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煤炭气化贺百廷2014.12.20目录一．煤制油化工产业现状二．煤气化定义、化学反应、过程三．原料煤及煤灰的特征描述四．煤气化系统组成五．煤气化技术分类及特点六．煤气化技术发展趋势七．煤气化技术的选择方法八．对一些热点话题的思考一.煤制油化工产业现状1.煤制油化工产业：直接液化、间接液化、煤制烯烃、煤制天然气、煤制乙二醇、煤制芳烃、褐煤提制等2.项目越来越多3.规模、投资越来越大4.业主的风险意识越来越强5.煤气化技术的选择越来越被重视6.政府的要求越来越高：环保、节能、安全二.煤气化定义、化学反应、过程1.煤气化定义在一定的温度与压力下，煤炭与气化剂（空气、氧气、二氧化碳、水蒸汽等）反应，煤中有机质转化成煤气、矿物质转化成灰渣的过程2.煤气化化学反应•气化反应：C+H2O=CO+H2吸热反应C+CO2=2CO吸热反应•变换反应：CO+H2O=CO2+H2放热反应•燃烧反应：C+O2=CO2放热反应3.煤气化过程•干燥•干馏（热解）•气化•燃烧三.原料煤及煤灰的特征描述1.原料煤特征描述•工业分析：水分、灰分、挥发分、固定碳、硫含量、发热量•元素分析：炭、氢、氧、氮、硫•煤的工艺性质：哈氏可磨性指数、烟煤粘结指数、机械强度、粒度组成、限下率、热稳定性、二氧化碳反应性等•煤中微量元素：磷、氯、砷、氟、汞、铅、镉等。随着现代煤化工项目的大型化，煤中的微量元素对下游工艺及环保影响日益被人们所重视2.煤灰的特征描述•煤灰熔融性：①变形温度（DT，原称T1）②软化温度（ST，原称T2）③半球温度（HT）④流动温度（FT，原称T3）•粘温特性：煤灰的粘温特性是指煤的灰分在不同温度下熔融时，液态灰所表现的流动性。是液态排渣气化的重要参考指标。2.煤灰的特征描述•煤灰组成：Al2O3、SiO2、Fe2O3、MgO、TiO2、CaO、Na2O、K2O、MnO2、SO3、P2O5等成分的含量。其中Al2O3、SiO2、TiO2、P2O5称为酸性氧化物，一般认为其含量越高，煤灰熔点较高，灰黏度也高。而Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O称为碱性氧化物，其含量高时煤灰熔点和灰黏度会降低。2.煤灰的特征描述•沾污指数（Rf）是指煤灰碱度（B/A）乘煤灰中Na2O值。其能体现煤灰在高温受热面的沾污倾向。其中，煤灰碱度是煤灰中碱性氧化物含量与酸性氧化物含量的比值。Na2O值是煤灰中Na2O质量百分数。通常Rf按照＜0.2，0.2—0.5，0.5—1.0和＞1.0划分四个等级，分别代表轻微沾污、中等沾污、强沾污和严重沾污倾向。对于废锅流程的气化工艺有重要指导意义。四.煤气化系统组成煤气化系统由设备、连接设备的管道、附着在管道上的阀门及测量元件、控制系统等组成。煤气化系统采用了集成技术，核心是烧嘴及气化炉。包括：1.原料煤预处理及进料系统煤的破碎、筛分、制浆、制粉等。烧嘴、锁斗、密相输送、煤粉输送泵、螺旋杆给料2.排灰系统锁斗、连续排灰（渣）四.煤气化系统组成3.气化炉水冷壁、水夹套、耐火砖4.热回收系统副产蒸汽、预热工艺介质5.气体净化系统除尘：干法、湿法洗涤脱出酸性气体：（吸收、解析）四.煤气化系统组成6.变换系统：气体组分调整7.废水预处理脱出有机物：氨氮、油、酚等脱出盐类：超滤、反渗透、蒸发结晶五.煤气化技术分类及特点1.常压固定床（移动床）气化2.加压固定床（移动床）气化3.流化床气化4.气流床气化5.熔融床气化：融铁床、沙浴床、熔渣床6.地下气化1.常压移动床（固定床）气化•在冶金、建材、机械等行业用于制取工业燃气，在中小型合成氨厂用于制取合成气，在一些领域用于制备CO。•这种气化技术对原料要求严格（无烟煤、焦炭、半焦等），单炉生产能力小，环境污染严重，能耗高。•目前，以富氧（纯氧）/二氧化碳为气化剂的连续常压气化有一定的市场。•随着其它煤气化技术的不断发展与完善，随着时间的推移，终将被淘汰。2.加压固定床气化加压移动床（固定床）气化分固态排渣鲁奇炉和液态排渣BGL炉。在中国使用鲁奇炉的企业有：云南省解放军化肥厂、山西天脊煤化工集团公司、河南省义马气化厂等。近几年来，新疆广汇、大唐、新汶、庆华等公司也已选择鲁奇炉生产煤基天然气。Mark+气化炉，与Mark4-HP40相比，单炉负荷增加了100%。建议关注该气化炉的进展3.流化床气化•Winkler炉、HTW炉、恩德气化炉•U-Gas气化炉•KBR气化炉•中国ICC灰融聚气化炉•建议关注HTW炉和KBR公司开发的气化炉4.气流床气化•进料类型:干粉、水煤浆（多元料浆）•气化炉类型：热壁炉、水冷壁气化炉•煤烧嘴多少：单烧嘴、组合烧嘴、多烧嘴•烧嘴位置：顶部、中部•气化剂：氧气、空气•压力：常压、加压•流程配置：废锅流程、冷激流程•专利商：Shell、GE、Siemens、科林、Krupp-uhde、KBR、SES、山西煤化所、华理-兖矿、CBI(E-Ggas)、清华大学、西安热工研究院、西北化工研究院、航天煤化工公司、鲁奇公司、泽玛克公司、云煤、宁煤、五环、东方炉等6.不同煤气化技术对煤质的要求--干粉气流床干粉气流床煤气化工艺对原料煤有广泛的适应性，从无烟煤到褐煤的各种煤都可以气化。由于采用干粉进料，高温、加压气流床气化，对煤的活性、粘结性、机械强度、水分、挥发分等一些煤质指标要求不严格。虽然干粉气流床煤气化工艺对煤质的适应性很广，但它不是万能气化炉，从技术经济角度考虑，该工艺对煤质还是有一定要求的，主要要求及原因分析如下：6.不同煤气化技术对煤质的要求--干粉气流床•①灰分：干粉气流床采用液态排渣，灰分过高导致灰渣增加，热效率降低，还可能造成气化炉排渣不畅或堵塞。由于干粉气流床气化炉均采用膜式水冷壁结构，灰分过低导致气化炉不能正常挂渣，影响“以渣抗渣”的效果。实践表明：最佳灰分含量为12%～25%。6.不同煤气化技术对煤质的要求--干粉气流床②灰熔点：干粉气流床气化均是液态排渣，为确保灰分熔化、气化炉排渣顺畅，气化操作温度要高于煤灰FT（流动温度）100~150℃。在能满足碳转化率要求的前提下，气化操作温度越低越好。但灰熔点过低的煤在气流床粉煤气化炉上气化时存在操作温度低导致炭转化率偏低、提高操作温度则无法挂渣的问题。灰熔点高的煤需要加助溶剂来降低灰熔点。因此灰熔点FT在1250℃左右的煤较合适。6.不同煤气化技术对煤质的要求--干粉气流床③煤灰粘温特性：为了能使水冷壁正常挂渣，并且气化炉能顺利排渣，在气化炉温下，要求煤的灰渣粘度范围在25～40Pa·S。另一方面，要求煤灰粘温曲线平缓，以保证气化炉有较宽的温度操作窗口。6.不同煤气化技术对煤质的要求--干粉气流床③煤灰粘温特性：为了能使水冷壁正常挂渣，并且气化炉能顺利排渣，在气化炉温下，要求煤的灰渣粘度范围在25～40Pa·S。另一方面，要求煤灰粘温曲线平缓，以保证气化炉有较宽的温度操作窗口。6.不同煤气化技术对煤质的要求--干粉气流床④对于采用废锅流程的Shell煤气化工艺，为了避免煤灰在废热锅炉内结渣而影响换热效果并最终导致气化炉连锁停车，因此要求煤灰的沾污指数最好在0.5以下（碱金属含量要低）。对于激冷流程的GSP和HT-L干粉煤气化技术来说，对粘污指数没有要求。6.不同煤气化技术对煤质的要求--水煤浆气化结合水煤浆气化工艺和气化炉的特点，水煤浆气化的理想原料应该具备水煤浆浓度高（可磨指数高、内水低）、原料灰分低、灰融点低的特点。6.不同煤气化技术对煤质的要求--水煤浆气化①煤浆浓度根据我国近年来对水煤浆制备的研究，煤的可制浆浓度C与煤的空气干燥基水分和可磨指数的关联如下：C=68-0.6Mad+0.06HGI上式表明:煤的空气干燥基水分越低，煤浆浓度越高，煤的可磨指数越高，煤浆浓度越高。6.不同煤气化技术对煤质的要求--水煤浆气化煤浆浓度除了与煤的自然属性有关外，也与磨浆设备的特点和添加剂有关。工业实践表明：选用合适的磨浆设备（比如分级磨）和与之配伍的添加剂，可以提高几个点的煤浆浓度。在不影响贮存和输送的前提下，煤浆浓度越高，氧耗越低，煤耗也低，气化效率越高。水煤浆气化一般要求煤浆浓度在55%以上。6.不同煤气化技术对煤质的要求--水煤浆气化②煤灰特性煤的灰分含量、灰熔点、灰组成、粘温特性、沾污指数等统称煤灰特性。下面分析煤灰特性与水煤浆气化的关系：灰分含量：灰分含量低于20%（包括加入助溶剂CaO后）。越低越好，因为灰含量每增加1%，则氧耗增加0.7%~0.8%，煤耗增大1.3%~1.5%。6.不同煤气化技术对煤质的要求--水煤浆气化灰熔点：FT在1300℃以下，如灰熔点较高，可采取加助溶剂如石灰石粉，将灰熔点降下来。灰组成与粘温特性和沾污指数相关，是从不同的角度认识煤灰特性。对于水冷壁水煤浆气化炉要重视原料的粘温特性，因为，水冷壁水煤浆气化炉采用以渣抗渣的原理来保护气化炉水冷壁。如果灰的粘温曲线陡峭，气化炉的操作窗口就小，气化炉的操作难度加大。6.不同煤气化技术对煤质的要求--水煤浆气化如果气化炉后面带废锅，要关注灰的沾污指数。研究认为，废锅积灰与灰的玷污指数有关，即与煤灰中的碱性氧化物有关，特别是Na2O含量。因为一般认为碱金属的氧化物要在650℃以下才会冷凝析出。6.不同煤气化技术对煤质的要求--流化床气化①煤的反应性：任何类型气化炉都必须达到较高的碳转化率才具有经济效益或实用价值。而碳转化率主要与煤的反应活性、煤在气化炉中的停留时间和气化温度有关。考虑到气化炉的生产强度及动力消耗，即便是在循环流化床气化炉中，煤颗粒的停留时间也有一定限制。因此要保证较高的碳转化率必须提高煤的反应性。煤的反应性除了与其本身性质有关外，温度和压力也是重要的影响因素。6.不同煤气化技术对煤质的要求--流化床气化但流化床气化炉都是固态排渣，其操作温度必须在煤灰软化温度以下，因此气化温度不可能太高，灰熔聚气化炉在950~1100℃，KBR气化炉在900~980℃之间，因此为了保证较高的碳转化率，流化床气化要求煤的反应活性越高越好，在950℃下，煤对CO2反应性最好能高于80%。但对于灰熔点高的煤（ST1200℃），可以适当提高气化炉操作温度，因此煤的反应性可适当降低。6.不同煤气化技术对煤质的要求--流化床气化②灰熔点：结渣问题是影响流化床气化炉运行的重要问题之一。结渣可以导致固体颗粒失流态化，最终导致气化炉停车。为了避免炉内结渣，通常要求煤的灰熔点高于操作温度150℃左右。考虑到煤的反应活性及流化床气化炉出炉煤气中不含焦油的要求，通常流化床气化炉的操作温度都在900℃以上，因此流化床气化炉对煤的灰熔点ST要求高于1050℃。6.不同煤气化技术对煤质的要求--流化床气化③粒度：KBR气化炉属于传输床气化炉，具有高气速、高气固比、高循环量，这些特点要求煤的粒径要比其他形式的流化床小得多，同时为了减少带出细粉量，煤的粒径不能太细，要求在0.4mm左右。其它流化床要求煤的粒径稍大，在0~6mm。6.不同煤气化技术对煤质的要求--流化床气化④灰成分：煤灰中Fe2O3、CaO、Na2O等碱性金属氧化物的含量过高会与灰中的硅、铝等矿物质形成低熔点共熔物，降低煤的灰熔点。另外KBR气化技术采用的费锅流程回收煤气显热，热金属过滤除尘，煤灰中Na2O高温下挥发后会凝结在废热锅炉中及金属过滤器中形成烧结或粘结的灰沉积,影响换热系统和除尘系统的稳定运行。通常要求煤灰中Na2O的含量在5%以下。6.不同煤气化技术对煤质的要求--流化床气化⑤煤的粘结性：为了防止煤在炉中结焦，从而失流态化，要求煤的粘结指数小于30。⑥哈氏可磨性指数：KBR气化技术要求入炉煤的粒径在0.4mm左右，灰熔聚流化床要求入炉煤的粒径0~6mm，因此从磨煤制粉方面对煤的可磨性指数要求不如干粉气流床严格，但为了减少煤颗粒对气化炉内衬的磨损（尤其是旋风分离器），因此要求煤的硬度越低越好。6.不同煤气化技术对煤质的要求--流化床气化其他要求：KBR气化要求煤的水分小于18%，灰熔聚流化床气化要求煤的外水分小于5%。对煤灰分含量不做要求。6.不同煤气化技术对煤质的要求--干法排灰移动床气化