氣流床氣化技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

褚曉亮， 苗 陽(yáng)，付玉玲，張玉斌，苗雨旺

（1.煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264006；2.陽(yáng)煤集團(tuán)淄博齊魯?shù)谝换视邢薰?，山東 淄博 255400）

20 世紀(jì)70年代全球出現(xiàn)石油危機(jī)后，人們對(duì)煤炭的研究逐漸加速，以求找到可代替石油的燃料。煤氣化是將煤炭轉(zhuǎn)化為煤氣的技術(shù)，是潔凈、高效利用煤炭的先進(jìn)技術(shù)和煤炭的主要利用途徑之一，也是許多高新技術(shù)如制藥、化工等等的核心和重要環(huán)節(jié)。

1 氣流床概述

氣流床氣化是目前煤氣化技術(shù)的主流，代表著今后煤氣化技術(shù)的發(fā)展方向，具有很大的應(yīng)用前景。氣流床的整體特點(diǎn)如下：

（1）氣、固停留時(shí)間在1s 以內(nèi)，氣化溫度高，煤粉粒徑小，所以反應(yīng)速度快，氣化能力大；操作溫度較高，氧耗量較高；大量煤轉(zhuǎn)化為熱能，而不是化學(xué)能，其冷煤氣效率低；除塵系統(tǒng)龐大，廢熱回收系統(tǒng)昂貴，備煤系統(tǒng)復(fù)雜，耗電量大，對(duì)爐襯的耐火材料要求高；

（2）煤粉顆粒直徑小(小于0.1mm)，爐內(nèi)的氣、固停留時(shí)間在1s 左右，高于固定床和流化床，具有較高的氣化速度；

（3）高氣化溫度 (1400～1600℃)和高氧耗，保證了較高的碳轉(zhuǎn)化率；

（4）除塵系統(tǒng)龐大，廢熱回收系統(tǒng)昂貴，備煤系統(tǒng)復(fù)雜，耗電量大，對(duì)爐襯的耐火材料要求高。

2 氣流床的爐型

氣流床按照進(jìn)料方式可分為濕法進(jìn)料(水煤漿)氣流床和干法進(jìn)料(煤粉)氣流床[2]。本文將對(duì)其

中比較重點(diǎn)的工藝進(jìn)行介紹。

2.1 濕法進(jìn)料(水煤漿)氣流床

能充分利用廠區(qū)周圍的污水源制作水煤漿，解決污水處理問(wèn)題；氣化爐運(yùn)行費(fèi)用低，不像干法那樣，需要花費(fèi)熱量干燥濕煤。濕煤氣中的水蒸汽含量較多，熱煤氣效率的提高要靠較復(fù)雜的顯熱回收設(shè)備。

2.1.1 德士古水煤漿氣化爐(Texaco、GE)

該工藝采用除含水分高的褐煤以外的大部分煙煤、石油焦等煤種作氣化原料，以60%～65%濃度的水煤漿為進(jìn)料方式，用液態(tài)排渣進(jìn)行加壓氣化，采用純氧作氣化劑，在高溫、高壓下反應(yīng)生成合成氣。

德士古水煤漿氣化爐的技術(shù)特點(diǎn)如下：（1）能充分利用廠區(qū)周圍的一切污水源來(lái)制作水煤漿，有利于解決污水的處理問(wèn)題；（2）氣化爐運(yùn)行費(fèi)用較低，不像干法供煤那樣，需要花費(fèi)能量去干燥濕煤；（3）碳的轉(zhuǎn)化率不是很高，一般只有96%～98%，影響氣化效率的提高；（4）濕煤氣中的水蒸汽含量較多，熱煤氣效率的提高要靠較復(fù)雜的顯熱回收設(shè)備；（5）氣化所需的氧耗較多，大約是1kg O2/kg 干煤；（6）爐膛耐火磚的壽命短、價(jià)格高、更換時(shí)間長(zhǎng)，水煤漿泵和噴嘴易磨損，更換頻次高，影響氣化爐運(yùn)行周期。

利用水煤漿便于高壓泵送的特點(diǎn)，可以制備壓力很高的粗煤氣，便于氣化產(chǎn)品的后續(xù)成產(chǎn)過(guò)程的銜接，因而Texaco 氣化爐對(duì)于化工廠更具有吸引力。

2.1.2 多噴嘴（對(duì)置式）水煤漿加壓氣化爐

該工藝是由華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所、兗礦煤業(yè)集閉和天辰化學(xué)工程公司等3 家合作開(kāi)發(fā)的[2]。2005年，以CO2作為輸送介質(zhì)的多噴嘴水煤漿加壓氣流床技術(shù)在中試裝置上成功運(yùn)行。2007進(jìn)行了更多的新煤種的試驗(yàn)工作，得到了更多有用的數(shù)據(jù)和相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，為放大設(shè)計(jì)提供了更好的基礎(chǔ)條件。目前正建設(shè)千噸規(guī)模的工業(yè)化氣化爐。

氧氣和煤混合更加充分，有利于強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)過(guò)程，物料在氣化爐內(nèi)停留時(shí)間比其他同類技術(shù)多2～3s，提高了碳的轉(zhuǎn)化率和單位氣化爐燃燒室容積的生產(chǎn)能力。該爐型的運(yùn)行參數(shù)和德士古爐基本相同，但是單位有效氣體耗氧量更低，廢水處理也更加簡(jiǎn)單，但是運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不多，工藝的優(yōu)缺點(diǎn)仍需要進(jìn)一步確定。

2.2 干法進(jìn)料粉煤氣化爐

干煤粉氣流床以干燥后的煤粉作為氣化原料，氣化溫度和氣化壓力高，氣化負(fù)荷大，煤種適應(yīng)性相對(duì)范圍廣，是目前煤氣化技術(shù)發(fā)展的主流。主要爐型有K-T 氣化爐、殼牌爐（shell、SCGP、加壓K-T）、GSP 爐等等。

懸浮在氣化劑和氣化產(chǎn)物中的液態(tài)渣滴在其固化前允許與帶有爐襯的水冷壁爐體接觸，可以形成渣膜在氣力作用下流入水冷固化池，而不允許在未敷設(shè)爐襯冷卻段壁面上接觸而發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象。結(jié)渣現(xiàn)象干擾和破壞了氣化溫度的控制，影響氣化工藝過(guò)程。同時(shí)，懸浮氣化工藝本身因涉及渣滴固化點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，提高氣化強(qiáng)度受到限制，除渣率也較低，很難達(dá)到較高的水平，增加了粗煤氣氣化凈化除塵設(shè)備的負(fù)荷。

2.2.1 K-T 氣化爐

在該爐型的工作過(guò)程中，粉碎的燃料均勻地與氣化介質(zhì)氧和蒸汽混合，一起被送入氣化爐，氣化在不到1s 的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。該過(guò)程可分為4個(gè)步驟：粉煤和氣態(tài)氣化介質(zhì)的預(yù)熱、粉煤熱解、固體和氣態(tài)熱解產(chǎn)物點(diǎn)燃和氣化。這幾個(gè)階段并非接連發(fā)生，在很大程度上是平行進(jìn)行的。因?yàn)闅饣^(guò)程是連續(xù)的，煤、氧混合物不停地送入氣化爐，在2000℃的高溫下迅速反應(yīng)，形成二氧化碳、一氧化碳、蒸汽和氫氣。在如此高溫下，不會(huì)產(chǎn)出甲烷。進(jìn)料炭、氣化介質(zhì)和產(chǎn)生的煤氣朝同一個(gè)方向流經(jīng)氣化爐，由于溫度高和并流氣化，因此不產(chǎn)生蒸餾產(chǎn)物。氧耗高，常壓操作存在問(wèn)題較多。

2.2.2 殼牌爐（shell、SCGP、加壓K-T）

該爐型的工藝過(guò)程為粉煤、氧氣及少量水蒸汽在加壓條件下，并流進(jìn)入氣化爐內(nèi)，在極為短暫的時(shí)間內(nèi)完成升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒及轉(zhuǎn)化等一系列物理和化學(xué)過(guò)程，氣化產(chǎn)物是以H2和CO 為主的合成氣，CO2含量很少。此爐采用加壓氣化，可氣化多種煤質(zhì)，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，氣化溫度高，碳的轉(zhuǎn)化率高達(dá)98%以上，氣化產(chǎn)物中的可燃成分含量高而且無(wú)煤焦油等產(chǎn)物。氣化的生產(chǎn)能力大，目前可達(dá)3000t·d-1。液態(tài)排渣，灰渣為玻璃狀固體，沒(méi)有污染，易堆放。

2.2.3 GSP 爐

該爐屬高壓氣化爐，煤以粉煤的形式，干粉進(jìn)料，氣化劑為純氧，氣化段多為爐體下部，液態(tài)排渣，爐體為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，部分高度膜式水冷壁敷有絕熱爐襯。

GSP 煤氣化技術(shù)具有其獨(dú)特的特點(diǎn)：（1）采用水冷壁結(jié)構(gòu)，避免了因高溫、熔渣腐蝕及開(kāi)停車產(chǎn)生應(yīng)力對(duì)耐火材料的破壞而導(dǎo)致氣化爐無(wú)法長(zhǎng)周期運(yùn)行；（2）爐內(nèi)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，所以運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，可靠性高；（3）噴嘴火焰溫度約1800～2200℃，平均停留時(shí)間約10s，反應(yīng)速率高，生產(chǎn)能力大；（4）單噴嘴，煤粉從爐頂部噴入，煤、氧均勻混合、燃燒、氣化，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)99%；（5）激冷流程，工藝技術(shù)簡(jiǎn)單，設(shè)備及運(yùn)行費(fèi)用較低。

GSP 氣化技術(shù)由于其氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使得項(xiàng)目一次投資較較小。一臺(tái)套2000t·d-1投煤量的氣化裝置不足4 億元人民幣，采用該氣化技術(shù)是一種比較經(jīng)濟(jì)、現(xiàn)實(shí)的考慮。工藝技術(shù)綜合了現(xiàn)有干法和濕法加壓氣流床氣化技術(shù)的共同優(yōu)點(diǎn)；原料煤適應(yīng)范圍寬；水冷壁采用“以渣抗渣”的結(jié)構(gòu)，不需要耐火磚絕熱層，而且爐內(nèi)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，可靠性高。

3 氣流床爐型對(duì)比

表1 從氣化溫度、氣化壓力、氣化爐特點(diǎn)、設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度等等方面比較了上述3 種不同的固定床氣化工藝。

4 結(jié)論

上述的各種干粉氣化爐，其氣化過(guò)程主要在氣室的空間內(nèi)進(jìn)行，煤粉懸浮在氣化劑中，可以稱之為

“懸浮氣化”。為了提高氣化爐的氣化強(qiáng)度和碳的轉(zhuǎn)化率，懸浮氣化都選取高溫高壓的氣化參數(shù)，氣化溫度多在1200～1500℃，此時(shí)煤中的灰分已處在熔融狀態(tài)（即液態(tài)渣）。懸浮在氣化劑和氣化產(chǎn)物中的液態(tài)渣滴在其固化前允許與帶有爐襯的水冷壁爐體接觸，可以形成渣膜在氣力作用下流入水冷固化池。不允許在未敷設(shè)爐襯冷卻段壁面上接觸而發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象，結(jié)渣現(xiàn)象會(huì)干擾和破壞氣化溫度的控制，影響氣化工藝過(guò)程。

表1 不同氣流床氣化工藝對(duì)比Table 3.1 Different flow bed gasification processes

另外，懸浮氣化時(shí)從氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度看，其氣化反應(yīng)速度在高溫區(qū)主要是由外擴(kuò)散過(guò)程控制。而粉煤與氣化劑之間的相對(duì)速度在懸浮狀態(tài)下極低，因此反應(yīng)速度的制約，必然限制了氣化爐整體的氣化強(qiáng)度。

氣流床氣化技術(shù)在我國(guó)屬于新型氣化工藝，正處于起步階段，距離廣泛普及還有很長(zhǎng)的一段路。針對(duì)氣化爐的具體實(shí)際應(yīng)用，氣化爐向著高溫、高壓、高生產(chǎn)能力的方向發(fā)展。在應(yīng)用方面，氣化爐工藝將根據(jù)其產(chǎn)氣的實(shí)際應(yīng)用情況而發(fā)展為具體的類型，其具體發(fā)展有待觀察。

李志堅(jiān)[3]在《新形勢(shì)化學(xué)工業(yè)潛力分析會(huì)》中指出，目前國(guó)內(nèi)大約有30 臺(tái)在運(yùn)，約15 臺(tái)在建，主要用于生產(chǎn)合成氨、甲醇和制氫。最大規(guī)模達(dá)到單爐2000 t·d-1投煤量,已有3～5年的工業(yè)化示范工作[4]。

[1]J.S.Gary,C.M.Russell,Gasification technologies:the Path to clean,affordable energy in the 21 century [J].Fuel Processing Technology.2011(1):79-97.

[2]李偉鋒.多噴嘴對(duì)置式煤氣化技術(shù)[J].氮肥技術(shù)，2008(6)：1-5.

[3]李志堅(jiān).煤氣化及化肥行業(yè)工藝技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].化學(xué)工業(yè)，2009(7)：1-5.

[4]王中剛，韓喜民.水煤漿水冷壁氣化爐項(xiàng)目總結(jié)[J].化肥工業(yè)，2012(1)：57-60.