大型煤气化技术的研究与发展

2009年第28卷第2期CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS·173·化工进展大型煤气化技术的研究与发展王辅臣，于广锁，龚欣，刘海峰，王亦飞，梁钦峰（华东理工大学煤气化教育部重点实验室，上海200237）摘要：煤气化技术是煤炭清洁高效转化的核心技术，是发展煤基化学品合成（氨、甲醇、乙酸、烯烃等）、液体燃料合成（二甲醚、汽油、柴油等）、先进的IGCC发电系统、多联产系统、制氢、燃料电池、直接还原炼铁等过程工业的基础，研究和开发大型煤气化具有重要意义。本文概述了国外大型煤气化技术发展的主要情况，介绍了国内大型煤气化技术研究开发的现状和产业化情况，分析了煤气化技术大型化的主要趋势与应该采取的技术途径。关键词：煤气化；大型化；产业化中图分类号：TQ546文献标识码：A文章编号：1000–6613（2009）02–0173–08Researchanddevelopmentoflarge-scalecoalgasificationtechnologyWANGFuchen，YUGuangsuo，GONGXin，LIUHaifeng，WANGYifei，LIANGQinfeng（KeyLaboratoryofCoalGasification，MinistryofEducation，EastChinaUniversityofScienceandTechnology，Shanghai200237，China）Abstract：Coalgasificationisthekeytechnologyforcleanandhigh-efficiencycoalutilization.Italsoisthebasisofprocessindustryforcoal-basedchemicalssynthesis（suchasammonia，methanol，aceticacid，olefinetc.），advancedIntergratedGasificationCombinedCycle（IGCC）system，poly-cogeneration，hydrogenproduction，fuelcellanddirect-reductionironmaking.Itisveryimportanttoresearchanddeveloplarge-scalecoalgasificationtechnology.Inthispaper，thestatusofthedevelopmentofover-sealarge-scalecoalgasificationtechnologyissummarized.Andthatofresearchandcommercializationoflarge-scalecoalgasificationinChinaisalsobeenintroduced.Thedevelopmenttrendofandtechnicalapproachtocommercializationofcoalgasificationareanalyzed.Keywords：coalgasification；large-scale；commercialization大型煤气化技术是煤炭清洁高效转化的核心技术，是发展煤基化学品合成（氨、甲醇、乙酸、烯烃等）、液体燃料合成（二甲醚、汽油、柴油等）、先进的IGCC发电系统、多联产系统、制氢、燃料电池、直接还原炼铁等过程工业的基础，是这些行业的公共技术、关键技术和龙头技术（图1）。本文将从国外煤气化技术发展的现状、国内煤气化技术的应用与开发、煤气化技术发展的主要趋势等几个方面进行概述。1国外大型煤气化技术发展的现状[1-8]已工业化的煤气化技术可分为3类，即以Lurgi技术为代表的固定床气化技术、以HTW技术为代表的流化床气化技术和以Texaco、Shell、多喷嘴对置气化技术为代表的气流床气化技术。气流床气化炉气化温度与压力高、负荷大，煤种适应范围广，是目前煤气化技术发展的主流。国外已工业化的煤气化气流床煤气化技术主要有以水煤浆为原料的特约评述收稿日期：2008–10–20；修改稿日期：2008–09–02。基金项目：国家重点基础研究发展计划（国家973计划，2004CB217703）及教育部“长江学者和创新团队发展计划”（PCSIRT-IRT0620）项目资助。第一作者简介：王辅臣（1966—），教授，博士生导师，国家973计划项目首席科学家，中国化工学会煤化工专业委员会副主任，主要从事能源化工研究。E–[e-mail]。化工进展2009年第28卷·174·煤气化IGCC发电燃料电池/炼厂工业/民用燃气合成气燃气还原气氢气化肥甲醇二甲醚乙烯、丙烯醋酸、醋酸酐汽油、柴油其它直接还原炼铁石油焦天然气焦炉气CO+H2煤基多联产系统石油焦天然气焦炉气煤气化CO+H2合成气氢气燃气还原气化肥甲醇二甲醚乙烯、丙烯乙酸、乙酸酐汽油、柴油其它燃料电池/炼厂IGCC发电工业/民用燃气直接还原炼铁煤基多联产系统图1煤气化技术的地位GE（Texaco）气化技术、GlobalE-Gas气化技术，以干粉煤为原料的Shell气化技术、Prenflo气化技术、GSP气化技术等。1.1GE（Texaco）气化技术Texaco气流床气化技术的开发始于20世纪40年代，1950年首先在天然气非催化部分氧化上取得成功，1956年又应用于渣油气化。在50年代Texaco公司就有将其技术应用于煤气化的计划，并进行了部分研究工作。70年代的石油危机促使Texcao公司将目光再一次投向煤气化技术。70年代末建设了2套示范装置，分别为德国的RAG和美国加州的CoolWater，1983～1985年分别在日本的UBE公司和美国的Eastman公司建设了3套商业化装置。90年代Texaco煤气化技术共有9套装置投入运转，其中5套在中国，4套在美国。目前，在建和运转的Texaco气化炉约有80多台。1.2GlobalE-Gas气化技术E-Gas气化技术最早由Destec公司开发，采用水煤浆原料，两段气化，后被Dow公司收购。E-Gas气化技术的开发始于1978年，在美国路易斯安娜州的Plaguemine建立了日处理15t煤的中试装置，其后于1983年建立了单炉550t/d煤的示范装置，于1987年建设了单炉1600d/t煤气化装置，配套165MWIGCC电站，这两套装置均位于Plaguemine。基于这两套装置的经验，在路易斯安娜州的TerraHaute建立了单炉2500t/d的气化装置，配套WabashRiver的260MW的IGCC电站，该电站于1996年投入运行，发电效率40％。图2为E-Gas气化炉示意图。气化炉内衬采用耐火砖，约85％的煤浆与氧气通过喷嘴射流进入气化炉第一段，进行高温气化反应，一段出口的高温气体中含量分别接近20％；15％左右的煤浆从气化炉第二段加入，与一段的高温气体进行热质交换，煤在高温下蒸发、热解，残碳与CO2和H2O合成气去处理陶瓷过滤器细灰循环二段气化炉一段气化炉煤浆氧气灰渣耐火衬里氧气煤浆火管锅炉火管锅炉合成气去处理陶瓷过滤器细灰循环煤浆氧气一段气化炉二段气化炉煤浆氧气耐火衬里灰渣图2E-Gas气化炉示意图进行吸热反应，可以使上段出口温度降低到1040℃左右。1040℃的合成气通过一个火管锅炉（合成气走管内）进行降温，降温后的合成气进入陶瓷过滤器，分离灰渣，过滤器分离出的灰渣循环进入气化炉一段。1.3Shell和Prenflo气化技术Shell和Prenflo气化技术十分相似，都是在K-T炉基础上发展起来的，都是多喷嘴上行干煤粉气化，水冷壁炉，冷煤气回炉激冷热煤气，煤气冷却都用废热锅炉。其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。这是因为当初两家公司是一起合作开发的，后来才分开。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说至少为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。从国内目前已经开车的几家工厂运行情况看，Shell粉煤气化装置要达到长周期、满负荷运行还需要解决不少的工程问题。1.4GSP气化技术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，既扩大了煤种范第2期王辅臣等：大型煤气化技术的研究与发展·175·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。2国内煤气化技术的发展2.1国内煤气化技术的引进1978年后，随着经济的发展，国外不同的煤气化技术先后引进到国内，目前有60台GE（Texaco）气化技术在运转或建设，有20套Shell气化装置在建设（其中7套在试运转），与GSP签订引进合同的有两家企业。煤气化技术早期的引进的确对我国经济的发展起到了推动作用，但由于引进的煤气化技术并不都是完善的技术，而且重复引进严重，已使我国成为国外气化技术的“试验场”。目前，世界上只有我国使用如此众多种类的煤气化技术，许多盲目和不成熟的引进令我国付出了惨重代价。有许多的经验教训值得科技界和工程界总结和吸取。2.2国内大型煤气化技术的研究与开发历程国内煤气化技术的研发始于20世纪50年代末，“文革”期间因动乱而中止。近30年来，在国家的支持下，国内在研究与开发、消化引进技术方面进行了大量工作，有代表性的是：70年代起西北化工研究院研究开发水煤浆气化技术并建设了中试装置，为此后鲁南、渭河、上海焦化、淮化等4家厂引进Texaco水煤浆气化技术提供了丰富的经验；“九五”期间就“整体煤气化联合循环（IGCC）关键技术（含高温净化）”立项，有十余个单位参加攻关；1999年科技部立项的国家973项目“煤的热解、气化及高温净化过程的基础研究”已完成；2004年科技部立项973项目“大规模高效气流床煤气化技术的基础研究”。“九五”期间华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程公司承担了国家重点科技攻关项目“新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉开发”（22吨煤/天装置），2000年完成了中试装置的运转，通过国家验收和鉴定。华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程公司等共同承担国家“十五”科技攻关计划课题“粉煤加压气化制备合成气新技术研究与开发”。2004年完成了热壁式气化炉中试装置运行考核。2007年完成了水冷壁式气化炉中试装置的运行考核。该技术填补了国内空白，中试工艺指标达到国际先进水平。目前该技术的产业化已列入国家“十一五”863计划重点项目，将在贵州建设单炉1000t/d的工业示范装置。“十五”期间，国电热工研究院等承担863计划课题，进行具有自主知识产权的干煤粉气化工艺的开发，建设中试装置，并通过了科技部验收，在国家“十一五”863计划重大项目支持下正在建设单炉2000t/d的工业示范装置，配套200MWIGCC发电。中国科学院山西煤炭化学研究所在中试的基础上进行了流化床氧气/蒸汽鼓风制合成气的工业示范装置开发，烟煤处理能力为100t/d、常压，目前已投入生产运转。清华大学建立了富氧气流床分级煤气化实验装置。2.3多喷嘴对置式水煤浆气化技术的研究