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煤炭氣化工藝
閱讀：1370 發(fā)布時(shí)間：2020-4-11煤炭氣化技術(shù)雖有很多種不同的分類方法， 但一般常用按生產(chǎn)裝置化學(xué)工程特 征分類方法進(jìn)行分類，或稱為按照反應(yīng)器形式分類。氣化工藝在很大程度上影響煤 化工產(chǎn)品的成本和效率，采用高效、低耗、無污染的煤氣化工藝 ( 技術(shù) ) 是發(fā)展煤化 工的重要前提，其中反應(yīng)器便是工藝的核心，可以說氣化工藝的發(fā)展是隨著反應(yīng)器 的發(fā)展而發(fā)展的，為了提高煤氣化的氣化率和氣化爐氣化強(qiáng)度，改善環(huán)境，新一代 煤氣化技術(shù)的開發(fā)總的方向，氣化壓力由常壓向中高壓（ 8.5 MPa ）發(fā)展；氣化溫 度向高溫（ 1500 ～ 1600 ℃）發(fā)展；氣化原料向多樣化發(fā)展；固態(tài)排渣向液態(tài)排渣發(fā)展。
1 固定床氣化 固定床氣化也稱移動(dòng)床氣化。固定床一般以塊煤或焦煤為原 料。煤由氣化爐頂加入，氣化劑由爐底加入。流動(dòng)氣體的上升力不致使固體顆粒的 相對(duì)位置發(fā)生變化，即固體顆粒處于相對(duì)固定狀態(tài)，床層高度亦基本保持不變，因 而稱為固定床氣化。另外，從宏觀角度看，由于煤從爐頂加入，含有殘?zhí)康臓t渣自 爐底排出，氣化過程中，煤粒在氣化爐內(nèi)逐漸并緩慢往下移動(dòng)，因而又稱為移動(dòng)床 氣化。 （ 1 ）固定床間歇式氣化爐（ UGI ） 以塊狀無煙煤或焦炭為原料，以空氣和水蒸 氣為氣化劑，在常壓下生產(chǎn)合成原料氣或燃料氣。該技術(shù)是 30 年代開發(fā)成功的， 投資少，容易操作，目前已屬落后的技術(shù)，其氣化率低、原料單一、能耗高，間歇 制氣過程中，大量吹風(fēng)氣排空，每噸合成氨吹風(fēng)氣放空多達(dá) 5 000 m 3 ，放空氣體中 含 CO 、 CO 2 、 H 2 、 H 2 S 、 SO 2 、 NOx 及粉灰；煤氣冷卻洗滌塔排出的污水含有焦油、 酚類及*化物，造成環(huán)境污染。我國(guó)中小化肥廠有 900 余家，多數(shù)廠仍采用該技術(shù) 生產(chǎn)合成原料氣。隨著能源政策和環(huán)境的要來越來越高，不久的將來，會(huì)逐步為新 的煤氣化技術(shù)所取代。 （ 2 ）魯奇氣化爐 30 年代德國(guó)魯奇（ Lurgi ）公司開發(fā)成功固定床連續(xù)塊煤氣 化技術(shù)，由于其原料適應(yīng)性較好，單爐生產(chǎn)能力較大，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。氣 化爐壓力（ 2.5 ～ 4.0 ） MPa ，氣化反應(yīng)溫度（ 800 ～ 900 ）℃，固態(tài)排渣，氣化爐已 定型（ MK-1 ～ MK － 5 ） ，其中 MK － 5 型爐，內(nèi)徑 4.8m ，投煤量（ 75 ～ 84 ）噸 /h ， 粉煤氣產(chǎn)量（ 10 ～ 14 ）萬 m 3 /h 。煤氣中除含 CO 和 H 2 外，含 CH 4 高達(dá) 10% ～ 12% ， 可作為城市煤氣、人工天然氣、合成氣使用。缺點(diǎn)是氣化爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜、爐內(nèi)設(shè)有破 粘和煤分布器、爐篦等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，制造和維修費(fèi)用大；入爐煤必須是塊煤；原料來 源受一定限制； 出爐煤氣中含焦油、 酚等， 污水處理和煤氣凈化工藝復(fù)雜、 流程長(zhǎng)、 設(shè)備多、爐渣含碳 5% 左右。針對(duì)上述問題， 1984 年魯奇公司和英國(guó)煤氣公司聯(lián)合 開發(fā)了液體排渣氣化爐（ BGL ） ，特點(diǎn)是氣化溫度高，灰渣成熔融態(tài)排出，炭轉(zhuǎn)化 率高，合成氣質(zhì)量較好，煤氣化產(chǎn)生廢水量小并且處理難度小，單爐生產(chǎn)能力同比 提高 3 ～ 5 倍，是一種有發(fā)展前途的氣化爐。 2 流化床氣化 流化床氣化又稱為沸騰床氣化。其以小顆粒煤為氣化原料， 這些細(xì)顆粒在自下而上的氣化劑的作用下， 保持著連續(xù)不斷和無秩序的沸騰和懸浮 狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，迅速地進(jìn)行著混合和熱交換，其結(jié)果導(dǎo)致整個(gè)床層溫度和組成的**。流化床氣化能得以迅速發(fā)展的主要原因在于： （ 1 ）生產(chǎn)強(qiáng)度較固定床大。 （ 2 ）直接使用小顆粒碎煤為原料，適應(yīng)采煤技術(shù)發(fā)展，避開了塊煤供求矛盾。 （ 3 ）對(duì)煤種煤 質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)，可利用如褐煤等高灰劣質(zhì)煤作原料。 （ 1 ）循環(huán)流化床氣化爐 CFB 魯奇公司開發(fā)的循環(huán)流化床氣化爐（ CFB ） 可氣化各種煤，也可以用碎木、樹皮、城市可燃垃圾作為氣化原料，水蒸氣和氧氣 作氣化劑，氣化比較*，氣化強(qiáng)度大，是移動(dòng)床的 2 倍，碳轉(zhuǎn)化率高（ 97% ） ，爐 底排灰中含碳 2% ～ 3% ，氣化原料循環(huán)過程中返回氣化爐內(nèi)的循環(huán)物料是新加入原 料的 40 倍，爐內(nèi)氣流速度在（ 5 ～ 7 ） m/s 之間，有很高的傳熱傳質(zhì)速度。氣化壓力 0.15MPa 。 氣化溫度視原料情況進(jìn)行控制， 一般控制循環(huán)旋風(fēng)除塵器的溫度在 （ 800 ～ 1050 ）℃之間。魯奇公司的 CFB 氣化技術(shù)，在*已有 60 多個(gè)工廠采用，正在 設(shè)計(jì)和建設(shè)的還有 30 多個(gè)工廠，在世界市場(chǎng)處于**地位。 （ 2 ）灰熔聚流化床粉煤氣化技術(shù) 灰熔聚煤氣化技術(shù)以小于 6mm 粒徑的 干粉煤為原料，用空氣或富氧、水蒸氣作氣化劑，粉煤和氣化劑從氣化爐底部連續(xù) 加入，在爐內(nèi)（ 1050 ～ 1100 ）℃的高溫下進(jìn)行快速氣化反應(yīng)，被粗煤氣夾帶的未完 全反應(yīng)的殘?zhí)己惋w灰，經(jīng)兩極旋風(fēng)分離器回收，再返回爐內(nèi)進(jìn)行氣化，從而提高了 碳轉(zhuǎn)化率， 使灰中含磷量降低到 10% 以下， 排灰系統(tǒng)簡(jiǎn)單。 粗煤氣中幾乎不含焦油、 酚等有害物質(zhì)，煤氣容易凈化，這種**的煤氣化技術(shù)中國(guó)已自行開發(fā)成功。該技 術(shù)可用于生產(chǎn)燃料氣、合成氣和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，特別用于中小氮肥廠替代間歇式固 定床氣化爐，以煙煤替代無煙煤生產(chǎn)合成氨原料氣，可以使合成氨成本降低 15% ～ 20% ，具有廣闊的發(fā)展前景。 3 氣流床氣化 氣流床氣化是一種并流式氣化。 從原料形態(tài)分有水煤漿、 干煤 粉 2 類；從**上分， Texaco 、 Shell *具代表性。前者是先將煤粉制成煤漿，用泵 送入氣化爐， 氣化溫度 1350 ～ 1500 ℃； 后者是氣化劑將煤粉夾帶入氣化爐， 在 1500 ～ 1900 ℃高溫下氣化，殘?jiān)匀墼问脚懦?。在氣化爐內(nèi)，煤炭細(xì)粉粒經(jīng)特殊噴嘴進(jìn) 入反應(yīng)室，會(huì)在瞬間著火，直接發(fā)生火焰反應(yīng)，同時(shí)處于不充分的氧化條件下，因 此，其熱解、燃燒以吸熱的氣化反應(yīng)，幾乎是同時(shí)發(fā)生的。隨氣流的運(yùn)動(dòng)，未反應(yīng) 的氣化劑、熱解揮發(fā)物及燃燒產(chǎn)物裹夾著煤焦粒子高速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行著煤 焦顆粒的氣化反應(yīng)。這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，相當(dāng)于流化技術(shù)領(lǐng)域里對(duì)固體顆粒的“氣流輸 送” ，習(xí)慣上稱為氣流床氣化。 1 ）德士古（ Texaco ）氣化爐 美國(guó) Texaco(2002 年初成為 Chevron 公司一部 分， 2004 年 5 月被 GE 公司收購 ) 開發(fā)的水煤漿氣化工藝是將煤加水磨成濃度為 60 ～65% 的水煤漿，用純氧作氣化劑，在高溫高壓下進(jìn)行氣化反應(yīng)，氣化壓力在 3.0 ～ 8.5MPa 之間，氣化溫度 1400 ℃，液態(tài)排渣，煤氣成份 CO ＋ H 2 為 80% 左右，不含 焦油、酚等有機(jī)物質(zhì)，對(duì)環(huán)境無污染，碳轉(zhuǎn)化率 96 ～ 99% ，氣化強(qiáng)度大，爐子結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單， 能耗低， 運(yùn)轉(zhuǎn)率高， 而且煤適應(yīng)范圍較寬。 目前 Texaco *商業(yè)裝置是 Tampa 電站，屬于 DOE 的 CCT-3 ， 1989 年立項(xiàng)， 1996 年 7 月投運(yùn)， 12 月宣布進(jìn)入驗(yàn)證運(yùn) 行。 該裝置為單爐， 日處理煤 2000 ～ 2400 噸， 氣化壓力為 2.8MPa ， 氧純度為 95% ， 煤漿濃度 68% ，冷煤氣效率～ 76% ，凈功率 250MW 。 從已投產(chǎn)的水煤漿加壓氣化裝置的運(yùn)行情況看，主要優(yōu)點(diǎn)：水煤漿制備輸送、 計(jì)量控制簡(jiǎn)單、安全、可靠；設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率高，投資省。由于工程設(shè)計(jì)和操作經(jīng)驗(yàn) 的不完善， 還沒有達(dá)到長(zhǎng)周期、 高負(fù)荷、 穩(wěn)定運(yùn)行的*佳狀態(tài)， 存在的問題還較多， 主要缺點(diǎn)：噴嘴壽命短、激冷環(huán)壽命僅一年、褐煤的制漿濃度約 59% ～ 61% ；煙煤 的制漿濃度為 65% ；因汽化煤漿中的水要耗去煤的 8% ，比干煤粉為原料氧耗高 12% ～ 20% ，所以效率比較低。 （ 2 ） Destec （ Global E-Gas ）氣化爐 Destec 氣化爐已建設(shè) 2 套商業(yè)裝置，都 在美國(guó)： LGT1 （氣化爐容量 2200 噸 / 天， 2.8MPa ， 1987 年投運(yùn)） 與 Wabsh Rive （二 臺(tái)爐，一開一備，單爐容量 2500 噸 / 天， 2.8MPa ， 1995 年投運(yùn)）爐型類似于 K-T ， 分*一段（水平段）與第二段（垂直段） ，在*一段中， 2 個(gè)噴嘴成 180 度對(duì)置，借 助撞擊流以強(qiáng)化混合，克服了 Texaco 爐型的速度成鐘型（正態(tài)）分布的缺陷，*高 反應(yīng)溫度約 1400 ℃。 為提高冷煤氣效率， 在第二階段中， 采用總煤漿量的 10% ～ 20% 進(jìn)行冷激 （該點(diǎn)與 Shell 、 Prenflo 的循環(huán)沒氣冷激不同） ， 此處的反應(yīng)溫度約 1040 ℃， 出口煤氣進(jìn)火管鍋爐回收熱量。熔渣自氣化爐*一段中部流下，經(jīng)水冷激固化，形 成渣水漿排出。 E-Gas 氣化爐采用壓力螺旋式連續(xù)排渣系統(tǒng)。 （ 3 ） Shell 氣化爐 Shell 氣化爐殼體直徑約 4.5m ， 4 個(gè)噴嘴位于爐子下部同 一水平面上，沿圓周均勻布置，借助撞擊流以強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞過程，使?fàn)t內(nèi)橫截面氣 速相對(duì)趨于均勻。爐襯為水冷壁（ Membrame Wall ） ，總重 500t 。爐殼于水冷管排之 間有約 0.5m 間隙，做安裝、檢修用。煤氣攜帶煤灰總量的 20% ～ 30% 沿氣化爐軸 線向上運(yùn)動(dòng)，在接近爐頂處通入循環(huán)煤氣激冷，激冷煤氣量約占生成煤氣量的 60% ～ 70% ，降溫至 900 ℃，熔渣凝固，出氣化爐，沿斜管道向上進(jìn)入管式余熱鍋 爐。煤灰總量的 70% ～ 80% 以熔態(tài)流入氣化爐底部，激冷凝固，自爐底排出。粉煤 由 N2 攜帶，密相輸送進(jìn)入噴嘴。工藝氧（純度為 95% ）與蒸汽也由噴嘴進(jìn)入，其壓力為 3.3 ～ 3.5MPa 。 氣化溫度為 1500 ～ 1700 ℃， 氣化壓力為 3.0MPa 。 冷煤氣效率 為 79% ～ 81% ； 原料煤熱值的 13% 通過鍋爐轉(zhuǎn)化為蒸汽； 6% 由設(shè)備和出冷卻器的煤 氣顯熱損失于大氣和冷卻水。 （ 4 ） GSP 氣化爐 GSP （ GAS Schwarze Pumpe ）稱為“黑水泵氣化技術(shù)” ， 由前東德的德意志燃料研究所（簡(jiǎn)稱 DBI ）于 1956 年開發(fā)成功。目前該技術(shù)屬于 成立于 2002 年未來能源公司 (FUTURE ENERGY GmbH) （ Sustec Holding AG 子公 司） 。 GSP 氣化爐是一種下噴式加壓氣流床液態(tài)排渣氣化爐，其煤炭加入方式類似 于 shell ，爐子結(jié)構(gòu)類似于德士古氣化爐。