一次投资较大。一台套2 000t/ d 投煤量的气化装置需10亿元人民币，采用该气化技术给企业带来非常大的投资压力。 1.2.3 GSP 气化技术 GSP 气化技术是德国未来能源公司开发的气化技术，是一下喷式加压气流床液态排渣气化炉，操作压力210～410MPa ，用粉煤、氧气鼓风，其结构及工作原理与德士古气化炉相似。未来能源公司的前身是原东德的德意志燃料研究所Deut schesBrennstoffinstitut Freiberg（DBI），是当时东德从事与煤有关的各种技术研发最高研究机构，未来能源公司在不同煤种、废渣、裂解木炭、石油焦以及各种化学废料方面有GSP 气化技术的经验。GSP 气化技术不仅可使矿物燃料或类似原料转化为合成气，还可以使有些常规燃料如有足够高热值的废渣和废料转化为合成气。因此，采用水冷壁气化反应器有很大的优势。 随着全球煤化工产业、特别是我国煤化工需求的快速增长，最近被西门子收购的上述未来能源公司计划在近几年将黑水泵厂这台气化炉改回燃煤运行，利用该气化炉进行煤的气化工业试验，以适应更多的煤气化需求。 GSP 煤气化技术特点 （1） 原料煤适应范围宽，GSP 气化对煤质要求不苛刻，粒度250～500μm ，灰份1～20 （wt ） ，灰熔点1 100～1 500 ℃，灰熔点高于1 500 ℃的煤，从经济角度考虑应加入助熔剂。130MW 的工业装置实现了灰熔点高达1 450 ℃的褐煤气化工业应用。 （2） 水冷壁结构，即所谓的“以渣抗渣”的结构。采用四根（130MW） 螺旋盘管，其外径仅比气化炉（受压筒体内径）小约50mm ，水冷管的直径约80 ～90mm ，水冷壁上焊有抓钉，水冷壁内壁涂有SiC 耐火材料，水冷壁与筒体之间间隙用惰性气体或冷煤气填充。水冷壁管及外壳材料均为碳钢。 GSP 气化炉采用水冷壁结构，避免了因高温、熔渣腐蚀及开停车产生应力对耐火材料的破坏而导致气化炉无法长周期运行。由于不需要耐火砖绝热层，而且炉内没有转动设备，所以运转周期长，可靠性高。 （3） 喷嘴火焰温度约1 800～2 200 ℃，平均停留时间约10s ，反应速率高，因而气化装置的生产能力大。有效气体（CO H2 ）含量高达91 以上，碳转化率～99 。 （4） 气化炉原料从炉顶部喷入，采用单喷嘴，四层喷料结构（130MW 的工业装置） ，每层之间用水冷。喷头尖端部分为特殊材料，其余部分为普通不锈钢。用100m/ s 的高速氧 蒸汽旋转式将10m/ s 左右粉煤喷入炉内，使煤均匀混合、燃烧、气化，碳转化率达99 。 （5） GSP 供料系统采用400kg/ m3 惰性气体密相气流输送，合格粉煤经煤锁仓三管并流进料，每根进料管都设有固体物料（固-气混合） 的流量计、密度计。用通过的粉煤供入量调节入炉氧气和蒸汽量。供料系统安全可靠。气化炉温度主要根据气化室与激冷室的压差变化来调节控制。正常情况下其压差为20～30mbar（200～300H2O） 。 （6） 气化炉点火升温迅速，负荷弹性可在50 ～110 运行。气化炉设有专门的点火喷嘴，采用电点火。该喷嘴在正常操作时以低负荷保持点燃状态，可用气化炉自产煤气。 （7） 采用激冷流程，高温煤气在激冷室上部用若干水喷头将煤气激冷至200 ℃左右，然后用文丘里除尘器将煤气含尘量降低到1mg/ m3 以下。这种工艺技术简单，设备及运行费用较低。除喷嘴和水冷壁、部分阀门、特殊仪表外绝大部分设备可国产化。 与壳牌气化技术相比，GSP 气化技术由于其气化炉的结构简单，使得项目一次投资较较小。一台套2 000t/ d 投煤量的气化装置不足4 亿元人民币，采用该气化技术是一种比较经济、现实的考虑。 1.3 固定床加压气化工艺 鲁奇炉加压气化是加压固定床气化的代表，在30 年代已工业化，属第一代煤气化工艺，技术成熟可靠，是目前世界上建厂数量最多的煤气化技术。八十年代以来，我国已引进四套现代化鲁奇气化装置，其中三套用于生产城市煤气，一套用于生产合成氨，在设计、安装和运行方面均已取得丰富经验。鲁奇炉采用固态排渣，炉温偏低，煤与气化剂逆向运动，煤气中甲烷含量高，特别适合于作为城市煤气；另外粗煤气中含有一定量的焦油、酚、氨等有害物，需脱除这些有害物质。化学工业第二设计院经过几十年的摸索，近几年开发了废水污循环的工艺，成功的解决了鲁奇气化工艺的难点。 鲁奇炉煤气化技术特点 （1） 鲁奇炉碎煤气化技术系固定床气化，固态排渣，对煤种有一定的要求，适宜弱粘结性、较高灰熔点的5～50mm 的碎煤。 （2） 生产能力大。自工业化以来，单炉生产能力持续增长。这种增加主要是靠操作的不断改进。 （3） 气化炉结复杂，炉内设有破粘和煤分布器、炉箅等转动设备，制造和维修费用大。 （4） 入炉必须是块煤，原料来源受一定限制。 （5） 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，炉查含碳5 左右。 鲁奇炉加压固定床加压气化工艺技术的特点是工艺技术成熟、先进、可靠，在大型煤气化技术中投资相对较少。 1.4 碎煤加压熔渣气化液态排渣技术 碎煤加压液态排渣气化技术是传统固态排渣气化炉的进一步发展，气化炉内衬耐火衬里，其特点是气化温度高，气化后灰渣呈熔融态排出，因而使气化炉的热效率与单炉生产能力提高，煤气成本降低。液态排渣气化炉上部设有布煤搅拌器，可气化较强粘结性的烟煤。气化剂从气化炉下部喷嘴喷入，气化时，灰渣在高于灰熔点T2 温度下呈熔融状态排出，熔渣快速通过气化炉底部出渣口流入激冷器，在此被水激冷而成固态炉渣，然后通过灰锁排出。 化学工业第二设计院和云南煤化集团有限公司目前正在与ADVANTICA 公司合作熔渣气化技术对原有的一台2 800 鲁奇气化炉进行改造，在2006 年五月已经投入运行，目前运行状况良好。目前，该公司建设15 万t/ a 二甲醚项目，气化装置将开发3 600气化炉，目前已进入详细设计阶段。 碎煤融渣加压气化与鲁奇固定床气化方法相比，具有以下特点与优势 （1） 从炉顶进入的原料煤与产品气逆流接触，受热后被干燥、干馏，因此冷煤气效率可以达到90 。 （2） 气化强度大。由于液态排渣气化煤气中的水蒸汽量很少，气化单位质量的煤所生成的湿粗煤气体积远小于固态排渣，因而煤气气流速度低，带出物减少，因此在相同带出物条件下，液态排渣气化强度可以有较大提高。 （3） 较高的气化效率使得熔渣气化工艺的蒸汽消耗及氧气消耗与其他气化方法相比均较低。 （4） 由于出炉煤气的温度较低（～500 ℃），煤气中含有的焦油会附着在设备及管道表面，因此整个装置大部分设备及管道都可以采用碳钢材料，从而降低投资。 （5） 因水蒸汽耗量大为降低，且配入的水蒸汽仅满足于气化反应，蒸汽分解率高，煤气中的剩余水蒸汽很少，故而产生的废水远小于固态排渣。 （6） 由于液态排渣气化剂的汽氧比远低于固态排渣，所以气化层的反应温度高，碳的转化率增大，可以达到99 ，煤气中CO 含量较高。熔渣气化产生的玻璃状炉渣含污染物极少，对环境和人类影响极其轻微，可以作为水泥填料、制砖材料或用作筑路。与固定床碎煤加压气化相比，碎煤融渣加压气化技术也是一种适当先进、经济实惠、切实可行的气化技术，但是该技术尚在开发阶段，待云南解化集团有限公司采用碎煤融渣加压气化改造技术运行一段时间后，随着工程的进展该技术也可以作为可选择的一种气化技术。 （煤气化技术方案比较及选择） SHELL 和GE 两种煤气化技术 （1） SHELL 公司在渣油气化技术取得工业化成功经验的基础上，于1972 年开始从事煤气化技术的研究。1978 年第一套中试装置在德国汉堡建成并投入运行；1987 年在美国休斯敦附近建成的日投煤量（250～400）t 的示范装置投产；日投煤量2kt 的大型气化装置于1993 年在荷兰的Buggenum建成投产（Demkolec 电厂），用于联合循环发电，该气化装置为单系列操作，装置的开工率在95 以上。生产实践证明，SHELL 煤气化工艺是先进成熟可靠的。目前该技术在国内推广比较迅速。 （2） GE （TEXACO） 公司很早就开发了以天然气和重油为原料生产合成气技术， 20 世纪70年代的石油危机促进其寻找替代能源和洁净的煤气化技术，经多年研究以后，推出了水煤浆气化工艺。该工艺技术已在山东鲁南、上海焦化、陕西渭河、安徽淮化4 套装置投运， 最长的已具有近8 年生产操作经验。运行基本良好，显示了水煤浆气化的先进性，但使用该项技术所建的生产装置，要达到长周期满负荷运行，尚较困难，特别是对煤种的可选择性限制了其发展。 SHELL 煤气化工艺与GE 水煤浆气化工艺，是当前先进而又成熟的两种煤气化技术， 已成功地在工业规模上应用多年。两种气化工艺对比分析如下 2.1 原料的适应性 （1） SHELL 煤气化是洁净的煤气化工艺，可以使用褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤等煤种以及石油焦为原料，也可使用两种煤掺合的混煤，并成功地将高灰分（5.7 ～24.5 ， 最高35 ）、高水分（4.5 ～30.7 ）和高硫分的劣质煤种进行气化。对于原料煤和燃料煤价差较大地区有可能使其两者合一，既简化贮运系统又可降低生产成本，可见该工艺在煤种应用上有很大灵活性。 （2） GE 水煤浆气化工艺能使用较多煤种如烟煤、次烟煤、石油焦和煤液化残渣。但是在煤种选择上需考虑以下两点①应选用含水低，尤其是内水分低的煤种，否则不利于制取高浓度水煤浆；②选用灰融点低和灰粘度适宜的煤种。灰融点FT （T3）宜低于1300 ℃， 否则会影响气化炉内耐火砖的使用寿命。 2.2 煤的准备 原煤通常需筛选和研磨破碎使其达到一定粒度，以满足输送和气化操作要求。 （1） 在SHELL 煤气化工艺中，将煤研磨至气化合适粒度的同时，用惰性气体的热风进行干燥。出磨机时90 wt）煤的粒度 99 ， 因而排出炉渣中含C 1 。干法除尘排出之细灰含C 5 ，可直接用作水泥生产原料。 （2） 在GE 水煤浆气化工艺中，碳转化率为96 ～98 ，由于碳转化率随气化温度上升而增大，出于延长气化炉砖使用寿命考虑，实际碳转化率经常在94 ～96 。因此排出炉渣含碳2 ～5 ，而在滤饼中含碳量达15 ～30 。 2.11 运行周期 由于气化炉结构上的差异导致气化炉运行周期有较大差别。 （1） SHELL 煤气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖内衬，对气化炉操作温度的要求比GE 气化炉宽松，同时气化烧嘴运行周期长，故能保证气化装置长周期运行。 （2） GE 气化炉内砌耐火砖，目前国产耐火砖使用寿命不到1 年，国外耐火砖也只有1～2年。GE 气化装置受耐火砖的寿命、气化烧嘴运行时间等的影响，连续运行周期受到限制。 比较可知SHELL 煤气化工艺在以下几方面都有明显的优越性 （1） 原料煤种的适应性。可以不受煤种的限制，使用原料范围更广，属洁净煤技术， 为环保性新工艺。 （2） 工艺特点。煤气化工艺碳转化率高、热效率高、氧耗低，气化关键设备及控制系统安全可靠。 （3） 投资、消耗及运行费用。虽然SHELL方案投资比GE 方案略高，但从技术先进性及操作费用上，采用SHELL 干粉煤气化工艺明显优于GE 水煤浆气化工艺。 （4） 运转周期。SHELL 煤气化工艺煤烧嘴可以连续运行8000h 以上；GE 水煤浆气化工艺煤烧嘴运行1500h 就需检查更换。 （5） 环保。SHELL 煤气化工艺排出的炉渣含碳 1 、飞灰含碳 5 ，可以再利用， 同时排出的废水少；GE 水煤浆气化工艺排出的炉渣含碳2 ～5 ，难以再利用，同时排出的废水也较多。 10