石炭气化技术

  一、液化气化原理

  气化过程是石炭的一个热化学加工过程。它是以煤或煤焦为原料，以氧气气（空气、富氧气或工业纯氧气）、水气作为气化剂，在高温高压下经过化学反响将煤或煤焦中的可燃局部转化为可燃性气体的工艺过程。气化时所得的可燃气体变成液化气，对于做化工原料用的液化气普通称为合成气（合成气除开以石炭为原料外，还可以认为合适而使用天然煤气、重质燃料组分等为原料），施行气化的设施称为液化气发生炉或气化炉。

  石炭气化里面含有一系列物理、化学变动。普通涵盖热解和气化和燃烧现象四个阶段。干燥归属物理变动，随着温度的升高，煤中的养分受热蒸发。其它归属化学变动，燃烧现象也可以觉得是气化的一小批。煤在气化炉中干燥往后，随着温度的进一步升高，煤分子发生热分解反响，生成数量多挥发性事物（涵盖干馏液化气、木焦油和热解水等），同时煤粘结成半焦。煤热解后形成的半焦在更高的温度下与通入气化炉的气化剂发生化学反响，生成以一氧气化碳、氢气、甲烷及碳酸气、氮气、硫化氢、水等为主要成分的气体状态产物，即粗液化气。气化反响涵盖众多的化学反响，主要是碳、水、氧气、氢、一氧气化碳、碳酸气互相间的反响，那里面碳与氧气的反响又叫作燃烧现象反响，供给气化过程的卡路里。

  主要反响有：

  1、水气转化反响 C+H2O=CO+H2-131KJ/mol

  2、水液化气变换反响 CO+ H2O=CO2+H2+42KJ/mol

  3、局部氧气化反响 C+0.5 O2=CO+111KJ/mol

  4、绝对氧气化（燃烧现象）反响 C+O2=CO2+394KJ/mol

  5、甲烷化反响 CO+2H2=CH4+74KJ/mol

  6、Boudouard反响 C+CO2=2CO-172KJ/mol

  二、液化气化工艺

  石炭气化技术虽有众多种不一样的分类办法，但普通常用按出产装置化学工程特点标志分类办法施行分类，或称为依照反响器方式分类。气化工艺在非常大程度上影响炭化工产品的成本和速率，认为合适而使用高效、低耗、无污染的液化气化工艺(技术)是进展炭化工的关紧前提，那里面反响器便是工艺的中心，可谓气化工艺的进展是随着反响器的进展而进展的，为了增长液化气化的气化率和气化炉气化强度，改善背景，新一代液化气化技术的研发总的方向，气化压力由常压向中高压（8.5 MPa）进展；气化温度向高温（1500～1600℃）进展；气化原料向多样化进展；固态排渣向液态排渣进展。

  1、固定床气化

  固定床气化也称移动床气化。固定床普通以块煤或主焦煤为原料。煤由气化炉顶参加，气化剂由炉底参加。流生气体的升涨力不以致固体颗粒的相对位置变样，即固体颗粒处于相对固定状况，床层高度亦基本维持未变，故而称为固定床气化。额外，从宏观角度看，因为煤从炉顶参加，包括残炭的炉渣自炉底排出，气化过程中，煤粒在气化炉内渐渐并不迅速往下移动，故而又叫作为移动床气化。

  固定床气化的特别的性质是简单、靠得住。同时因为气化剂于煤倒流接触，气化过程施行得比较绝对，且使卡路里获得合理利用，故而具备较高的热速率。

  固定床气化炉常见有间歇式气化（UGI）和蝉联式气化（鲁奇Lurgi）2种。前者用于出产合成气时必须要认为合适而使用无烟煤（硬煤）或焦碳为原料，以减低合成气中CH4含量，国内有数千台这类气化炉，弊病颇多；后者国内有20多台火炉，多用于出产城市液化气；该技术所含液化气开始阶段的净化系统极为复杂，不是公认的首选技术。

  （1）、固定床间歇式气化炉（UGI）

  以块状硬煤或木炭为原料，以空气和水气为气化剂，在常压下出产合成原料气或燃烧材料气。该技术是30时代研发成功的，投资少，容易操作，到现在为止已属滞后的技术，其气化率低、原料纯一、能耗高，间歇制气过程中，数量多吹习气排空，每吨合成氨吹习气放空多达5 000 m3，放空气体中含CO、CO2、H2、H2S、SO2、NOx及粉灰；液化气冷却荡涤塔排出的污水包括木焦油、酚类及氰化物，导致背景污染。我国中小化肥厂有900余家，大多数厂仍认为合适而使用该技术出产合成原料气。随着能量物质政策和背景的要来越来越高，不长的日后，会逐层为新的液化气化技术所代替。

  （2）、鲁奇气化炉

  30时代德国鲁奇（Lurgi）企业研发成功固定床蝉联块液化气化技术，因为其原料适合性较好，单炉劳动能力较大，在国里外获得广泛应用。气化炉压力（2.5～4.0）MPa，气化反响温度（800～900）℃，固态排渣，气化炉已定型（MK～1～MK－5），那里面MK－5型炉，内径4.8m，投煤量（75～84）吨/h，粉液化气产量（10～14）万m3/h。液化气中除含CO和H2外，含CH4高达10百分之百～12百分之百，可作为城市液化气、人工天然煤气、合成命运用。欠缺是气化炉结构复杂、炉内设有破粘和煤散布器、炉篦等转动设施，制作和维修花销大；入炉煤务必是块煤；原料出处受一定限止；出炉液化气中含木焦油、酚等，污水处置和液化气净化工艺复杂、流程长、设施多、炉渣含碳5百分之百左右。针对上面所说的问题，1984年鲁奇企业和英国液化气企业联手研发了液体排渣气化炉（BGL），独特的地方是船舶蝶阀气化温度高，灰渣成熔化态排出，炭转化率高，合成气品质较好，液化气化萌生废水量小况且处置困难程度小，单炉劳动能力同比增长3～5倍，是一种有进展前景的气化炉。

  2、流化床气化

  流化床气化又叫作为沸腾床气化。其以小颗粒煤为气化原料，这些个细颗粒在自下而上的气化剂的效用下，维持着衮衮和无秩序的沸腾和悬浮状况运动，迅疾地施行着混合和热交换，其最后结果造成整个儿床层温度和组成的均一。流化床气化能得以迅疾进展的主要端由在于：（1）出产强度较固定床大。（2）直接运用小颗粒碎煤为原料，适合采煤技术进展，避开了块煤供求矛盾。（3）对煤种煤质的适合性强，可利用如褐煤等高灰质量低劣煤作原料。

  流化床气化炉常见有温克勒（Winkler）、灰熔聚（U-Gas）、循环流化床（CFB）、增大压力流化床（PFB是PFBC的气化局部）等。

  （1）、循环流化床气化炉CFB

  鲁奇企业研发的循环流化床气化炉（CFB）令人气愤化各种煤，也可以用碎木、树皮、城市可燃垃圾作为气化原料，水气和氧气气作气化剂，气化比较绝对，气化强度大，是移动床的2倍，碳转化率高（97百分之百），炉底排灰中含碳2百分之百～3百分之百，气化原料循环过程中回返气化炉内的循环物料是新参加原料的40倍，炉内气流速度在（5～7）m/s之间，有颀长的导热传质速度。气化压力0.15MPa。气化温度视原料事情状况施行扼制，普通扼制循环旋风清除粉尘器的温度在（800～1050）℃之间。鲁奇企业的CFB气化技术，在全球已有60多个工厂认为合适而使用，正在预设和建设的还有30多个工厂，在国际商品交换市场处于领先地位。

  CFB气化炉基本是常压操作，若以煤为原料出产合成气，每千克煤耗费气化剂水气1.2kg，氧气气0.4kg，可出产液化气 （l.9～2.0）m3。液化气成份CO＋H2＞75百分之百，CH4含量2.5百分之百左右， CO215百分之百，低于德士古炉和鲁奇MK型炉液化气中CO2含量，有帮助于合成氨的出产。

  （2）、灰熔聚流化床粉液化气化技术

  灰熔聚液化气化技术以小于6mm粒径的干粉煤为原料，用空气或富氧气、水气作气化剂，粉煤和气化剂从气化炉底部蝉联参加，在炉内（1050～1100）℃的高温下施行迅速气化反响，被粗液化气夹带的未绝对反响的残碳和飞灰，经两极旋风离合器回收，再回返炉内施行气化，因此增长了碳转化率，使灰中含磷量减低到10百分之百以下，排灰系统简单。粗液化气中几乎不含木焦油、酚等有害事物，液化气容易净化，这种先进的液化气化技术中国已自行研发成功。该技术可用于出产燃烧材料气、合成气和联手循环发电，尤其用于中小氮肥厂代替间歇式固定床气化炉，以气煤代替硬煤出产合成氨原料气，可以使合成氨成本减低15百分之百～20百分之百，具备广大宽阔的进展前面的景物。

  U－Gas在上海焦化厂（120吨煤/天）1994年十一月开车，长时期运转不正常，于2002年前停运；中科院山西炭化所研发的ICC灰熔聚气化炉，于2001年在陕西城化股份企业施行了100吨/天制合成气工业做出典范装置尝试。CFB、PFB可以出产燃烧材料气，但国际上尚无出产合成气前例；Winkler已有用于合成气出产案件的例子，但对粒度、煤种要求较为严明，甲烷含量较高（0.7百分之百～2.5百分之百），并且设施出产强度较低，已不代表趋势。

  3、气流床气化

  气流床气化是一种并流式气化。从原料形态分有水煤浆、干煤粉2类；从专利上分，Texaco、Shell最具代表性。前者是先将煤粉制成煤浆，用泵送入气化炉，气化温度1350～1500℃；后者是气化剂将煤粉夹带入气化炉，在1500～1900℃高温下气化，残渣以熔渣方式排出。在气化炉内，石炭齑粉粒经特别喷嘴儿进入了反响室，会在刹那失火，直接发点燃燃料焰反响，同时处于不充分的氧气化条件下，因为这个，其热解、燃烧现象以吸热的气化反响，几乎是同时发生的。随气流的运动，未反响的气化剂、热解挥发物及燃烧现象产物裹夹着煤焦粒子高速运动，运动过程中施行着煤焦颗粒的气化反响。这种运动状况，相当于流化技术领域里对固体颗粒的“气流输送”，习性上称为气流床气化。

  气流床对煤种（气煤、褐煤）、粒度、含硫、含灰都具备较大的兼容性，国际上已有多家单系列、大容积、增大压力厂在运作，其保洁、高效代表着当今技术进展潮流。

  干粉进料的主要有K-T（Koppres-Totzek）炉、Shell- Koppres炉、Prenflo炉、Shell炉、GSP炉、ABB-CE炉，湿法煤浆进料的主要有德士古（Texaco）气化炉、Destec炉。

  （1）、德士古（Texaco）气化炉

  美国Texaco(2002年前变成Chevron企业一小批，2004年五月被GE企业从各处买进)研发的水煤浆气化工艺是将煤加水磨成液体浓度为60～65百分之百的水煤浆，用纯氧气作气化剂，在高温高压下施行气化反响，气化压力在3.0～8.5MPa之间，气化温度1400℃，液态排渣，液化气成份CO＋H2为80百分之百左右，不含木焦油、酚等有机化合物质，对背景无污染，碳转化率96～99百分之百，气化强度大，火炉结构简单，能耗低，运转率高，并且煤适合范围较宽。到现在为止Texaco最大经济活动装置是Tampa电站，归属DOE的CCT-3，1989年立项，1996年七月投运，十二月宣告进入了证验运行。该装置为单炉，日处置煤2000～2400吨，气化压力为2.8MPa，氧气纯净度为95百分之百，煤浆液体浓度68百分之百，冷液化气速率～76百分之百，净功率250MW。

  Texaco气化炉由喷嘴儿、气化室、激冷室(或废热锅炉)组成。那里面喷嘴儿为三通道，工艺氧气走一、三通道，水煤浆走二通道，介于两股氧气喷射的流体之间。水煤浆气化喷嘴儿常常面对喷口磨耗问题，主要是因为水煤浆在较高线速下(约30m/s)对金属材质的冲刷腐蚀。喷嘴儿、气化炉、激冷环等为Texaco水煤浆气化的技术关键。

  80时代末直到现在，中国共引进多套Texaco水煤浆气扮装置，用于出产合成气，我国在水煤浆气化领域中积累了浩博的预设、安装、开车以及新技术研讨研发经验与知识。

  从已投入生产的水煤浆增大压力气扮装置的运做事情状况看，主要长处：水煤浆制备输送、计量扼制简单、安全、靠得住；设施国产化率高，投资省。因为工程预设和操作经验的不完备，还没有达到长周期、高载荷、牢稳运行的最佳状况，存在的问题还较多，主要欠缺：喷嘴儿生存的年限短、激冷环生存的年限仅一年、褐煤的制浆液体浓度约59百分之百～61百分之百；气煤的制浆液体浓度为65百分之百；因液体变气体煤浆中的水要耗去煤的8百分之百，比干煤粉为原料氧气耗高12百分之百～20百分之百，所以速率比较低。

  （2）、Destec（Global E-Gas）气化炉

  Destec气化炉已建设2套经济活动装置，都在美国：LGT1（气化炉容积2200吨/天，2.8MPa，1987年投运）与Wabsh Rive（二台炉，一开一备，单炉容积2500吨/天，2.8MPa，1995年投运）炉型大致相似于K-T，分第1段（水准段）与第二段（铅直段），在第1段中，2个喷嘴儿成180度对置，借助撞击流以巩固混合，克服了Texaco炉型的速度成钟型（正态）散布的欠缺，无上反响温度约1400℃。为增长冷液化气速率，在第二阶段中，认为合适而使用总煤浆量的10百分之百～20百分之百施行冷激（该点与Shell、Prenflo的循环没气冷激不一样），此处的反响温度约1040℃，出口液化气进火管锅炉回收卡路里。熔渣自气化炉第1段中部流下，经水冷激固化，形成渣水浆排出。E-Gas气化炉认为合适而使用压力螺旋式蝉联排渣系统。

  Global E-Gas气化技术欠缺为：二次水煤浆稽留时间短，碳转化率较低；设有一个极大的离合器，以离合一次液化气中带着灰渣与二次煤浆的灰渣与残炭。这种炉型适应于出产燃烧材料气而不舒服合于出产合成气。

  （3）、Shell气化炉

  最早成功实现工业化的干粉加料气化炉是K-T炉，其他都是在其基础之进步展起来的，50时代初Shell研发渣油气化成功，在此基础上，经历了3个阶段：1976年尝试石炭30余种；1978年与德国Krupp-Koppers（krupp-Uhde企业的前身）合作，在Harburg建设日处置150t煤装置；两家分离后，1978年在美国Houston的Deer Park建设日处置250t高硫气煤或日处置400t高灰分、高养分褐煤。共消耗时间16年，至1988年Shell煤技术使用于荷兰Buggenum IGCC电站。该装置的预设办公为1.6年，1990年十月动工建筑，1993年开车，1994年元月进入了为时3年的证验期，到现在为止已处于经济活动运行阶段。单炉日处置煤2000t。

  Shell气化炉壳体直径约4.5m，4个喷嘴儿位于火炉下部同一平行面上，沿圆周平均安置，借助撞击流以巩固热质传交过程，使炉内横剖面气速相对趋于平均。炉衬为水冷壁（Membrame Wall），总重500t。炉壳于水冷管排之间有约0.5m空隙，做安装、检查修理用。

  液化气带着煤灰总量的20百分之百～30百分之百沿气化炉轴线上进运动，在靠近炉顶处通入循环液化气激冷，激冷液化气量约占生成液化气量的60百分之百～70百分之百，降低温度至900℃，熔渣凝结，发泄化炉，沿斜管道向向上入了管式余热锅炉。煤灰总量的70百分之百～80百分之百以熔态流入气化炉底部，激冷凝结，自炉底排出。

  粉煤由N2带着，密相输送进入了喷嘴儿。工艺氧气（纯净度为95百分之百）与蒸汽也由喷嘴儿进入了，其压力为3.3～3.5MPa。气化温度为1500～1700℃，气化压力为3.0MPa。冷液化气速率为79百分之百～81百分之百；原料煤热值的13百分之百经过锅炉转化为蒸汽；6百分之百由设施和出冷却器的液化气显热亏损于大气和冷却水。

  Shell液化气化技术就象下所述长处：认为合适而使用干煤粉进料，氧气耗比水煤浆低15百分之百；碳转化率高，可达99百分之百，耗煤量比水煤浆低8百分之百；劝解载荷便捷，关闭一对喷嘴儿，载荷则减低50百分之百；炉衬为水冷壁，据称其生存的年限为20年，喷嘴儿生存的年限为1年。主要欠缺：设施投资大于水煤浆气化技术；气化炉及废锅炉结构过于复杂，加工困难程度加大。

  （4）、GSP气化炉

  GSP（GAS Schwarze Pumpe）称为“黑抽水机气化技术”，由前东德的德心志燃烧材料研讨所（略称DBI）于1956年研发成功。到现在为止该技术归属设立于2002年未来能量物质企业(FUTURE ENERGY GmbH)（Sustec Holding AG子企业）。GSP气化炉是一种下喷式增大压力气流床液态排渣气化炉，其石炭参加形式大致相似于shell，火炉结构大致相似于德士古气化炉。1983年十二月在黑抽水机联手公司建成第1套工业装置，单台气化炉投煤量为720吨/天，1985年投入运行。GSP气化炉到现在为止应用很少，仅有5个厂应用，我国还未有一台正式运用，宁煤集团（我企业控股）即将引进此技术用于炭化工项目。

  总之，从增大压力、大容积、煤种兼容性大等方面看，气流床液化气化技术代表着气化技术的趋势，水煤浆和干煤粉进料状况各有好处害处，界限并不非常明确，国内技术界也众说多而杂乱。

  3、我国液化气化技术发展

  液化气化技术在中国已有近一百年的历史，但还是较滞后和进展不迅速，就总体而言，中国液化气化以传统技术为主，工艺滞后，环保设备不健全，石炭利用速率低，污染严重。到现在为止在国内较为成熟的还是只是常压固定床气化技术。它广泛用于冶炼金属、化工、建筑材料、机械等工业行业和人民生活所使用的燃气，以UGI、水液化气两段炉、发生炉两段炉等固定床气化技术为主。常压固定床气化技术的长处是操作简单，投资小；但技术滞后，有经验和速率低，污染重，紧急需要技术改造。如未变更目前的状况，将影响经济、能量物质和背景的协调进展。

  近40年来，在国度的支持下，中国在研讨与研发、克化引进技术方面施行了数量多办公。我国先后从海外引进的液化气化技术多端。经过对液化气化引进技术的克化借鉴，特别是经过国度重点科学技术攻关，对引进装置施行技术改造并使之国产化，使我国液化气化技术的研讨研发获得了关紧发展。50时代末到80时代施行了仿K-T气化技术研讨与研发；80时代中科院山西炭化所研发了灰熔聚流化床液化气化工艺并获得了专利；“九五”时期华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程企业承受了国度重点科学技术攻关项目“新式(多喷嘴儿对置)水煤浆气化炉研发”(22吨煤/天装置)，中试装置的最后结果表明：管用气成分～83百分之百，比相同条件下的Texaco出产装置高1.5～2个百分比；碳转化率>98百分之百，比Texaco高2～3个百分比；比耗煤量、比氧气耗均比Texaco减低7百分之百。 “十五”时期多喷嘴儿对置式水煤浆气化技术已进入了经济活动做出典范阶段。“新式水煤浆气化技术”获“十五”国度高技术研讨进展规划(863规划)立项，由兖矿集团有限企业、华东理工大学承受，在兖矿鲁南化肥厂建设多喷嘴儿对置式水煤浆气化炉及组成一套工程，利用两台日处置1150吨煤多喷嘴儿对置式水煤浆气化炉(4.0MPa)组成一套出产24万吨木醇、联产71.8MW发电，总投资为～16亿元。该装置于2005年七月二十一号一次投料成功，并完成80钟头蝉联、牢稳运行。装置开始阶段的运行最后结果表明：管用气CO＋H2超过82％，碳转化率高于98％。它微记着我国领有了具有自主知识产权的、与国度能量物质结构相适合的液化气化技术具备重大的打破，其水准填补了国内空白，并达到国际先进水准。