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1、煤气化工艺 meiqihua gongyi煤气化工艺 meiqihua gongyi coal gasification process 字体 大 中 小煤在一定温度和压力条件下，通过加入气化剂 (气化介质)被转化为煤气的过程。其反应过程是以煤为原料，以载氧的气体(包括空气、氧气、水蒸气、CO2等)为气化介质，通过煤的热解反应、燃烧反应和气化反应，生成由CO、H2、CH4、CO2、N2、H2O和CmHn等主要成分组成的煤气，通常煤气中还含有H2S、COS、CS2、NH3、HCN、卤化物和粉尘等杂质。 基本原理 煤气化过程包括10个基本反应，化学方程如表所示。 煤气化过程的基本反应煤炭气化有两个

2、目的，一是制取气体燃料，二是制取化工合成用的气体原料。制取燃料气时，煤气化的主要反应是燃烧反应、CO2还原反应和水煤气反应。制取原料气时，主要反应是水煤气反应和燃烧反应。 煤气化工艺包括煤的制备、气化剂制备(制氧、蒸汽站)、煤气生产、煤气净化、煤气变换、煤气精制以及甲烷合成等主要流程。在生产中、低热值煤气时，如IGCC发电系统，一般只需要前三个流程和煤气净化;在生产原料气时，才需要后三个流程。原料煤的物理化学性质对气化炉的设计、运行及煤气处理都有直接的影响，是决定煤气化工艺技术经济效果的重要因素之一。不同型式的气化炉对煤炭的品质和原料准备都有一定的要求。煤气化工艺中的原料准备一般包括原煤破碎、

3、筛分、干燥或调制水煤浆等。煤气的生产主要靠气化炉来完成，是煤气化过程的主要环节，它不仅决定粗煤气的组成和热值，也决定整个工艺流程的布置。煤气净化主要包括煤气的除尘、脱硫、脱CO2及煤气的精制，对于IGCC发电系统，目前只有前两个流程。煤气变换是指将煤气中的CO变换成H2的过程，主要是在生产化工原料气中采用。在生产高热值煤气(可替代天然气) 时，才采用甲烷合成这一流程。 分类 煤气化工艺的类型很多，分类的方法也很多。最常用的分类是按煤和气化剂在气化炉内的运动过程来划分，即煤气化工艺可分为固定床 (或称移动床) 气化工艺、流化床气化工艺、气流床 (或称喷流床) 气化工艺和熔融床 (或称熔盐床) 气

4、化工艺等。 固定床气化工艺 固定床气化工艺中气体流速较低，气体从相对静止的煤粒间隙中穿过，煤层运动速度很低。 在固定床气化炉中煤由气化炉顶部加入，自上而下经过干燥层、干馏层、还原层和氧化层，最后形成灰渣排出炉外。有的炉型采用液态排渣方式，故最下部为熔渣层。气化介质则自下而上和煤形成逆流接触。为保证床层分布的均匀性和透气性，一般固定床气化炉要求入炉煤有一定的粒度(330 mm)和合理的粒级分布。 在固定床气化炉中，煤的停留时间较长，约11.5 h。热效率、碳转化率和气化效率都较高，但单位容积的处理量小。若使用黏结性煤，炉内要增加搅拌设备。不适于建设大规模的生产装置。煤气中焦油和酚含量较高。 代表

5、性的固定床气化炉有： 两段发生炉、常压UGI间歇式水煤气炉、加压的鲁奇(Lurgi)炉和BGL炉。两段发生炉、UGI炉和Lurgi炉是固态排渣，BGL炉是液态排渣。常压固定床气化炉在国外已逐步被淘汰。高压固定床气化炉的容量和效率均比常压炉有很大的提高，是固定床气化炉发展的方向。 鲁奇(Lurgi)气化炉 加压固定床气化炉的代表。其结构如图1所示，操作压力通常为1.03.0 MPa。和常压固定床气化炉相比，它的优点是：可以采用灰熔点稍低和粒度较小的煤，对煤的机械强度和热稳定性要求较低;能气化一些水分较高(20%30%)、灰分较高(30%)的劣质煤;煤气的热值较高;气化过程的耗氧量低，约是常压气化

6、的1/32/3; 气化炉的生产能力是常压气化的48倍;冷煤气效率较高。和流化床和气流床气化工艺相比，它的冷煤气效率和煤气的热值最高，操作温度最低，对炉体材料要求不高。它的缺点是：水蒸气分解率低;只能采用块煤;设备维修和运行费用较高;煤气中焦油和酚含量高，不利于煤气净化。 图1 Lurgi加压固定床气化炉结构1煤箱;2上部刮刀传动机构;3煤气出口管刮刀; 4喷冷器; 5炉体; 6炉算; 7炉算传动机构;8刮灰刀;9下灰颈管;10灰箱;11裙板A带有内部液压传动装置的煤箱上阀; B外部液压传动装置; C煤箱下阀的液压传动装置鲁奇气化炉源于德国，第一台工业炉于1936年建于德国的Hirschfeld

7、e，目的是用煤生产合成油。目前世界上约有137台鲁奇气化炉，其中南非有90多台。最大产气量可达到10万m3/h(标)。鲁奇气化炉在城市煤气和合成油行业使用最多。我国的山西化肥厂、云南解放军化肥厂采用鲁奇炉制氨。1972年，德国在吕能(Lunen)建造世界上第一座IGCC示范电站，容量为170MW，采用鲁奇气化炉。 BGL气化炉 BGL是British Gas/Lurgi的缩写。是英国煤气公司和德国鲁奇公司合作开发的煤气化技术，气化炉结构如图2所示。原料煤采用650 mm粒径范围; 小于6 mm的屑煤可制成煤粉或水煤浆同时喷入炉内。它采用液态排渣，使固定床气化炉的生产能力得到进一步提高。 BGL

8、气化炉的操作压力为 2.53.0MPa，反应温度一般为14001600，超过灰渣的流动温度。和传统的Lurgi炉相比，它的结构简单，取消了转动炉箅;气化过程的冷煤气效率提高，蒸汽分解率由30%提高到70%90%;蒸汽和氧的比值由8下降到1.5以下，生产能力提高了2倍以上;粗煤气中的CO2含量由30%降到3%5%，煤气的热值提高25%。 图2 BGL气化炉1煤气骤冷装置; 2原煤闭锁仓; 3布煤器; 4加压外壳;5耐火衬; 6水夹套; 7、8蒸汽/氧喷嘴;9排渣口;10液渣骤冷室; 11储渣斗目前，单炉的煤气化能力最大为500t/d，操作压力为2.5 MPa，该装置建在苏格兰的韦斯特菲尔德。在该

9、示范装置上进行的试验表明： 碳转化率可达到99.9%，冷煤气效率可达到92%，出炉煤气温度为400500，经水洗骤冷凝结的焦油及飞灰回送入炉。煤气热值为1300 kJ/kg，负荷的变化范围为50%100%，变负荷率为每分钟提高5%负荷和每分钟降低10%负荷。BGL气化工艺目前尚未实现商业化。 在美国的第五轮洁净煤技术示范计划 (CCT-V)中，BGL煤气化工艺将使用于格兰德塔 (GrandTower)电厂的477 MW IGCC示范项目，目前该项目中的IGCC机组尚未建成。 流化床气化工艺 流化床气化工艺中气化介质的流速较高，煤粒相互分离并在气流的作用下在炉内呈流态化运动。流化床气化炉采用粒度

10、较小的煤 (6mm)，气化介质和煤粒的接触面较大，反应速度较快。煤在炉内停留时间为几分钟。为维持炉内流化状态，气化温度控制在煤灰的软化温度以下，以避免因床层黏结而破坏流态化。这种气化炉通常最适合于高活性的褐煤。 流化床气化工艺的优点是：能气化灰分较高的煤，煤的成分波动对气化炉的性能影响较小; 负荷适应性好，调节幅度大，容易起动和停车;多种燃料混烧容易;能在气化炉内加石灰石脱硫，出口粗煤气中没有焦油和重质烃类产品。其缺点是：碳转化率低;灰渣分离困难; 飞灰和灰渣量大; 不能使用低灰熔点的煤。 流化床气化工艺的代表性炉型有：Winkler(温克勒)炉、HTW(高温温克勒)炉、KRW炉和U-Gas炉

11、。 Winkler气化炉 属常压细粒煤流化床气化工艺，用空气(或氧气)和蒸汽为气化介质。图3是它的结构示意图。以空气气化的Winkler气化炉单炉处理能力目前可达到7001100 t/d，用氧气气化时处理能力可达到11001500 t/d。原煤灰分的最大允许值为50%，煤中水分小于18%时无需预干燥处理。煤气中没有焦油和重质烃类副产品。 图3 Winkler气化炉结构1原料煤; 2煤仓; 3螺旋给料器; 4蒸汽; 5氧气; 6刮灰机; 7炉体; 8刮灰机;9灰斗; 10煤气出口Winkler气化炉是德国人佛雷兹-温克勒(Fritz-Winkler) 于1922年发明的。1926年建成第一台Wi

12、nkler气化炉， 用富氧和蒸汽连续鼓风制取合成氨原料气。至70年代末，国外曾有24个厂70多台炉在运行，目前只有少数几个厂在运转。实践证明，Winkler气化炉的碳转化率较低 (只有80%左右)，捕渣率较低 (40%左右)，飞灰含碳量较高(70%80%)。我国吉林和兰州在50年代引进前苏联类似于Winkler的大型流化床气化炉，目前已停运。 HTW气化炉 HTW是High Temperature Winkler的缩写。是德国莱茵褐煤公司于1978年开发的高温流化床气化炉，图4是它的结构示意图。它的主要特点是：在Winkler炉的基础上提高了操作压力(1.02.0MPa)，进而提高了气化炉的生

13、产能力，使碳转化率和气化效率也得到提高;采用喷嘴组代替炉箅布风，减少了排渣的含碳量;增加了二次风，使炉温提高，降低了飞灰含碳量; 在炉上部有一段辐射式锅炉以降低煤气的出口温度。压力的升高，使流化床气化工艺有可能用于IGCC发电系统。 图4 HTW气化炉结构HTW炉经过35 t/d和60 t/d的两个示范厂运行， 证明是成功的。碳转化率可达到96%， 床层温度为760820。 HTW炉将在德国的柯伯瑞 (Kobra) 300 MWIGCC示范电站中进行示范， 该项目尚在筹建中。 KRW气化炉 KRW是Kellogg Rust Westing-house的缩写， 是由美国Kellogg Rust

14、Synfuels Inc和Westinghouse 合资开发的，图5是它的结构示意图。采用灰熔聚流化床气化工艺。煤粉和气化剂由喷嘴喷入炉内，形成高温燃烧气化区，允许灰渣局部熔化，并使之熔聚成渣球， 和煤分离。 KRW气化炉已于70年代通过半工业性试验。 试验炉处理能力为24 t/d，操作压力为 1.6MPa，气化炉煤气出口温度为705。 经1.3万h的运行，证明该气化工艺是可行的。飞灰含碳量较低， 但灰渣含碳量较高;在试验厂中采用热灰渣再循环入流化床锅炉燃尽的办法来提高碳转化率。 图5 KRW气化炉结构1气化炉;2游离层;3气化层;4喷嘴燃烧区;5旋风除尘器; 6回转式排灰机采用KRW气化工艺

15、的美国派龙派因 (Pinon Pine) 100 MW IGCC示范电站已于1997年建成并投运。气化炉设计处理能力为881 t/d，采用空气气化，冷煤气效率和碳转化率的设计值分别为80%85%和95%。1998年，KRW气化炉处在调试阶段。 U-Gas气化炉 是美国煤气技术研究所(IGT)于70年代研究开发的流化床气化工艺。1974年建成投运处理能力为30 t/d的小试装置，如图6所示。炉内直径为900mm，操作压力为0.4MPa，气化床层温度为9551095。若以氧为气化介质时，氧煤比为0.93，蒸汽和煤的重量比为1.62，冷煤气效率为79%。 该气化炉主要是利用灰熔聚成球排灰的原理，以降

16、低灰渣含碳量，气化剂一般分两股入炉，主要一股是通过炉栅入炉使煤焦流化并气化; 另一股气流从炉底中心的灰渣排出口通入，在炉底中心喷嘴气流出口周围形成高温反应区，使灰渣熔化聚成小球排出，灰渣的含碳量可降至6%左右。飞灰经两级旋风分离器分离后再循环进入炉内气化，从而得到较高的碳转化率。 图6 U-Gas气化炉结构1气化炉; 2、3一级和二级旋风除尘器;4粗煤气出;5原煤入口; 6料斗; 7螺旋给料机;8、9空气 (或O2)和蒸汽入口;10灰斗;11水入口;12灰水混合物出口; 13布风板中国的上海焦化厂从美国引进了8台2000 mm直径的U-Gas气化炉。中国科学院山西煤化所开发了和U-Gas类似的

17、灰团聚流化床气化炉，已通过常压和加压中试验证。1991年至1995年，煤炭科学研究总院北京煤化所也在上海试验了300 mm的加压流化床气化炉。 气流床气化工艺 是用气化剂携带煤粉入炉，煤粉和气化剂处于相对平行的运动状态，可在瞬间完成燃烧和气化反应;气流速度大于粉粒的终端沉降速度。要求入炉煤粒度小于0.1 mm。气流床气化属高温气化，火焰中心的温度高达2000左右，气化剂一般为氧气 (富氧) 和蒸汽。 气流床气化工艺的碳转化率较高 (98%99%)，冷煤气效率一般为74%83%。煤气中不含焦油和酚等烃类，CH4含量也较低。气流床气化炉的生产能力较大，已商业化的气化炉最大处理能力达到2600 t/

18、d，是大容量 IGCC发电系统可选择的主要炉型。但气流床气化工艺的操作过程较为复杂，对运行水平要求较高;运行条件较为苛刻，对材料及部件的耐温要求也较高。另外，对煤种虽有一定适应性，但对高灰分和高灰熔点的煤不太适合; 负荷的调节幅度也较小。 代表性的气流床气化炉型有：常压的K-T炉，加压的Texaco(德士古)气化炉、Destec(德士泰)气化炉、Shell(壳牌)气化炉、Prenflo气化炉和GSP气化炉。 K-T气化炉 K-T是Koppers-Totzek的缩写。K-T气化炉是1936年由德国Koppers公司Totzek博士开发成功的，第一台工业化炉于1952年建于芬兰。图7是它的结构示意

19、图。煤粉和气化剂由两头喷入，高温煤气由中空反应器排出，液态渣由反应室流入水浴室淬冷。 图7 近代K-T炉结构示意图1落煤管;2空气入口;3水蒸气入口;4粗煤气出口; 5灰渣下落管; 6捞渣机K-T炉是常压运行，以空气为气化剂，反应区温度为15001600，比灰熔融温度 (FT) 高100200，入炉煤粉粒度要求85%通过200目的筛子。对于褐煤，K-T炉的碳转化率可达到99%。对于烟煤，它的碳转化率一般只有80%左右。由于是常压运行，K-T炉的处理能力较低。 目前，世界上还有20余台K-T炉在运行，主要用于生产合成氨。 Texaco气化炉 Texaco气化炉是由美国Texaco公司于1948年

20、开发的，但遇到种种技术问题，直到80年代初，随着耐高温抗熔渣耐火材料的突破及高浓度水煤浆制备技术的成熟才改为直接用水煤浆和氧气入炉气化，并于1982年试验成功。先后在美国实验基地建有15 t/d和25 t/d两套装置，在德国建有150t/d的试验厂。中试成功后已建设了12套工业装置;是率先实现商业化的气流床气化工艺，商业运行的台数最多。中国的鲁南、渭河化肥厂和上海焦化厂都使用了该煤气化工艺，其中渭河化肥厂的Texaco炉的单炉煤气化能力可达到670 t/d。Texaco煤气化工艺于1984年就在美国的Cool Water 100 MW IGCC示范电站中得到使用，1996年投运的美国Tampa

21、 250 MW IGCC示范电站也采用Texaco气化工艺，单炉处理能力达到2400 t/d，是目前最大容量的Texaco气化炉。 图8是Texaco气化炉结构示意图。水煤浆和气化剂均由炉顶的一个喷嘴入炉，反应区的温度为14001500，操作压力为2.06.5 MPa，液态排渣。煤气的冷却有急冷和辐射式煤气冷却器 (辐射废热锅炉)两种形式。水煤浆浓度一般为 60%68%，氧/煤比较高 (约0.9)，冷煤气效率一般在70%76%，碳转化率一般为96%98%。该工艺对煤种的适应性较好，对灰熔点较高的煤应加助熔剂，对煤的内在水分和灰分较高的煤不适合。气化炉内设耐火砖，耐火砖的寿命一般为2年。气化炉喷

22、嘴的寿命一般为3个月，运行维修费较高。和 Shell 和Prenflo气化炉相比，负荷的变化范围较小。 图8 Texaco气化炉示意图1气化炉壳体; 2水煤浆入口;3氧气入口;4度热锅炉;5给水入口;6高压蒸汽引出管;7煤气出口Destec气化炉 美国道(DOW)化学公司开发，其结构如图9所示。它是水煤浆加压液态排渣气流床气化工艺。气化炉分为两段，80%的水煤浆和氧气 (纯度95%)从一段反应区的两头喷入，反应产生的高温煤气向上进入二段反应区，在此喷入另外20%的水煤浆，和炉内的热煤气反应，提高煤气的热值，并降低煤气的出口温度。Destec气化炉的基本特性和Texaco气化炉相似，但它的煤气热

23、值和冷煤气效率更高(74%78%)，煤气冷却系统简单，造价低。喷嘴的寿命大于3个月，耐火砖的寿命大于3年。 图9 Destec气化炉示意图1气化炉壳体; 2水煤浆入口;3氧气入口;4一段反应区;5二段反应区;6灰渣急冷室;7灰渣和水出口; 8煤气出口;9飞灰再循环入口Destec气化炉从70年代开始，经过处理能力分别为11t/d和33t/d的中试，1982年建成了处理能力为1200t/d的工业示范性气化炉。1987年在美国的LGTI IGCC热电联产电站中投运，气化炉处理能力为2400t/d。1995年投运的美国Wabash River 262 MWIGCC示范电站就采用该气化工艺，气化炉的处

24、理能力为2500 t/d，是当时世界上最大的气化炉。 Shell气化炉 是由荷兰Shell公司开发，始于70年代初。开始Shell公司和克虏伯-柯勃斯 (Krupp-Koppers) 公司合作在德国汉堡建造了容量为150 t/d的试验装置，名叫Shell-Koppers气化炉。1987年Shell公司在美国休斯顿建成一个气化能力为230400 t/d的示范装置，取得了成功。1996年投入运行的荷兰Demkolec IGCC电站采用了Shell煤气化工艺，电站的容量为250 MW，气化炉的煤处理能力为2000 t/d，运行状况良好。 Shell气化炉如图10所示，是干煤粉加压气流床气化工艺，气化

25、剂一般为95%纯度的氧气和蒸汽，液态排渣。气化炉内设水冷壁，有四个气化喷嘴。入炉煤粉粒度小于0.1 mm，水分小于2%。气化炉反应区温度一般为15001600，操作压力为2.53.0 MPa。在气化炉出口处采用冷煤气对热煤气进行急冷，使熔渣淬聚，并使出口粗煤气冷却至900后，进入下游的煤气冷却器。 Shell气化炉的冷煤气效率较高(80%83%)，碳转化率可达到99%。 喷嘴的寿命可超过10000小时，水冷壁的寿命设计为10年。 负荷的调节幅度较大 (25%100%)，对煤种的适应性强，但对高灰分和高灰熔点的煤仍有很大的限制。 Prenflo 气化炉 德国Krupp-Koppers公司开发。

26、70年代初， 该公司曾和Shell公司合作共同开发干煤粉气流床煤气化炉。1986年，Krupp-Koppers 单独在德国的福鲁斯藤-豪森(Frusten-hausen) 建了一套处理能力为48 t/d的试验装置，并命名为Prenflo气化炉，它是 Pressure Entrained Flow的缩写。1997年投运的西班牙普埃托拉诺(Puertollano) 300 MW IGCC示范电厂，采用此工艺，气化炉的气化能力为2600 t/d。 图10 Shell气化炉结构示意图1煤气出口; 2急冷环;3气化炉壳体;4水冷壁; 5高压蒸汽出口;6给水入口;7气化喷嘴 (4个) ;8灰渣水冷室;9冷

27、却水入口; 10灰渣出口图11是Prenflo气化炉的结构示意图。它是加压干煤粉气流床气化工艺，液态排渣，内设水冷壁，有四个气化喷嘴。结构和Shell气化炉相似，区别在于冷却段和煤气冷却器。Prenflo气化炉的反应区和第一级冷却器被做成一个整体，热煤气从反应区出来，经过中心管急冷段上升至炉顶，然后沿环形煤气冷却器下降至气化炉中部，离开气化炉，进入第二级冷却器。 Prenflo气化炉的特性和Shell气化炉基本相同，不同之处是它可用纯度为85%的氧气作为气化剂。Puertollano IGCC示范装置运行性能及效果的详细情况尚未公布。 图11 Prenflo气化炉结构示意图1气化炉壳体; 2喷

28、嘴(4个);3煤气冷却器;4粗煤气出口; 5灰渣出口GSP气化炉 GSP是德文Gaskombiant SchwarzePumpe的缩写。GSP气化炉是一下喷式加压干煤粉气流床气化工艺，液态排渣，操作压力一般为2.53.0MPa。以氧气和蒸汽为气化剂，入炉煤粉粒度小于0.1mm。 碳转化率可达到99%， 冷煤气效率一般为77%80%。 GSP气化炉是由原东德Gaskombiant SchwarzePumpe公司于1976年开发的。 1979年建成了一台8t/d的试验装置。1980年又建成一台100250 kg/h的装置。 1985年投运了一套工业装置，气化炉的容量为720 t/d，主要供城市煤气

29、。目前，尚未在IGCC中使用。 熔融床气化工艺 这种气化工艺采用干煤粉氧气气化方法，气化反应发生在一个熔融池的表面或内部，这种熔融池通常是铁或NaCO3的熔液。煤中的灰被高温熔化于池中，当液位升高时，熔渣排出。这种气化炉的操作温度在1600以上，入炉煤的粒度不大于3mm，可在高压下运行。 熔融床气化工艺的煤种适应范围较宽，不受煤的灰熔点、黏结性及热稳定性的限制;碳转化率和气化效率都较高; 可以在床内脱除H2S和其他含硫杂质，脱硫效率较高;调节负荷能力强。但这种气化工艺对炉体材料要求较高，容量较小，目前尚未商业化。 代表性的炉型有：常压罗米尔熔渣池气化炉、加压萨尔堡一奥托气化炉、加压Kellogg熔盐气化炉和ATGAS熔铁浴气化炉。 字数 8909