煤氣化技術(shù)及其發(fā)展趨勢探討

王清臣 (中鋁山東有限公司，山東 淄博 255000)

0 引言

根據(jù)國家有關(guān)研究機構(gòu)的權(quán)威數(shù)據(jù)統(tǒng)計，近10年來，天然煤是我國重要的消耗能源。煤炭在促進(jìn)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展，始終發(fā)揮著十分重要的主導(dǎo)作用，成為人民生產(chǎn)生活必需品。近年來，隨著我國經(jīng)濟、社會各領(lǐng)域的快速穩(wěn)定發(fā)展，大型煤炭等不可再生能源的實際需求和數(shù)量逐年自然增長，特別是大規(guī)模煤炭的小規(guī)?？碧胶烷_采規(guī)模越來越大。今后我國煤氣化工程技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要技術(shù)趨勢之一是繼續(xù)發(fā)展和推廣使用新型清潔能源技術(shù)。

1 氣化技術(shù)概述

煤炭氣化主要是指煤炭經(jīng)過適當(dāng)處理，在一定的壓力和溫度下通過氧化劑轉(zhuǎn)化為氣體后脫硫脫碳所產(chǎn)生的一氧化碳?xì)?。?9世紀(jì)50年代，德國的西門子兄弟發(fā)明了一種叫做德士古氣化爐的爐具，它是第一個使用煤塊生產(chǎn)煤氣的爐。后來，中國相繼引進(jìn)了這種高新技術(shù)。20世紀(jì)90年代，魯南化肥廠開發(fā)生產(chǎn)了1:1的四氣化爐，擁有自主研發(fā)的國家知識產(chǎn)權(quán)。目前該先進(jìn)技術(shù)在我國多種化肥工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。煤炭潔凈電化處理工程技術(shù)及其應(yīng)用，可有效地實現(xiàn)我國煤炭資源的清潔高效綜合利用。根據(jù)2005年中國石油氣化設(shè)備制造技術(shù)的分類，目前我國氣化床主要有三種類型：固定床、氣流床和流化床架[1]。至于爐型的使用，可細(xì)分為爐內(nèi)爐、德士古爐灰爐、間歇氣化爐。首先介紹德國汝奇公司開發(fā)的固定式機床電氣控制技術(shù)。設(shè)備在技術(shù)上是穩(wěn)定和成熟的。它不僅是全球信息技術(shù)發(fā)展的一個早期階段，也是一個初步階段。雖然這項技術(shù)適合生產(chǎn)城市使用的天然氣，而且熱值很高，但不適合合成氣的生產(chǎn)。其次介紹流化床氣化。這項技術(shù)主要以烘箱為代表。恩德氣化爐主要采用溫克勒煤氣爐模型，廣泛應(yīng)用于合成氨氣中的煤氣和液化氣體的開發(fā)和生產(chǎn)。最后，對氣流床的電氣化制造技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的討論。從國外資料看，德國未來能源公司的美國煤漿技術(shù)和來自通用電氣公司的新型煤泥技術(shù)是這兩種技術(shù)的主要應(yīng)用代表。從國內(nèi)的角度來看，多元漿液氣化技術(shù)和四個噴嘴是該技術(shù)的主要代表。加熱技術(shù)的工作原理是將氣化煤粉加熱轉(zhuǎn)移到煤氣爐，在燃燒和加熱后完成反應(yīng)。該技術(shù)具有氣化爐與煤之間相對速度低、煤粉通過氣流分離的特點。目前氣流化床爐主要有兩種類型，一種是煤粉氣化爐，另一種為常壓床氣化爐。

2 煤化工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析

根據(jù)不同石化技術(shù)的應(yīng)用特點，煤化工技術(shù)可分為新型煤化學(xué)技術(shù)和替代傳統(tǒng)煤技術(shù)兩類。傳統(tǒng)的煤層氣化學(xué)方法在現(xiàn)代鋼鐵加工、冶煉和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械制造等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的小型煤化工與新型煤化學(xué)的巨大差異，主要體現(xiàn)在生產(chǎn)和銷售過程，與銷售產(chǎn)品的生產(chǎn)條件有很大的差異。在生產(chǎn)和銷售過程中，可以銷售多種副產(chǎn)品，如煤炭、甲醇、烯烴、油、煤和天然氣。在煤炭市場需求和煤炭產(chǎn)品規(guī)模較大的實際情況下，利用目前市場上供應(yīng)充足的褐煤和粉煤，可以大大提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，使企業(yè)在能源和水資源的綜合供應(yīng)方面有更穩(wěn)定的經(jīng)濟保障。在我國綠色社會主義經(jīng)濟快速健康發(fā)展的大背景下，煤炭燃燒換熱新技術(shù)已發(fā)展成為國家級企業(yè)戰(zhàn)略資本儲備的新工藝，也是國家重點扶持的綠色能源支柱產(chǎn)業(yè)。目前，我國煉焦新技術(shù)可細(xì)分為焦炭精煉、煤氣化、焦煤三種技術(shù)。

焦煤熔煉技術(shù)主要是指不適合特定工業(yè)煤種的新型焦化技術(shù)。芳香分子是焦化相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品的主要非有機分子結(jié)構(gòu)。它們周圍有許多小分子和物質(zhì)側(cè)鏈。在整個裂解過程中，分子從液態(tài)膠體轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。大多數(shù)不經(jīng)歷裂解和高熔點的分子仍然可以保持膠態(tài)的固態(tài)。氣體類膠凝在氣液物質(zhì)與其他固體液體物質(zhì)相互滲透的裂解過程中形成。隨著外界溫度的升高，液態(tài)和固態(tài)氣體逐漸消失。經(jīng)過一段時間的緩慢收縮和固體焦炭顆粒的快速膨脹，其內(nèi)部成分將逐漸包含許多裂紋和氣孔。在這種高溫化學(xué)環(huán)境下，焦炭煉制油和焦化油所產(chǎn)生的焦化化學(xué)反應(yīng)和熱解反應(yīng)可以用來獲得多種化工產(chǎn)品，如焦煤氣、焦油、化學(xué)焦粉等。

2.1 煤炭是我國目前最重要、最成熟的有色化學(xué)工業(yè)之一

本系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于我國鋼鐵設(shè)備制造業(yè)。通過對焦炭市場供需狀況的分析，發(fā)現(xiàn)近年來我國市場價格和規(guī)模需求分別受非黑色鋼和焦化產(chǎn)品價格的影響。2008年國際金融危機后，我國經(jīng)濟增長放緩，煤炭、鋼鐵等長期需求原料市場出現(xiàn)萎縮，中國焦煤行業(yè)的快速發(fā)展也造成了一些經(jīng)濟障礙，但在這種環(huán)境下，相關(guān)煤炭行業(yè)可以繼續(xù)加快煤業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，許多落后企業(yè)可以乘機退出煤炭市場。

2.2 煤氣化

煤氣化氣體指的是在大氣壓力與濕度高溫的相互作用下,氧化劑與煤的原料炭和煤(其中包括了水蒸汽、氧氣以及空氣等)可能產(chǎn)生化學(xué)作用,原料炭與煤內(nèi)部所可能包含的有機氣體結(jié)構(gòu)物會發(fā)生彈性斷裂,進(jìn)而氧化產(chǎn)生一種氣態(tài)有機小分子,在這一氣化過程中混合煤氣氣體指的也就是處于混合煤氣狀態(tài)下的一種可燃的惰性氣體,具體情況包括甲烷、氫氣、一氧化碳以及未必能得到充分作用的有機氣體。

氣體化工的過程主要是一個物理變化過程，過程中的作用通常非常復(fù)雜。在相互作用過程中，煤中的有機氣體和化學(xué)組成將直接從固煤中脫失。高溫?zé)峤?、氣體氧化和干分餾后，形成固態(tài)。在煤的氣化化學(xué)反應(yīng)過程中，作為煤所需各種有機元素的原料可以得到充分的回收利用，有機化工原料也十分豐富。在煤氣資源綜合利用處理中，天然氣復(fù)合物處理技術(shù)可以有效地去除某些煤炭產(chǎn)品原料中可能沒有有效整合的其他固體化學(xué)物質(zhì)，其他可能包含在其中的有機物質(zhì)也可以通過氣體轉(zhuǎn)化為固體化學(xué)物。在煤炭氣化燃料處理的生產(chǎn)過程中，氣床氣化爐是最重要的燃料生產(chǎn)設(shè)備。

3 發(fā)展趨勢

3.1 多聯(lián)產(chǎn)

基于目前煤化氣傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝,引入多元化聯(lián)產(chǎn)式的系統(tǒng),可以有效充分利用現(xiàn)有煤炭資源。該管理系統(tǒng)不僅可以將工業(yè)生產(chǎn)、電力與利用氫能所能生產(chǎn)出的各種化工產(chǎn)品產(chǎn)量作為能源目標(biāo)管理產(chǎn)物,在有效控制隔離排放二氧化碳的關(guān)鍵技術(shù)支持下即可實現(xiàn)零污染排放這種高效生產(chǎn)工藝也是當(dāng)前對于我國最為潔凈、最為高效的一種化工產(chǎn)品能源管理系統(tǒng)。若該管理系統(tǒng)能夠得到更加廣泛的企業(yè)應(yīng)用,一方面不僅可以對企業(yè)現(xiàn)有化工資源能夠進(jìn)行有效的綜合利用,另一方面也甚至可以有效提供利于相關(guān)化工企業(yè)的社會經(jīng)濟效益。

3.2 智能化生產(chǎn)

當(dāng)前由于我國已經(jīng)逐步進(jìn)入工業(yè)信息化發(fā)展時代,新型煤化工信息技術(shù)不僅可以與各種工業(yè)自動化信息技術(shù)與各種通信信息技術(shù)有機地結(jié)合運用,對煤炭生產(chǎn)經(jīng)營過程中所需要生成的各種重要數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時的采集與分析計算,同時由于可以充分利用技術(shù)相關(guān)的各種數(shù)據(jù)處理以及軟件技術(shù)來實現(xiàn)為數(shù)據(jù)采集處理工作提供有效的技術(shù)支持。另外,在各種智能化現(xiàn)場生產(chǎn)管理技術(shù)的綜合支持下,可以最大程度上有效降低現(xiàn)場生產(chǎn)工作人員的勞動強度與各種清潔能源和水資源的綜合使用量。

3.3 Shell氣流床煤氣化技術(shù)

此技術(shù)是一項非常先進(jìn)的煤氣化技術(shù),也可以說是第二代氣化技術(shù)。加壓煤泥漿氣化過程，如美國德士古公司使用的方法和荷蘭殼牌公司的粉煤，都是這種技術(shù)的典型例子。這項技術(shù)只能在高壓或超高溫的工作條件下完成。但是現(xiàn)在在工業(yè)氣化領(lǐng)域中的使用與研究推廣此種氣化技術(shù)還可能存在諸多技術(shù)方面的不良問題,比方說一些灰燼殘渣由于沾溫水的特性反應(yīng)不強而引發(fā)的灰渣堵塞與堆積排渣困難等等問題;氣化爐由于氧氣消耗強度增大,熔渣堆積失去對冷壁的有效保護(hù)而產(chǎn)生氣化爐與其他有關(guān)加熱設(shè)備一樣腐蝕嚴(yán)重的問題;另外一些就是未經(jīng)干燥的煤粉因為氣化爐在燃灰中所帶出的碳量較多,容易損壞導(dǎo)致產(chǎn)生大量合成氣體的冷卻器從而產(chǎn)生灰渣玷污、沉積以及灰渣堵塞，如陶瓷爐的過濾器,灰渣的含量過高,反性差的干煤粉會使得氣化飛灰中的含碳量大大增加,磨粉循環(huán)系統(tǒng)與大型燃灰循環(huán)系統(tǒng)間的負(fù)荷差距增大等等問題[2]。盡管該項工程技術(shù)就現(xiàn)在來看,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法在煤氣工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模深入推廣與使用,然而該項工程技術(shù)仍然具有使用不受環(huán)境限制、超高使用溫度、高壓的煤氣化和低壓等很多新的優(yōu)點,這也是今后我國煤氣化工程技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要研究方向與發(fā)展趨勢。

3.4 對目前傳統(tǒng)大型煤氣化發(fā)電技術(shù)里面的幾種技術(shù)進(jìn)行投入使用

目前，一些大型新煤化工藝可用于各種新氣化工程和技術(shù)裝備。具體來說，可以對氣流床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)、固定床氣化技術(shù)同時使用。其主要特點之一是簡單的先篩分塊煤，10～50 mm塊料煤不用干燥就可以直接加壓氣化。1～10 mm塊煤可廣泛應(yīng)用于小流化床中，小于1 mm塊煤可用于大氣流床的氣化處理。篩分后，既可大大降低化工企業(yè)塊煤原料的加工成本，又可同時結(jié)合多種氣化工程原料。氣流式固定機床電氣生產(chǎn)過程中釋放的氯甲烷可廣泛應(yīng)用于滿足燃?xì)鉁u輪和干法磨煤機風(fēng)力發(fā)電和氣流靜態(tài)機床的實際需求。該技術(shù)也是我國未來氣化技術(shù)發(fā)展的主要技術(shù)趨勢之一。它可以很容易推廣。這主要是由于該技術(shù)目前不采用殼體式換氣床，以及與氣體有關(guān)的技術(shù)在實際運行中可能遇到的各種安全瓶頸和技術(shù)問題。因此，應(yīng)用技術(shù)很容易實現(xiàn)推廣，也能夠在一定程度上降低燃?xì)庠O(shè)備企業(yè)的成本。

4 結(jié)語

煤化工廢水處理技術(shù)對促進(jìn)我國現(xiàn)代工業(yè)潔凈能源的高效供應(yīng)和管理具有重要意義。但是，我國的綠色煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然面臨著能源總體經(jīng)濟增速放緩、綠色能源消費市場需求旺盛等社會多方面的復(fù)雜問題，這必然要求各級政府和主管部門加強對煤化工技術(shù)產(chǎn)業(yè)的政策支持，促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備的升級。