煤氣化的工藝技術(shù)對(duì)比與選擇-

1、陳仲波:煤氣化的工藝技術(shù)對(duì)比與選擇 107 煤氣化的工藝技術(shù)對(duì)比與選擇陳仲波(北京中寰工程項(xiàng)目管理有限公司,北京 100013摘 要:本文闡述了移動(dòng)床氣化工藝和氣流床氣化工藝的主要特點(diǎn),并詳細(xì)分析了UGI煤氣化爐、魯奇煤氣化爐、溫克勒氣化爐、高溫溫克勒氣化爐等爐型的運(yùn)行機(jī)理和特點(diǎn)。并提出根據(jù)煤種、投資成本、技術(shù)成熟性和環(huán)保等方面來(lái)判斷選用哪種工藝技術(shù)來(lái)進(jìn)行煤氣化,為企業(yè)選擇何種煤氣化工藝技術(shù)提供依據(jù)。關(guān)鍵字:煤氣化;移動(dòng)床;氣流床;煤種引言我國(guó)擁有豐富的煤炭資源,目前煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中仍占有主導(dǎo)地位,怎樣合理使用煤炭資源成為我國(guó)煤炭資源處理的首要問(wèn)題。在煤炭利用技術(shù)中,煤氣化技術(shù)作為煤炭能源

2、轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)技術(shù),在煤炭能源使用方面占有重要的地位。按照燃料在爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀體,主要分為移動(dòng)床、氣流床和融熔床等。1 各種煤氣化工藝技術(shù)比較1.1 移動(dòng)床氣化工藝移動(dòng)床氣化工藝在氣化過(guò)程中,煤由氣化爐頂部加入,氣化劑由氣化爐底部加入,煤料與氣化劑逆流接觸,相對(duì)于氣體的上升速度而言,煤料下降速度很慢,甚至可視為固定不動(dòng),因此稱之為固定床氣化;而實(shí)際上,煤料在氣化過(guò)程中是以很慢的速度向下移動(dòng)的,比較準(zhǔn)確的稱其為移動(dòng)床氣化。具有操作安全可靠、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),適用于多種煤種,對(duì)活性較差的煤種,也具有較高的氣化效率,生產(chǎn)能力大,結(jié)構(gòu)占地面積小。在生產(chǎn)時(shí),煤料和氣化劑逆流而行,創(chuàng)造了好的熱交換條件和反應(yīng)條

3、件,運(yùn)行時(shí),煤能夠充分燃燒。目前主要的移動(dòng)床氣化爐型有UGI煤氣化爐、魯奇煤氣化爐等。1.1.1 UGI煤氣化爐UGI煤氣化爐是一種常壓固定床煤氣化設(shè)備,以美國(guó)聯(lián)合氣體改進(jìn)公司命名。在原料上主要選用無(wú)煙煤和焦炭,可以制取空氣煤氣、半水煤氣或水煤氣,其特點(diǎn)是是可以采用不同的操作方式(連續(xù)或間歇和氣化劑來(lái)制氣。如圖2所示,爐子的結(jié)構(gòu)為直立圓筒形,上部有耐火材料、下部設(shè)有水夾套以回收熱量、爐底設(shè)有排灰的動(dòng)爐篦。UGI爐設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于操作,一般不需用氧氣作氣化劑,熱效率比較高。但是對(duì)煤種要求比較嚴(yán)格,生產(chǎn)強(qiáng)度低。圖1 UGI煤氣化爐結(jié)構(gòu)圖 圖2魯奇煤氣化爐結(jié)構(gòu)1.1.2 魯奇煤氣化爐1926年,德

4、國(guó)魯奇煤和石油技術(shù)公司開發(fā)了一種加壓移動(dòng)床煤氣化設(shè)備,即魯奇煤氣化爐。煤和氣化劑在爐中逆流接觸,煤在爐中約停留13小時(shí),壓力保持在2.02011年 第4期 2011年4月化學(xué)工程與裝備 Chemical Engineering & Equipment 108 陳仲波:煤氣化的工藝技術(shù)對(duì)比與選擇3.0MPa。適宜于氣化活性較高的褐煤和粘結(jié)性比較弱的煤種等。煤在進(jìn)入爐內(nèi)后,先后經(jīng)過(guò)干燥、干餾、氣化、部分氧化和燃燒等幾個(gè)過(guò)程,最后變成灰渣從轉(zhuǎn)動(dòng)爐柵排入灰斗。氣化劑則自下而上經(jīng)過(guò)煤床,提供氣化、干餾和干燥用途。魯奇爐由于出爐氣帶有大量水分和煤焦油、苯和酚等,冷凝和洗滌下來(lái)的污水處理系統(tǒng)比較復(fù)雜

5、。1.2 流化床氣化工藝流化床技術(shù)是以粒度為0-10mm 的小顆粒煤為氣化原料,在氣化爐內(nèi)使其懸浮分散在垂直上升的氣流中,煤粒在沸騰狀態(tài)進(jìn)行氣化反應(yīng),從而使得煤料層內(nèi)溫度均一,易于控制,提高氣化效率。 圖3溫克勒氣化爐結(jié)構(gòu)圖 圖4 U-GAS 氣化爐結(jié)構(gòu)圖1.2.1 溫克勒氣化爐溫克勒氣化爐采用粉煤為原料,濕度大的煤塊也適用,只要不含表面能自由流動(dòng)的水就可以,粒度在010mm 左右。氣化爐為鋼制立式圓筒形結(jié)構(gòu),內(nèi)部為耐火材料。如圖3所示,溫克勒氣化爐的爐箅安裝在圓錐體部分,氣化劑如空氣、蒸汽等由爐箅底側(cè)面送入爐內(nèi),形成流化床。其余的氣化劑由燃料層上面噴嘴送入,使煤在接近灰熔點(diǎn)的溫度下氣化,有利

6、于活性低的煤種氣化,可以提高氣化效率。溫克勒氣化的主要流程包括煤的預(yù)處理、氣化、氣化產(chǎn)物顯熱的利用、煤氣的除塵和冷卻等流程。 1.2.2 高溫溫克勒(HTW氣化法高溫溫克勒氣化法最初是德國(guó)的萊茵褐煤公司發(fā)明的,是在低溫溫克勒氣化法的基礎(chǔ)上演化而來(lái)。采用了比低溫溫克勒氣化法更高的壓力和溫度。其特點(diǎn)是出爐粗煤氣直接進(jìn)入兩級(jí)旋風(fēng)除塵器,含碳量比較高的顆粒返回爐內(nèi)進(jìn)一步氣化,二級(jí)除塵器流出的氣體入廢熱鍋爐回收熱量,再經(jīng)水洗塔冷卻除塵。整個(gè)系統(tǒng)是在密閉的壓力空間中進(jìn)行的,無(wú)論是加煤、氣化、還是除塵的步驟都是在加壓的條件下進(jìn)行的。同時(shí),為了提高煤的灰熔點(diǎn),需要加入一定比例的添加劑。 1.2.3 U-GAS

7、 氣化工藝U-GAS 氣化爐是一個(gè)單段流化床氣化爐。如圖4所示,是U-GAS 氣化的結(jié)構(gòu)圖。是其提高碳轉(zhuǎn)化率的措施主要有兩個(gè):其一,其工作的主要的原理是由于氣流的擾動(dòng)使碳粒從團(tuán)聚物中分離出來(lái),形成局部高溫區(qū),使未燃燒的碳?xì)饣?同時(shí),又使灰顆粒相互粘結(jié)從團(tuán)聚物中分離出來(lái);其二,是利用兩段旋風(fēng)分離器分離帶出物,在細(xì)灰進(jìn)入排灰區(qū)域后,經(jīng)過(guò)氣化和團(tuán)聚成灰渣的顆粒排出來(lái)。該工藝技術(shù)灰渣含碳量低于百分之十,碳轉(zhuǎn)化率在百分之九十七以上。 1.2.4 灰熔聚氣化工藝灰熔聚煤氣化技術(shù)以小于6mm 粒徑的干粉煤為原料,用空氣或富氧、水蒸氣作氣化劑,粉煤和氣化劑從氣化爐底部連續(xù)加入,在爐內(nèi)(10501100的高溫下

8、進(jìn)行快速氣化反應(yīng),被粗煤氣夾帶的未完全反應(yīng)的殘?zhí)己惋w灰,經(jīng)兩極旋風(fēng)分離器回收,再返回爐內(nèi)進(jìn)行氣化,從而提高了碳轉(zhuǎn)化率,使灰中含磷量降低到10%以下,排灰系統(tǒng)簡(jiǎn)單。該技術(shù)可用于生產(chǎn)燃料氣、合成氣和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,特別用于中小氮肥廠替代間歇式固定床氣化爐,以煙煤替代無(wú)煙煤生產(chǎn)合成氨原料氣,可以使合成氨成本降低15%20%,具有廣闊的發(fā)展前景。1.3 氣流床氣化工藝 1.3.1 K-T 爐氣化如圖5所示是K-T 氣化爐的結(jié)構(gòu)圖,兩爐頭氣化爐的外形是水平橢球體,每個(gè)爐頭裝有兩個(gè)噴嘴,噴出的煤粉在自己的火焰區(qū)尚未燃盡時(shí),可進(jìn)入對(duì)方的火焰中氣化,增加碳化率?；鹧鏈囟刃杩刂圃?000,絕大部分的灰分在火焰區(qū)被

9、熔化,熔渣由灰機(jī)送出,其余被氣體帶走。后來(lái)又有四爐頭八噴嘴氣化爐的新的設(shè)計(jì)。目前, K-T 氣化工藝技術(shù)發(fā)展已經(jīng)比較成熟,并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)能力高,其蒸汽用量較其他爐型相比也比較低,有效氣體成分可以達(dá)到85%到90%,其缺點(diǎn)是能耗損失大,同時(shí)灰飛問(wèn)題處理比較難度大。陳仲波:煤氣化的工藝技術(shù)對(duì)比與選擇 109圖5 K-T氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖1.3.2 謝爾煤氣化工藝K-T爐氧耗高,而且在常壓下操作,要達(dá)到高轉(zhuǎn)化率是有困難的。為彌補(bǔ)這一缺陷,謝爾石油公司和柯柏斯公司合作開發(fā)了加壓的謝爾-柯柏斯法,煤由常壓煤倉(cāng)進(jìn)加壓煤倉(cāng),再利用氮?dú)饣旌戏勖核腿霘饣癄t。煤灰沿爐壁流入鎖斗后排出,粗煤氣則利用循環(huán)冷煤氣降溫

10、到1000左右,避免粘性灰渣進(jìn)入廢熱鍋爐。1.3.3 德士古氣化工藝德士古氣化爐是一種以水煤漿進(jìn)料的加壓氣流床氣化裝置,該爐有兩種不同的爐型,根據(jù)粗煤氣采用的冷卻方式不同,可分為激冷型和廢熱鍋爐性。德士古加壓水煤漿氣化過(guò)程是并流反應(yīng)過(guò)程。合格的水煤漿原料同氧氣從氣化爐頂部進(jìn)入。煤漿由噴嘴導(dǎo)入,在高速氧氣的作用下霧化。氧氣和霧化后的水煤漿在爐內(nèi)受到高溫襯里的輻射作用,迅速進(jìn)行著一系列的物理、化學(xué)變化。氣化后的煤氣主要是一氧化碳、氫氣、二氧化碳和水蒸氣。氣體夾帶灰分并流而下,粗合成氣在冷卻后,從爐子的底部排出。該氣化工藝采用煤漿進(jìn)料,安全可靠,碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)9899%。2 煤氣化工藝技術(shù)的選擇在選擇

11、煤氣化工藝技術(shù)時(shí),主要考慮煤種、工藝特點(diǎn)、運(yùn)轉(zhuǎn)周期和投資費(fèi)用等方面的問(wèn)題,在綜合上述因素的基礎(chǔ)上,分析應(yīng)該選擇哪一種煤氣化工藝技術(shù)。第一,在煤種的適應(yīng)性方面,我國(guó)煤炭種類豐富,從褐煤到無(wú)煙煤都很齊全,地區(qū)煤炭種類和數(shù)量差別也很大,即使同一煤種,其性質(zhì)也存在差別,要針對(duì)煤種來(lái)選擇,考慮水分含量、灰熔點(diǎn)、灰組成、發(fā)熱量和成漿性等指標(biāo)來(lái)判斷應(yīng)該選擇哪個(gè)種類的煤氣化技術(shù)。第二,在技術(shù)成熟性方面,應(yīng)該選擇長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的煤氣化技術(shù),降低煤氣化運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)。第三,在成本方面,消耗低的煤氣化技術(shù)對(duì)提高單爐生產(chǎn)能力和氣化效率、降低成本都有意義。第四,在廢物排放方面,由于煤含有無(wú)機(jī)礦物質(zhì),在加過(guò)過(guò)程中,容易產(chǎn)生廢渣、廢氣和廢水,從環(huán)保的角度考慮,應(yīng)該選擇在高溫高壓下加純氧氣化的工藝技術(shù),其碳轉(zhuǎn)化率比較高。3 結(jié)論煤氣化工藝技術(shù)是煤化工的關(guān)鍵技術(shù),企業(yè)在選擇煤氣化工藝技術(shù)時(shí),應(yīng)針對(duì)各種爐型的主要特點(diǎn),并結(jié)合煤種、技術(shù)成熟度、投資成本和環(huán)保等方面的因素來(lái)選擇適合的煤氣化工藝。參考文獻(xiàn)1 賈 飛. Shell煤氣化凈化工藝選擇的探討J. 化肥設(shè)計(jì), 2000,38:22-24.2 何正兆, 宮經(jīng)德, 鄭振安, 等. 煤氣化技術(shù)方案比較及選擇J. 化工設(shè)計(jì), 2006,16:3-6.3 王 錦, 賀根良, 朱春鵬, 等. 煤氣化技術(shù)選擇依據(jù)J.廣州化工, 2009,37(