煤气化技术研究与发展.pdf

第 39卷第 5期辽 宁 化 工Vo. l 39, No . 5 2010年 5月Liaoning Che m ical IndustryM ay , 2010 煤 气 化 技 术 研 究 与 发 展 孙 凤 伟 辽宁省石油化工规划设计院, 辽宁 沈阳 110004 摘 要 介绍了目前主要的煤气化技术发展状况, 不同煤气化技术的工艺特点, 各技术的优势及 不足。展望了我国煤气化技术的发展方向。 关 键 词 煤气化; 煤炭; 燃料 中图分类号 TQ 541 文献标识码 A 文章编号 10040935 201005052604 我国是以煤炭为主要燃料和原料的国家, 煤炭 消耗占全国能源总耗量约 72 , 充分体现了我国能 源以煤为主的特点。在合成氨生产中以煤焦为原料 的占 67 . 2, 而以煤焦为原料的氮肥厂中, 以无烟 煤为原料的又占到 88 . 7。工业锅炉和民用煤炉 的大量使用, 使得煤渣及 SO2等有害物质严重影响 环境。发展城市煤气, 提供清洁的能源和化工原料, 是改善能源结构、 保护环境、 造福后代的大事。世界 上以鲁奇工艺制取城市煤气的技术最成熟, 现有 200余台不同规格鲁奇炉投入工业生产, 而且鲁奇 公司正致力于提高单炉生产能力和适应更多的煤 种, 向液态排渣和提高气化压力的高温、 高压气化方 向发展。我国在城市煤气工程设备的设计、 加工、 制 造能力上, 已有了长足的进步, 掌握了一些关键技 术, 培育了一批人才, 为实现成套设备国产化打下了 坚实的基础。 煤气化技术是煤炭清洁高效转化的核心技术, 是发展煤基化学品合成 氨, 甲醇、 乙酸、 烯烃等 、 液体燃料合成 二甲醚、 汽油、 柴油等 、 多联产系 统、 制氢、 燃料电池、 直接还原炼铁等过程工业的基 础。对于煤气化工艺技术, 目前主要有固定床、 流化 床和气流床 3种, 对于炉型, 有固定床间歇气化炉、 灰熔聚、 德士古、 恩德炉等多种, 不同造气方式均有 各自不同的特点, 在国内也有不同厂家采用。 1 煤气化技术分析 1 . 1 固定床气化技术 以鲁奇为代表的加压块煤气化技术。鲁奇加压 气化炉是由联邦德国鲁奇公司于 1930年开发的, 属 第一代煤气化工艺, 技术成熟可靠, 是目前世界上建 厂最多的煤气化技术。鲁奇气化炉是制取城市坑口 煤气装置中的心脏设备。它适应的煤种广﹑气化强 度大﹑气化效率高﹑粗煤气无需再加压即可远距离 输送。鲁奇气化技术的特点为 采用碎煤加压式填 料方式, 即连接在炉体上部的煤锁将原料制成常温 碎煤块, 然后从进煤口经过气化炉的预热层, 将温度 提高至 300 左右。从气化剂入口吹进的助燃气体 将煤点燃, 形成燃烧层。燃烧层上方是反应层, 产生 的粗煤气从出口排出。炉篦上方的灰渣从底部出口 排到下方连接的灰锁设备中, 所以气化炉与煤锁﹑ 灰锁构成了一体的气化装置。鲁奇炉的代表炉型即 第三代 MARK - I V /4型 3 800 mm 加压气化炉, 炉体由内外壳组成, 其间形成 50 mm 的环形水冷夹 套, 是一种技术先进﹑结构更为合理的炉型。 传统的固定层常压或富氧连续气化技术, 在我 国中、 小型企业中得到广泛使用。据不完全统计, 中 型化肥企业使用 UGI炉 2 740 、 3 000 近 400 台, 小型化肥企业中使用各种规格的固定层造气炉 2 400 , 2 600多达 5 000台以上。笔者近期考 察某煤化工有限公司, 新建的两套 18 30∀装置, 建有 2 600常压固定床气化炉 32台, 其中 28台运 行。可见, 固定层制气技术目前在国内化肥企业中 仍占主导地位。该技术的主要特点是 [ 1] 1 工艺成熟可靠, 投资省, 建设工期短。 收稿日期 20100204 作者简介 孙凤伟 1965- , 女, 高级工程师。 2 原料要求较高, 气化压力低, 生产能力小, 能耗高。 3 同 1台 UGI 2 740mm富氧连续气化的 生产能力是间歇气化能力的 2倍以上, 但 CO2含量 略高, 同时因需富氧, 增加了建设投资。 4 富氧连续制气无吹风气排放。但间歇制气 吹风气排放量大, 污染物含量多 CO 6 以上, H2S 0 . 8 1 . 0 g/m 以上 , 排放污水中有害物质浓度高, 环境污染严重。 因此, 随着煤气化技术的发展, 生产规模的大型 化和环境保护要求的严格, 该技术将被逐渐淘汰。 1 . 2 流化床气化技术 以恩德炉、 灰熔聚为代表的气化技术。恩德炉 粉煤流化床气化技术是朝鲜恩德 七 七 ∀联合企 业在温克勒粉煤流化床气化炉的基础上, 经长期的 生产实践, 逐步改进和完善的一种煤气化工艺。灰 融聚流化床粉煤气化技术根据射流原理, 在流化床 底部设计了灰团聚分离装置, 形成床内局部高温区, 使灰渣团聚成球, 借助重量的差异达到灰团与半焦 的分离, 在非结渣情况下, 连续有选择地排出低碳量 的灰渣。目前, 中科院山西煤化所山西省粉煤气化 工程研究中心开发的加压灰熔聚气化工业装置已经 成功应用于晋煤集团天溪煤制油分公司 10 万 t/a 煤基 MTG合成油示范工程项目, 该项目配备了 6台 灰熔聚气化炉 5开 1备 , 气化炉操作压力 0 . 6 MPa , 日处理无烟煤 1 600 , t 干煤气产量 125 000 m 3 /h配套 30万 t/a合成甲醇 。 该技术的特点 以恩德炉为例 [ 1] 1 适用的煤种为褐煤, 不粘结性煤和弱粘结 性煤, 同时要求煤有较高活性 950 , 65 和 灰熔点 FT 1 250 。进炉煤料 H2O 84 含量高, 煤气中不含甲烷及其它烃类。 4 进炉煤中 w H2O 2 , 属于干粉煤进 料。氧耗低, 能耗低。 5 炉内采用水冷格栅结构, 无耐火材料, 维修 量小, 设备运转周期长。 6 属洁净煤气化技术。气化过程无废气排 放, 灰水循环使用, 基本无排放。 7 原料煤的干燥、 磨制粉煤 粒径 0 . 2 mm, 占 80 , 加压输送, 是一套复杂、 庞大的系统, 投资 及动力消耗高。 8 在正常运行中, 为了便于调节炉温, 需向炉 内送入 4 . 2 MPa的过热蒸汽。以日投煤量 1 000 t 计, 每小时投入的蒸汽量为 8 . 5 10 . 5 t 。同时, 为 防止熄火, 保证安全生产, 炉内设燃气烧嘴, 每小时 527第 39卷第 5期 孙凤伟 煤气化技术研究与发展 耗煤气 3 500 4 000 m 3 /h , 相当于损失合成氨 1 t 以上。仅上述两项费用, 每天约 5 . 0万元, 全年 1 500万元以上。可见操作运转费用偏高, 在一定程 度上影响其经济性。 1 . 3 . 2 以德士古、 多喷嘴为代表的水煤浆气流床技 术 德士古气化炉如今已有 50多年的历史, 是美国 德士古公司的专利技术, 采用水煤浆加压气化工艺。 目前国内大化肥装置较多采用德士古气化炉, 并且 世界范围内 IGCC电站多采用德士古式气化炉。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, 水煤浆由气化剂夹带由专门的单个喷嘴向下 喷入炉内, 瞬间气化。由华东理工大学研发的多喷 嘴对置式水煤浆气化技术的化学反应原理与单喷嘴 水煤浆气化技术相同, 但其过程机理与受限射流反 应器的单喷嘴水煤浆气化炉又有很大的不同, 多喷 嘴对置式水煤浆气化炉采用撞击流技术来强化和促 进混合、 传质、 传热。位于气化炉直筒段上部的 4个 工艺喷嘴在同一水平面上, 相互垂直布置, 通过 4股 射流的撞击可以使反应更充分并显著提高碳转化 率。目前, 多喷嘴技术已经得到市场的认可, 日处理 量 1 800 t的气化装置已经在江苏灵谷顺利开车并 稳定运行, 同时其专利技术已经打入美国市场, 并获 得好评。 该技术属气流床湿法粉煤气化。国内有十余家 企业采用该技术, 其主要特点是 [ 1] 1 煤种适用性广, 可用于烟煤、 无烟煤的气 化, 还可以气化石油焦、 煤液化残渣、 沥青等, 但为了 提高水煤浆的浓度, 煤种的可磨指数要求高, 内水含 量 8 , 灰含量 13 。为了适应液态排渣, 煤种 的灰熔点 FT 1 300 , 灰渣粘温特性好。 2 气化压力高。目前运行装置的压力等级有 2 . 7 , 4 . 0, 6 . 5和 8 . 7MPa, 提高气化压力, 可缩小设 备体积, 更有利于降低合成气压缩能耗。 3 水煤 浆制备简单, 进料采用高压煤浆泵输送, 流量及压力 易于控制与调节, 运转稳定, 安全可靠。 4 碳转化率高。煤气中有效气 CO H2较 高, 可达 80 左右, 冷激流程可满足后、 序变换工段 对水蒸汽量的要求。 5 设备国产化率高, 可节省投资。炉内结构 简单, 无机械传动装置。维修量小。 6 该技术属洁净煤气化技术, 环境效益好。 气化过程无废气排放。灰水循环使用, 废水排放量 少, 污染物含量低, 易于处理。灰渣含碳量低, 可作 建筑材料。 7 烧嘴及耐火材料的选优与改进, 可大大提 高装置的运转率。例如兖矿鲁南化肥厂 B系统德 士古炉烧嘴已连续运转 150 d以上, 创造了水煤浆 加压气化装置关键设备 - 气化炉烧嘴长周期运行的 世界记录。 8 为保证长周期运行, 需设备用炉, 同时气化 炉设备用材 SA387Grl1Cl2 , 高压煤浆泵、 氧阀、 煤浆 切断阀、 锁渣阀及大部分调节阀等关键部分的阀门, 仍依靠进口。因此, 额外增加了投资。 9 由于水煤浆中含有 35 水分, 因此比氧 耗、 比煤耗偏高。 2 我国煤化工技术展望 中国煤化工的发展对发挥丰富的煤炭资源优 势, 补充国内油、 气资源不足和满足对化工产品的需 求, 保障能源安全, 促进经济的可持续发展, 具有现 实和长远的意义。新型煤化工在中国正面临新的发 展机遇和长远的发展前景。 目前在我国煤化工领域中, 有很多企业注重研 发自己的煤气化技术, 还有一些企业引进国外的先 进技术, 针对国内自主开发和引进的煤气化技术种 类较多, 煤化工企业总希望寻求到最好技术的现状, 专家一致提出, 对煤气化技术的认识、 选择需要科学 的认识观, 煤气化技术没有先进性和落后性之分, 只 有适用性。 由于我国煤种、 产品和建厂条件不同, 原料多样 化、 煤气化技术多样化是必然的。多种煤气化技术 并存是适合我国煤化工产业发展现状的。像无烟煤 及热值低的煤就适合用常压固定床气化炉, 而且固 定床气化炉的煤渣可送到 “三废 “炉燃烧发电, 废水 可实现零排放, 在环保上也是达标的。 在大规模的煤化工园区, 不同煤气化技术都可 以共存使用。同时使用固定床、 流化床和气流床气 化技术中的 2种或 3种, 其优点是将原料煤首先进 行简单筛分, 10 50 mm 块煤不需干燥直接用于固 定床加压气化。1 10mm部分可用于流化床, 也可 以与 1 mm 的块煤一起用于气流床气化, 这在一定 程度上可降低煤化工产业备煤成本。而且几种气化 技术共存使用可以互补, 固定床气化产生的大量甲 烷可用于气流床磨煤干燥或燃气轮机发电。 下转第 557页 528 辽 宁 化 工 2010年 5月 4 996- 1 015. [ 5] 杨爱新. 聚丙烯环管反应器的模拟 [ J]. 化学工程, 2002 , 30 6 37- 40. [ 6] 崔波, 张青瑞, 李亚宁, 等. 聚丙烯反应器的模拟与参数在反应 器内的分布 [ J]. 化学工业与工程, 1996 , 13 4 1- 8 . [ 7] 崔波, 马青, 曹长青, 等. 聚丙烯环管反应器的动力学特征 [ J]. 化学反应工程与工艺, 1996 , 12 3 263- 270. [ 8] 罗正鸿, 曹志凯, 朱乃靖, 等. 稳态操作下的万吨级聚丙烯环管 反应器模型的建立 [ J]. 厦门大学学报, 2005 , 44 3 395- 398. [ 9] 刘彦华. 聚丙烯生产工艺流程模拟研究 [ D]. 北京 北京化工 大学化学工程学院, 2001 . Simulation ofLoop Reactor for Polypropylene PilotPlant ZHANG Peng, LI Li , WANG Xiong, WANG Dandan Lanzhou Che m icalResearch Center ofPetroche m icalResearch Institute of PetroChina Company L i m ited, Lanzhou 730060, China Abstract M athematicalmodelwas established by analyzing and researching the 75 kg/h polypropylene pilot plant loop reactor ofPet roChina . By solving the equation,the relationship of solid content , mono mer concentration ,the active center concentration , hydrogen concentration and the length of the loop reactor can be obtained. These data provided the basis for opti m izing the pilot plant operation of the Loop Reactor . K ey words Polypropylene ; Loop reactor ; M athematic mode; l Sti mulation 上接第 522页 含量低, 产品质量较好, 但收率较低; 尿液浓度高时, 收率较高, 但芳烃含量高, 液蜡的质量较差。 2 提高尿油比, 能提高液蜡收率, 但液蜡的芳 烃含量也随之增加, 影响产品质量。 3 提高洗油比, 能降低芳烃含量。 4 适当增加洗涤段数, 能降低芳烃含量。 综合考虑装置的产品收率、 芳烃含量、 能耗等诸 因素, 通过多次实验, 认为尿液组成 38 40 22 , 尿 油比 10 1 , 四段溢流洗涤, 洗油比 1. 5 1 , 有利于 控制芳烃含量和提高收率。 Discussion on Control of AromaticHydrocarbon Content and Increasing LiquidW ax Yield for Urea Dewaxing Unit MA Yao Shenyang ParaffinW ax ChemicalCo . , Ltd . , Shenyang 110141, China Abstract Combining w ith actualproduction ,through repeating debugging variousprocess indicators of operation controlunit , main fac tors influencing liquidwax yield and aro matics contentwere found and the best process indicators were deter m ined in order to ensure product quality and effectively increase product yield. K ey words Urea dewaxing ; A romatic hydrocarbon content ; L iquid wax yield 上接第 528页 有的煤气化技术耗氧量高, 但别的技术指标有优点。 另外, 也不能以合成气中水蒸汽含量高低来判断煤 气化技术的效率, 应当从煤气化技术到最终生产产 品的整个流程去判断。靠单纯比较非同等条件下得 到的某个技术指标来选择煤气化技术是不科学的。 某种技术有不足的地方, 但不等于就应被全盘否定。 企业在选择煤气化技术时, 首先要根据自身煤 炭资源选择最合适的气化技术, 其次要考虑所生产 的产品, 只要经济上能承担得起, 无论国内还是国外 煤气化技术都可以选择。在我国煤化工领域中, 企 业在选择煤气化技术的时候首先要考虑的是是否适 用, 技术的适用性要重于技术的先进性。 参 考 文 献 [ 1] 刘功年. 多种煤气化技术的应用与评述 [ J]. 革新与综述, 2007 5 25- 29. Research Progress of CoalGasification Technology SUN Feng wei Liaoning petroleum- Chemical industry Planning and Designing Institute ,Shenyang 110004 , China Abstract Development status of coalgasification technologywas introduced. Technological characteristics of different coal gasification technologieswere discussed aswell as advantages and disadvantages of every technology . Then development trend of coal gasification technology was put forward . K ey words Coal gasification ; Coa; l Fuel 557第 39卷第 5期 张 鹏, 等 聚丙烯中试装置环管反应器的模拟