煤炭氣化技術(shù)的進(jìn)展(論文)

1、.煤炭氣化技術(shù)的進(jìn)展摘 要： 煤炭氣化技術(shù)是我國(guó)煤炭高效潔凈利用的關(guān)鍵技術(shù)，本文主要闡述了煤炭氣化技術(shù)的基本原理、過程和發(fā)展概況，以及在總結(jié)我國(guó)多年來研究開發(fā)煤氣化工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及發(fā)展煤炭氣化的必要性進(jìn)行了相關(guān)介紹。關(guān)鍵詞： 煤炭氣化； 工業(yè)應(yīng)用； 發(fā)展現(xiàn)狀； 發(fā)展趨勢(shì)； Abstract： Coal gasification technology is the key technology of efficient and clean use of coal in our country, this paper describes the basic principl

2、e, process and development of coal gasification technology, and based on the summary of our country for many years research and development of coal gasification technology, the necessity of the development trend of the technology and development of coal gasification was introduced.Key words： Coalgas

3、ification; Industrial application; Development Status; development trend;引言煤炭氣化是指以煤或以煤焦為原料，以氧氣(空氣，富氧或純氧)、水蒸氣或氫氣等作氣化劑，在一定溫度和壓力下通過化學(xué)反應(yīng)將固體煤或煤焦中的可燃部分轉(zhuǎn)化為氣體燃料的熱化學(xué)過程。本文就煤炭氣化技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)作簡(jiǎn)要介紹。煤炭在我國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)中一直占主導(dǎo)地位。煤炭的開發(fā)和加工利用已經(jīng)成為我國(guó)環(huán)境污染物排放的主要來源。因此，發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)、提高煤炭利用率是我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略的必然選擇。作為潔凈、高效利用煤炭的先進(jìn)技術(shù)之一的煤炭氣化技術(shù)是我國(guó)能源領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展

4、對(duì)象，是煤炭化工合成、煤炭直接間接液化、IGCC技術(shù)、燃料電池等高新潔凈煤利用技術(shù)的先導(dǎo)性技術(shù)和核心技術(shù)。煤炭氣化技術(shù)分為地面氣化和地下氣化2種。筆者根據(jù)自己掌握的煤化工基礎(chǔ)理論，結(jié)合多年積累的煤氣化工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，著重從工程應(yīng)用角度對(duì)煤氣化的發(fā)展道路作初步探討，并提出參考性意見。1 煤的氣化原理及氣化工藝11 煤炭氣化的基本原理及過程在氣化爐內(nèi)，煤炭經(jīng)歷了干燥、干餾、氣化和燃燒等幾個(gè)過程。干燥：原料煤進(jìn)人氣化爐后受熱，大約在200C煤孔中吸附態(tài)或吸藏的氣體及水分首先被脫除。干餾：干餾是脫除揮發(fā)分過程，當(dāng)干燥煤的溫度進(jìn)一步提高，煤中的揮發(fā)物從煤中逸出。氣化過程的基本反應(yīng)：經(jīng)干餾后得到的半焦與氣流

5、中的H2O，CO：，H2：等反應(yīng)，生成可燃性氣體等產(chǎn)物，其主要反應(yīng)有碳與水蒸氣的反應(yīng)，碳與二氧化碳的反應(yīng)，甲烷生成反應(yīng)，變換反應(yīng)。燃燒：經(jīng)氣化后殘留的半焦與氣化劑中的氧進(jìn)行燃燒。由于碳與水蒸氣、二氧化碳之間的反應(yīng)都是強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，因此氣化爐內(nèi)要保持高溫才能維持吸熱反應(yīng)的進(jìn)行。煤中硫、氮的反應(yīng)：除了以上反應(yīng)外，氣化過程同時(shí)還有s、N等雜原子發(fā)生的反應(yīng)，其反應(yīng)會(huì)引起腐蝕和環(huán)境污染，因此須經(jīng)凈化工藝將其脫除。12 煤炭氣化工藝煤炭氣化工藝按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)有多種分類方法，本文只介紹其中兩類。按煤炭是否需要開采分類：按該標(biāo)準(zhǔn)分為地面氣化和地下氣化，地面氣化。煤的地面氣化是指原料煤炭預(yù)先開采出來，在地

6、面氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)生成煤氣的過程，目前開發(fā)應(yīng)用的絕大多數(shù)屬于地面氣化；地下氣化。煤炭地下氣化是通過在地下煤層中直接構(gòu)筑“氣化爐”，通入氣化劑，有控制地使煤炭在地下進(jìn)行氣化反應(yīng)，使煤炭在原地自然狀態(tài)下轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w并輸送到地面的過程。地下氣化的基本特征：煤層不發(fā)生移動(dòng)，但氣化過程中各氣化反應(yīng)區(qū)的位置和燃空區(qū)狀態(tài)時(shí)刻都在變化；地下氣化進(jìn)行到一定程度后，對(duì)于較薄煤層，氣化劑只能在與煤壁接觸的單一表面上反應(yīng)，另外三個(gè)表面為頂板，底板及反應(yīng)完的灰渣和頂板塌陷物，因此沒有地面氣化爐金屬外殼似的密閉層，氣體會(huì)在空間中擴(kuò)散； 由于氣化反應(yīng)過程和加熱過程的不均勻性及加熱過程范圍擴(kuò)大，反應(yīng)過程產(chǎn)生的熱量不僅隨

7、氣流帶向出口方向，同時(shí)也通過熱輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)等過程將熱量傳至煤層縱向的深部，并沿煤層深度形成溫度梯度，煤層溫度不同，其所發(fā)生的反應(yīng)也不同。因此在煤層縱深方向上可分為：燃控帶，焦化帶，干流帶，干燥帶，煤層自燃帶。與地面氣化相比，地下氣化最大的技術(shù)瓶頸是不可視和不可控，因受煤層賦存條件復(fù)雜、測(cè)溫技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)、氣化過程穩(wěn)定性較差、氣化強(qiáng)度低等多種因素的影響，目前地下氣化還處于示范開發(fā)階段。按煤和氣化劑在氣化爐中的流體力學(xué)狀態(tài)分類：氣化方法可分為三大類， 固定床氣化法。固體氣化原料在高溫下與氣化劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生以H 、CO和CH 為有效氣體的煤氣，氣化爐內(nèi)原料床層相對(duì)穩(wěn)定或隨著原料的消耗緩慢

8、向下移動(dòng)。固體原料由氣化爐頂加入，灰渣從氣化爐底排除，氣化劑由爐底通過爐柵送人爐內(nèi)，生成的煤氣由爐頂導(dǎo)出； 流化床氣化法。采用010 mm的小顆粒煤作為氣化原料，氣化劑為蒸氣空氣或蒸氣氧氣，氣化劑自下而上經(jīng)過床層。依據(jù)原料的力度分布和濕度，控制氣化劑的流速，使床內(nèi)原料煤全部處于流化狀態(tài)，在劇烈攪動(dòng)和回混中，煤粒和氣化劑充分接觸，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)和熱量傳遞。利用碳燃燒放出的熱量，使煤粒干燥干餾和氣化。流化床氣化爐內(nèi)，主要進(jìn)行的是碳的燃燒反應(yīng)，二氧化碳的還原反應(yīng)，水蒸氣分解反應(yīng)，水煤氣變換反應(yīng)。通過上述化學(xué)反應(yīng)生成的煤氣夾帶大量細(xì)小微粒(其中70為灰渣和部分未反應(yīng)完全的碳粒)由爐頂離開氣化爐，部分密度

9、較重的渣粒由爐底排出； 氣流床氣化法。氣化劑(氧氣和水蒸氣)夾帶著煤粉或煤漿，通過特殊噴嘴送人爐膛內(nèi)，在高溫輻射作用下，氧煤混合物瞬間被點(diǎn)燃，并迅速燃燒，燃燒使煤粒干餾并且使干餾產(chǎn)物分解，同時(shí)煤焦被氣化，生成CO和H 等組成的煤氣和熔渣的氣化過程。氣流床氣化的顯著優(yōu)點(diǎn)是煤種適應(yīng)性強(qiáng)，原料煤的粘結(jié)性，機(jī)械強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性等對(duì)氣流床氣化過程幾乎沒有影響。它還具有氣化溫度高，強(qiáng)度大，煤氣不含焦油等優(yōu)點(diǎn)。但由于氣流床氣化要求使用盡可能細(xì)的煤粉(70 到80煤粒200網(wǎng)目)，故需要龐大的制粉設(shè)備，同時(shí)為回收煤氣中的余熱及灰塵也需要復(fù)雜的余熱回收及除塵設(shè)備，因此設(shè)備投資較高 J。2煤炭氣化技術(shù)主要應(yīng)用于下列

10、領(lǐng)域2.1 化工合成原料氣。隨著原料氣合成化工和碳一化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以煤氣化制取合成氣，進(jìn)而直接合成各種化學(xué)產(chǎn)品的路線已經(jīng)成為現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，主要產(chǎn)品有合成氨、尿素、F-T 合成燃料、甲醇、二甲醚等?；ず铣蓺庵饕獙?duì)煤氣中的CO、H2等成分有要求。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)化工合成原料氣所采用的煤氣化技術(shù)，以國(guó)產(chǎn)的常壓固定床水煤氣發(fā)生爐為主，同時(shí)引進(jìn)了部分先進(jìn)的氣化爐，如Lurgi 加壓固定床氣化爐、Texaco 加壓氣流床氣化爐、Shell加壓氣流床氣化爐等。中國(guó)合成氨產(chǎn)量的60%以上、甲醇產(chǎn)量的50%以上來自煤炭氣化合成工藝。2.2 工業(yè)燃?xì)?。采用常壓固定床氣化爐和流化床氣化爐，均可制得熱值為4.59

11、-5.64MJ/m3（1100-1350kcal/m3）的煤氣，用于鋼鐵、機(jī)械、衛(wèi)生、建材、輕紡、食品等部門，用以加熱各種爐、窯，或直接加熱產(chǎn)品。目前，用于生產(chǎn)工業(yè)燃料氣的煤氣化技術(shù)主要是常壓固定床混合煤氣發(fā)生爐，全國(guó)約有)4000臺(tái)常壓固定床氣化爐在運(yùn)行。2.3 民用煤氣。一般熱值在12.54-14.63MJ/m3(3000-3500kcal/m3)，要求CO小于10%，除焦?fàn)t煤氣外，用直接氣化也可得到，采用魯奇爐較為使用。與直接燃煤相比，民用煤氣不僅可以明顯提高用煤效率和減輕環(huán)境污染，而且能夠極大地方便人民生活，具有良好的社會(huì)效益與環(huán)境效益。出于安全、環(huán)抱及經(jīng)濟(jì)等因素的考慮，要求民用煤氣中

12、的H2、CH4及其他烴類可燃?xì)怏w含量應(yīng)盡量高，以提高煤氣的熱值；要求有毒成分CO的含量應(yīng)盡量低。2000年，中國(guó)統(tǒng)計(jì)665個(gè)城市的燃?xì)馄占奥室堰_(dá)84.2%，用氣人口總數(shù)達(dá)1.76億，其中應(yīng)用液化石油氣（LPG）的占66.5%，使用天然氣的占14.6%，使用人工煤氣（ 包括焦?fàn)t煤氣和各種氣化爐煤氣）的占22.4%。2.4 冶金還原氣。煤氣中的CO和H2具有很強(qiáng)的還原作用。在冶金工業(yè)中，利用還原氣可直接將鐵礦石還原成海綿鐵；在有色金屬工業(yè)中，鎳、銅、鎢、鎂等金屬氧化物也可用還原氣來冶煉。因此，冶金還原氣對(duì)煤氣中的CO含量要求，在中國(guó)冶金和有色金屬行業(yè)得到大量應(yīng)用。2.5 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃?xì)?。整體煤氣

13、化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（簡(jiǎn)稱IGCC）是先將煤氣化，產(chǎn)生的煤氣經(jīng)凈化后驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，再利用煙氣余熱產(chǎn)生高壓過熱蒸汽驅(qū)動(dòng)整齊輪機(jī)發(fā)電。用于IGCC的煤氣，對(duì)熱值要求不高，但對(duì)煤氣凈化度，如粉塵及硫化物含量的要求很高。與IGCC配套的煤氣化一般采用固定床加壓氣化（魯奇爐）、氣流床（德士古、Shell氣化爐）氣化、流化床氣化等，煤氣熱值9.20-10.45MJ/m3(2200-2500kcal/m3)左右。2.6 燃料油合成原料氣和煤炭液化氣源。目前煤炭直接液化和間接液化，都離不開先進(jìn)的煤炭氣化。煤炭氣化為直接液化工業(yè)高壓加氫液化提供氫源；在間接化工藝中，煤氣經(jīng)過變換調(diào)節(jié)成合適的H2/CO比例送往合成工

14、段，用于合成液體燃料和化工產(chǎn)品。煤炭液化可選的煤炭氣化工藝包括固定床加壓Lurgi氣化、加壓流化床氣化和加壓氣流床的氣化工藝。目前，國(guó)內(nèi)正在考慮建設(shè)一批新型化工項(xiàng)目，以煤氣化技術(shù)作為“龍頭”，生產(chǎn)的煤氣用于合成二甲醚、合成汽油與柴油等液體燃料以及合成其他多種化工產(chǎn)品，或用于煤炭直接液化制氫。2.7 煤炭氣化制氫。氫氣廣泛用于電子、冶金、玻璃生產(chǎn)、化工合成、航空航天及氫能電池等領(lǐng)域，用氫氣作為燃料，熱值高，燃燒后的產(chǎn)物是水，污染物排放是零。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，氫氣是很好的能源載體，可作為分布式熱、電、冷聯(lián)供的燃料，實(shí)現(xiàn)污染物和溫室氣體的近零排放。目前世界上96%的氫氣來源于化石燃料轉(zhuǎn)化，煤炭氣化制氫起著

15、很重要的作用。煤炭氣化制氫一般是將煤炭轉(zhuǎn)化成CO和H2，苫后通過變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)換成H2，將富氫氣體經(jīng)過低溫分離或變壓吸附及膜分離技術(shù)，即可獲得氫氣。3.煤炭氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)煤炭氣化技術(shù)眾多，而原料煤供應(yīng)及煤質(zhì)也千差萬別，沒有一種氣化技術(shù)是萬能的，能完全滿足市場(chǎng)需求。目前，煤炭氣化技術(shù)正向著大型化、加壓、煤種適應(yīng)范圍寬、提高可靠性和可用率、氣化效率高、環(huán)境友好等趨勢(shì)發(fā)展。31 我國(guó)的煤氣化工業(yè)我國(guó)于1885年年11月在上海建成了第一座煤制氣工廠。新中國(guó)建立后，煤氣化工業(yè)有所發(fā)展。2O世紀(jì)8O年代以來，我國(guó)的煤氣化工業(yè)突飛猛進(jìn)，引進(jìn)了一批國(guó)際上先進(jìn)的水煤漿煤氣化技術(shù)，并在煤化工行業(yè)得以應(yīng)用，基

16、本掌握了水煤漿煤氣化技術(shù)的制造和運(yùn)行技術(shù)。在國(guó)家“八五”、“九五”攻關(guān)和“十五”863等科技計(jì)劃的支持下，通過國(guó)內(nèi)企業(yè)、科研單位和高校的聯(lián)合攻關(guān)，已開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水煤漿加壓氣流床氣化技術(shù)、干煤粉加壓氣流床氣化技術(shù)和灰融聚流化床氣化技術(shù)。其中多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)已達(dá)到1 000 td級(jí)規(guī)模，干煤粉氣化技術(shù)已進(jìn)行了36 td規(guī)模的中試，灰融聚流化床氣化技術(shù)達(dá)到了百噸級(jí)規(guī)模，這標(biāo)志著我國(guó)自主的煤氣化技術(shù)正在逐步縮小與世界先進(jìn)水平的差距 。32 煤炭氣化技術(shù)的研究趨勢(shì)和方向世界各國(guó)對(duì)傳統(tǒng)煤氣化方法的改進(jìn)和新氣化方法的開發(fā)研究從來沒有停止，研究趨勢(shì)和方向可歸納為：設(shè)備大型化。目的是提高單爐生產(chǎn)

17、能力，降低成本和投資；操作高溫高壓化。普遍使用氧氣為氣化劑，使操作溫度提高到1 4o0 1 500 ，不僅強(qiáng)化了生產(chǎn)，大幅度提高煤炭利用效率，大幅度降低污染排放，徹底改變煤炭利用高污染、低效率的局面，而且大大提高了碳的利用率，并大大降低三廢的排放。操作高溫高壓化是新氣化工藝的主要特點(diǎn)；煤種廣譜化?？衫妹悍?、劣質(zhì)煤和粘結(jié)性煤，幾乎可以使用各種煤進(jìn)行氣化；4以煤炭為基礎(chǔ)，以電力為中心。以油、氣代用品為重要任務(wù)，積極推進(jìn)具有戰(zhàn)略意義的高技術(shù)研究發(fā)展，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供技術(shù)支持，振興裝備制造業(yè)，在高效潔凈煤發(fā)電、煤液化、氣化和聯(lián)產(chǎn)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突跛。5.我國(guó)煤炭、電力產(chǎn)業(yè)、能源裝備制造業(yè)發(fā)展和升級(jí)的關(guān)鍵高技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)一煤氣化技術(shù)和多產(chǎn)品聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，進(jìn)行攻關(guān)，以取得重大突破。6.工藝潔凈化。注意消除氣化過程中污染物的生成，如含酚廢水、焦油等的生產(chǎn)限制在最低水平 。7.既要重視引進(jìn)、消化、吸收、國(guó)際合作和再創(chuàng)新，又要立足自主研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新。遠(yuǎn)近結(jié)合，高起點(diǎn)、快速掌握和發(fā)展?jié)崈裘豪迷O(shè)計(jì)技術(shù)、制造技術(shù)一潔凈燃煤聯(lián)合循環(huán)、高效超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)和燃煤電站煙氣污染排放控制技術(shù)。8.鼓勵(lì)創(chuàng)新，產(chǎn)生原刨性成果，探索最終實(shí)現(xiàn)近零排放的潔凈煤技術(shù)，改進(jìn)潔凈