主要煤气化技术简介.doc

主要煤气化技术概述 摘要介绍了包括Texaco水煤浆气化、Shell煤气化、GSP煤气化、Lurgi煤气化在内的四种主要煤气化技术,分别介绍其工艺流程,以及在应用后对其的评价。 关键词煤气化技术Texaco水煤浆气化Shell煤气化GSP煤气化Lurgi煤气化 煤气化是煤转化技术中最主要的方面,它的历史非常悠久,甚至早于发电。通常,煤的气化泛指各种煤焦与载氧的氧化剂O2、H2O、CO2之间的一种不完全反应,最终生成由CO、H2、CO2、CH4、N2、H2S、COS等组成的煤气。煤的气化反应一般可人为简化成氧化放热反应如CO2,还原吸热反应如CH2O、CCO2,甲烷生成裂解反应和水煤气平衡反应COH2O等。国内外先后开发了100多种气化工艺炉型,但是最有发展前途的也只有几种[1]。在这里简要的介绍几种应用广泛的几中煤气化技术,主要包括Texaco 水煤浆气化、Shell煤气化、GSP煤气化、Lurgi煤气化。 1.Texaco水煤浆气化 Texaco德士古水煤浆加压气化工艺简称TCGP,是美国德士古石油公司在重油气化基础上发展起来的[2,3]。 TCGP技术包括煤浆制备、灰渣排除、水煤浆气化等技术,其核心和关键设备是气化炉。它的主要优点是流程简单、压力较高、技术成熟、投资低。 1.1 气化炉内的反应 水煤浆和99.6的纯氧经TCGP烧嘴呈射流状态进入气化炉,在高温、高压下进行气化反应,生成以COH2为主要成分的粗合成气。在气化炉内进行的反应相当复杂,一般认为气化分三步进行 1煤的裂解和挥发分的燃烧。水煤浆和氧气进入高温气化炉后,水迅速蒸发为水蒸气。煤粉发生热裂解并释放出挥发分。裂解产物及挥发分在高温、高氧浓度下迅速完全燃烧,同时煤粉变成煤焦,放出大量的反应热。因此,在合成气中不含有焦油、酚类和高分子烃类。这个过程相当短促。 2燃烧及气化反应。煤裂解后生成的煤焦一方面和剩作的氧化发生燃烧反应,生成CO、CO2等气体,放出反应热;另一方面,煤焦又和水蒸气、CO2等发生化学反应,生成CO、H2。 3气化反应。经过前面两步的反应,气化炉中的氧气已消耗完。这时主要进行的是煤焦、甲烷等与水蒸气、CO2的气化反应,生成CO和H2。 1.2 对TCGP工艺技术的评述 1TCGP是具有代表性的第二代煤气化工艺,经过各国的逐步完善,其技术趋于成熟,国内对该技术的消化吸收做得比较好。我国近年的应用表明[4],这种工艺是成熟的,比较容易与后续化工装置结合。 2我国引进TCGP技术不公提高了我国煤气化的技术水平,也带动了相关技术的研究和开发,如工艺烧嘴、耐火材料、相关仪表、阀门等在国内均有制造商可以生产,并有较好的业绩。 3TCGP也存在着一些突出问题,主要是烧嘴和耐火砖的问题。若这些问题得以解决,并且大量采用国产设备,TCGP工艺在我国将会成为节能、低耗、低投入的主流煤气化技术之一。 4目前对TCGP气化炉的烧嘴和耐火砖的研究主要是硬件方面的研究,没有从机理方面出发。建设硬件研究人员与软件研究人员结合,如采用Fluent 和CFX流体流动软件,从燃烧、传热,来研究通道和炉内气流分布的设计是否合理,找到容易烧坏和冲刷坏的原因。用这种方法来研究烧嘴和耐火砖,可以设计合理的流道分布,对于提高烧嘴和耐火砖的寿命可能会有帮助。 5有研究表明[4],高灰熔点煤与低灰熔点煤种混配,可降低低入炉煤的灰熔点,保证气流床熔融排渣气化工艺稳定运行。 2.Shell煤气化 Shell煤气化过程是在高温加压下进行的,该技术是目前世界上较为先进的第二代煤气化工艺之一。Shell煤气化发属气流床气化,煤粉、氧气及蒸汽在加压条件下并流进入气化炉内,在极为短暂的时间内完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化学过程。 2.1 Shell煤气化工艺 来自煤场的煤和石灰石通过称重给料机按一定比例混合后进入磨煤机混磨后,并由热风作为动力带走煤中的水,再经过袋式过滤器过滤,干燥的煤粉进入煤粉仓中贮存。 来自空气的氧气经氧压机加压并预热后与中压过热蒸汽混合后导入烧嘴。 出煤粉仓的煤粉通过锁斗装置,由输送气体加压至4.2MPa,并以输送气体 作为动力送至烧嘴,与蒸汽、氧气一起进入气化炉内燃烧,反应温度1500 1600℃,压力3.5MPa。 出气化炉的气体先在气化炉顶部被激冷压缩机送来的冷煤气激冷至900℃,然后经输气管换热器、合成气冷却器回收热量后温度降至350℃,再进入高温高压陶瓷过滤器除去合成气中99的飞灰。出高温高压过滤器的气体分为两股,一股时入激冷气压缩机压缩后作为激冷气返回气化炉上的气体返回室。另一股进入文丘里洗涤器和洗涤塔,经高压工艺水除去其中剩余的灰并将温度降至150 300℃后去气体净化装置。处理后的煤气尘含量小于1mg/m3,送后续工序。 气化炉内产生的溶渣沿气化炉炉壁流入气化炉底部的渣池,遇水固化成玻璃状炉渣,然后通过收集器、渣锁斗,定时排放至渣脱水槽,再通过捞渣机捞出送至渣场,作为商品出售。 在高温高压过滤器中收集的飞灰经飞灰气提塔气提并冷却至100℃后进入飞灰贮罐,一部分飞灰返回至磨煤机,另一部分作为商品出售。 气化炉膜式壁内和各换热器的水由泵进行强制循环,产生的5.4MPa饱和蒸汽进入汽包,经汽水分离后进入蒸汽总管,水循环使用。 2.2 对Shell工艺的改进意见 国内对于Shell工艺的意见主要不是在炉子上,而是在它的后续工艺上。各方面提出的改进方法有以下三种。 1维持干煤粉“由上到下”的下喷式气化炉,气化出口仍在气化炉的上部,这对于激冷流程中的文丘里洗涤器和激冷洗涤塔有一个明显的位差,连接它们的不再是废热锅炉,而是一根高压管道加一个激冷室。这个办法是全激冷法,已经在两段式粉煤气化中实施。 2采用干煤粉“由上而下”的上喷式气化炉,这就雷同于GSP和Texaco 工艺,保持Shell多喷嘴的特色。这个办法已经在多喷嘴粉煤气化中实施。 3维持干煤粉“由下而上”的下喷式气化炉及相关设备,气化出口仍在气化炉上部,仍然可以有返回原激冷气体。将气化炉上部出口的热合成气加冷气体激冷后,从1600℃冷却到900℃,之后进入水冷激冷室,喷入雾化的水将温度进一步降低到500℃。然后用一级旋风分离器除去大部分的干灰。此后,用两级文丘里洗涤器洗去合成气中残留的飞灰,并进入洗涤塔。出温洗塔后的合成气温度为220230℃,水蒸气含量达到60,可以完全满足耐硫变换对水蒸气的要 求,部分冷气体返回作激冷气源。这就是Shell公司提出的“半激冷法”,是用循环气冷却后再激冷。这个办法仍然需要循环压缩机,存在耗能不合理的问题,目前没有在国内实施[5]。 3.GSP煤气化 GSP工艺技术或称为“加压气流床气化技术”是20世纪70年代末由前民主德国GDR燃料研究所开发并投入商业运行的大中型粉煤气化技术。该技术是以煤为原料发电、燃料与制备化工产品,化学残渣的气化和生物质液化为主要目的的煤化工技术。与其它同类气化技术相比,该技术因采用气化炉顶干粉加料与反应室周围水冷壁结构,因此在气化炉结构以及工艺流程上有其不同之处。3.1 GSP煤气化工艺 与其它煤气化工艺一样,GSP气化工艺过程主要是由给料系统、气化炉、粗煤气洗涤,即备煤、气化、除渣三部分组成。 固体气化原料被碾磨至不大于0.5mm的粒度后,经过干燥,然后通过浓相气流输送系统送至烧嘴。对于液态或污泥状的气化原料则可用泵送至烧嘴。 气化原料与其它气化剂氧气、水蒸气经烧嘴同时喷入气化炉内的反应室,然后在高温14001600℃、高压2.54.0MPa下发生快速气化反应,产生以CO和H2为主要成分的热粗煤气。气化原料中的矿物部分形成溶渣。热粗煤气和熔渣一起通过反应室底部的排渣口进入下部的激冷室。 冷却后的粗煤气去洗涤系统,使渣粒固化成下班状,然后通过锁斗系统排出,溢流出的激冷水送至污水处理系统。气化温度的选择是由原料煤的物理化学性质来决定的,气化压力的确定主要取决于产品煤气的利用工艺。 3.2 对GSP工艺的评述 1GSP气化技术有十发广阔的应用前景 煤炭气化技术作为煤炭尝试加工、转化的先导技术,是中国洁净煤技术的优先发展领域之一。目前,中国在加速发展大型煤化工氢、氨、醇、油和城市煤气、发电的过程中,需要配套使用大中型先进煤气化技术。GSP煤气化技术的特点是煤种适应性强、气化效率高、设备制造安装周期短、投资成本低、运行成本低,开停车操作维护方便,它是当今世界比较先进的煤气化技术之一。此技术在合成氨、碳一化工、发电、制氢和燃料合成领域的应用,会带来大巨大的经济效益。因此,GSP气化技术是一项比较好的候选技术,在中国应该具有十分广 阔的应用前景。 2有足够吸引人的优点 GSP气化炉兼备Texaco和Shell气化炉的优点,即自上而下的喷射和水内冷壁的气化炉,六通道的烧嘴也比较合理,因此,这个技术有足够吸引人的地方。 3煤气化技术实际上是包括备煤、气化炉、气化后工艺三个部分 GSP技术的优点是它的气化炉和烧嘴,并非是西门子公司的全套煤气化技术,除了气化炉和烧嘴以外,我们都有丰富的经验。国内引进的煤气化技术已经有很多了,在这个时候,我们应该考虑是否可以采用以下办法仅仅引进气化炉单元。备煤和气化后工艺由国内根据用户的实际情况,进行国产化的配置,这已经有成熟的经验,具备了工程化的能力我们可以自信地说,国内的工程公司已经羽翼丰满 4.Lurgi煤气化 固定床加压煤气化炉是Lurgi公司所开发的煤气化技术,其主要特点是带有夹套锅炉固态排渣的加压煤气化炉,原料是碎煤,经加压气化得到粗煤气COH2[6]。 4.1 Lurgi煤气化工艺 原料煤由煤锁加入气化炉后,在约3.0MPa压力下,自上而下依次经过干燥、干馏、气化层或称还原层后达到燃烧层。在此,煤中的残留碳与气化剂中的氧发生燃烧反应,灰渣将热量传递给气化剂后炉箅排入灰锁。气化剂中的氧自下而上在燃烧层全部参与反应,然后进入气化层,在此水蒸气与碳、CO2与碳分别反应,生成了CO、H2、CH4、焦油、苯和酚等组分,即成为粗煤气,冷凝和洗涤下来的污水处理系统比较复杂。 4.2 对Lurgi煤气化工艺的评述 1Lurgi炉在初期仅限于生产城市煤气,后来南非将其产出的气休用于生产合成油、蜡等产品,国内将其运用于合成氨生产,拓宽了Lurgi炉的应用领域。 2小化肥一般为常压水煤气发生炉,该炉型能耗高,气化效率低,单炉产气量小,且为间歇造气,应逐步淘汰。但要选择Lurgi炉改造,则由于需要空分等原因,认为投资比较大。 3Lurgi炉在国内运行了10年多,它的运行、操作、技术管理等经验已基本掌握,通过实践、摸索,一些技术改造已获得成功,使Lurgi炉达到了长周 期稳定运行的目标。Lurgi 炉作为一种成熟的气化技术会逐渐被人们所认可，在 不断地改进和技术进步下，Lurgi 炉会变得更趋合理、完善，对发展我国的煤化 工事业是非常必要的。Lurgi 炉作为中型煤气化技术尽管存在不足，但是还有竞 争的余地，仍然可以成为大中型碳一化工的领头技术之一，因此在我国仍将有广 阔的发展前景。 5．小结 对四种煤气化技术的工艺进行了简单的介绍， 并综合了在应用过程中对其的 评价，这些气化炉技术都各有优点，但也各有其缺点，在实际应用过程中要结合 实际情况，选取最符合现场环境和煤质的气化炉，以取得较好的效益。 [1] 唐宏青．现代煤化工新技术．北京化学工业出版社．2009． [2] 黎军．德士古水煤浆气化工艺概况．安徽化工，2001， （1） 46～49． [3] 刘志敏．德士古水煤浆气化技术及其特点．辽宁化工，1998，27（5） 250～ 251． [4] 吕运江等．德士古煤气化运行方式总结．化肥工业，2000， （1） 15～18． [5] 陈家仁．对有关气流床回压煤气化工艺最近一些发展动向的看法．煤化工， 2009，37（1） 10～13． [6] 李新社，任富强，张爱民．鲁奇加压气化炉的运行与技术改造．化肥工业， 1998，25（5） 34～39．