氣流床加壓煤氣化技術(shù)研究進展

劉建宇

（潞安化工集團太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400）

0 引言

我國是一個缺油、少氣、煤炭資源相對而言比較豐富的國家，煤化工是使煤轉(zhuǎn)化為氣、液和固體燃料及化學(xué)品的過程。近年來，利用我國煤炭資源相對豐富的優(yōu)勢，掀起了一股煤制合成氨、甲醇、制油、制天然氣、制烯烴熱，在一定程度上推動了我國煤化工的發(fā)展。發(fā)展煤化工離不開合成氣的制備，煤氣化工藝已成為現(xiàn)代煤化工潔凈煤工藝的重要組成部分。氣流床氣化爐可用煤種要比移動床和流化床的范圍更廣泛，是最清潔，也是效率最高的煤氣化類型。本文重點探討氣流床煤氣化工藝技術(shù)及我國其他煤氣化工藝與氣流床的對比，以期為相關(guān)人員做參考[1-3]。

1 氣流床煤氣化技術(shù)

氣流床加壓煤氣化技術(shù)的核心是在高溫、高壓條件下，將煤炭轉(zhuǎn)化為氣體，從而實現(xiàn)煤炭的清潔利用。這一過程中，煤料在氣流床上受到高溫高壓氣體的加熱和沖擊，使其迅速轉(zhuǎn)化為氣體。煤氣化產(chǎn)物主要包括一氧化碳、氫氣、甲烷等可燃氣體，二氧化碳、氮氣等非可燃氣體。通過合理調(diào)控氣化條件，可以實現(xiàn)高效、環(huán)保的煤氣化效果。近年來，我國在氣流床加壓煤氣化技術(shù)研究方面取得了顯著進展。在煤氣化裝置的大型化、高溫高壓條件的優(yōu)化、煤種適應(yīng)性等方面取得了重要突破。此外，通過對煤氣化過程的深入研究，研究者們還發(fā)現(xiàn)了一系列影響煤氣化效果的因素，如煤質(zhì)、氣化劑類型、氣體流量、床層溫度等。具體單元工藝如下所述。

1.1 進料形式

干煤粉進料是一種比較常規(guī)的加壓式氣體床煤氣化工藝，但是這種工藝采用高壓氣密相輸送，進料采用鎖斗方式，存在干粉加壓和持續(xù)運輸難等問題，相對而言水煤漿氣化工藝可以很好地克服這個問題。通過深入研究可以看出，水煤漿氣化工藝進料的穩(wěn)定性和操作性優(yōu)于干粉煤加壓輸送，因此在能耗、安全、控制層面均具有明顯的優(yōu)點。然而，目前的水煤漿工藝還面臨著氧氣和煤炭消耗偏高、冷煤氣效率偏低、對煤的成漿性能有較高的需求，且煤的熱值顯著降低了水煤漿的供料效率等問題。

1.2 內(nèi)襯材料

水冷壁和耐火磚的熱爐壁都在加壓氣流床煤氣化工藝中得到了比較廣泛的應(yīng)用，雖然水冷壁會導(dǎo)致一定的熱損耗，而且成本也比較高，但是由于它擁有更長的應(yīng)用時間，所以它比較適合于干煤粉氣化工藝。耐火磚熱爐壁是一種比較普遍的工藝，可以很好地達到氣化時的熱平衡，并且可以有效地減少爐壁的熱損耗，但存在應(yīng)用壽命較短的缺點，需要頻繁地更換耐火磚。

1.3 噴嘴數(shù)量

單噴嘴直噴和多噴嘴對噴都是目前增壓氣流床煤炭氣化工藝中應(yīng)用最多的兩種工藝，但單噴嘴直噴存在著容量小、運行周期短、無法滿足大型化要求、氣化效率偏低等缺點。多噴嘴對噴可以有效地提升傳質(zhì)、換熱效率，提升過程的各項性能，但是也存在著一些問題，如操作繁瑣、成本高昂等，需要引起足夠的關(guān)注。

2 我國其他煤氣化工藝與氣流床對比分析

2.1 固定床氣化技術(shù)

固定床氣化技術(shù)是一種傳統(tǒng)的煤氣化工藝，與氣流床加壓煤氣化技術(shù)相比，存在一些差異和優(yōu)勢。

首先，固定床氣化技術(shù)與氣流床加壓煤氣化技術(shù)相比，其煤氣化反應(yīng)速度較慢。實驗數(shù)據(jù)顯示，固定床氣化技術(shù)的煤氣化反應(yīng)速度約為0.3～0.5 s，而氣流床加壓煤氣化技術(shù)的反應(yīng)速度可達到4～6 s。由于氣流床反應(yīng)速度更快，可以提高煤氣化的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量。

其次，固定床氣化技術(shù)的產(chǎn)氣量和煤氣質(zhì)量較低。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，固定床氣化技術(shù)處理每噸煤粉的氣體產(chǎn)量約為2 000～2 500 m3，而氣體產(chǎn)率則只有65%～75%。與之相比，氣流床加壓煤氣化技術(shù)處理每噸煤粉的氣體產(chǎn)量可達到4 500～4 800 m3，氣體產(chǎn)率達到了82%～88%。因此，氣流床加壓煤氣化技術(shù)在產(chǎn)氣量和煤氣質(zhì)量方面更具優(yōu)勢。

此外，固定床氣化技術(shù)對于煤質(zhì)的適應(yīng)性較差。由于固定床氣化技術(shù)對煤粒度、煤質(zhì)和水分含量的要求較高，這限制了其在不同煤種和煤質(zhì)條件下的應(yīng)用范圍。而氣流床加壓煤氣化技術(shù)在處理不同煤種和煤質(zhì)時具有較好的適應(yīng)性和靈活性，可以滿足不同地區(qū)和不同煤炭資源的煤氣化需求。

2.2 流化床煤氣化技術(shù)

流化床煤氣化技術(shù)是另一種常見的煤氣化工藝，與氣流床加壓煤氣化技術(shù)相比，也具有一些特點和優(yōu)勢。

首先，流化床煤氣化技術(shù)的反應(yīng)速度相對較快。實驗數(shù)據(jù)表明，流化床煤氣化技術(shù)的煤氣化反應(yīng)速度約為1～2 s，比固定床氣化技術(shù)稍快，但比氣流床加壓煤氣化技術(shù)較慢。由于反應(yīng)速度的限制，流化床煤氣化工藝在一定程度上影響了其生產(chǎn)效率和產(chǎn)氣量。

其次，流化床煤氣化技術(shù)的產(chǎn)氣量和煤氣質(zhì)量較高。據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，流化床煤氣化技術(shù)處理每噸煤粉的氣體產(chǎn)量可達到3 000～4 000 m3，氣體產(chǎn)率約為75%～85%。相對于固定床氣化技術(shù)而言，流化床煤氣化技術(shù)在產(chǎn)氣量和煤氣質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢，但相對于氣流床加壓煤氣化技術(shù)仍有一定差距。

此外，流化床煤氣化技術(shù)對于煤粒度和煤質(zhì)的適應(yīng)性較好。流化床煤氣化技術(shù)可以處理多種煤種和煤質(zhì)，包括不同粒度的煤粉和不同煤質(zhì)的煤炭。這使得流化床煤氣化技術(shù)在煤氣化系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性方面較為突出。與之相比，氣流床加壓煤氣化技術(shù)也具有較高的適應(yīng)性，但在煤粒度上的要求相對較高。

3 典型氣流床加壓煤氣化技術(shù)應(yīng)用——以HT-L 航天爐為例

航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)是一種先進的煤氣化技術(shù)，其主要技術(shù)工藝是先將粉煤和過量的氧氣加壓，在高溫、高壓條件下采用“粉煤+水激冷”流程進行反應(yīng)，生成一氧化碳、氫氣等氣體，并進一步進行水氣轉(zhuǎn)化，得到高質(zhì)量的合成氣。工藝充分吸收了當(dāng)今世界先進煤氣化技術(shù)的優(yōu)點，采用了盤管式水冷壁氣化爐，頂燒式單燒嘴，主要裝置包括備煤、粉煤加壓、氣化、渣水處理四個單元。

3.1 高效率、高品質(zhì)和高能源利用率

航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)可以髙效地將幾乎任何形態(tài)的固態(tài)煤高溫氣化，通過對反應(yīng)條件的嚴(yán)格控制，能夠保證反應(yīng)的高效率。同時，該技術(shù)采用自帶空氣散熱式氣化爐，在高溫、高壓的反應(yīng)環(huán)境下，煤炭與過量氧氣進行反應(yīng)，實現(xiàn)了對煤炭中能量的充分利用，從而提高了合成氣的產(chǎn)量和質(zhì)量。此外，還進行水氣轉(zhuǎn)化，合成氣中的二氧化碳含量較低，進一步提高了合成氣的質(zhì)量。這樣產(chǎn)生的氣體可以用于大量的氫能、合成氣、液體燃料和有機合成等領(lǐng)域。

例如，中國石化在實現(xiàn)航天爐煤水混合氣化技術(shù)的基礎(chǔ)之上，開展了壓式氣化技術(shù)的研究和應(yīng)用。它可以將煤炭、副產(chǎn)不能滿足需求的汽油和柴油等混合物進行氣化轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生高質(zhì)量的合成氣。該技術(shù)已成功應(yīng)用于多個生產(chǎn)線上，年產(chǎn)能力達到25 億m3，具有廣闊的應(yīng)用前景。日本石油化學(xué)（JX）采用航天爐粉煤加壓氣化工藝對重油進行氣化，生產(chǎn)高質(zhì)量的合成氣。該氣化反應(yīng)采用約10 MPa 的高壓操作，在反應(yīng)條件下制備70%以上含量、高質(zhì)量的合成氣。

3.2 高環(huán)保效能

另一方面，航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)具有較好的環(huán)保效能。該技術(shù)采用先進的冷卻除塵、含硫廢氣治理以及廢水、廢渣治理等設(shè)備，能夠有效降低煤氣中的污染物含量，將煤氣中的污染物含量降低到極低水平，并且對于一些難以處理的有害物質(zhì)也能夠在頂部放電等法之下通過篩分和不同材料的堆積實現(xiàn)全面清除。具體的，設(shè)置了脫硫裝置及硫回收裝置，將以前嚴(yán)重的污染物變成了經(jīng)濟價值可觀的化工產(chǎn)品；廢渣可用于生產(chǎn)建筑材料，除塵處理后排入大氣的含塵量僅10×10-6，只有少量的廢水經(jīng)處理后達標(biāo)排放等。比如，中國石化在航天爐粉煤加壓氣化過程中采用了逆流冷卻式除塵器，能夠有效降低煤氣中污染物的含量，保護環(huán)境。

3.3 航天爐燒嘴的設(shè)備優(yōu)勢

航天爐粉煤加壓氣化工藝中的關(guān)鍵設(shè)備之一是航天爐燒嘴。航天爐燒嘴在煤氣化過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，具有高耐磨性和長壽命、操作靈活性和容易維護性等優(yōu)勢。

一方面，在粉煤加壓氣化過程中，煤粉與氣體混合物由燒嘴注入氣流床中進行氣化反應(yīng)。由于高溫和高速氣流的作用，燒嘴會受到嚴(yán)峻的工況條件和煤炭顆粒的磨蝕，因此燒嘴材料需要具有良好的耐磨性。據(jù)實驗數(shù)據(jù)表明，采用航天爐燒嘴的粉煤加壓氣化系統(tǒng)，燒嘴壽命可達到5 000 h 以上。這得益于航天爐燒嘴采用耐高溫、耐磨損的合金材料制造，能夠在高溫和高速氣流的作用下保持良好的結(jié)構(gòu)完整性和耐磨性，延長設(shè)備的使用壽命。

另一方面，航天爐燒嘴設(shè)計合理，具有良好的調(diào)節(jié)和控制性能，可以根據(jù)工藝要求對煤粉和氣體混合物進行精確的噴射控制。燒嘴結(jié)構(gòu)緊湊，便于操作和維護。此外，燒嘴采用模塊化設(shè)計，方便更換和維修，大大降低了維護成本和工作強度。據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，航天爐燒嘴更換時間平均為2 h，維修性能得到了充分體現(xiàn)。

例如，在航天爐粉煤加壓氣化工藝中，燒嘴噴射出的煤粉和氣體混合物可以實現(xiàn)在床層中的快速均勻分布，提高了煤氣化反應(yīng)的效果。此外，燒嘴還具有一定的調(diào)節(jié)能力，能夠根據(jù)需要實現(xiàn)煤氣化工藝的靈活調(diào)整，滿足不同工況條件下的煤氣化要求。

4 結(jié)語

與其他煤氣化工藝相比，氣流床加壓煤氣化技術(shù)作為一種先進的煤氣化工藝，具有高效的煤氣化反應(yīng)、高產(chǎn)氣量和煤氣質(zhì)量等諸多優(yōu)勢，尤其航天爐粉煤加壓氣化工藝，可以實現(xiàn)煤粉的高效加壓氣化反應(yīng)，產(chǎn)生高品質(zhì)的煤氣，同時航天爐燒嘴作為關(guān)鍵設(shè)備，擁有高耐磨性和長壽命、操作靈活性和容易維護性等特點，在煤氣化過程中發(fā)揮著重要作用。