浅析煤炭气化技术

浅析煤炭气化技术摘要：本文阐述了煤炭气化技术的基本原理和过程，简述了移动床（固定床）气化、流化床气化、气流床气化3种煤气化技术的进展。关键词：煤气化；气化原理；气化炉1引言我国是一个煤炭资源相对丰富、油气资源匾乏的国家，能源结构主要以煤为主。长期以来，我国煤炭的利用大部分采用传统的直接燃烧方法，致使我国成为典型的煤烟型污染的国家，不仅煤炭利用效率较低，而且燃煤排放的大量有害物质引起了城市空气质量的恶化，对环境造成严重的污染。如何提高煤炭的利用效率，减少煤炭利用过程中的环境污染，己成为煤炭利用中的焦点问题。因而开发洁净高效的煤炭利用技术，是解决我国能源需求和环境问题的关键技术，具有重要的研究意义。2煤气化原理煤气化是将煤与气化剂（空气、氧气或水蒸气）在一定温度和压力下进行反应，使煤中的可燃部分转化为可燃气体，而煤中灰分以废渣的形式排出的过程。所生成的煤气再经过净化，就可作为燃气或合成气来合成一系列的化工产品。在气化炉内，煤炭经历了干燥、干馏、气化和燃烧等几个过程。干燥：原料煤进人气化炉后受热，大约在200℃煤孔中吸附态或吸藏的气体及水分首先被脱除。干馏：干馏是脱除挥发分过程，当干燥煤的温度进一步提高，煤中的挥发物从煤中逸出。气化过程的基本反应：经干馏后得到的半焦与气流中的H2O、CO2和H2等反应，生成可燃性气体等产物，其主要反应有碳与水蒸气的反应，碳与二氧化碳的反应，甲烷生成反应，变换反应。燃烧：经气化后残留的半焦与气化剂中的氧进行燃烧。由于碳与水蒸气、二氧化碳之间的反应都是强烈的吸热反应，因此气化炉内要保持高温才能维持吸热反应的进行。一般将热解后的固定碳与气化剂的化学反应按照参与反应物的物质相态分成两种类型：非均相的气固反应和均相的气相反应。煤的气化反应方程很多，其中受到关注和研究的可概括为以下的九个反应：非均相反应：CO-123KJ/molR1部分燃烧反应C+1/2O2CO2-109KJ/molR2燃烧反应C+O2R3水蒸气分解反应C+H2OCO+H2+119KJ/mol2CO2+162KJ/molR4CO2还原反应C+CO2CH4+87KJ/molR5加氢反应C+2H2均相反应：R6均相燃烧反应1/2O2+H2H2O-242KJ/molCO2-283KJ/molR7气相燃烧反应CO+1/2O2R8水煤气变换反应CO+H2OCO2+H2-42KJ/molR9甲烷化反应CO+3H2CH4+H2O-206KJ/mol国内外学者对上述9个主要的煤气化方程进行研究，但还没有形成统一的结果，许多研究者认为煤的气化反应主要是非均相反应，这其中包含发生化学反应的化学过程，也包含了气体在煤焦表面的吸附、扩散传质、气体流场分布以及热传导等质量、能量的传递过程；而且也有气体反应物之间的均相反应，其总的气化历程通常经过如图1所示的7个步骤：图1气-固非均相反应示意图1)气体反应物通过外气膜边界层扩散到煤焦颗粒的表面；2)气体反应物在多孔煤焦结构中沿孔隙内扩散至颗粒的内表面；3)气体反应物被颗粒内表面的活性位吸附，形成C(O)化合物中间络合物；4)吸附在表面的中间络合物在颗粒内表面发生化学反应；5)吸附态的产物从颗粒内表面脱附；6)气体产物从颗粒的内孔通道向颗粒外表面扩散；7)气体产物从颗粒外表面扩散到周围的气相环境中。由此可见，煤焦的气化反应历程是化学动力学过程和扩散过程共同影响的复杂过程。3煤炭气化技术煤的气化技术有几十种，但可归纳为三大类：固定床气化、流化床气化和气流床煤气化技术。3.1固定床气化固定床气化炉是最早开发出的气化炉，通常，煤从气化炉的顶部加入，而气化剂（氧气、空气或水蒸气）从炉子的下部供入，因此气固间是逆向流动的。固定床煤气化技术主要有间歇固定床气化炉(UGI)、鲁奇(Lurgi)炉和BGL(鲁奇改进)气化炉。1)间歇固定床气化炉(UGI)UGI常压固定床气化技术的优点是操作简单、投资少，但技术落后，能力和效率低，污染严重。以常压Φ2650的气化炉为例，单台炉投煤量仅为60t/d，且原料为25~80mm的无烟块煤或焦炭。2)鲁奇(Lurgi)炉鲁奇(Lurgi)固定床气化工艺成熟可靠，气化温度900~1050℃，包括焦油在内的气化效率、碳转化率和气化热效率都较高，氧耗是各类气化工艺中最低的，原料制备和排渣处理成熟。煤气热值是各类气化工艺中最高的，它最适合生产城市煤气。若选择制合成气存在以下问题：①煤气成分复杂，合成气中含有甲烷7%~10%，如果将这些甲烷转化为H2和CO，势必增大投资，成本高；②有大量污水需要处理。污水中含大量焦油、酚、氨、脂肪酸、氰化物等，因此要建焦油、酚、氨回收装置和生化处理装置，会增加投资和原材料消耗；③该气化技术需15~50mm的块煤。块煤价格高，将增加成本。3)BGL气化炉BGL气化炉由英国煤气公司与德国鲁奇公司联合开发。BGL炉是鲁奇(Lurgi)炉的改进型，由固态排渣改为液态排渣。该炉型需20~50mm的块煤，细粉比例不能大于35%，需要加入适量的助滤剂。其气化产物中含有一定量的焦油和苯酚，分离比较困难。BGL气化炉的优点如下：(1)与流化床或气流床气化相比，耗氧量较低；(2)熔渣区的高温气化使反应速度加快，处理量增大以及不受煤的反应性影响；(3)炉内存煤量大，在发生煤源中断时能保证安全运行。负荷调节容易，开、停工快；(4)喷嘴中可喷入煤粉，本工艺冷凝后的焦油油类，所产生含酚废水可制成水煤浆自喷嘴入炉气化；(5)高温区位于炉底中心线周围，使高温运行不致发生随之而来的炉体材料问题。BGL气化炉的缺点有：(1)炉气化以块煤为主，在不易获得块煤的地方就不便采用；(2)煤种适应性差，要求采用低灰含量、低灰熔点的煤，当使用高灰熔点煤时，就需加入助熔剂；(3)炉内所用耐火材料需能耐高温和抗腐蚀性能，必须致密、孔径小，不含活性铁，对排渣口的耐火材料要求更高；(4)BGL气化炉中，排渣是整个操作的关键问题，此项操作较鲁奇干灰炉更为复杂；(5)有含酚废水排出，需用生化处理等方法加以净化；(6)煤气中CO含量较高，甲烷含量较低(与鲁奇干灰炉相比)，更适于作燃料气。3.2流化床气化工业上应用的流化床气化技术主要是常压、增压流化床，其中典型的有：高温温克勒(HTW)、灰熔聚气化(KRW和U-gas)和循环流化床气化工艺。1)高温温克勒(HTW)气化炉高温温克勒(HTW)气化炉提高操作压力和温度，增加流化床带出细分循环入炉系统，从而提高了气化炉的气化强度和碳转化率，煤气中的CH4含量亦降低。已运转的示范装置操作压力为1.0MPa，其生产能力为干褐煤720t/d。为应用于IGCC，进一步提高压力至2.5MPa以上，气化炉直径3.7m，褐煤处理能力达到160t/h，可满足36.7kW发电装置.2)灰熔聚气化(KRW和U-gas)U-gas气化炉是一个单段灰熔聚流化床，在床内完成4个主要过程：煤的破黏、脱挥发分、煤的气化和灰的熔聚、分离。气化剂(氧/蒸气)分两路进入气化炉：含氧较低的一股气化剂，通过流化床分布板进入，使流化床温度均匀保持954℃~1010℃；含氧较高的一股气化剂，以较高气速，通过特殊喷嘴喷入，目的是在喷嘴上方形成低泡相高温区(高出床层温度38℃)，此高温区的温度控制在煤灰的软化温度，在此温度下，灰渣可熔聚成团粒。当其粒度和相对密度逐渐增大到一定程度，即能克服逆向而来的气流阻力，落入灰斗，用水冷却后即可排出炉外。煤气夹带的煤粉，经两个串联的旋风分离器分离出来。其中一个旋风分离器装在炉内，能使绝大多数的夹带物分离并返回流化床；另一个装在炉外，进一步分离煤气夹带物并返回喷嘴再进入床层燃烧。U-gas气化炉由于采用了灰熔聚技术和内外两个旋风分离器，提高了碳的利用率。灰渣含量约为5%~10%；对煤种适应较广，并能使用粉煤为原料；炉体结构简单，操作安全可靠，并易于实现自动化；煤气中无焦油和油类，便于气体的净化处理；无废气排空，对环保有利。KRW炉由美国Kellogrustsynfuels及WestingHouseCompany合作开发。KRW炉是一种灰熔聚排灰的加压流化床气化炉。该炉为一圆筒形容器，由上大、下小直径不同的三段壳体组成。粉煤、输送气(循环煤气)和空气(或氧气)由炉底中心管喷入炉内，在喷管周围通入蒸汽，在喷咀处形成一股射流，向上运动，此即射流高温燃烧区。当含碳量降低了的颗粒变得越来越软，碰撞后互相黏结，增大而成团粒，当团粒增大至不再被流化时，落入扩底并从灰斗排出，在炉内的流化床中，煤与空气(或氧气)、蒸气进行气化反应，生成煤气并由颈部排出，经旋风除尘器除下夹带的焦粉，此焦粉返回炉内，与入炉煤粉相混而参加气化反应。3.3气流床气化国外已经产业化或完成中试的气流床煤气化炉主要有K-T、Shell、Prenflo、GSP、Texaco、E-Gas等技术。国内气流床煤气化炉主要有多喷嘴对置和TPRI两段干煤粉气化技术等。1)K-T气化炉K-T气化工艺将干燥的煤粉与过热蒸汽和氧气混合，从燃烧喷嘴喷入高温炉头进行燃烧和气化。气化炉采用水冷壁耐火衬里，炉壁为水夹套。高温炉头对称设置，可促进煤粉充分燃烧，同时避免火焰冲刷炉墙，保护衬里。炉头内温度高达2000℃，反应迅速，需要的时间约0.1s。气化炉中部温度为1500~1600℃，气体停留时间约为1.0~1.5s。部分煤灰以熔渣形式自炉底排出，其余渣滴和未燃尽炭粒则被煤气夹带出炉。气化的煤气经余热锅炉回收显热后进入煤气净化工序。K-T气化法的优点是对煤质适应性较广，气化强度高，生产能力大。然而，根据气流床气化动力学，则更宜选用活性高、地质年龄低、粒度较细、低灰熔点和低灰分的煤。再考虑经济效益，K-T法更适合于气化低价的烟煤、褐煤。此法的缺点是飞灰带出物的质量分数约为15%之多，是大规模生产应注意的一个问题；采用煤粉气力输送能耗大，设备磨损严重；对气化炉耐火材料要求较高；捕渣率低，约21%~30%，易造成后续系统堵塞；负荷调节幅度低，约70%。2)Texaco气化炉Texaco气化炉采用水煤浆进料，液态排渣，其内壁衬有多层耐火砖。水煤浆和氧气从炉顶的燃烧器高速连续地喷入部分氧化室，高温状态下工作的喷嘴设有冷却水装置，水煤浆喷入气化炉内迅速发生反应，数秒内完成气化过程。气化炉的下部因冷却方式不同有两种形式：一种是激冷型，一种是全热回收型。Texaco气化工艺的优点是气化炉结构简单，煤种适应性广，开停车方便，合成气质量好，合成气价格低，碳转化率高，可达97%～98%，单炉生产能力高；此工艺的缺点是水煤浆进料需气化大量水分，导致较高的煤耗和氧耗；气化炉耐火材料使用寿命短，烧嘴使用周期短等。3)E-Gas气化炉E-Gas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。此工艺的优点是采用了两段气化方式，增加了合成气的热值，同时降低了合成气的温度，减少换热负担，导致煤耗和氧耗的减少。其缺点是此炉型结构不能承受高压。4)GSP气化工艺GSP气化炉属下喷式加压气流床液态排渣工艺，以煤、化学残渣或生物质为原料。煤粉通过旋风分离器进入常压进料斗，通过氮气输送，与氧气、过热蒸汽一起进入气化炉进行气化反应，炉内温度为1200~1700℃，压力2.5~3.0MPa，内衬为盘管式水冷壁，粗合成气携带熔渣进入激冷室冷却洗涤，激冷后的灰渣经渣斗排出，激冷水送黑水处理工段。GSP气化工艺的优点是气化原料来源广，碳转化率高，可达99.6％，气化强度大、能耗低，采用水冷壁结构，以渣抗渣；其缺点是加料过程复杂，投资高，易堵塞。5)Shell气化炉Shell工艺是在K-T气化工艺上演变而来的高温加压粉煤气化工艺。。Shell气化炉