淺談炭氣化技術(shù)

孫旭陽

【摘 要】煤氣化技術(shù)是煤炭高效清潔利用的核心技術(shù)。本文介紹了煤氣化技術(shù)的發(fā)展及德士古、魯奇、殼牌、GSP等國外煤氣化技術(shù)的工藝特點。

【關(guān)鍵詞】煤氣化；工藝流程；發(fā)展

1.煤氣化原理

氣化過程是煤炭的一個熱化學(xué)加工過程。它是以煤或煤焦為原料，以氧氣、水蒸氣作為氣化劑，在高溫高壓下通過化學(xué)反應(yīng)將煤或煤焦中的可燃部分轉(zhuǎn)化為可燃性氣體的工藝過程。氣化時所得的可燃氣體成為煤氣，對于做化工原料用的煤氣一般稱為合成氣，進行氣化的設(shè)備稱為煤氣發(fā)生爐或氣化爐。

2.煤氣化工藝

煤炭氣化技術(shù)雖有很多種不同的分類方法，但一般常用按生產(chǎn)裝置化學(xué)工程特征分類方法進行分類，或稱為按照反應(yīng)器形式分類。氣化工藝在很大程度上影響煤化工產(chǎn)品的成本和效率，采用高效、低耗、無污染的煤氣化工藝是發(fā)展煤化工的重要前提，其中反應(yīng)器便是工藝的核心，為了提高煤氣化的氣化率和氣化爐氣化強度，改善環(huán)境，新一代煤氣化技術(shù)的開發(fā)總的方向，氣化壓力由常壓向中高壓（8.5MPa）發(fā)展；氣化溫度向高溫（1500～1600℃）發(fā)展；氣化原料向多樣化發(fā)展；固態(tài)排渣向液態(tài)排渣發(fā)展。

2.1固定床氣化

固定床一般以塊煤或焦煤為原料。煤由氣化爐頂加入，氣化劑由爐底加入。流動氣體的上升力不致使固體顆粒的相對位置發(fā)生變化，即固體顆粒處于相對固定狀態(tài)，床層高度亦基本保持不變，因而稱為固定床氣化。固定床氣化的特性是簡單、可靠。同時由于氣化劑于煤逆流接觸，氣化過程進行得比較完全，且使熱量得到合理利用，因而具有較高的熱效率。

固定床氣化爐常見有間歇式氣化（UGI）和連續(xù)式氣化（魯奇Lurgi）2種。前者用于生產(chǎn)合成氣時一定要采用白煤（無煙煤）或焦碳為原料，以降低合成氣中CH4含量；后者多用于生產(chǎn)城市煤氣；該技術(shù)所含煤氣初步凈化系統(tǒng)極為復(fù)雜，不是公認的首選技術(shù)。先簡單介紹下魯奇氣化爐：

30年代德國魯奇（Lurgi）公司開發(fā)成功固定床連續(xù)塊煤氣化技術(shù)，由于其原料適應(yīng)性較好，單爐生產(chǎn)能力較大，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。缺點是氣化爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜、爐內(nèi)設(shè)有破粘和煤分布器、爐篦等轉(zhuǎn)動設(shè)備，制造和維修費用大；入爐煤必須是塊煤；原料來源受一定限制；出爐煤氣中含焦油、酚等，污水處理和煤氣凈化工藝復(fù)雜、流程長、設(shè)備多、爐渣含碳5%左右。

2.2流化床氣化

流化床氣化又稱為沸騰床氣化。其以小顆粒煤為氣化原料，這些細顆粒在自下而上的氣化劑的作用下，保持著連續(xù)不斷和無秩序的沸騰和懸浮狀態(tài)運動，迅速地進行著混合和熱交換，其結(jié)果導(dǎo)致整個床層溫度和組成的均一。流化床氣化爐常見有溫克勒（Winkler）、灰熔聚（U-Gas）、循環(huán)流化床（CFB）、加壓流化床等。

2.3氣流床氣化

氣流床氣化是一種并流式氣化。從原料形態(tài)分有水煤漿、干煤粉2類；從專利上分，Texaco、Shell最具代表性。氣流床對煤種（煙煤、褐煤）、粒度、含硫、含灰都具有較大的兼容性，國際上已有多家單系列、大容量、加壓廠在運作，其清潔、高效代表著當(dāng)今技術(shù)發(fā)展潮流。

干粉進料的主要有K-T爐、Shell- Koppres爐、Prenflo爐、Shell爐、GSP爐、ABB-CE爐，濕法煤漿進料的主要有德士古氣化爐、Destec爐。先介紹下德士古氣化爐. Shell爐和GSP爐。

2.3.1德士古氣化爐

美國Texaco開發(fā)的水煤漿氣化工藝是將煤加水磨成濃度為60～65%的水煤漿，用純氧作氣化劑，在高溫高壓下進行氣化反應(yīng)，氣化壓力在3.0～8.5MPa之間，氣化溫度1400℃，液態(tài)排渣，煤氣成份CO+H2為80%左右，不含焦油、酚等有機物質(zhì)，對環(huán)境無污染，碳轉(zhuǎn)化率96～99%，氣化強度大，爐子結(jié)構(gòu)簡單，能耗低，運轉(zhuǎn)率高，而且煤適應(yīng)范圍較寬。Texaco氣化爐由噴嘴、氣化室、激冷室（或廢熱鍋爐）組成。其中噴嘴為三通道，工藝氧走一、三通道，水煤漿走二通道，介于兩股氧射流之間。水煤漿氣化噴嘴經(jīng)常面臨噴口磨損問題，主要是由于水煤漿在較高線速下對金屬材質(zhì)的沖刷腐蝕。噴嘴、氣化爐、激冷環(huán)等為Texaco水煤漿氣化的技術(shù)關(guān)鍵。

2.3.2 Shell氣化爐

最早實現(xiàn)工業(yè)化的干粉加料氣化爐是K-T爐，其它都是在其基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，50年代初Shell開發(fā)渣油氣化成功，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)歷了3個階段：1976年試驗煤炭30余種；1978年與德國Krupp-Koppers合作，在Harburg建設(shè)日處理150t煤裝置；兩家分手后，1978年在美國Houston的Deer Park建設(shè)日處理250t高硫煙煤或日處理400t高灰分、高水分褐煤。共費時16年，至1988年Shell煤技術(shù)運用于荷蘭Buggenum IGCC電站。該裝置的設(shè)計工作為1.6年，1990年10月開工建造，1993年開車，1994年1月進入為時3年的驗證期，目前已處于商業(yè)運行階段。單爐日處理煤2000t。

Shell氣化爐殼體直徑約4.5m，4個噴嘴位于爐子下部同一水平面上，沿圓周均勻布置，借助撞擊流以強化熱質(zhì)傳遞過程，使?fàn)t內(nèi)橫截面氣速相對趨于均勻。爐襯為水冷壁，總重500t。爐殼于水冷管排之間有約0.5m間隙，做安裝、檢修用。

煤氣攜帶煤灰總量的20%～30%沿氣化爐軸線向上運動，在接近爐頂處通入循環(huán)煤氣激冷，激冷煤氣量約占生成煤氣量的60%～70%，降溫至900℃，熔渣凝固，出氣化爐，沿斜管道向上進入管式余熱鍋爐。煤灰總量的70%～80%以熔態(tài)流入氣化爐底部，激冷凝固，自爐底排出。

粉煤由N2攜帶，密相輸送進入噴嘴。工藝氧與蒸汽也由噴嘴進入，其壓力為3.3～3.5MPa。氣化溫度為1500～1700℃，氣化壓力為3.0MPa。冷煤氣效率為79%～81%；原料煤熱值的13%通過鍋爐轉(zhuǎn)化為蒸汽；6%由設(shè)備和出冷卻器的煤氣顯熱損失于大氣和冷卻水。

2.3.3 GSP氣化爐

GSP由前東德的德意志燃料研究所于1956年開發(fā)成功。目前該技術(shù)屬于成立于2002年未來能源公司。GSP氣化爐是一種下噴式加壓氣流床液態(tài)排渣氣化爐，其煤炭加入方式類似于shell，爐子結(jié)構(gòu)類似于德士古氣化爐。

3.我國煤氣化技術(shù)進展

煤氣化技術(shù)在中國已有近百年的歷史，但仍然較落后和發(fā)展緩慢，就總體而言，中國煤氣化以傳統(tǒng)技術(shù)為主，工藝落后，環(huán)保設(shè)施不健全，煤炭利用效率低，污染嚴重。目前在國內(nèi)較為成熟的仍然只是常壓固定床氣化技術(shù)。它的優(yōu)點是操作簡單，投資?。坏夹g(shù)落后，能力和效率低，污染重，急需技術(shù)改造。如不改變現(xiàn)狀，將影響經(jīng)濟、能源和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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