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煤气化
煤气化技术的现状及发展趋势
摘要煤气化分为固定床、流化床和气流床气化,本文着重介绍煤气化的中的气流床气化技术,详细介绍了GSP、Shell、Prenflo、TPRI等技术的现状。
分析了国内外煤气化技术主要的发展趋势。
关键词煤气化气流床
一引文
由于我国能源发展不均衡,再加上石油资源相对短缺和石油供需矛盾日益突出。
使得我国煤炭资源的利用,变得尤为重要。
现我国探明煤炭可采储量为2040亿吨(2002年)。
煤炭在我国一次能源消费结构中占有主导地位,有专家研究认为,在未来相当长时期内,一次能源消费结构中煤炭仍将居主导地位,到2050年将维持在50%以上。
煤炭资源的有效利用,促使煤化工的发展就成为我国的重要发展方向。
煤化工是以煤为原料,经过化学加工使煤转化为气体、液体、固体燃料以及化学品的过程,主要包括焦化、气化、液化和合成化学品。
在煤化工中,煤气化有着举足轻重的作用,从下图1可以看出煤气化技术的地位的重要。
煤气化地位随着社会的发展越来越凸显,技术也随着煤气化的发展越来越受到关注。
煤炭气化,即在一定温度、压力条件下利用气化剂(O2、H2O或CO2)与煤炭反应生成洁净合成气(CO、H2的混合物),是对煤炭进行化学加工的一个重要方法。
煤气化主要体现在洁净、高效利用煤炭上,长期的生产实践表明,在将煤炭转变成更便利的能源和产品形式的各种技术中,煤气化是应优先考虑的一种加工方法。
城市煤气、化工合成用原料气、先进的联合循环发电用燃气和综合利用系统是煤气化发展和应用的主要方向。
煤气化主要技术集中在气化炉上,气化炉的分类按煤与气化剂的相对流动方式可分为逆流、并逆流和并流【1】,与这几种方式相对应的则是固定床、流化床和气流床气化炉。
在三种技术中发展最好和最有前景的还是气流床气化技术,本文着重对这种技术的介绍。
二煤气化技术的现状
2.1气流床气化技术现状
气流床气化技术主要分为典型干煤粉气化与水煤浆气化,水煤浆气化与干煤粉气化比较可以见表1。
在气化技术方面,国外已产业化或文献报道已完成中试的气流床煤气化炉主要有K-T、Shell、Prenflo、GSP、Texaco、E-Gas、Eagle等技术。
国内气流床煤气化炉主要有多喷嘴对置气化技术和TPRI两段干煤粉气化技术。
不同气流床煤气化技术的特点见表2。
2.1.1Shell和Prenflo气化技术【2】
Shell和Prenflo煤气化炉主要由内筒和外筒两部分构成。
气化炉内筒上部为燃烧室,下部为激冷室,煤粉及氧气在燃烧室反应,温度为1600℃左右。
Shell和Prenflo气化技术主要差别在废热锅炉的设置上,Shell在经过桥管后在侧边设置,而Prenflo在顶部。
其技术优势在于:
采用的是膜式水冷壁气化炉而非耐火砖,使高温气化(1700℃)可行,所以原料选择范围较宽,而且降低了运行成本。
气化后产生的煤气中CO2含量低,有效气体(CO+H2)的体积分数约90%,氧耗比水煤浆气化约低10%。
膜式壁的设计寿命据称至少为25年,喷嘴寿命为1年。
其存在的问题主要是投资大,设备造价过高,干燥、磨煤、高压氮气及回炉激冷用合成气的加压所需功耗较大,气化炉的压力低于4.5MPa,不能与后续过程相衔接(如等压合成甲醇)等。
从运行情况来看,还没有达到预期。
这里要着重的介绍一下Shell公司的的SCGP【3】工艺,SCGP工艺是新一代洁净煤气化技术,在热能利用、环保方面具有其它方法无法比拟的优势,在合成氨领域有着极其光明的应用前景。
主要有以下有点:
1)SCGP气化炉不采用耐火砖衬里,而采用膜式水冷壁,外涂薄层耐火材料;2)SCGP气化工艺采用干煤粉进料,气化温度高,煤种适应性广,从烟煤、无烟煤、褐煤到石油焦均可气化,对煤的活性没有要求,对煤的灰熔点范围比其它气化工艺可以更宽一些;3)SCGP工艺出炉煤的温度高达1500℃,它采用冷激流程将无尘合成气冷却至900℃,然后用废气锅炉回收热量以产生11.0MPa(表)的高压蒸汽;4)SCGP工艺中煤粉是经干燥到含水2%左右入炉,气化后产生的煤气中CO2含量低,有效气体(CO+H2)接近90%,气化效率高;5)SCGP煤气化反应在1500℃以上的高温下进行,气化反应很充分,高分子有机物和焦油类物质完全不能存在,也不产生其他有害的物质,有机硫完全被转化为硫化氢,变得易于除去;6)设备单位容积产气能力大,设备易于大型化;7)SCGP工艺在各项消耗及能耗上与Texaco工艺相比也具有优势:
9)SCGP的工艺更加灵活,负荷适应性更广。
这种工艺是现今较好的工艺。
2.1.2GSP气化技术【2】
GSP气化炉是由烧嘴、冷壁气化室和激冷室组成的加压气流床。
GSP气化技术是单喷嘴下喷式干煤粉加压气流床气化技术,根据煤气用途不同可直接水激冷,如化工合成气用户;也可用废热锅炉回收热量产生高压蒸汽,如IGCC发电用户。
GSP技术采用了干煤粉进料、盘管式水冷壁,既扩大了煤种范围,又避开了耐火砖的麻烦。
下喷的直接激冷使其设备造价大幅度下降,流程简单,激冷后合成气中的水蒸气也基本能满足后工段变换使用。
不少我国煤化工界专家对本工艺寄予厚望。
必须看到,GSP气化技术在单炉能力和长期运行方面还存在不足,目前已运行过的装置,其单炉能力只有720t/d,用于煤气化的运行记录也只有短短两年。
国内存在盲目引进的趋势。
GSP煤气技术特点主要特点是:
对煤的灰熔点的适用范围比其他气化工艺更宽、转化率高、耗氧量降低、采用先进的水冷壁结构、运行可靠、对环境污染小等。
2.1.3TPRI两段式气化【4】
两段式气化是为了解决原有的气化装置只有一级气化反应中的不足,开发出的一种新型的两段式干煤粉加压气化,该气化炉的外壳为一直立圆筒,炉膛采用水冷壁结构,炉膛分为上炉膛和下炉膛两段,下炉膛是第一反应区,用于输入煤粉、水蒸气和氧气的喷嘴设在下炉膛的两侧壁上,渣口设在下炉膛底部高温段,采用液态排渣。
上炉膛为第二反应区,其内径较下炉膛的内径小,且较高,在上炉膛的侧壁上开有2个对称的二次煤粉和水蒸气进口。
运行时,由气化炉下段喷入干煤粉、氧气(纯氧或富氧)、蒸汽,所喷入的煤粉量占总煤量的80%~85%;在上炉膛进口处喷入过热蒸汽和煤粉,所喷煤粉量占总煤量的15%~20%。
该装置中上段炉的作用一是代替循环合成气使温度高达1400℃的煤气急冷至约900℃,二是利用下段炉煤气显热进行热裂解和部分气化,提高总的冷煤气效率和热效率。
为了满足发电行业和化工行业对于煤气化工艺的不同要求,两段式干煤粉加压气流床气化炉根据下游工艺的不同要求,可以采用有废锅和无废锅两种形式。
在激冷流程中,用激冷水将煤气直接冷却至300℃以下,这种工艺方式的系统比较简单,投资较少。
此工艺流程适用于化工领域及多联产。
如果使用废锅流程,则粗煤气中15%~20%热能被回收为中压或高压蒸汽,气化工艺总体的热效率可以达到98%。
此工艺过程比较适合于IGCC项目。
2004年,建成日处理(36~40)t煤的两段式干煤粉加压气化中试装置,在该装置上完成了若干种煤的气化试验研究,取得了充分的煤气化过程数据。
试验煤种的灰分试验范围为5%~30%,挥发分试验范围为8%~40%,灰熔点试验范围为1100℃~1600℃,覆盖了从褐煤、烟煤、贫煤到无烟煤的各种煤种。
两段式气化炉的示意图2如下。
采用两段气化反应有以下优点:
(1)冷煤气的效率较高,一般可以达到78%左右。
这是由于在两段反应区,二段喷入的水煤浆在高温下继续发生煤的热解和气化反应,产生了更多的有效气体;
(2)可以不用价格昂贵、结构庞大的辐射冷却器就能把粗煤气的温度降到900℃。
2.1.4Texaco气化技术
Texaco水煤浆气化工艺是将煤加水磨成浓度为60%~65%的水煤浆,用纯氧作气化剂,在高温高压下进行气化反应,气化压力在(3.0~8.5)MPa之间,气化温度约1400℃,煤气成分CO+H2为80%左右,碳转化率96%~99%,气化强度大,炉子结构简单。
德士古气化炉有直接激冷式和废锅式两种。
目前Texaco技术最大商业装置是美国能源部的Tampa电站,该装置为废锅式,单炉日处理煤(2000~2400)t,气化压力为2.8MPa,煤浆浓度68%,净功率250MW。
德士古气化技术是上置喷嘴式水煤浆气化技术,在用于化工合成时,Texaco气化炉采用激冷工艺,但在用于IGCC发电项目时(如CoolWater电站和Tampa电站),则采用废锅流程。
单炉容量目前最大可达2000t/d,操作压力大都采用4.0MPa和6.5MPa。
Texaco气化技术主要特点:
1)气化炉结构简单,设备的操作可靠性较高;2)原料适应性广,可用气体、液体或固体燃料,甚至还可用废料;3)高温高压下气流床气化,生产能力大;4)由于采用气化阶段用水循环和回收,产生的污水量少,环境特性好;5)碳转化率高,冷煤气效率也较高;6)模块化结构,有较好的组合灵活性。
这里介绍一下Dow煤气化工艺,这是在德士古(Texaco)煤气化工艺基础上发展的二段式煤气化工艺,具有生产能力大,氧耗低及产率高的优点。
工艺特点:
其第1段反应产生的热煤气由顶部进人第2段后,在第2段利用气化显热把射入的水煤浆的水分气化,除了水分被加热及蒸发外,煤颗粒同时加热,裂解以及吸热气化反应,降低了混合物的温度到1038℃,保证了后系统的正常工作。
2.1.5E-Gas气化技术
E-Gas气化技术使用水煤浆进料,为两段气化,采用的是Destec气化炉。
Destec气化炉在十字型筒体的水平方向上,安装2个相互对喷的水煤浆喷嘴。
由这2个喷嘴喷入一次反应区的水煤浆数量是总量的80%。
一次反应区的温度大约为1371℃~1427℃。
二段反应区位于十字型筒体垂直部位的上方。
在这个区段上通过1个喷嘴喷入剩下的20%的水煤浆,该反应区的温度控制1038℃左右。
利用一段反应区内生成的高温煤气的热量,促使水煤浆中煤的挥发物(CH4等轻质碳氢化合物)释放出来,并使一部分碳元素发生气化反应(在二段反应区中,碳的转化率可达50%)。
最后,使排出气化炉的煤气温度降至900℃。
Destec气化炉示意图3如下。
2.1.6国内开发的水煤浆气化技术
国内的水煤浆气化技术还不是很成熟,现兖矿国泰化工有限公司建成2套日处理煤1150t气化炉(4.0MPa),于2005年10月投入运行。
另外,在山东华鲁恒升化工股份有限公司建设了1台750t/d的气化炉(6.5MPa),于2005年6月2日正式投入工业运行。
但是,由于多喷嘴对置式水煤浆气化技术仍采用水煤浆进料,故只能采用耐火砖。
由于水煤浆气化自身的缺点,如:
效率低下、氧耗高、对煤质要求高、喷嘴寿命短、耐火砖寿命短、需要设置备用炉等,不会有根本性的改变,此外,多喷嘴多路控制系统还增加了设备投资和维修工作量,限制了水煤浆气化技术的开发和利用。
2.2固定床化技术现状【5】
由于固定床气化炉具有技术成熟、高热效率和高碳转化率等优点得到了广泛的应用。
目前,在我国的气化炉中,固定床气化炉占80%~90%,这就使得固定床气化将长期存在。
但是,在日益重视环境保护和能源利用率的今天,,这种常压煤气化技术设备能力低、三废量大以及必须使用无烟块煤等缺点变得日益突出:
1.固定层煤气化技术单炉生产能力小;2.固定层煤气炉生产现场操作环境恶劣;3一个制气循环分为吹风、上吹、下吹、二次上吹、空气吹净五个阶段;4来自洗气箱和洗气塔的大量含氰废水和吹风气,给河流和天空造成了严重的威胁;5固定层煤气炉对煤质要求极为严格,造成碳的大量浪费,其中大量的热量难以回收;6.炉煤气中(CO+H2)只有70%左右,而且炉出口温度低,气体含有相当数量的煤焦油,给气体净化带来困难。
所以,可见此工艺在今后的发展中将会被取代,但是这过程将会比较的长久才能完成。
下面是固定床技术现状表3。
工艺技术
常压固定层间歇制气
常压固定层连续制气
固定层加压气化
特点
常压气化,固体加料10—70m,固体排渣,间歇气化,空气和蒸汽作气化剂,吹风和制气阶段交替进行
常压气化,固体加料与排渣,连续制气,富氧空气(氧占50%)或氧气加蒸汽做气化剂,无废气排放;优点:
连续制气,操作简单,程控阀门少,维修费用低,生产强度大,碳转化率在80%—84%;缺点:
需空分装置,投资比较大
加压气化,固体加料5-55m,固体排渣,连续气化,氧气和蒸汽作气化剂,设有加压的煤锁斗和灰储斗
优点
历史悠久,技术成熟,设备简单,投资省,生产经验丰富
连续制气,操作简单,程控阀门少,维修费用低,生产强度大,碳转化率在80%—84%
加压气化(3.1MPa),生产强度大,碳转化率约90%
缺点
技术落后,原料动力消耗高,碳转化率低,产品成本高,生产强度低,程控阀门多,维修工作量大,废气废水排放多,污染严重,面临淘汰
需空分装置,投资比较大
反应温度略低,煤气中含有焦油和酚类物质,气体净化和废水处理复杂,且流程较长,投资比较大
2.3流化床气化技术现状
流化床气化技术的总体特点是以粉煤或小颗粒的碎煤为原料,气化剂以一定的速度通过物料层,物料颗粒在气化剂的带动下悬浮起来,形成流化床。
由于物料层处于流化状态,煤粉和气化剂之间混合更充分,接触面积更大,煤粉和气化剂迅速地进行气化反应,产生的煤气出气化炉后,去废热回收系统和除尘洗涤系统,产生的灰渣由炉底排出。
气流床反应,物料间的传热和传质速率更快,过程易控制,生产能力也有了较大的提高。
下面是流化床技术现状表4。
工艺技术
温克勒(Win-kIer)常压流化床气化
恩德常压流化床气化
循环流化床粉煤气化
灰熔聚粉煤循环流化床气化工艺(U-Gas气化炉
高压灰熔聚粉煤循环流化床气化
特点
常压气化,粉煤进料粒度小于9mm,干法排渣,氧气或空气加蒸汽作气化剂,炉体上部有分离空间,使煤气夹带的半焦和灰颗粒分离,且用二次空气加蒸汽进一步气化
常压气化,粉煤进料粒度小于10mm,干法排渣,氧气或空气加蒸汽作气化剂,取消了炉箅,改为布风喷嘴向炉内送气,解决了炉底结渣的问题,在炉气出口增设旋风分离器,返料从炉底入炉循环使用
其工艺过程和恩德粉煤气化工艺非常相似,所不同的是CFB技术的旋风分离器分离的粉尘直接从气化炉上部进入气化炉炉膛,多重循环,使循环物料和新鲜物料之比高达40倍以上,促使炭粒反复气化,故碳转化率很高,可达90%
它的技术突破在于采用了灰聚熔排渣技术,灰熔聚循环流化床气化工艺具有循环流化床工艺的一切优点,气化剂分两路进入炉内:
一路从炉底四周进入,另一路从炉底中心排灰管进入,排灰管处的氧含量高以实现灰熔聚
该技术尚未广泛推广
缺点
炉底的炉箅经常出现局部高温、结渣、偏炉现象,炉出口气体带出物较多,排灰的含碳量较高。
气化压力低,难以实现大规模生产,排灰含碳量高
排灰的含碳量仍较高
出口气带灰较多,不能长周期运行
优点
煤种适应性宽,返料循环利用使碳转化率可达76%,极少产生焦油
循环流化床气化,碳转化率更高,单炉生产能力大,煤种适应广
煤气中无焦油,不排废气
四、其它煤气化技术
其他的煤气化技术主要是比较尖端的,还没能工业化的一些煤气化技术。
主要是第三代煤气化技术和组合气化炉煤气化技术。
第三代煤气化是对现有的煤气化技术不满意而研究的新技术,是为了解决普遍反应存在的反应温度高,对生成气的净化困难、能耗大,对设备要求高,环境污染严重等不利因素。
目前,国内外正在积极进行煤气化的研究方向有:
煤的催化气化技术、煤的等离子体气化、煤的太阳能气化、煤的核能余热气化和煤的地下气化等。
组合气化炉煤技术的研究前景还不是很明显,只是各自的厂家在进行试究性的研究,还没有形成完整的研究体系。
三煤气化技术的发展趋势
3.1国外煤气化发展趋势
国外的煤气化技术主要集中发展的是气流床煤气化技术的开发和利用上,这也是现今世界上最好的煤气化工艺。
这是通过近十多年来的大容量IGCC电站示范与商业化运行证明,与固定床、流化床相比,气流床具有较大的煤种与粒度适应性和更优良的技术性能,是煤基大容量、高效洁净、运行可靠的燃气与合成气制备装置的首选技术。
气流床气化技术主要分为两个方面的发展:
水煤浆进料气流床气化和干煤粉进料气流床气化。
水煤浆进料气流床气化的发展趋势为:
开发/改善耐火材料系统;改善气化炉测量和控制仪表;开发/改善高压和其他气化炉的多固体给料系统,包括煤和生物质给料;开发寿命长、投资低、燃料和负荷弹性好的烧嘴;开发不同气化炉给料的流量、组成和其他特征的连续在线分析的技术;开发气化炉模型。
干煤粉进料气流床气化的发展趋势为:
干煤粉进料系统用二氧化碳或合成气、天然气作为传输介质;煤粉输送问题能否很好解决是干煤粉气化装置的关键,建议设计出密封的、可在高压下运行的干粉进料泵;增加二段进料;采用激冷法提供变换反应的水蒸汽,省去合成气冷却器;当前基于锁斗系统的干煤粉进料,限制了其操作压力(4MPa),建议运用耗能低的、高压操作的浆体(CO2)进料气化。
3.2国内煤气化发展趋势
总体而言,我国的煤气化技术在世界范围内来说,还是比较落后。
我国煤气化技术主要有以下的缺陷:
1.煤种的适应差,一种技术不能使用多个煤种;2.设备大型化能力差,很难提高气化能力和气化效率;3环境污染问题严重;4在新工艺和新型气化炉的研制和应用方面很落后。
我国现在大部分使用的是固定床气化技术,现在开发的气流床气化中只有多喷嘴水煤浆进料气化技术和两段干粉加压气化技术。
相比而言,国外大量应用的加压气流床气化工艺在大型煤炭气化工艺研究及开发中处于优势地位,也符合目前世界上煤炭气化技术的发展趋势。
这也是我国将来的发展方向。
我认为我国的煤气化技术发展趋势主要集中在以下几点:
(1)基于我国煤炭特点,研制具有自主知识产权的煤气化技术。
国家进行投资和企业出人才结合的方式,加大在煤气化方面的研究。
可以借鉴国外的煤气化经验,把研究重点集中在提高气化压力、提高气化炉容量、煤种适应性广、环境友好、实现零排放、能提高碳转化率和提高气化效率以及改善液态排渣的气化工艺上。
(2)加大对气流床煤气化技术的开发。
由于我国的煤气化历史比较短,再加上国外技术垄断等诸多因素,使得我国在大规模高效气流床煤气化技术的基础研究方面严重滞后,必须从深层次上开展气流床煤气化领域的基础研究工作,既是把研究重点放在气化基础和气化过程的数学模拟以及开发自动控制软件包、研究液态排渣理论上。
四结语
国内外的煤气化技术在不断的发展,国外主要以气流床煤气化技术为主,国内主要是较为落后的固定床气化技术。
现在看来,气流床气化技术将会是发展的趋势。
煤气化发展主要体现在研究新气化技术和对现有的气流床气化技术进行改造和完善。
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