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煤气化技术综述 1 恩德粉煤气化技术 1．1 技术开发 恩德粉煤气化技术是在常压温克勒气化技术基础上，经过多次技术改造而逐步发展起来的。20世纪50年代，朝鲜咸竞北道恩德郡“七七”化工厂，从前苏联引进两台温克勒气化炉。60年代末，便对其存在的问题进行了一系列的改造1取消了炉算，改为布风喷嘴向炉内送风，使煤粉得以充分流化，并解决了炉底结渣的问题；2在发生炉出口增设了旋风除尘返料装置，减少了气体带出物，提高了碳转化率；3将废热锅炉改设在旋风除尘器后面，减轻尘粒对锅炉炉管的磨损，大大延长了废热锅炉的使用寿命和检修期。经过一系列的革新改造后，运转率可达90％ 以上，单炉生产能力也逐渐扩大，形成了独具特性的恩德粉煤气化技术。 1．2 技术特点 1对煤种适应性较宽，可适用于褐煤、长焰煤、不粘或弱粘煤。对煤的活性和灰熔点有一定要求，对灰分、粒度等要求不高，同固定层炉相比，原料煤种已明显拓宽。 2碳转化率高。炉出口的旋风分离器，可将煤气夹带和含碳颗粒分离出来，并返回气化炉再次气化，从而提高了碳的转化率，可达92％。 3气化强度大。单炉产气量可达4l04m3／h。 4自产蒸汽量大，每10 m3煤气可产5．5t蒸汽P0．6MPa，80％ 自用，20％ 外送。 5极少产生焦油，煤气中焦油油渣等含量很低，净化系统简单，污染少。 1．3 技术指标 1操作温度要低于灰熔点80～120℃ ，一般为～950℃ 。 2操作压力炉内压力～14kPa。 3气化剂，采用不同气化剂可产生不同组成的煤气。 表11 典型煤气组成 4主要工艺参数 ① 以褐煤为原料，410 m3／h台气化炉，生产水煤气，其主要工艺数据见表12。 表12 主要工艺数据 ② 以河南义马长焰煤为原料，生产的煤气，其主要工艺数据见表13。 表13 主要工艺数据 1．4 技术经济 1投资以生产能力4 X 104m3／h炉型为例 ① 气化部分约2 400万元 ② 制氧部分包括两套4 000m3／h变压吸附装置约3 600万元，合计6 000万元 2煤气成本以河南义马煤生产半水煤气，按现行价格估算约0．12～0．13元／m3。 2 德士古水煤浆气化技术 2．1 技术开发 德士古TEXACO水煤浆气化技术是20世纪50年代由美国德士古公司开发的。当时曾进行过投煤量70t／d的中间试验。由于技术问题于1958年中断试验。1973年世界出现石油危机后，该公司又恢复了试验，并获得迅速进展。1973年在德国建立了一套投煤量为144t／d的示范装置，于1978年投入运行。试验确定了水煤浆浓度重量比为60％ ～70％ ，操作压力4．01VlPa；测得碳转化率达97％ 。在此基础上，经过多年的开发与改进，逐步实现了工业化。 2．2 技术特点 1气化炉结构简单。德士古水煤浆气化属加压单段气流床气化技术，湿法进料，液态排渣。气化炉结构简单，无机械传动装置。 2对原料适应性较强。烟煤、褐煤、劣质煤、焦炭、石油焦等均能用于气化，甚至可掺烧垃圾如废塑料和废轮胎等，并且可使用几乎所有的气态或液态碳氢化合物，如天然气、液化石油气、原油、重油等。 3气化生成气有效组份高[COH2≥80％]，而且H2／CO的比值具有较宽幅度的可调性，适用于制合成氨、甲醇、醋酸、合成汽油等多种化工产品和城市煤气。 4气化生成气纯度高，不含焦油、酚类等污染物，气体净化简便。几乎无废气排出，废水排放也少，处理后完全达到国家有关排放标准。 5碳转化率高，一般可达94％ ～98％。 6单炉产气能力大。由于德士古炉操作压力较高3．0～6．5MPa，又无机械传动装置，便于大型化。目前单炉气化煤量可达2000t／d，按原料煤的消耗指标计，可产合成氨约40 X 104t／a。 2．3 技术指标 1操作温度1 300～1 500℃ 高于T80～100℃ 。 2操作压力3．0～6．5MPa。 3煤浆浓度含固百分比60％ ～70％ 。 4气化剂氧气0296．0％ ～99．6％。 5主要工艺参数以鲁南化肥厂8 X 104t／a合成氨装置为例，主要工艺数据见表21。 表21 主要工艺数据 2．4 技术经济 1投资以8 X 10 t／a合成氨装置计气化装置投资5 200万元包括煤运输破碎系统；空分装置投资9 240万元。 2煤气成本按资料[引，工期工程合成氨成本推算，半水煤气成本约0．26元／m3 3 鲁奇Lurgi碎煤加压气化技术 3．1 技术开发 鲁奇碎煤加压气化技术是20世纪40年代由西德鲁奇公司开发，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。正在运行中的气化炉达数百台，主要用于生产城市煤气和合成原料气。 3．2 技术特点 1鲁奇碎煤气化技术系固定床层气化，固体排渣，适应弱粘结性碎煤5～50ram。 2生产能力大。自工业化以来，单炉生产能力持续增长。例如，1954年在南非沙索尔建立的10台内径为3．72m的气化炉，其产气能力为1．5310 m3／h台；而1966年建设的3台，产气能力为2．3610am3／h台；到1977年所建这13台气化炉，平均产气能力则达2．810 m3／h台。这种持续增长，主要是靠操作的不断改进。 3该工艺操作压力为3．1MPa，粗煤气出气化炉温度为285～600℃取决于煤种，与低压、高温气化所产生的粗煤气相比，含有较高的甲烷达11％ 以上，且含焦油、酚类物质，需设置甲烷转化或分离及废水处理等装置，生产流程长，投资较大。因此，单纯生产合成气的厂家，较少采用鲁奇气化技术。 3．3 技术指标 1操作温度1 200C-5 J取决于煤种。 2操作压力3．1MPa。 3碎煤粒径5～50mm。 4主要工艺参数见表31。 表31 主要工艺参数 3．4 技术经济 1投资以410am3／h合成气折合成氨约910at／a的气化炉为例，其投资约4 500万元不含空分。 2粗煤气成本每标准米约0．185元 4 谢尔SHELL气流床气化技术 4．1 技术开发 谢尔SHELL气流床气化技术是谢尔公司在KT炉的基础上所开发的加压KT气化炉，原名叫SHLLKT气化炉。该技术组合了谢尔国际石油公司在高压下油气化的经验和柯柏斯公司在煤气化方面的经验。后来，谢尔公司独家进行开发，于1972年开始进行煤气化的研究。1976年建立了一套处理原煤能力6t／d的小试装置。1978年又在西德汉堡的谢尔炼油厂建立了处理原煤能力165t／d的中试装置。在此成功的基础上，又在美国得克萨斯州休斯敦的谢尔炼油厂建立了一套能处理褐煤400t／d的工业示范装置，并定名为SCGP一1。 1998年1月，荷兰Demkolec商业化煤气化联合发电装置IGCC投入运行，负荷变动范围为50％ ～105％ ，处理原煤能力2 000t／d，工艺操作时间约15 000h。 4．2 技术特点 1该技术为气流床气化工艺，其基本特点是① 夹带物流；② 纯氧／蒸汽气化；③ 夹套水冷壁；④ 液态排渣；⑤ 对称切向进料喷嘴；⑥ 于粉进料 。 2煤种适应性宽，能使用褐煤、烟煤和沥青砂。对煤的一些性质要求不严，例如，煤的粒度、水分、硫、氧、灰分及粘结性等差异，均无显著影响。 3碳转化率高，一般在98％ 以上，甚至可达99．5％。 4．3 技术指标 1操作压力3．0～4．0MPa。 2操作温度1 400～1 700℃ 。 3用氮气输送煤粉浓度400kg／m3。 4主要工艺参数见表4一l。 表41 主要工艺参数 4．4 技术经济 1投资情况不详。 2粗煤气成本估算原料煤价格按160元／t计，氧气价格按0．3元／m 计，蒸汽价格按80元／t计，氮气价格按0．3元／m 计，则每1 000m 粗煤气成本约为 1600．5l6 8 0．3 304．6 80 0．014 10．329．7184．106元．即0．18元／m3。 5 循环流化床（CFB）气化技术 5．1 技术开发 循环流化床CFB气化技术是70年代由鲁奇公司开发，相继经小试、中试和工业示范装置，进行了大量的试验研究，现已得到了工业应用，主要用于燃气和联合循环发电。目前单炉最大日处理煤量已达500t。 5．2 技术特点 1循环流化床CFB是指出炉气体夹带的固体物料，经旋风分离器分离后又返回炉膛的流化燃烧气化方式。除这种外部循环，还有炉膛内的内部循环。循环流化床内物料的速度大大低于气体的速度，气体与固体之间的滑动速度很高，气化剂与新鲜燃料及返回的物料在炉内处于沸腾状态，使气、固相得以充分混合处于鼓泡流化床和气流输送床之间，这样对传质、传热都极为有利。由于夹带固体的多重循环，使循环物和新燃料之比高达40倍以上，导致碳粒反复气化，因而碳转化率很高，可达95％ ～98％ 。 2对原料煤种的适应性较广，可使用褐煤、烟煤、焦炭、石油焦以及废木材等，而且可使用5mm以下的粉煤。 3CFB技术是在0．15MPa以下操作，在此压力下，可使用转鼓喂料器或其他加料机连续加料。常压气化也有利于小氮肥厂的改造。 4用不同的气化剂，可以生产不同要求的煤气用空气作气化剂可生产低热值燃料气；用富气作气化剂可生产中热值燃料气；用氧气和蒸汽作气化剂可生产城市煤气或合成气；用氧和二氧化碳作气化剂可生产一氧化碳。 5单炉生产能力较大。单炉最大日处理煤量可达500t，按1 000m COH2耗煤量折算，约相当1010 t／a合成氨的能力。 5．3 技术指标 1操作压力0．15～0．4MPa。 2操作温度1 000～1 100oC 3原料粒度≤6mm。 4气体在炉膛内的流速5～7m／s。 5气体在炉膛内的停留时间4～6s。 6主要工艺参数见表51。 表51 主要工艺参数 5．4 技术经济 1投资以投煤量500t／d相当于合成氨1010 t／a的气化炉为例，全套装置包括制氧投资约1．5亿元，接近同样规模的德士古气化装置。 2粗煤气成本每标准rn3粗煤气成本约为0．25元。 6 温克勒Winkler流化床气化技术 6．1 技术开发 温克勒Winkler流化床气化技术是20世纪20年代，前西德戴维电力煤气公司为了使用当地褐煤而开发的。温克勒气化炉属第一代气化炉，也是世界最早的流化床气化方法。第一套工业化装置于1926年在德国投入运转，以后各国相继建设了70多套装置。前西德莱茵褐煤公司和伍德公司合作，在一般常压温克勒气化工艺的基础上，进一步提高操作温度和操作压力，称作“高温温克勒炉”H I1W，目的在于提高单炉产气量和改善煤气质量，并节省一部分压缩功。 20世纪50年代，朝鲜咸竟北道恩德郡“七七”化工厂从前苏联引进了两套温克勒气化炉，并针对其存在的问题进行了一系列开发改造，随即发展成为恩德粉煤气化技术。 6．2 技术特点 温克勒气化炉系循环流化床气化技术，常压气化，干粉进料，干法排渣。可用氧气／蒸汽或空气／蒸汽作气化剂，使用9．5mm 以下的粉煤为原料，适应褐煤、不粘结煤、次烟煤等活性较好的煤。 温克勒炉上部有足够的空间，气体中夹带的半焦和灰粒，在流化床上部空间用二次空气或氧气／蒸汽，使之进一步气化。因此碳得到了充分的利用。 6．3 技术指标 1操作温度815～1 100℃以煤的灰熔点和活性确定。 2操作压力0．200～0．395MPa。 3原料粒度9．5mm。 4主要工艺参数见表61。 表61 主要工艺参数 7 常压间歇流化床气化技术 7．1 技术开发 常压间歇流化床粉煤气化工艺的研究开发，起始于20世纪80年代初期。1990年江苏理工大学原江苏工学院王同章、王立群申请了“流化床粉煤气化方法及其装置”的发明专利，并于1995年获得批准ZL901056804。后来，郑州永泰能源新设备有限公司购置了江苏理工大学的专利，并开发了FM1．6型常压间歇流化床气化炉，分别于1998年、1999年应用于郑州和南阳城市煤气站，生产城市煤气。经多次调试、改进，运行基本正常，随向居民正式供气，1999年3月通过河南省经贸委组织的新技术鉴定。2000年，在FM1．6型炉的基础上，又推出了FM2．5型炉，并设计用于生产合成气。 7．2 技术特点 1工艺概况常压间歇流化床气化技术，就是将间歇式气化原理应用于流化床气化炉上。其生产工艺包括吹风、制气两个过程。吹风过程就是向发生炉内吹人空气和炭层流化燃烧的过程。碳与空气中的氧反应，主要生成CO，放出热量，使整个炭层流化床层温度升高。当炭层温度达980～1 050℃ 时，自动切换，进入制气过程。在吹风过程中，高温烟气经旋风分离器，将0．3～0．9ram的煤粉大部分分离下来，经分离器底部进入返料器后人炉循环利用。高温烟气经余热锅炉、空气预热器，温度降至180℃ ，再进一步除尘、降温后放空。制气过程就是发生炉内赤热的炭层与过热蒸汽～400“C反应的过程，主要生成CO和H，该反应是吸热反应，使流化床温度降低。当床温度降至940～960℃时，自动切换，再进入吹风阶段，如此循环。高温水煤气经旋风除尘、余热回收，温度降至400℃ ，再经洗涤、进一步降温后，进入气柜。 2技术特点① 使用煤种范围较广，可使用灰熔点高于1 200℃的各种粉煤，如无烟煤、褐煤、弱粘结煤等，但因反应温度较低，对煤的活性要求较高；②气化过程基本上不产生焦油和酚类，可简化气体净化和污水处理过程；③ 以空气、蒸汽为气化剂，不需要制氧装置；④ 单炉生产能力较小，最大产气量仅为5 000m3／h；⑤ 生产安全可靠，运行中不存在空气、蒸汽与烟气、煤气逆向流动，避免了煤气和空气混合而引起的爆炸；⑥ 工艺简单，设备、阀门少，维修量小。 7．3 技术指标 1操作压力0．03MPa 2操作温度吹风过程980～1 050℃制气过程940～960℃ 3蒸汽压力0．1MPa 4粉煤粒度≤lOmm 5主要工艺参数以FM1．6型炉为例 ① 煤气发生炉 布风板直径1．6m； 气化面积2m ； 炉体外径2．76m； 安装高度10．40m； 气化强度500～700kg／m2h。 ② 主要工艺参数见表71。 表71 主要工艺参数 7．4 技术经济 按1 000m3煤气所消耗原料煤和蒸汽推算，煤气的原料成本约0．21元／m3。 因余热回收，蒸汽自给有余，如扣除蒸汽费用，则煤气成本更低。 8 灰熔聚流化床粉煤气化技术 8．1 技术开发 中国科学院山西煤炭化学研究所从20世纪80年代开始研究“灰熔聚流化床粉煤气化技术”，并先后建立了日处理能力分别为lt煤的小型试验装置和24t煤的中试装置，以及相配套的冷态试验模型。1991年和1996年，在中试装置上分别完成了空气／蒸汽为气化剂制工业燃料气和氧气／蒸汽为气化剂制化工合成气的任务，并获得中国专利发明专利ZL94．1．06781．5和实用新型专利zL94．2．02278．5。目前已可以进行大型工业化装置的设计工作。现在正进行加压1．0～1．5MPa试验，并已取得一定的经验和成果。 8．2 技术特点 1工艺概况 所谓“灰熔聚”，是指煤灰在高温下烧结成块的现象。在干法排渣的流化态燃烧和气化过程中，煤灰不发生熔融，但在软化温度下，可熔聚成球状或块状灰渣排出，有的学者就将此定义为“细粒煤灰熔聚排渣气化过程”，简称“灰熔聚气化”。 常规流化床不能从床中排出含碳量低的灰，这是因为常规流化床具有炭粒和灰分混合的均一性，所以排出的灰渣具有与炉料相同的组成，即灰中含碳量较高。灰熔聚流化床，则是在严格的温度条件下，使煤灰软化而未熔融，软化的煤灰相互熔聚而结成含碳量很低的块状灰渣，并借助于重量差别与煤粒分离，当小块灰渣大到气流悬浮不起来时，便落入炉底而排出，这样便提高了碳的转化率。 2技术特点 ① 气化炉的结构简单，是一个单段流化床。在炉内同时完成煤的破粘、脱挥发分、气化和灰的团聚等四个过程。 ② 水蒸汽从分布板进入气化炉，形成一个周边的相对低温区，有效地防止了炉内结渣；而氧化剂空气或氧气从气化炉底部进入炉内，使炉内形成一个局部高温区，促使灰熔聚成块，从而保证灰与煤粒的有效分离，提高了碳的利用率。 ③ 高温煤气夹带的细粉绝大多数经旋风分离器捕集下来，并通过料腿返回炉内，再行燃烧和气化循不流化床，提高了碳的利用率。 ④ 高温煤气经废热锅炉回收热量，产生蒸汽，煤气也降低了温度，有利于后系统的冷却。 ⑤ 煤种适应性宽，气化原料用粉煤8mm，但对煤的灰熔点和反应活性有一定要求。 ⑥ 气化炉的气化强度高，粗煤气中不含焦油，含少量酚类，废水处理简单。无废气排空，对环保十分有利。 ⑦ 可以进行炉内预脱硫，可降低煤气净化的费用。 ⑧ 整套装置的设备完全可以国产化。 8．3 技术指标 1操作压力0．03～0．30MPa。 2操作温度1 050～1 100％灰熔点的软化温度T2。 3粉煤粒度1～8ram。 4主要工艺参数见表81。 表81 主要工艺参数 8．4 技术经济 1装置投资以单炉合成氨生产能力210 t／a为例，单炉成套的气化装置包括备煤和制氧设备投资约2 300万元。煤气化装置投资比见表82。 表82 煤气装置投资比较 2经济效益仍以2104t／a合成氨为例，经测算该气化技术以烟煤为原料，与以无烟煤为原料的固定床气化相比，每年原料煤费用低500多万元；每年动力费用则增加200多万元，除去人员工资、折旧费、税费等一切费用，每年尚盈利170多万元。 9 UGas气化技术 9．1 技术开发 UGas气化技术是由美国芝加哥煤气工艺研究所IGT开发。1974年，美国煤气工艺研究所在美国能源部DOE资助下，在芝加哥建立了1 000灰熔聚气化技术的中试装置，定名为UGas气化法。开发UGas新工艺有3个主要目标1用各种煤生产中、低热值煤气；2碳转化率高，且煤气中又不含焦油和油类；3减少环境污染。 在初期的试验中，UGas工艺装置累计运行超过10 O00h，完成了120多次试验。长期稳定运行，取得了较好的物料平衡和热量平衡结果。对各种煤长期稳定运行结果表明，煤的利用率可达98％ ，并开发了可靠的开车、停车、调荷及过程控制的技术。中试装置的运行肯定了过程的可行性，并获得了大量适用多种煤的设计资料。 1985年，美国煤气工艺研究所IGT又开发了加压流化床气化试验，目的是取得美国煤在加压2．0MPa下的灰熔聚流化床气化数据。该试验代号为PDU，于1984年9月开始，已试验了三个煤种，对美国煤的灰熔聚气化提供了有价值的资料。 9．2 技术特点 1工艺概况UGas气化炉是一个单段灰熔聚流化床，在床内完成4个主要过程煤的破粘、脱挥发份、煤的气化和灰的熔聚、分离。 气化剂氧／蒸汽分两路进入气化炉含氧较低的一股气化剂，通过流化床分布板进入，使流化床温度均匀保持954～1 010C；含氧较高的一股气化剂，以较高气速，通过特殊喷嘴喷人，目的是在喷嘴上方形成低泡相高温区高出床层温度38℃，此高温区的温度控制在煤灰的软化温度，在此温度下，灰渣可熔聚成团粒。当其粒度和相对密度逐渐增大到一定程度，即能克服逆向而来的气流阻力，落人灰斗，用水冷却后即可排出炉外。 煤气夹带的煤粉，经两个串联的旋风分离器，分离出来。其中一个旋风分离器装在炉内，能使绝大多数的夹带物分离并返回流化床；另一个装在炉外，进一步分离煤气夹带物并返回喷嘴再进入床层燃烧。 2技术特点① 由于采用了灰熔聚技术和内外两个旋风分离器，提高了碳的利用率。灰渣含碳量约5％ ～10％ ；② 对煤种适应较广，并能使用粉煤为原料；③ 炉体结构简单，操作安全可靠，并易于实现自动化；④ 煤气中无焦油和油类，便于气体的净化处理；⑤ 无废气排空，对环保有利。 9．3 技术指标 1操作温度954～1 038℃ 2操作压力、0．69～2．41MPa 3煤粉粒度≤6mm 4主要工艺参数以上海三联供工程用神府煤为原料制取低热值煤气为例。见表91。 表9一1 主要工艺参数 14